材料的受力形变解析.pptx
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1、各种材料在外力作用下,发生形状和大小的变化,称为形变。第一节材料的应力、应变及弹性形变第1页/共86页l1.脆性材料:如上图曲线(a),即在弹性变形后没有塑性变形(或塑性变形很小)接着就是断裂,总弹性应变能非常小。不同材料的变形行为不同。l2.延性材料:如上图曲线(b)开始为弹性形变,接着有一段弹塑性形变,然后才断裂,总变形能很大。l3.弹性材料:如上图曲线(c),没有残余形变。第2页/共86页无机材料的形变是重要的力学性能,与材料的制造、加工和使用都有着密切的关系。因此,研究无机材料在受力情况下产生形变的规律是有重要意义的。第3页/共86页材料在外力作用下都要产生内力,同时发生形变。通常内力
2、用应力描述,形变则用应变表示。定义:应力:单位面积上所受的内力。一、应力外力,单位;应力,单位;面积,单位.定义:名义应力:材料受力前的初始面积第4页/共86页xyz zx xy yy xx zz yz zy yx xz应力分量S围绕材料内部一点P,取一体积单元1.2 任意的力在任意方向上作用于物体1.应力第5页/共86页2.剪切应力和剪切应变负荷作用在面积为S的ABCD面上,剪切应力:=P/S;剪切应变:=U/L=tg.正应力引起材料的伸长或缩短,剪应力引起材料的畸变,并使材料发生转动。PABCDEA B ULF第6页/共86页说明:下脚标的意义:每个面上有一个法向应力和两个剪应力,应力分量
3、下标:第一个字母表示应力作用面的法线方向;第二个字母表示应力的作用方向。方向的规定正应力的正负号规定:拉应力(张应力)为正,压应力为负。剪应力的正负号规定:正剪应力负剪应力第7页/共86页应力间存在以下关系:根据平衡条件,体积元上相对的两个平行平面上的法向应力大小相等,方向相反;剪应力作用在物体上的总力矩等于零。应力应力张量张量T1T2T3T4T5T6 xx yy zz yz zx xy结论:一点的应力状态有六个分量决定体积元上任意面上的法向应力与坐标轴的正方向相同,则该面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正;如果该面上的法向应力指向坐标轴的负方向,则剪应力指向坐标轴的正方向者为负。第8页/共8
4、6页二、应变应变是用来描述物体内部各质点之间的相对位移。1.名义应变和真实应变一根长度为的杆,在单向拉应力作用下被拉长到,则应变的定义为:称为名义应变。如果上式中分母不是,而是随拉伸而变化的真实长度,则真实应变为第9页/共86页2.剪应变定义:物体内部一体积元上的二个面元之间的夹角的变化。形变未发生时线元及之间的夹角形变后为,则间的剪应变定义为:通常为了方便起见都用名义应变。第10页/共86页第11页/共86页如上图:研究物体中一点的应变状态,在物体内围绕该点取出一体积元点处沿方向的位移分量为A点在x方向的位移是:u+(u/x)dx,OA的长度增加(u/x)dx.O点在 y方向的应变:v/x,
5、A点在y方向的位移v+(v/x)dx,A点在y方向相对O点的位移为:(v/x)dx,同理:B点在x方向相对O点的位移为:(u/y)dy第12页/共86页线段OA及OB之间的夹角变化OA与OA 间的夹角 =(v/x)dx/dx=v/x OB与OB 间的夹角=(u/y)dy/dy=u/y线段OA及OB之间的夹角减少了 v/x+u/y,xz平面的剪应变为:xy=v/x+u/y(xy与 yx)第13页/共86页一点的应变状态由与应力分量对应的六个应变分量决定,即三个剪应变分量 及三个伸长应变分量因此,平面之间的剪应变为:第14页/共86页1、广义虎克定律一长方体,各棱边平行于坐标轴,在垂直于轴的两个面
6、上受有均匀分布的正应力三.材料的弹性变形行为第15页/共86页u对于各向同性体,这些正应力不会引起长方体的角度改变。长方体在x轴的相对伸长可表示为:式中为弹性模量,对各向同性体为一常数。E表示材料抵抗变形的能力。u当长方体伸长时,侧向要发生横向收缩第16页/共86页横向变形系数 ,叫做泊松比。y y=-=-X X=-=-x/E z z=-=-x/Eu若长方体各面分别受有均匀分布的正应力 ,则在各方面的总应变可以将三个应力分量中的第一个应力分量引起的应变分量叠加而求得。此时,虎克定律为:第17页/共86页对于剪应变,则有:式中为剪切模量或刚性模量。之间有下列关系:各向同等的压力除以体积变化为材料
7、的体积模量。第18页/共86页大多数多晶材料虽然微观上各晶粒具有方向性,但因晶粒数量很大,且随机排列,故宏观上可以当作各向同性体处理。对于弹性形变,金属材料的泊松比为0.290.33,无机材料为0.20.25。无机材料的弹性模量E随材料不同变化范围大,约为1091011Pa。u单晶及具有织构的材料或复合材料(用纤维增强)具有明显的方向性,在此情况下,各种弹性常数随方向不同,则虎克定律描述了更一般的s-e关系。第19页/共86页作用力对不同方向正应变的影响 不同各种弹性常数随方向而不同,即:Ex Ey Ez,xy yz zx在单向受力 x时,在y,z方向的应变为:yx=yx x=yx x/Ex=
8、(yx/Ex)x=S21 x zx=zx x=zx x/Ex=S31 xS21,S31为弹性柔顺系数。1,2,3分别表示x,y,z (2)各向异性(自学)第20页/共86页同时受三个方向的正应力,在x,y,z方向的应变为:xx=xx/Ex+S12 yy+S13 zz yy=yy/Ey+S21 yy+S23 zz zz=zz/Ez+S31 yy+S32 zz第21页/共86页正应力对剪应变有影响,剪应力对正应变也有影响,通式为:xx=S11 xx+S12 yy+S13 zz+S14 yz+S15 zx+S16 xy yy=S22 yy+S21 xx+S23 zzS24 yz+S25 zx+S26
9、 xy zz=S33 zz+S31 yy+S32 zzS34 yz+S35 zx+S36 xy yz=S41 xx+S42 yy+S43 zz+S44 yz+S45 zx+S46 xy zx=S51 xx+S52 yy+S53 zz+S54 yz+S55 zx+S56 xy xy=S61 xx+S62 yy+S63 zz+S64 yz+S65 zx+S66 xy 总共有36个系数。第22页/共86页根据倒顺关系有(由弹性应变能导出):Sij=Sji ,21/E1 12/E2,系数减少至21个考虑晶体的对称性,例如:斜方晶系,剪应力只影响与其平行的平面的应变,不影响正应变,S数为9个(S11,S
10、22,S33,S44,S55,S66,S12=S21,S23,S13)。六方晶系只有5个S(S11=S22,S33,S44,S66,S13)立方晶系为3个S(S11,S44,S12)MgO的柔顺系数在25oC时,S11=4.0310-12 Pa-1;S12=0.9410-12 Pa-1;S44=6.4710-12 Pa-1.由此可知,各向异性晶体的弹性常数不是均匀的。第23页/共86页总结总结虎克定律表明,对于足够小的形变,应力与应变成线性关系,系数为弹性模量E。第24页/共86页rrror 12FUm在r=ro时,原子1和2处于平衡状态,其合力F=0.当原子受到拉伸时,原子2向右位移,起初作
11、用力与位移呈线性变化,后逐渐偏离,达到r 时,合力最大,此后又减小。合力有一最大值,该值相当于材料断裂时的作用力。断裂时的相对位移:r ro=把合力与相对位移的关系看作线性关系,则弹性常数:K F/=tg 2 原子间相互作用力和弹性常数的关系第25页/共86页u1)在不受外力的情况下,就反映了弹性模量的大小,较小,较小,也就小,原子间结合力弱。较大,较大,也就大,原子间结合力强。从图1.5中原子间的结合力曲线可以看出,弹性模量E实际上和原子间结合力曲线上任一受力点的曲线斜率有关。第26页/共86页a.共价键、离子键结合的晶体,结合力强,E都较大;b.分子键结合力弱,这样键合的物体E较低。u2)
12、改变原子间距离将影响弹性模量.压应力使原子间距离变小,曲线上该点的斜率增大,因而E将增大。张应力使原子间距离增加,因而E下降。u3)在两相系统中,总弹性模量在高弹性模量成分与低弹性模量成分的数值之间。第27页/共86页a.假定两相系统的泊松比相同,在力的作用下两相的应变相同,则根据力的平衡条件可得到下面公式:式中:分别为两相的弹性模量分别为两相的体积分数为两相系统弹性模量的最高值,叫上限模量。此式适用于估算金属陶瓷,玻璃纤维、增强塑料以及在玻璃质基体中含有晶体的半透明材料的弹性模量。第28页/共86页b.假定两相的应力相同,则可得两相系统弹性模量的最低值也叫下限模量。c.对于气孔,不能应用上述
13、公式计算对于连续基体内的密闭气孔,可用经验公式计算式中:材料无气孔时的弹性模量,为气孔率.第29页/共86页对连续基体内的密闭气孔,可用下面经验公式:E=Eo(11.9P+0.9P2)适用于P 50 材料材料E(Gpa)材料材料E(Gpa)氧化铝晶体氧化铝晶体380烧结烧结TiC(P=5%)310烧结氧化铝(烧结氧化铝(P=5%)366烧结烧结MgAl2O4(P=5%)238高铝瓷(高铝瓷(P=9095%)366密实密实SiC(P=5%)470烧结氧化铍(烧结氧化铍(P=5%)310烧结稳定化烧结稳定化ZrO2P=5%150热压热压BN(P=5%)83石英玻璃石英玻璃72热压热压B4C(P=5
14、%)290莫来石瓷莫来石瓷69石墨(石墨(P=20%)9滑石瓷滑石瓷69烧结烧结MgO(P=5%)210镁质耐火砖镁质耐火砖170烧结烧结MoSi2(P=5%)407第30页/共86页3.粘弹性与滞弹性一些非晶体和多晶体在比较小的应力时,可以同时表现出弹性和粘性,称为粘弹性。对于理想的弹性固体,作用应力会立即引起弹性应变,一旦应力消除,应变也随之立即消除。但对于实际固体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间,这种与时间有关的弹性称为滞弹性。高温下许多含有玻璃相材料,(弹性模量)与时间有关,随时间的增加而降低。这是因为在高温下,应力的作用使一些原子从一个位置移到另一个位置,在此情况下,形变是滞弹性
15、或粘弹性。应力除去后,可以渐渐恢复。第31页/共86页当对粘弹性体施加恒定应力时,其应变随时间而增加,这种现象叫蠕变,此时弹性模量也随时间而减小。如果施加恒定应变,则应力将随时间而减小,这种现象叫驰豫。此时,弹性模量也随时间而降低。可以用力学模型来表示物体在外力作用下的形变行为。第32页/共86页第33页/共86页为恒定应变下应力驰豫时间,为恒定应力下应变蠕变时间。用这两种元件进行各种组合,可得到各种模型,来表示不同的力学性能。根据模型:第34页/共86页它们都是表示材料在外力作用下从不平衡状态通过内部结构重新组合而达到平衡状态所需的时间。a若材料的 大,小,则 和 都大,说明滞弹性大。b若
16、弹性模量为常数,弹性在结晶的陶瓷中,滞弹性驰豫最主要的根源是残余的玻璃相。第35页/共86页陶瓷中的主晶相与玻璃相第36页/共86页塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。材料经受塑性形变而不破坏的能力叫延展性,此种性能在材料加工和使用中都很有用,是一种重要的力学性能。屈服应力:当外力超过物体弹性极限,达到某一点后,在外力几乎不增加的情况下,变形骤然加快,此点为屈服点,达到屈服点的应力。无机材料在常温时大都缺乏延展性,使得材料的应用受到限制。究其原因,必须研究塑性形变的机理,首先从单晶入手,这样可以不考虑晶界的影响。第二节材料中晶相的塑性形变第37页/共86页一、晶格滑移晶体中的塑性形变有
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