材料单向静拉伸的力学性能PPT教案

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§ 1-1力—伸长曲线和应力—应变曲线
一、拉伸力-伸长曲线
➢在整个拉伸过程中 的变形可分为弹性变 形、屈服变形、均匀 塑性变形(强化)及不 均匀集中塑性变形(局 部变形)4个阶段。
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§ 1-1力—伸长曲线和应力—应变曲线
一、拉伸力-伸长曲线
➢退火低碳钢的力一伸长曲线是一种最典型的曲线，除 低碳钢外，正火、退火或调质的各种碳素结构钢和一 般的合金结构钢都有类似的力一伸长曲线，只是力的 大小和变形量的多少不同而已。 ➢并非所有的材料或同一材料在不同条件下都具有相同 类型的拉伸曲线。
拉伸时 σ=Eε,
剪切时 τ＝Gγ，
胡克定律
式中E和G分别为拉伸时的杨氏模数和切变模数。
当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应 力，即弹性模数是产生100％弹性变形所需的应力。
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➢在工程中弹性模数是表征材料对弹性变 形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则 在相同压力下产生的弹性变形就越小。 ➢在机械零件或建筑结构设计时为了保证 不产生过大的弹性变形，都要考虑所选用 材料的弹性模数。因此弹性模数是结构材 料的最重要力学性能之一。
➢ 无论变形量大小和应力与应变是否呈线性关 系，凡弹性形变都是可逆变形。
➢ 材料产生弹性变形的本质，概括说来，都是 构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产 生可逆位移的反映。
➢ 金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶 格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附 近产生的微小位移。
➢ 橡胶类材料是呈卷曲状的分子链在力的作用 下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。
当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫 弹性变形。
弹性变形的可逆性特点：
➢ 对于金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物，在弹性 变形范围内，应力和应变之间可以看成具有单值线 性关系，且弹性变形量都较小。
➢ 对于橡胶态的高分子聚合物，则在弹性变形范围内 ，应力和应变之间不呈线性关系，且变形量较大。
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“时温等效”原理
➢ 高分子聚合物材料的弹性模数与时间的关系 与其对温度的关系相似，随着负荷时间的延长 ，E值逐渐下降。 在此情况下把高聚物的弹性模 数称为松弛模数。 ➢在动态应力下，高应变速率对应于玻璃态E值 较高，低应变速率对应于橡胶态E值较低，中应 变速率对应于转变区，材料具有粘弹性性质。
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弹性形变的双原子模型
➢ 金属、陶瓷类材料弹性变形的微观过程可用 双原子模型解释。
➢ 在正常状态下，晶格中的离子能保持在其平 衡位置仅作微小的热振动，是受离子之间的 相互作用力控制的结果。
➢ 一般认为，这种作用力分为引力和斥力。引 力是由正离子和自由电子间的库仑力所产生 ，而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变 所致。
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§ 1-1力—伸长曲线和应力—应变曲线
一、拉伸力-伸长曲线
1、淬火高碳钢－弹性形变 、少量均匀塑性形变 2、低合金结构钢－弹性形 变、大量均匀塑性形变。 3、黄铜－弹性形变、均匀 和不均匀塑性形变。 4、陶瓷、玻璃－只有弹性 形5 变。
§ 1-1力—伸长曲线和应力—应变曲线
一、拉伸力-伸长曲线
L+dL，于是应变的微分增量应是de＝dL+L，则试
件自Lo伸长至L后，总的应变量为:
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式中的e为真应变。于是，真应变和工程应变之
间的关系为
显然，e总是小于ε ，且变形量越大，二者的差距 越大。
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当材料的拉仲变形是等体积变化过程时，真应力
S和工程应力σ之间存在如下关系
S = σ(1 + )
(1–3)
➢ 这种变化的实质还与元素的 原子结构和原子半径有密切 关系 原子半径越大，E值越 小，反之亦然。
➢ 过渡族元素都有较高的弹性 模数，这是由于原子半径较 小，且d层电子引起较大的原 子间结合力所致。
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3. 晶体结构
➢单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上 呈各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性 模数较大，反之则小。 ➢多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均 值，表现为各向同性，但这种各向同性称为伪 各向同性。 ➢非晶态材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性 模量是各向同性的。
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何为粘弹性？
后有更多介绍
弹性的不完整性的根源Leabharlann 多数工程上应用的材料为多晶体、甚至为
非晶态或者是两者皆有的物质 上述材料内部存在各种类型的缺陷，导致
➢工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷 的相的种类、粒度、分布、比例及气 孔串有关。
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气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致 可用下式表示：
式中：E0为无气孔时的弹性模数；p为气孔率。 可见：随着气孔率的增加，陶瓷的E值下降。
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➢高分子聚合物的弹 性模数可以通过添加 增强填料而提高！
➢图1-7所示为热裂 炭黑填科对天然橡胶 弹性模数的影响。
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➢复合材料是特殊的多相材料。对于增强相为粒状的复 合材料，其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大。 ➢对于单向纤维增强复合材料，其弹性模数一般用宏观 模量表示，分别为纵向弹性模量E1、横向弹性模量E2:
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式中：Ef、Em分别为纤维和基体的弹性模数；vf、vm 分别为纤维和基体的体积分数。
显然：无论是纵向弹性模数还是横向弹性模数，均与构 成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。
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在工程应用中，多数构件的变形量限制在弹性变 形范围内，这时二者的差别可以忽略，同时工程 应力、工程应变便于测量和计算。
因此，工程设计和材料选用中一般以工程应力、 工程应变为依据。但在材料科学研究中，真应力 与真应变将具有重要意义。
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§1-2弹性形变及其性能指标
一、弹性形变的本质
弹性变形的定义：
➢ 无机非金属材料大多由共价键或离子键以及两种键 合方式共同作用而成，因而有较高的弹性模数。
➢ 金属及其合金为金属键结合，也有较高的弹性模数 。
➢ 高分子聚合物的分子之间为分子键结合，因而高分 子聚合物的弹性模数亦较低。
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2、原子结构
➢ 金属元素弹性模数的大小与 元素在周期表中的位置有关 ，变化规律如图1-6所示。
图l-3中的比例极限σp、弹性 极限σe、屈服点σs、抗拉强度 σb等，可提供给工程设计或选
材应用时参考。
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➢实际上，在拉伸过程中，试样的截面积和长度 随着拉伸力的增大是不断变化的，工程应力一应 变曲线并不能反映试验过程中的真实情况。 ➢如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力F，则可 得到瞬时的真应力S(S=F/A)。同样，当拉伸力F有 一增量dF时，试样在瞬时长度L的基础上变为
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➢在两相合金中，弹性模数的变化比较复杂， 它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及 分布状态有关．例如在铝中加入Ni(ω＝15％) 、Si(ω＝13％)，形成具有较高弹性模数的金属 间化合物，使弹性模数由纯铝的约6.5×104 MPa增高到9.38×l04 MPa。
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5.微观组织
➢金属材料刚度代表的弹性模数，是一 个组织不敏感的力学性能指标。
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➢当外力去除后，离子 依靠彼此间的作用力又 回到原来的平衡位置， 宏观的变形也随之消逝 ，从而表现了弹性变形 的可逆性。
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必须注意：
➢上述模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性 位移的关系并非虎克定律所说的直线关系，而是抛 物线关系。 ➢合力曲线有最大值Fmax，如果外加拉应力略大于 Fmax就意味着可以克服离子间的引力而使它们分离 。 ➢因此，Fmax也就是材料在弹性状态下的理论断裂 抗力，此时相应的离子弹性变形量rm-ro可达25％。
5、橡胶－只有弹性形变， 少量或没有塑性形变。 6、工程塑料－弹性形变、 均匀和不均匀塑性形变。
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注意：对于高分子聚合物材料来说： ➢由于其在结构上的力学状态差异及对温度的敏感性 ，力一伸长曲线可有多种形式。 ➢不同的材料或同一材料在不同条件下可有不同形式 的力一伸长曲线。 ➢这主要是由材料的键合方式、化学成分和组织状态 等多种因素共同决定的。
这说明真应力大于工程应力。
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➢以真应力S和真应变e作为坐 标绘制的应力-应变曲线称为 真应力一真应变曲线(图l-4)。 ➢与工程应力一应变曲线相比 较，在弹性变形阶段，由于试 样的伸长和截面收缩都很小， 两曲线基本重合，真实屈服应 力和工程屈服应力在数值上非 常接近。 ➢在塑性变形阶段，两者出现 了显著的差异。
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➢此外，橡胶的弹性模 数随温度的升高略有增 加。 ➢这一点与其他材料不 同，其原因是温度升高 时，高分子链的分子运 动加剧，力图恢复到卷 曲的平衡状态的能力增 强所致。
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绝大多数材料在温度升高时 弹性模数是下降的
7.加载条件和负载持续时间
➢加载方式(多向应力)、加载速率和负荷持续时间对 金属、陶瓷材料的弹性模数几乎无影响。 ➢因为这类材料的弹性变形速度与声速相间，远超过 常见的加载速率，负荷持续时间的长短也不会影响到 原子之间的结合力。 ➢陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数，这一 点与金属材料不同。
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引力和斥力都是离子间距的函数，可表示为：
式中：r为两离子间的距离；m、n、a、b均为与 材料有关的常数。离子间的相互作用力，即为引 力F引和斥力F斥的合力F合，即：
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➢图中N1、N2分别为 两离子的平衡位置， 曲线1为引力，曲线2 为斥力，曲线3为合力 ，在离子的平衡位置 合力为零。
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➢当外力对离子作用时 ，合力曲线的零点位置 改变，离子的位置亦随 之作相应的调整，即产 生位移，离子位移的总 和在宏观上就表现为材 料的变形。
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➢高分子聚合物的物理性质与温度 和时间有密切关系。随着温度的变 化，在一些特定的温度区间，某些 力学性质会发生突然改变，这种变 化称为高聚物的力学状态转变。 ➢例如，由玻璃态向橡胶态转变、 由橡胶态向粘流态的转变。 ➢随着高聚物力学状态的转变，其 弹性模数也相应产生很大变化，如 图1-9所示。
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➢将图1-1所示的力-伸长曲线的纵、横坐 标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积 A0和原始标距长度L0相除，则得到与力-伸
长曲线形状相似的应力(σ＝F／A0)一应变 (ε =△l/L0）曲线(图1-3)。这样的应力—应
变曲线称为工程应力-应变曲线。
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➢工程应力—应变曲线对材料 在工程中的应用是非常重要的 ，根据该曲线可获得材料静拉 伸条件下的力学性能指标，如
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三、影响弹性模数的因素
➢材料的弹性模数是构成材料的离子或分子之 间键合强度的主要标志。
➢因此，凡影响键合强度的因素均能影响材料 的弹性模数，如键合方式、晶体结构、化学成 分、微观组织、温度、加载方式和速度等。
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1.键合方式
➢ 一般来说，在构成材料聚集状态的4种键合方式中 ，共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数， 分子键弹性模数低。
后有更多介绍44弹性的不完整性的根源弹性的不完整性的根源多数工程上应用的材料为多晶体甚至为多数工程上应用的材料为多晶体甚至为非晶态或者是两者皆有的物质非晶态或者是两者皆有的物质上述材料内部存在各种类型的缺陷导致上述材料内部存在各种类型的缺陷导致弹性变形时可能出现加载线与卸载线不重弹性变形时可能出现加载线与卸载线不重合应变的发展跟不上应力的变化等有别合应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象
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6. 温度 ➢一般说来，随着温度的升高，原子振动加剧， 体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料 的弹性模数降低。例如，碳钢加热时，温度每升 高100 ℃，E值下降3％5％。
➢另外，随着温度的变化，材料发生固态相变时 ，弹性模数将发生显著变化。
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图1-8为几种材 料的弹性模数 随着温度(温度 与熔点之比)的 变化情况。
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4.化学成分
➢材料化学成分的变化可引起原子间距或键合方式的变化 ，因此也能影响材料的弹性模数。 ➢与纯金属相比，合金的弹性模数将随组成元素的质量分 数(ω)、晶体结构和组织状态的变化而变化。 ➢固溶体合金的弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶 体结构。随着溶质元素质量分数的增加，虽然固溶体的 弹性模数发生改变，但在溶解度较小的情况下一般变化 不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过5％。
材料单向静拉伸的力学性能
会计学
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➢这些性能指标既是材料的工程应用、构件设计和科学 研究等方面的计算依据，也是材料的评定和选用以及加 工工艺选择的主要依据。
➢本章介绍这些性能指标的物理概念和工程意义，讨论 材料弹性变形、塑性变形及断裂行为的基本规律及其与 材料组织结构的关系，在此基础上探讨提高材料性能指 标的途径和方向。
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➢实际工程应用的材料中，不可避免地存在着 各种缺陷、杂质、气孔或微裂纹，因而实际 断裂抗力远远小于Fmax时，材料就发生了断 裂或产生了塑性变形。
➢实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起 始阶段，因此虎克定律所表示的外力一位移 线性关系是近似正确的。
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在弹性变形的应力和应变间有一个具有重要意义的关 系常数—弹性模数(或弹性系数、弹性模量)。