第七章材料的力学性能精选文档.ppt

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1、第七章材料的力学性能本讲稿第一页，共五十七页MechanicalpropertyofmaterialsStressandstrainElasticdeformationModulusViscoelasticityPermanentdeformationStrengthFracture本讲稿第二页，共五十七页7固体材料的机械性能固体材料的机械性能Chapter 7Chapter 8Chapter 9（stressandstrain）LearningObjectives材料的形变材料的形变（Deformationofmaterials）（ElasticdeformationandPermanent

2、deformation）不同材料（金属、陶瓷和高分子）的机械行为不同材料（金属、陶瓷和高分子）的机械行为MechanicalPropertiesofSolidMaterials应力和应变应力和应变本讲稿第三页，共五十七页MechanicalstatesofmaterialsA晶态晶态结构结构，B较高的弹性较高的弹性模量模量和和强度强度，C受受力力开开始始为为弹弹性性形形变变，接接着着一一段段塑塑性性形形变变，然后断裂，总变形能很大，然后断裂，总变形能很大，D具有较高的具有较高的熔点熔点。7-1-1材料的力学状态材料的力学状态1.金属金属(Metals)的力学状态的力学状态本讲稿第四页，共五十七

3、页弹性模量随温度升高而降低？弹性模量随温度升高而降低？本讲稿第五页，共五十七页某些金属合金某些金属合金A呈呈非晶态合金非晶态合金，B具有很高的硬度和强度，具有很高的硬度和强度，C延伸率很低而并不脆。延伸率很低而并不脆。D温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降低，温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降低，发生晶化而失去非晶态结构。发生晶化而失去非晶态结构。本讲稿第六页，共五十七页2.无机非金属无机非金属(nonmetals)的力学状态的力学状态A玻璃相玻璃相熔点熔点低，热稳定性差，强度低。低，热稳定性差，强度低。B气气相相（气气孔孔）的的存存在在导导致致陶陶瓷瓷的的弹弹性性模模量量和和机机械

4、械强强度度降低。降低。C陶瓷材料也存在玻璃化转变温度陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。D绝绝大大多多数数无无机机材材料料在在弹弹性性变变形形后后立立即即发发生生脆脆性性断断裂裂，总弹性应变能很小。，总弹性应变能很小。本讲稿第七页，共五十七页高模量高模量陶瓷陶瓷材料的力学特征材料的力学特征高硬度高硬度高强度高强度低延伸率低延伸率本讲稿第八页，共五十七页3.聚合物的力学状态聚合物的力学状态(Polymer)（1）非晶态聚合物非晶态聚合物的的三种三种力学状态力学状态玻璃态玻璃态高弹态高弹态粘流态粘流态本讲稿第九页，共五十七页本讲稿第十页，共五十七页（2）结晶聚合物结晶聚合物的力学状态的力学状态 A结

5、晶聚合物常存结晶聚合物常存在一定的在一定的非晶非晶部分，也有部分，也有玻璃化转变。玻璃化转变。B在在Tg以上以上模量模量下降不大下降不大C在在Tm以上以上模量模量迅速下降迅速下降D聚合物分子量很大，聚合物分子量很大，TmT f，则熔融之后即转变成，则熔融之后即转变成粘流态粘流态本讲稿第十一页，共五十七页Tm、T f本讲稿第十二页，共五十七页玻璃化温度玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的是非晶态塑料使用的上限上限温度温度是橡胶使用的是橡胶使用的下限下限温度温度熔点熔点(Tm)是结晶聚合物使用的是结晶聚合物使用的上限上限温度温度本讲稿第十三页，共五十七页(stressandstrain)7-1-2

6、应力和应变应力和应变Ifaloadisstaticorchangesrelativelyslowlywithatimeandisapplieduniformlyoveracrosssectionorsurfaceofamember,themechanicalbehaviormaybeascertainedbyasimplestress-straintest.Thesearemostlycommonlyconductedformaterialsatroomtemperature.本讲稿第十四页，共五十七页应力和应变应力和应变(stressandstrain)应力应力：1.应力应力和应变应变的定义

7、的定义工工程程应应力力（名名义义应应力力）：面积为材料受力前的初始面积(A0)的应力。真实应力真实应力：面积为受力后的真实面积(AT)的应力。应变应变：单位面积上的单位面积上的内力内力，其值与外加的力相等。，其值与外加的力相等。受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。应力应力=外加力外加力F/面积面积A7-1-2本讲稿第十五页，共五十七页2.材料的材料的应变方式应变方式各向同性材料，三种基本类型：各向同性材料，三种基本类型：还有扭转和弯曲扭转和弯曲形变。简单拉伸简单拉伸tension简单剪切简单剪切shear均匀压缩均匀压缩compression

8、本讲稿第十六页，共五十七页F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上工程应变工程应变()：()=(ll0)/l0=l/l0l0l（1）简单拉伸简单拉伸(tension)工程应力工程应力：=F/A0单位单位MPa本讲稿第十七页，共五十七页A standard tensile specimenTensionisoneofthemostcommonmechanicalstress-straintest.thetensiontest canbeusedtoascertainseveralmechanicalpropertiesofmaterial

9、sthatisveryimportantindesign.本讲稿第十八页，共五十七页Sometimesitismoremeaningfultouseatruestresstruestrainscheme.TruestressT isdefinedastheloadF dividedbytheinstantaneouscross-sectionalareaAi overwhichdeformationisoccurring(i.e.,theneck,pastthetensilepoint),or(7.15)Furthermore,itisoccasionallymoreconvenienttor

10、epresentstrainastruestrainT,definedby(7.16)Ifnovolumechangeoccursduringdeformation,thatis,ifAi li=A0l0(7.17)trueandengineeringstressandstrainarerelatedaccordingto(7.18a)(7.18b)Equations7.18aand7.18barevalidonlytotheonsetofnecking;beyondthispointtruestressandstrainshouldbecomputedfromactualload,cross

11、-sectionalarea,andgaugelengthmeasurements.Section 7.7本讲稿第十九页，共五十七页工程应力工程应力：=F/A0真实应力真实应力 T：T=F/ATA0AT工程应力工程应力 小于小于真真实应力实应力 T同一拉伸实验中，同一拉伸实验中，工程应力工程应力（或（或名义应力名义应力）与与真实应力真实应力比较哪个数值大？比较哪个数值大？本讲稿第二十页，共五十七页本讲稿第二十一页，共五十七页F与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直线上的两个力与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直线上的两个力 切应变：切应变：=tan（2）简单剪切简单剪切(shear)

12、切应力：切应力：s()=F/A0本讲稿第二十二页，共五十七页压缩应变压缩应变 V：Compression stress-stain tests may be conducted when in-serviceforces are of this type.A com-pression test is conducted in a manner similar to the tension test,except that the force is compressive and the specimencontrasts along the direction of the stress.V=

13、(V0-V)/V0=V/V0（3）均匀压缩均匀压缩(compress)F：周围压力：周围压力p本讲稿第二十三页，共五十七页实心 W=.d 0 3/16 空心 W=.d 0 3（1-d 1 4/d 0 4）/16 切应变切应变 =tg=d0/(2l0)100%（4）扭转扭转Torsionaldeformation切应力切应力 =M/W M:扭矩扭矩;W:截面系数截面系数本讲稿第二十四页，共五十七页（5）弯曲弯曲Flexuraldeformation弯矩弯矩M最大扰度最大扰度 max本讲稿第二十五页，共五十七页曲线（曲线（F l）转换为应力）转换为应力应变曲线应变曲线（）B.采用适当的坐标转换因子

14、采用适当的坐标转换因子=F/A0和和=l/l 0 3.应力应力应变曲线应变曲线(Stress-straincurve)常用的试验方法：常用的试验方法：A.以匀速拉伸试样，用测力装置测量以匀速拉伸试样，用测力装置测量F，伸长计同时，伸长计同时测量测量 l。本讲稿第二十六页，共五十七页弹性弹性-均匀塑性均匀塑性型型纯弹性纯弹性型型弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性型型弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性-均匀塑性均匀塑性型型弹性弹性-不均匀塑性（屈服平台）不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性均匀塑性型型拉伸拉伸应力应力应变曲线（应变曲线（）五种类型五种类型下一页下一页本讲稿第二十七页，共五十七页(1)纯弹性型纯

15、弹性型A陶瓷、岩石、大多数玻璃陶瓷、岩石、大多数玻璃B高度交联的聚合物高度交联的聚合物C以及一些低温下的金属材料。以及一些低温下的金属材料。(2)弹性弹性-均匀塑性型均匀塑性型A许多金属及合金、许多金属及合金、B部分陶瓷部分陶瓷C非晶态高聚物。非晶态高聚物。(3)弹性弹性-不均匀塑性型不均匀塑性型A低温和高应变速率下的面心立方金属，低温和高应变速率下的面心立方金属，B某些含碳原子的体心立方铁合金某些含碳原子的体心立方铁合金C以及铝合金低溶质固溶体。以及铝合金低溶质固溶体。返回返回本讲稿第二十八页，共五十七页(4)弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性-均匀塑性型均匀塑性型A一些结晶态高聚物一些结晶态高

16、聚物B未经拉伸的线型非晶态高聚物未经拉伸的线型非晶态高聚物(5)弹性弹性-不均匀塑性（屈服平台）不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型均匀塑性型A一些体心立方铁合金一些体心立方铁合金B许多有色金属合金。许多有色金属合金。返回返回本讲稿第二十九页，共五十七页应力应力应变应变实例实例本讲稿第三十页，共五十七页本讲稿第三十一页，共五十七页本讲稿第三十二页，共五十七页7-1-3弹性形变弹性形变Chapter 7Chapter 8ElasticDeformationElasticdeformationModulusofelasticity(Hook)(metalandceramics)Rubberlikee

17、lasticity(elastomer)Viscoelasticity(polymer)本讲稿第三十三页，共五十七页弹性形变弹性形变Elasticdeformation弹性形变有普遍性弹性形变有普遍性A任何材料任何材料起始起始总是有弹性形变总是有弹性形变;B有一定的弹性形变有一定的弹性形变范围范围，它取决，它取决于应力的大小和形态。于应力的大小和形态。本讲稿第三十四页，共五十七页1、Hooke定律和弹性模量定律和弹性模量HooksrawandModulusofelasticity弹性形变的弹性形变的力学特点力学特点:小形变、可回复小形变、可回复本讲稿第三十五页，共五十七页Hooke定律定律 E

18、 E-弹性模量弹性模量,量纲量纲GN/m2,Gpa弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力本讲稿第三十六页，共五十七页弹性模量弹性模量正应力在正应力在 状态下状态下:正弹性模量正弹性模量E 纯剪切力纯剪切力 作用下作用下:切弹性模量切弹性模量G 均匀压缩均匀压缩:体积弹性模量体积弹性模量K 0(VV0)泊松比泊松比为缩短应变与伸长应变的比值，为缩短应变与伸长应变的比值，=-ey/ex本讲稿第三十七页，共五十七页转化关系转化关系 E=3G/1+G/3KK=E/3(1-2)E=2G(1+)E=3K(1-2)本讲稿第三十八页，共五十七页本讲稿第三十九页，共五十七页E=

19、3K(1-2)本讲稿第四十页，共五十七页本讲稿第四十一页，共五十七页材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力主要取决于原子间的结合能力主要取决于原子间的结合能力,构件刚度构件刚度金属的模量金属的模量值主要取决于 10-102 A 晶体中原子原子的本性、电子结构 B 原子的结合力结合力、C 晶格晶格类型以及晶格常数等。D 合金元素降低弹性模量。陶瓷陶瓷材料具有较高模量、原因 10-102 A 原子键合键合的特点 特种陶瓷特种陶瓷 B 构成材料相相的种类，分布、比例及气孔率有关。高分子材料高分子材料低模量本讲稿第四十二页，共五十七页FIGURE7.19T

20、ypical stressstrain behavior to fracture for aluminumoxide and glass.本讲稿第四十三页，共五十七页A piece of copper originally 305 mm long is pulled in tensionWith a stress of 276 MPa.If the deformation is entirely elastic,what will be the resultant elongation?本讲稿第四十四页，共五十七页Solution Since the deformation is elasti

21、c,strain is dependent on stressaccording to Hookes law.=E=(l/l0)EThe value of E for copper from Table 7.1 is 110*103 MPa.l=l0/E =276*305/(110*103)=0.77(mm)本讲稿第四十五页，共五十七页例题例题本讲稿第四十六页，共五十七页查表知泊松比查表知泊松比=0.34查表知模量查表知模量E=97GPaSolution本讲稿第四十七页，共五十七页一一硫硫化化的的橡橡胶胶球球受受到到6.89MPa的的静静水水压压力力，直直径径减减少少了了1.2%，而而相相同同

22、材材质质的的试试棒棒在在受受到到516.8KPa的的拉拉应应力力时时伸伸长长2.1%，则此橡胶棒的，则此橡胶棒的泊松比泊松比为多少？为多少？E=/=516.8Kpa/2.1%=24.6MpaK=/(V/V)So=0.5(1-E/3K)=6.89Mpa/(1-0.9883)/1=193.7MpaE=3K(1-2)=0.51-(24.6MPa)/(3 193.7MPa)=0.48例题例题本讲稿第四十八页，共五十七页金金属属晶晶体体、离离子子晶晶体体、共共价价晶晶体体等等的的变变形形通通常常表表现现为为普普弹弹性性，主要的特点是：主要的特点是：A应变在应力作用下瞬时产生，应变在应力作用下瞬时产生，B

23、应力去除后瞬时消失，应力去除后瞬时消失，C服从虎克定律。服从虎克定律。高分子高分子材料通常表现为材料通常表现为高弹性和粘弹性高弹性和粘弹性本讲稿第四十九页，共五十七页高弹性高弹性，即，即橡胶弹性橡胶弹性(rubberlikeelasticity)弹性模量小、形变大弹性模量小、形变大。A一般材料，如铜、钢等，形一般材料，如铜、钢等，形变量最大为变量最大为1左右，左右，B而橡胶的高弹性形变很大，而橡胶的高弹性形变很大，可拉伸至可拉伸至510倍。倍。2.有机聚合物的弹性、粘弹性有机聚合物的弹性、粘弹性ElasticityandVisco-elasticityofPolymers本讲稿第五十页，共五十

24、七页C橡胶的弹性模量则只有一般橡胶的弹性模量则只有一般固体物质的万分之一左右，固体物质的万分之一左右，即即10100 104Pa。弹性模量随温度升高而上升弹性模量随温度升高而上升，一般固体的模量则随温度的提高而下降。一般固体的模量则随温度的提高而下降。本讲稿第五十一页，共五十七页（2）粘弹性粘弹性viscoelasticity 静态静态粘弹性 固定应力 A 蠕变蠕变(creep)开尔文开尔文模型（Kelvin model)并联并联 在蠕变过程中形变 是时间的函数。即柔量D是时间的函数D(t)=(t)/形变随时间而增加形变随时间而增加本讲稿第五十二页，共五十七页B.应力松弛应力松弛(stress

25、relaxation)马克斯维尔马克斯维尔模型(Maxwell model)串联串联在应力松弛过程中，模量随时间而减小，称为松弛模量，E(t)=(t)/应力（模量）随时间而减小应力（模量）随时间而减小本讲稿第五十三页，共五十七页动态粘弹性动态粘弹性 Dynamicviscoelasticity（高聚物）（高聚物）周期性、交变应力周期性、交变应力在周期性应力作用下，模量 E可采用复数复数表示式。E*=E +iE 内耗值内耗值 E/E的量度：的量度：tan=E/E tan，E，E 与与频率的关系频率的关系本讲稿第五十四页，共五十七页取决于温度和荷载的频率取决于温度和荷载的频率 3、滞弹性滞弹性无机

26、固体和金属的与时间有关的弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性本讲稿第五十五页，共五十七页比例极限比例极限(proportionallimit)弹性变形时应力与弹性变形时应力与应变严格成应变严格成正比正比关系的关系的上限应力上限应力 p=Fp/S0条件比例极限条件比例极限tan/tan=150%p50代表材料对极微量代表材料对极微量塑性变形的抗力塑性变形的抗力切线切线4、弹性极限与弹性比功弹性极限与弹性比功（金属）（金属）本讲稿第五十六页，共五十七页（条件）弹性极限（条件）弹性极限 最大弹性变形最大弹性变形时的应力值。弹性比功弹性比功弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生 永久变形的能力 W=/2=2/2E残留变形残留变形时的应力 本讲稿第五十七页，共五十七页