【材料物理性能与力学性能】第1-2章
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材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化,称为形变。
材料承受外力作用、抵抗变形的能力及其破坏规律,称为材料的力学性能或机械性能。
材料在单位面积上所受的附加内力称为应力。
法向应力导致材料伸长或缩短,而剪切应力引起材料的切向畸变。
应变是用来表征材料在受力时内部各质点之间的相对位移。
对于各向同性材料,有三种基本类型的应变:拉伸应变ε,剪切应变γ和压缩应变Δ。
若材料受力前的面积为A0,则σ0=F/A0称为名义应力。
若材料受力后面积为A,则σT=F/A称为真实应力。
对于理想的弹性材料,在应力作用下会发生弹性形变,其应力与应变关系服从胡克(Hook)定律(σ=Eε)。
E是弹性模量,又称为弹性刚度。
弹性模量是材料发生单位应变时的应力,它表征材料抵抗形变能力(即刚度)的大小。
E越大,越不容易变形,表示材料刚度越大。
弹性模量是原子间结合强度的标志之一。
泊松比:在拉伸试验时,材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加之比值。
粘性形变是指粘性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变,该形变随时间增加而增大。
材料在外应力去除后仍保持部分应变的特性称为塑性。
材料发生塑性形变而不发生断裂的能力称为延展性。
在足够大的剪切应力τ作用下或温度T较高时,材料中的晶体部分会沿着最易滑移的系统在晶粒内部发生位错滑移,宏观上表现为材料的塑性形变。
滑移和孪晶:晶体塑性形变两种基本形式。
蠕变是在恒定的应力σ作用下材料的应变ε随时间增加而逐渐增大的现象。
位错蠕变理论:在低温下受到阻碍而难以发生运动的位错,在高温下由于热运动增大了原子的能量,使得位错能克服阻碍发生运动而导致材料的蠕变。
扩散蠕变理论:材料在高温下的蠕变现象与晶体中的扩散现象类似,蠕变过程是在应力作用下空位沿应力作用方向(或晶粒沿相反方向)扩散的一种形式。
晶界蠕变理论:多晶陶瓷材料由于存在大量晶界,当晶界位相差大时,可把晶界看成是非晶体,在温度较高时,晶界粘度迅速下降,应力使得晶界发生粘性流动而导致蠕变。
《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力,若直径拉细至2.4mm ,且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变,并比较讨论这些计算结果。
解:由计算结果可知:真应力大于名义应力,真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa),试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔,再估算其上限和下限弹性模量。
解:令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时,将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得,其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=AA l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1 / 101-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图,并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解:Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程:V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程:以上两种模型所描述的是最简单的情况,事实上由于材料力学性能的复杂性,我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
材料⼒学性能第⼀章:绪论⼀、需要掌握的概念材料⼒学性能的定义、弹性变形、线弹性、滞弹性、弹性后效、弹性模量、泊松⽐、弹性⽐功、体弹性模量⼆、需要重点掌握的内容 1、弹性模量的物理本质以及影响弹性模量的因素; 2、掌握根据原⼦间势能函数推倒简单结构材料弹性模量的⽅法; 3、弹性⽐功的计算,已知材料的应⼒应变曲线能求出材料卸载前和卸载后的弹性⽐功。
材料⼒学性能的定义 是指材料(⾦属和⾮⾦属等)及由其所加⼯成的⼯件在外⼒(拉、压、弯曲、扭转、剪切、切削等)作⽤下⾬加⼯、成型、使役、实效等过程中表现出来的性能(弹塑性、强韧性、疲劳、断裂及寿命等)。
这些性能通常受到的环境(湿度、温度、压⼒、⽓氛等)的影响。
强度和塑性和结构材料永恒的主题!弹性变形 是指材料的形状和尺⼨在外⼒去除后完全恢复原样的⾏为。
线弹性 是指材料的应⼒和应变成正⽐例关系。
就是上图中弹性变形⾥前⾯的⼀段直线部分。
杨⽒模量(拉伸模量、弹性模量) 我们刚刚谈到了线弹性,在单轴拉伸的条件下,其斜率就是杨⽒模量(E)。
它是⽤来衡量材料刚度的材料系数(显然杨⽒模量越⼤,那么刚度越⼤)。
杨⽒模量的物理本质 样式模量在给定环境(如温度)和测试条件下(如应变速率)下,晶体材料的杨⽒模量通常是常数。
杨⽒模量是原⼦价键强度的直接反应。
共价键结合的材料杨⽒模量最⾼,分⼦键最低,⾦属居中。
对同⼀晶体,其杨⽒模量可能随着晶体⽅向的不同⽽不同,俗称各向异性。
模量和熔点成正⽐例关系。
影响杨⽒模量的因素内部因素 --- 原⼦半径 过渡⾦属的弹性模量较⼤,并且当d层电⼦数为6时模量最⼤。
外部因素1. 温度:温度升⾼、原⼦间距增⼤,原⼦间的结合⼒减弱。
因此,通常来说,杨⽒模量随着温度的上升⽽下降。
2. 加载速率:⼯程技术中的加载速率⼀般不会影响⾦属的弹性模量。
3. 冷变形:冷变形通常会稍稍降低⾦属的弹性模量,如钢在冷变形之后,其表观样式模量会下降4% - 6%。
泊松⽐简单来说,泊松⽐就是单轴拉伸或压缩时材料横向应变和轴向应变⽐值的负数。