粘弹性、滞弹性及高温蠕变

第一章一、基本概念1．塑性形变及其形式：塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。

晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪晶。

2．蠕变：当对粘弹性体施加恒定压力σ0时，其应变随时间而增加，这种现象叫做蠕变。

弛豫：当对粘弹性体施加恒定应变ε0时，其应力将随时间而减小，这种现象叫弛豫。

3．粘弹性：一些非晶体，有时甚至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，所有聚合物差不多都表现出这种粘弹性。

4．滞弹性：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，无机固体和金属这种与时间有关的弹性称为滞弹性。

二、基本理论1．金属材料和无机非金属材料的塑性变形机理：○1产生滑移机会的多少取决于晶体中的滑移系统数量。

○2对于金属，金属键没有方向性，滑移系统多，所以易于滑移而产生塑性形变。

对于无机非材料，离子键和共价键有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。

晶体结构越复杂，满足这种条件就越困难，所以不易产生滑移。

○3滑移反映出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果，无机材料不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生塑性形变，材料易脆断。

金属与非金属晶体滑移难易的对比金属非金属由一种离子组成组成复杂金属键物方向性共价键或离子键有方向性结果简单结构复杂滑移系统多滑移系统少2．无机材料高温蠕变的三个理论○1高温蠕变的位错运动理论：无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。

当温度增加时，位错运动加快，除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。

热运动有助于使位错从障碍中解放出来，并使位错运动加速。

当受阻碍较小时，容易运动的位错解放出来完成蠕变后，蠕变速率就会降低，这就解释了蠕变减速阶段的特点。

如果继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来，引起最后的加速蠕变阶段。

粘弹性材料粘弹性材料是一种具有特殊性能的复合材料，具有特殊的粘性和弹性特性。

它常见于一些需要具有黏性和回弹性的材料，比如胶水、橡皮等。

今天我们就来了解一下粘弹性材料的特点和应用。

粘弹性材料的主要特点是黏性和回弹性的结合。

黏性指的是材料表面具有粘附和拉伸的能力，而回弹性则指材料在外界力作用下能够快速恢复初始状态。

这种特性使得粘弹性材料能够有效地吸收冲击和振动，从而减少能量传递和噪音的产生。

另外，粘弹性材料还具有非线性应变的特性，即应变与应力之间的关系不符合胡克定律，而是呈现出非线性的曲线。

粘弹性材料的应用非常广泛。

首先，它可以用于减震降噪的材料。

由于粘弹性材料能够有效地吸收冲击和振动，因此它常被应用于汽车、飞机、建筑等工程领域，用于减少振动和噪音的产生。

其次，粘弹性材料也可以用于阻尼器的制造。

阻尼器是一种能够吸收地震或风力引起的振动能量的装置，粘弹性材料的黏性和回弹性特性以及非线性应变特性使得它成为制造阻尼器的理想材料。

除此之外，粘弹性材料还可用于医疗领域的填充材料、电子产品的凝胶材料、生物学实验的模型等。

不过，粘弹性材料也存在一些缺点。

首先，它的制造成本相对较高，而且制造过程相对复杂。

其次，粘弹性材料的性能受环境温度的影响较大，温度过低或过高都会使其性能发生变化。

此外，粘弹性材料在长期使用后可能会发生蠕变现象，即材料会因为持续的应力而发生变形。

因此，在设计和应用粘弹性材料时需要考虑这些因素。

总的来说，粘弹性材料是一种具有特殊性能的复合材料，具有粘性和弹性的结合特点。

它的应用范围广泛，可以用于减震降噪、阻尼器等领域。

然而，它也存在一些缺点，制造成本高、温度敏感性强等。

因此，在应用粘弹性材料时需要综合考虑材料的性能和环境条件。

名词解释第一章：弹性比功：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。

包申格效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

滞弹性：是材料在加速加载或者卸载后，随时间的延长而产生的附加应变的性能，是应变落后于应力的现象。

粘弹性：是指材料在外力的作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。

内耗：在非理想弹性变形过程中，一部分被材料所吸收的加载变形功。

塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力。

韧性：是材料力学性能，是指材料断裂前吸取塑性变形攻和断裂功的能力。

银纹：是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于它密度低，对光线反射高为银色。

超塑性：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。

脆性断裂：是材料断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，而是突然发生的快速断裂过程。

韧性断裂：是指材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。

解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。

剪切断裂：是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。

河流花样：两相互平行但出于不同高度上的解理裂纹，通过次生解理或撕裂的方式相互连接形成台阶，同号台阶相遇变汇合长大，异号台阶相遇则相互抵消。

当台阶足够高时，便形成河流花样。

解理台阶：不能高度解理面之间存在的台阶韧窝：新的微孔在变形带内形核、长大、聚集，当其与已产生的裂纹连接时，裂纹便向前扩展形成纤维区，纤维区所在平面垂直于拉伸应力方向，纤维区的微观断口特征为韧窝。

2 材料的弹性模数主要取决因素：1）键合方式和原子结构2）晶体结构3）化学成分4）微观组织5）温度6）加载方式3决定金属材料屈服强度的因素1）晶体结构2）晶界与亚结构3）溶质元素4）第二相5）温度6）应变速率与应力状态4 金属的应变硬化的实际意义1）在加工方面：利用应变硬化和塑性变形的合理配合，可使金属进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺的顺利实施2）在材料应用方面：应变硬化可以使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件的安全使用。

材料在高温下的力学性能（蠕变、松弛）第7章材料在高温下的力学性能7.1 材料在高温下力学性能的特点有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。

材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。

首先，材料在高温将发生蠕变现象。

即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。

这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。

载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。

粗略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4TM ；(TM为材料的熔点以绝对温度K计)；对陶瓷约为T>0.4-0.5TM ；对高分子材料为T>Tg，Tg为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生蠕变。

由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。

而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。

除非试验时加载的应变速率非常高。

材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。

应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。

和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。

一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。

另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。

材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。

第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。

第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。

材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。

而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。

这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。

1.解释下列名词①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。

②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

③循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。

④包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。

⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时 ,由于晶粒发生滑移 , 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。

⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。

2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζ p（规定非比例伸长应力）、ζ e（弹性极限）、ζ s（屈服强度）、ζ （屈服强度）；（3）ζ b（抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）; （5）δ （断后伸长率）、ψ （断面收缩率）4.常用的标准试样有 5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。

答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。

5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。

试分析这两种故障的本质及改变措施。

答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。

1.根据受力应变特征材料分为：脆性材料，延性材料，弹性材料。

2.材料受载荷后形变的三个阶段：弹性形变，塑形形变，断裂3.弹性模量：材料在弹性变形阶段内正应力和对应的正应变的比值。

意义：反映材料抵抗应变的能力，是原子间结合强度的标志。

影响因素（键合方式，晶体结构，温度，复相的弹性模量）。

机理：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，物理本质是原子间结合力抵抗外力的宏观表现，弹性系数和弹性模量是反映原子间结合强度的标志。

4.滞弹性：固体材料的应变产生与消除需要有限的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。

衡量指标：应力弛豫和应力蠕变。

应力弛豫：在持续外力作用下发生形变的物体在总变形值保持不变的情况下，徐变变形增加使物体的内部应力随时间延续而逐渐减少的现象。

应力蠕变：固体材料在恒定荷载下变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程。

5.塑性形变指一种在外力移去后不能回复的形变。

滑移系统：滑移方向和滑移面。

产生条件：a-（几何条件）面间距大滑移矢量小b（静电条件）每个面上是同种电荷原子，相对滑移面上的电荷相反。

无机非材料不产生原因：a.滑移系统少；b.（位错运动激活能大）位错运动需要克服的势垒比较大，位错运动难以实现。

施加应力，或者由于滑移系统少无法达到临界剪应力，或者在达到临界剪应力之前就导致断裂；c.伯格斯矢量大。

6.高温蠕变定义：材料在高温下长时间受到小应力作用出现蠕变现象。

影响因素：温度和应力。

机理：a晶格机理（位错攀移理论，由于热运动位错线处一列原子移去或移入，位错线向上移一个滑移面。

）b扩散蠕变理论（空位扩散流动，应力造成浓度差，导致晶粒沿受拉方向伸长或缩短引起形变）c晶界机理（多晶体蠕变，高温下晶界相对滑动，剪应力松弛，有利蠕变。

低温下晶界本身是位错源，不利蠕变）7.理论断裂强度：理论下材料所能承受的最大应力。

实际强度：实际情况中材料在外加应力作用下，沿垂直外力方向拉断所需应力。

8.断裂韧性：是材料的固有性能，由材料的组成和显微结构所决定，是材料的本征参数。

弹性模量：使物体产生伸长一倍变形量所需的应力上限弹性模量：两相通过并联组合得到混合系统的E 值称之~~下限弹性模量：两相通过串联组合得到混合系统的E 值称之~~粘弹性：某些非晶体或多晶体在应力较小时间时表现粘性弹性滞弹性：无机固体和金属的弹性模量依赖于时间的现象蠕变：当对粘弹性体施加恒定应力σ0时，其应变随时间而增加的现象弛豫：当施加恒定应变ε0在粘弹性体上，应力随时间而减小的现象。

影响蠕变的因素：1.温度2.应力3.显微结构的影响4.组成5.晶体结构塑性形变：指在一中外力移去后不能恢复的形变。

塑性形变的两种基本方式：滑移和孪晶声频支：相邻原子具有相同的振动方向光频支：相邻原子振动方向相反，形成了一个范围很小，频率很高的振动热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动的传向冷端，这个现象就称~~。

声子热导的机理：声子与声子的碰撞产生能量转移(声子：声频波的量子)介质损耗：电场作用下，单位时间内电介质因发热而损耗的电能抗热震断裂性：材料发生瞬时断裂，抵抗这种破坏的性能。

抗热震损伤性：在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类破坏的性能。

热应力因子：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力双碱效应（中和效应）：当玻璃中碱金属离子总浓度较大时，碱离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。

当两种碱金属浓度比适当时，电导率可以降到很低。

压碱效应：含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤其是重金属氧化物，可使玻璃电导率降低热稳定性：材料在温度急剧变化而不被破坏的能力，也被称为抗热震性。

铁电体:能够自己极化的非线性介电材料，其电滞回路和铁磁体的磁滞回路形状相近似。

稳定传热：物体内温度分布不随时间改变。

载流子的迁移率：载流子在单位电场中的迁移速率。

移峰效应：在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶胞参数和离子间的相互关系，使居里点向低温或高温方向移动。

粘接材料的变形和蠕变特性随着科技的发展和需求的增加，粘接材料在工业中应用越来越广泛。

粘接材料具有许多优点，比如可以实现材料的无缝连接、强度高、密封性好等等。

然而，粘接材料在长期使用的过程中也存在着一些问题，比如变形和蠕变等问题。

接下来，我们将深入探讨粘接材料的变形和蠕变特性。

一、变形的定义与分类粘接材料在受到外力作用时，会发生形变，这种形变称为变形。

变形可以分为弹性变形和塑性变形两种。

弹性变形指的是在外力作用后，粘接材料会产生形变，但是形变不会永久留存且不会影响材料强度的现象。

弹性变形可以通过受力后恢复原状的材料特性来描述。

弹性模量越大，材料的硬度就越大。

塑性变形指的是在外力作用下，粘接材料会产生形变，形变的程度超过限制时，会导致产生永久变形的现象。

塑性变形可以通过破坏力学来描述，其抗拉强度和抗剪强度决定了材料的耐用性。

二、蠕变的定义与分类蠕变指的是材料在长期持续的受力下，会发生永久变形的现象。

蠕变可以分为安定蠕变和不安定蠕变两种。

安定蠕变指的是在恒定应力下，材料的变形量也是恒定的，不会随着时间的推移而改变。

安定蠕变是材料在长期使用时最常见的变形形式，通常是钢材、水泥等材料中产生的。

不安定蠕变指的是在恒定应力下，材料的变形随着时间的推移逐渐增加。

比如高温下，金属材料会发生蠕变，这种变形随着时间的增加越来越严重。

三、粘接材料在进行强制性变形时，会产生一定程度的有效变形，但是受到粘接力和胶液自重的作用，会导致一定程度上的不均匀变形。

此外，长时间的受力作用更可能导致蠕变现象。

因此，粘接材料的变形和蠕变特性是需要重视的。

在选择粘接材料时，需要根据实际工作环境中的受力情况来选取合适的材料。

材料的弹性模量越大，其弹性变形越小，也就意味着其抗变形性越好。

而材料的蠕变性则与其抗蠕变强度有关。

对于需要长时间持续受力的工程，需要选择抗蠕变能力强的粘接材料，在安全使用过程中需要注意及时进行维护。

四、粘接材料变形和蠕变的预防和控制粘接材料变形和蠕变的预防和控制需要从以下方面入手：1、选择合适的材料：对于不同的工程，需要选择适合的粘接材料。

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第二节高分子材料的高弹性和粘弹性本章第二、三节介绍高分子材料力学性能。

力学性能分强度与形变两大块，强度指材料抵抗破坏的能力,如屈服强度、拉伸或压缩强度、抗冲击强度、弯曲强度等；形变指在平衡外力或外力矩作用下，材料形状或体积发生的变化。

对于高分子材料而言,形变可按性质分为弹性形变、粘性形变、粘弹性形变来研究,其中弹性形变中包括普通弹性形变和高弹性形变两部分。

高弹性和粘弹性是高分子材料最具特色的性质.迄今为止,所有材料中只有高分子材料具有高弹性。

处于高弹态的橡胶类材料在小外力下就能发生100-1000%的大变形,而且形变可逆，这种宝贵性质使橡胶材料成为国防和民用工业的重要战略物资.高弹性源自于柔性大分子链因单键内旋转引起的构象熵的改变,又称熵弹性。

粘弹性是指高分子材料同时既具有弹性固体特性，又具有粘性流体特性，粘弹性结合产生了许多有趣的力学松弛现象，如应力松弛、蠕变、滞后损耗等行为。

这些现象反映高分子运动的特点，既是研究材料结构、性能关系的关键问题，又对正确而有效地加工、使用聚合物材料有重要指导意义.一、高弹形变的特点及理论分析（一）高弹形变的一般特点与金属材料、无机非金属材料的形变相比，高分子材料的典型高弹形变有以下几方面特点。

1、小应力作用下弹性形变很大,如拉应力作用下很容易伸长100%～1000%（对比普通金属弹性体的弹性形变不超过1％）；弹性模量低,约10—1～10MPa（对比金属弹性模量，约104～105MPa）。

滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。

静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。

弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。

比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。

包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(σP)或屈服强度(σS)增加；反向加载时弹性极限(σP)或屈服强度(σS)降低的现象。

解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。

晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。

解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。

韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。

静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。

是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。

1）应力状态软性系数—材料最大切应力与最大正应力的比值，记为α。

（2）缺口效应——缺口材料在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生的变化。

（3）缺口敏感度——金属材料的缺口敏感性指标，用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。

（4）布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。

（5）洛氏硬度——采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度。

（6）维氏硬度——以两相对面夹角为136。

的金刚石四棱锥作压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。

（7）努氏硬度——采用两个对面角不等的四棱锥金刚石压头，由试验力除以压痕投影面积得到的硬度。

（8）肖氏硬度——采动载荷试验法，根据重锤回跳高度表证的金属硬度。

（9）里氏硬度——采动载荷试验法，根据重锤回跳速度表证的金属硬度。

二、说明下列力学性能指标的意义（1）σｂｃ——材料的抗压强度（2）σｂｂ——材料的抗弯强度（3）τｓ——材料的扭转屈服点（4）τｂ——材料的抗扭强度（5）σｂｎ——材料的抗拉强度（6）NSR——材料的缺口敏感度（7）HBS——压头为淬火钢球的材料的布氏硬度（8）HBW——压头为硬质合金球的材料的布氏硬度（9）HRA——材料的洛氏硬度（１０）HRB——材料的洛氏硬度（１１）HRC——材料的洛氏硬度（１２）HV——材料的维氏硬度（１３）HK——材料的努氏硬度（１４）HS——材料的肖氏硬度（１５）HL——材料的里氏硬度8.今有如下零件和材料需要测定硬度，试说明选择何种硬度实验方法为宜。