材料加工工程-15 固态力学性能.pdf

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1、HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE&TECHNOLOGY材料科学与工程学院华中科技大学HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE&TECHNOLOGY授课教师：周华民、崔树标/23内容提要短期拉伸性能基本应力应变关系粘弹性动态性能应力集中和疲劳3/23金属的拉伸应力应变关系基本概念比例极限屈服点最终强度伸长率杨氏模量4金属的拉伸应力应变图l一比例极限；2一屈服点；3一低屈服点；4一最终强度；5一断裂点?/23聚合物的拉伸应力应变关系不同聚合物的应力应变曲线不同：脆性、韧性、橡胶1脆性聚合物，如PS2一韧性，逐渐屈服，如PC3一韧性，有屈服点，如PA(

2、1)屈服区(2)缩颈区(3)冷拉区(4)断裂前的应变硬化区4柔性橡胶5一柔性橡胶，高应变时结晶硬化5聚合物的拉伸应力应变图/23温度对应力应变关系的影响温度升高，模量下降，断裂伸长率增大，断裂应力降低6温度对应力应变的影响LDPE的模量随温度的变化聚合物的高温敏感性比金属大得多原因：工作温度更接近其熔点钢的熔点Tm约1480，工作温度Tw一般小于500，Tw/Tm34%塑料（例尼龙）Tm约195-224，工作温度Tw100，Tw/Tm1/2/23应变速率对应力应变关系的影响应变速率增加，材料的刚性和强度增加，断裂伸长率降低聚合物的这种效应比金属大得多原因：长链结构的解缠结与解卷曲7应变速率对应

3、力应变的影响 应变速率增加，材料的韧性（曲线以下的面积）降低 高应变速率（如冲击载荷）：脆性断裂 低应变速率：韧性断裂（颈缩），有些塑料可在室温下拉成细丝（伸长率达1000%）/23拉伸与压缩的关系聚合物的压缩性能高于拉伸性能，如PS拉伸时是脆性材料，但压缩时却出现明显的屈服点，并有更高的伸长率和韧性原因：拉伸扩大了试样中微裂纹和缺陷，压缩闭合了试样中微裂纹和缺陷8PS在23时的拉伸和压缩应力-应变曲线/23基本的应力应变关系工程应力工程应变真实应力真实应变9?在小应变时，工程应力/应变与真实应力/应变间的差别可忽略 与金属不同，塑料可以有很大的应变，此时上述差别不能忽略/23弹性模量不同的定

4、义及关系拉伸模量弯曲模量剪切模量体积模量10?/?对聚合物而言，几种模量的大小不一样，设计时应该考虑到具体的加载形式，从而选用正确的模量数据/23典型热塑性塑料的机械性质拉伸模量Et、弯曲模量Ef、泊松比、拉伸屈服强度y和硬度11/23粘弹性固体（如金属）：在弹性极限内，形变可以恢复，应力和应变为线性关系，瞬时响应（弹性）流体（如水）：产生永久形变，变形（流动）过程需要时间，应力与应变速率相关（粘性）12Robert Hooke(1635-1703)Sir Isaac Newton(1643-1727)/23粘弹性几乎自然界所有的物体同时兼有弹性和粘性水是典型的流体，跳水运动员在刹那间却能感到

5、它的弹性阻力欧洲某些古教堂窗户上的玻璃上薄下厚沙漠风口的岩石会沿风的方向变形，形成一定的斜度高温固态金属在受载下有缓慢变形的现象不同材料在两种特性上各有侧重（观察的时间尺度）塑料材料的显著特点：弹性和粘性的共存性表现突出13ViscousElasticViscoelastic/23粘弹性模型模型元件弹簧：应力与应变成正比胡克定律：?粘壶：应力与应变速率成正比牛顿定律：常用模型Maxwell（3）Kelvin（4）SLVS（5）14/23Maxwell模型一个弹簧和一个粘壶串联总应变弹簧的应变粘壶的应变总应力弹簧的应力粘壶的应力15Maxwell模型+总弹粘=总弹粘/23问题一：假定应力恒定，求

6、应变？16应变随时间的变化00()ttE()t0蠕变+总弹粘000()tdt0()ttC蠕变：应力恒定的条件下，应变随时间逐步增大的现象/23问题二：假定应变恒定，求应力？17应力随时间的变化lnEt()t0松弛+0总弹粘0EE dEdt/0()(/)tteE松弛时间松弛：应变恒定的条件下，应力随时间逐步减小的现象/23蠕变数据的产生与应用拉伸蠕变与回复图等时应力/应变（蠕变）曲线18PC的拉伸蠕变和回复图PC的等时应力/应变（蠕变）曲线/23时温等效原理升高温度可以缩短松弛时间，所以同一力学松弛现象，既可在较高的温度和较短的时间内观察到，也可以在较低的温度和较长的时间内观察到。升高温度和延长

7、观察时间是等效的，这个等效性可以借助于移动因子T来体现：利用时间和温度的这种等效关系，可以对不同温度或不同频率下测得的高聚物力学性能进行比较或换算，从而得到一些实际上无法直接测量的结果。例如，可以用不同温度下的应力松弛曲线来绘制成在某一参考温度的组合曲线。19（式中T为试验温度，T0为参考温度。）/23Boltzmann叠加原理材料在任意时刻的应力取决于该时刻前材料所经历的全部应变历史对于线性粘弹性材料，一系列载荷或应变的总效应具有加和性20?/23动态性能机械减振性能动态响应正弦变化负荷滞后角能量损耗简单扭摆测量装置21简单扭摆装置?sin?sin?sin?cos?tan?/23应力集中和疲劳几何应力集中疲劳曲线22几何应力集中因子抗拉伸疲劳应力/23其他固态力学性能断裂力学冲击性能韧脆转变硬度、耐磨性23