材料力學(xué)性能講義-1

材料力學(xué)性能天津大學(xué)材料學(xué)院高分子材料科學(xué)與工程專業(yè)高分子方向講課教師：黃定海對(duì)材料的利用和制造在某種意義上可以說就是人類歷史的發(fā)展進(jìn)程的一個(gè)縮影第一章概論石器時(shí)代陶器時(shí)代青銅時(shí)代鐵器時(shí)代聚合物時(shí)代半導(dǎo)體時(shí)代復(fù)合材料時(shí)代第一章概論二里頭文化出土青銅爵利簋（1976年出土）利簋銘文第一章概論現(xiàn)代文明的三大支柱：信息、材料和能源新技術(shù)革命的三大標(biāo)志：新材料、信息技術(shù)、生物技術(shù)在到2020年的國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃中，以及各國(guó)家科技規(guī)劃中，對(duì)新材料的發(fā)展也是放在一個(gè)非常重要的地位第一章概論

材料的定義：材料是人類社會(huì)所能接受的、經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)。材料與其它物質(zhì)區(qū)別的三個(gè)判據(jù)：作為材料的物質(zhì)的幾個(gè)特點(diǎn)：資源判據(jù)、能源判據(jù)、環(huán)保判據(jù)1）一定的組成和配比2）成型加工性3）形狀保持性4）經(jīng)濟(jì)性5）回收和再生性材料的分類第一章概論1.1.2

材料科學(xué)與工程的基本要素使用效能(Performance)合成/加工(Synthesis/Processing)組成/結(jié)構(gòu)(Composition/Structure)性質(zhì)(Properties)第一章概論金六齊（《周禮·考工記》六分其金而錫居其一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居其一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居其一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居其一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居其二，謂之削殺矢之齊；金錫半而謂之釜燧之齊。第一章概論1.1.3

材料的性能材料的性能是一種參量，用于表征材料在給定外界條件下的行為。材料性能簡(jiǎn)單性能復(fù)雜性能復(fù)合性能、工藝性能、使用性能物理性能力學(xué)性能化學(xué)性能第一章概論1.2

材料性能的分析方法黑箱法過程法（白箱法）相關(guān)法（灰箱法）環(huán)境法第一章概論1.3

材料的力學(xué)性能(mechanicalproperties)材料的力學(xué)性能是關(guān)于材料強(qiáng)度的一門學(xué)科，即關(guān)于材料在外加載荷（外力）作用下或載荷和環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)的變形、損傷與斷裂的行為規(guī)律及其物理本質(zhì)和評(píng)定方法的學(xué)科。

材料的力學(xué)性能指標(biāo)是材料在載荷和環(huán)境因素作用下抵抗變形與斷裂的量化因子，是評(píng)定材料質(zhì)量的主要依據(jù)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選材的根據(jù)。第一章概論1.3.2

材料力學(xué)性能的研究?jī)?nèi)容1)材料在各種服役條件下的力學(xué)性能2)材料力學(xué)性能的影響因素3)材料力學(xué)性能的微觀機(jī)制4)材料力學(xué)性能的測(cè)試技術(shù)第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.1

靜載拉伸試驗(yàn)2.1.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線(Stress-Straincurve)1)脆性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2)塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線3)高分子材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.1

靜載拉伸試驗(yàn)2.1.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線(Stress-Straincurve)3-1)不同高分子材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征3-2)PMMA在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.1

靜載拉伸試驗(yàn)2.1.2拉伸性能指標(biāo)力學(xué)性能指標(biāo)分為兩類：1)與應(yīng)力有關(guān)：反映材料對(duì)塑性變形和斷裂的抗力的指標(biāo)，稱為材料的強(qiáng)度指標(biāo)。材料的拉伸性能指標(biāo)，又稱力學(xué)性能指標(biāo)，用應(yīng)力-應(yīng)變曲線上反映變形過程性質(zhì)發(fā)生變化的臨界值表示。2)與應(yīng)變有關(guān)：反映材料塑性變形能力的指標(biāo)，稱為材料的塑性指標(biāo)。第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.1

靜載拉伸試驗(yàn)2.1.2拉伸性能指標(biāo)1.屈服強(qiáng)度指標(biāo)(YieldStrength)但在實(shí)際測(cè)量中，由于材料在微觀結(jié)構(gòu)上以及受力過程的復(fù)雜性，不可能材料的所有部分都同時(shí)開始塑性變形，因此實(shí)際判定十分困難。1)比例極限:符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力值從理論上嚴(yán)格來講，屈服強(qiáng)度就是材料開始塑性變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。2)彈性極限:材料能夠完全彈性回復(fù)的最高應(yīng)力值

屈服強(qiáng)度:以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值(0.2%)第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.1

靜載拉伸試驗(yàn)2.1.2拉伸性能指標(biāo)2.抗拉強(qiáng)度(TensileStrength)脆性材料:抗拉強(qiáng)度等于斷裂強(qiáng)度3.實(shí)際斷裂強(qiáng)度(FractureStrength)抗拉強(qiáng)度表示材料的極限承載能力。塑性材料:抗拉強(qiáng)度代表產(chǎn)生最大均勻變形的抗力拉伸斷裂時(shí)的載荷除以斷口處的真實(shí)截面面積所得的應(yīng)力值第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.1

靜載拉伸試驗(yàn)2.1.3塑性指標(biāo)及其意義1)延伸率2)斷面收縮率3)塑性指標(biāo)間的關(guān)系(要求課后自己推導(dǎo))4)塑性指標(biāo)的意義防止偶然過載或局部應(yīng)力水平過高時(shí)材料斷裂,保證安全第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.2

彈性變形(elasticdeformation)2.2.1彈性變形及其物理本質(zhì)1)彈性變形過程材料受外力作用發(fā)生尺寸和形狀的變化，稱為變形。外力去除后，隨之消失的變形為彈性變形，而不能回復(fù)的永久性變形為塑性變形(plasticdeformation)。第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.2

彈性變形(elasticdeformation)2.2.1彈性變形及其物理本質(zhì)2)胡克定律3)常用彈性常數(shù)及其意義a.彈性模量E(elasticmodulus)b.切變模量G(shearmodulus)c.泊松比(Poisson’sratio)d.體積彈性模量K第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.2

彈性變形1)剛度2)彈性比功3)橡膠高彈性2.2.2彈性性能的工程意義

彈性模量很小，而形變量很大

變形需要時(shí)間

變形時(shí)有熱效應(yīng)第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.2

彈性變形1)彈性后效2)彈性滯后環(huán)2.2.3彈性不完整性以不可逆方式吸收能量而不破壞的能力,即金屬靠自身來消除機(jī)械振動(dòng)的能力第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.2

彈性變形2.2.3彈性不完整性3)Bauschinger效應(yīng)經(jīng)過預(yù)先加載變形,然后再反向加載變形時(shí)彈性極限(屈服強(qiáng)度)降低的現(xiàn)象第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.2

彈性變形3)高分子材料的滯后和內(nèi)耗2.2.3彈性不完整性

滯后

內(nèi)耗第二章材料的靜載拉伸力學(xué)性能