材料的力学行为

在外力超过材料质点间的相互作用力后，引起材料部 分结构或构造的破坏，造成不可恢复的永久变形。
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圣维南固体模型
σ
下屈服点
τ
上屈服点 静摩擦
动摩擦 ε
A
B
塑性变形曲线
O
b
变形
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塑性变形
▪ 脆性材料：破坏前无显著变形而突然破坏
➢ 砖瓦、生铁
▪ 塑性材料：破坏前有显著塑性变形
➢ 沥青、低碳钢
▪ 混凝土、钢筋混凝土：一种弹、塑、粘性混合 的材料
滑移带 滑移台阶 滑移线
对滑移线的观察也表明了晶体塑性变 形的不均匀性，滑移只是集中发生在 一些晶面上，而滑移带或滑移线之间 的晶体层片则未产生变形，只是彼此 之间作相对位移而已。
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单晶体的塑性流动
▪ 滑移总是沿着晶体中原子排列密度最大的晶面 进行
➢ 最密排晶面间距最大，结合力最弱，滑移阻力最小 ➢ 发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向 ➢ 一个滑移面和这个面上的一个滑移方向组成滑移系
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一、弹性和弹性变形
▪ 弹性：材料在外力作用下产生变形，当外 力除去后，变形随即消失，材料恢复至原 来的形状。
▪ 弹性变形（瞬时变形、可恢复变形）：即源自文库刻恢复的变形。
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虎克固体模型
l σ
E
Hooke定律 ＝E·
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二、弹性模量
弹性变形的 力学特点: 小形变、可回复
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二、弹性模量
▪ 拉应力或压应力：
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2、孪生
➢ 孪晶（带）：发生切变的晶体部分。
每层原子面相对于相邻原子面的移动量相同，移动距离和离 孪生面的距离成正比，且不是原子间距的整数倍。
孪生变形部分晶体与未变形部分晶体在孪生面两侧呈镜面对 称。
➢ 产生孪生所需要的切应力一般高于滑移所需，即是否 产生孪生与晶体是否产生滑移有关。
➢ 孪生变形会引起晶格畸变，因此产生的塑性变形量不 大（≤10％），但速度很快（接近于声速） 。
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孪生与滑移的主要区别
▪ 1、孪生使晶格位向改变，造成变形晶体与未变 形晶体的对称分布；滑移不引起晶格变化。
▪ 2、孪生时原子沿孪生方向的相对位移是原子间 距的分数；滑移时原子在滑移方向的相对位移 是原子间距的整数倍。
▪ 3、孪生变形所需切应力比滑移大。
➢ 孪生一般在不易滑移的条件下发生。
▪ 4、孪生产生的塑性变形量比滑移小得多。
▪ 塑性和脆性随温度、含水率、加荷速度而改变
➢ 沥青：低温脆性，高温塑性
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塑性变形
▪ 屈服强度
➢ 材料由弹性行为转变为塑性行为时所承受的应力。
σ 塑性变形
屈服强度 σb
破坏
弹性变形 ε
a’— 比例极限
a— 弹性极限 b— 屈服上限 c— 屈服下限 e— 极限强度
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二、塑性变形机理
▪ 亚微观和微观看，永久变形是结构发生了流动
➢ 特点：弹性变形大，弹性模量小，且弹模随温度升高 而增大
▪ 橡胶弹性：
➢ 可耐非常大的变形而不被破坏
➢ 除去外力后可恢复到原来长度
➢ 要求分子链长，易于变形，具有交联点
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第二节 材料的塑性
▪ 一、塑性变形
➢ 塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后不 能完全恢复原有形状。
➢ 塑性变形（永久变形、残余变形）：不可恢复的变形 ➢ 与弹性变形不同：外力所做的功没有全部变成内功，
滞性迥线（滞 后迥线）
迥线包围的面积表示输入的能量，即单位体积的材料在每一周期所 消耗的能量（消耗于加热材料和周围的环境）。
原子移动消耗部分机械能为热能而消散
滞弹性对振动过程起阻尼作用
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四、高弹性
▪ 一般弹性变形不能超过某一个范围。
➢ 如：结晶态物质
▪ 弹性体：可逆弹性变形范围大的材料。
➢ 如：橡胶→100％以上
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混凝土的弹性模量
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三、滞弹性
——无机固体和金属的与时间有关的弹性
▪ 理想的弹性固体→弹性变形→马上恢复 ▪ 实际材料，尽管弹性变形可逆且呈线性关系，
但存在变形和回复在时间上的滞后。这种与时 间有关的弹性行为称为滞弹性。 ▪ 滞弹性本质：交变应力导致原子不断换位，而 位移的往返需要一定的时间。
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E 2 G (1 ) 3 K (1 )
泊松比 E2G3KE
2G 6K
横向收缩系数，固体弹性伸长一定量时其横截面的减少量， 为缩短应变与伸长应变的比值。 上述公式适用于各向同性材料。
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二、弹性模量
▪ E、G、K表示材料的弹性变形阻力，即材料的刚度。 ▪ 材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的
结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大。改变 材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉 强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。共价键 结合的材料弹性模量最高，而主要依靠分子键结合的 高分子，由于键力弱其弹性模量最低。弹性模量是和 材料的熔点成正比的，越是难熔的材料弹性模量也越 高。 ▪ 温度的升高导致晶格热运动增强，原子键合刚度下降 →弹性模量随温度上升而稍有降低。
E
▪ 剪切应力：
G
▪ 静水压应力：
m KV
σ－垂直应力； ε－垂直应变； E －弹性模量（杨氏模量或纵向弹性模量） τ －剪切应力； γ －剪切应变； G －剪切模量（刚性模量或横向弹性模量） σm－静水压应力； εV－体积应变； K －体积弹性模量（压缩模量）
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二、弹性模量
▪ E、G、K关系：
第三章 材料的力学行为
材料在外力作用下所产生的变形、 抵抗力（即强度）及破坏等，又称
为力学性能。
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第一节 材料的弹性
▪ 一、弹性和弹性变形
➢ 材料变形的实质：内部质点在外力作用下，偏 离或改变了原来的平衡位置，产生了相对位移。
➢ 应力：单位面积上材料内部产生的平衡外力的 抵抗力。
➢ 应变：材料相对变形的大小。
➢ 流动：材料内部质点调换其相邻质点的切变过程 ➢ 固体材料的塑性变形→晶体的塑性流动
原子面按照晶体学规律相互滑动
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（一）单晶体的塑性流动
▪ 1、滑移（主要原因）
➢ 晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）的一定方向 （滑移方向）相对于晶体的另一部分发生滑动。
➢ 结果：在晶体表面造成相对位移，形成滑移台阶
滑移系数量＝滑移面数×滑移方向数 滑移系越多，滑移的可能性越大，塑性越好。 温度影响：温度较高时，滑移系增加。
➢ 滑移与位错运动密切相关
位错使屈服强度降低很多。位错运动的结果产生了滑移变形 19
单晶体的塑性流动
▪ 2、孪生
➢ 晶体的一部分沿着一定晶面（孪生面）沿一定方向 （孪生方向）发生切变。