第七章材料的力學(xué)性能.ppt

1、第七章 材料的力學(xué)性能,Mechanical property of materials Stress and strain Elastic deformation Modulus Viscoelasticity Permanent deformation Strength Fracture,7 固體材料的機(jī)械性能,Chapter 7 Chapter 8 Chapter 9,（stress and strain ）,Learning Objectives,材料的形變,（ Deformation of materials）,（ Elastic deformation and Permanent

2、deformation ）,不同材料（金屬、陶瓷和高分子）的機(jī)械行為,Mechanical Properties of Solid Materials,應(yīng)力和應(yīng)變,Mechanical states of materials,A 晶態(tài)結(jié)構(gòu)， B 較高的彈性模量和強(qiáng)度， C 受力開(kāi)始為彈性形變，接著一段塑性形變，然后斷裂，總變形能很大， D 具有較高的熔點(diǎn)。,7-1-1 材料的力學(xué)狀態(tài),1. 金屬(Metals)的力學(xué)狀態(tài),彈性模量隨溫度升高而降低？,某些金屬合金 A 呈非晶態(tài)合金， B 具有很高的硬度和強(qiáng)度， C 延伸率很低而并不脆。 D 溫度升高到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，粘度明顯降低，發(fā)生晶化而

3、失去非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。,2. 無(wú)機(jī)非金屬(nonmetals)的力學(xué)狀態(tài),A 玻璃相熔點(diǎn)低，熱穩(wěn)定性差，強(qiáng)度低。 B 氣相（氣孔）的存在導(dǎo)致陶瓷的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度降低。 C 陶瓷材料也存在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。 D 絕大多數(shù)無(wú)機(jī)材料在彈性變形后立即發(fā)生脆性斷裂，總彈性應(yīng)變能很小。,高模量,陶瓷材料的力學(xué)特征,高硬度,高強(qiáng)度,低延伸率,3. 聚合物的力學(xué)狀態(tài) (Polymer),（1） 非晶態(tài)聚合物的三種力學(xué)狀態(tài) 玻璃態(tài) 高彈態(tài) 粘流態(tài),（2） 結(jié)晶聚合物的力學(xué)狀態(tài),A 結(jié)晶聚合物常存 在一定的非晶部分，也有玻璃化轉(zhuǎn)變。 B 在T g 以上模量下降不大 C 在T m 以上模量迅速下降 D 聚合物分子量

4、很大，T m T f ，則熔融之后即轉(zhuǎn)變成粘流態(tài),T m 、 T f,玻璃化溫度(Tg)是非晶態(tài)塑料使用的上限溫度 是橡膠使用的下限溫度 熔點(diǎn)(Tm)是結(jié)晶聚合物使用的上限溫度,(stress and strain),7-1-2應(yīng)力和應(yīng)變,If a load is static or changes relatively slowly with a time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a s

5、imple stress-strain test. These are mostly commonly conducted for materials at room temperature.,應(yīng)力和應(yīng)變(stress and strain),應(yīng)力：,1. 應(yīng)力和應(yīng)變的定義,工程應(yīng)力（名義應(yīng)力）：面積為材料受力前的初始面積(A0)的應(yīng)力。 真實(shí)應(yīng)力：面積為受力后的真實(shí)面積(AT)的應(yīng)力。,應(yīng)變：,單位面積上的內(nèi)力，其值與外加的力相等。,受到外力不慣性移動(dòng)時(shí)，幾何形狀和尺寸的變化。,應(yīng)力=外加力F/面積A,7-1-2,2. 材料的應(yīng)變方式,各向同性材料，三種基本類型：,還有扭轉(zhuǎn)和彎曲形變。,簡(jiǎn)單

6、拉伸 tension 簡(jiǎn)單剪切 shear 均勻壓縮 compression,F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直線上,工程應(yīng)變()： () = ( l l 0 ) / l 0 = l / l 0,l0,l,（1）簡(jiǎn)單拉伸(tension),工程應(yīng)力： =F / A 0 單位MPa,A standard tensile specimen,Tension is one of the most common mechanical stress-strain test. the tension test can be used to ascertain several mechanical

7、 properties of materials that is very important in design.,Sometimes it is more meaningful to use a true stresstrue strain scheme. True stress T is defined as the load F divided by the instantaneous cross-sectional area Ai over which deformation is occurring (i.e., the neck, past the tensile point),

8、 or (7.15) Furthermore, it is occasionally more convenient to represent strain as true strain T, defined by (7.16) If no volume change occurs during deformation, that is, if Ai li = A0l0 (7.17) true and engineering stress and strain are related according to (7.18a) (7.18b) Equations 7.18a and 7.18b

9、are valid only to the onset of necking; beyond this point true stress and strain should be computed from actual load, cross-sectional area, and gauge length measurements.,Section 7.7,工程應(yīng)力： =F / A 0,真實(shí)應(yīng)力 T： T =F / AT,A0 AT,工程應(yīng)力 小于 真實(shí)應(yīng)力 T,同一拉伸實(shí)驗(yàn)中，工程應(yīng)力（或名義應(yīng)力）與真實(shí)應(yīng)力比較哪個(gè)數(shù)值大？,F與截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直線上的兩個(gè)力,切

10、應(yīng)變： =tan,（2）簡(jiǎn)單剪切(shear),切應(yīng)力： s()= F / A 0,壓縮應(yīng)變 V：,Compression stress-stain tests may be conducted when in-service forces are of this type. A com- -pression test is conducted in a manner similar to the tension test, except that the force is compressive and the specimen contrasts along the direction o

11、f the stress., V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0,（3）均勻壓縮(compress),F：周圍壓力p,實(shí)心 W=.d 0 3/16 空心 W=.d 0 3（1- d 1 4 /d 0 4）/16,切應(yīng)變 =tg= d 0 / (2l 0 ) 100%,（4）扭轉(zhuǎn) Torsional deformation,切應(yīng)力 =M / W M: 扭矩; W: 截面系數(shù),（5）彎曲 Flexural deformation,彎矩 M 最大擾度 max,曲線（Fl）轉(zhuǎn)換為應(yīng)力應(yīng)變曲線 （ ）,B .采用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)轉(zhuǎn)換因子 = F / A 0和 =l / l 0,3. 應(yīng)力應(yīng)

12、變曲線(Stress-strain curve),常用的試驗(yàn)方法：,A .以勻速拉伸試樣，用測(cè)力裝置測(cè)量F，伸長(zhǎng)計(jì)同時(shí),測(cè)量l。,彈性-均勻塑性型,純彈性型,彈性-不均勻塑性型,彈性-不均勻塑性-均勻塑性型,彈性-不均勻塑性（屈服平臺(tái)）-均勻塑性型,拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線（ ）五種類型,下一頁(yè),(1)純彈性型 A 陶瓷、巖石、大多數(shù)玻璃 B 高度交聯(lián)的聚合物 C 以及一些低溫下的金屬材料。 (2) 彈性-均勻塑性型 A 許多金屬及合金、 B 部分陶瓷 C 非晶態(tài)高聚物。 (3)彈性-不均勻塑性型 A 低溫和高應(yīng)變速率下的面心立方金屬， B 某些含碳原子的體心立方鐵合金 C 以及鋁合金低溶質(zhì)固溶體。,

13、返回,(4) 彈性-不均勻塑性-均勻塑性型 A 一些結(jié)晶態(tài)高聚物 B 未經(jīng)拉伸的線型非晶態(tài)高聚物 (5) 彈性-不均勻塑性（屈服平臺(tái)）-均勻塑性型 A 一些體心立方鐵合金 B 許多有色金屬合金。,返回,應(yīng)力 應(yīng)變實(shí)例,7-1-3 彈性形變,Chapter 7 Chapter 8,Elastic Deformation,Elastic deformation Modulus of elasticity (Hook) (metal and ceramics) Rubberlike elasticity (elastomer) Viscoelasticity (polymer),彈性形變 Elast

14、ic deformation,彈性形變有普遍性 A 任何材料起始總是有彈性形變; B 有一定的彈性形變范圍，它取決 于應(yīng)力的大小和形態(tài)。,1、Hooke定律和彈性模量 Hooks raw and Modulus of elasticity,彈性形變的 力學(xué)特點(diǎn): 小形變、可回復(fù),Hooke定律 E E -彈性模量, 量綱 GN/m2, Gpa 彈性模量表示材料對(duì)于彈性變形的抵抗力,彈性模量,正應(yīng)力在狀態(tài)下: 正彈性模量 E 純剪切力作用下: 切彈性模量 G 均勻壓縮: 體積彈性模量 K0(VV0) 泊松比為縮短應(yīng)變與伸長(zhǎng)應(yīng)變的比值， =- ey/ex,轉(zhuǎn)化關(guān)系 E=3G/1+G/3K K=E/

15、3(1-2) E=2G(1+) E=3K(1-2),E=3K(1-2),材料的彈性模量表示材料對(duì)于彈性變形的抵抗力 主要取決于原子間的結(jié)合能力, 構(gòu)件剛度 金屬的模量值主要取決于 10-102 A 晶體中原子的本性、電子結(jié)構(gòu) B 原子的結(jié)合力、 C 晶格類型以及晶格常數(shù)等。 D 合金元素降低彈性模量。 陶瓷材料具有較高模量、原因 10-102 A 原子鍵合的特點(diǎn) 特種陶瓷 B 構(gòu)成材料相的種類，分布、比例及氣孔率有關(guān)。 高分子材料低模量,FIGURE 7.19 Typical stressstrain behavior to fracture for aluminum oxide and gl

16、ass.,A piece of copper originally 305 mm long is pulled in tension With a stress of 276 MPa. If the deformation is entirely elastic, what will be the resultant elongation?,Solution Since the deformation is elastic, strain is dependent on stress according to Hookes law. =E=(l/l0)E The value of E for

17、copper from Table 7.1 is 110*103 MPa. l= l0/E =276*305/(110*103) =0.77(mm),例題,查表知泊松比 =0.34,查表知模量E =97GPa,Solution,一硫化的橡膠球受到6.89MPa的靜水壓力，直徑減少了1.2%，而相同材質(zhì)的試棒在受到516.8KPa的拉應(yīng)力時(shí)伸長(zhǎng)2.1%，則此橡膠棒的泊松比為多少？,E=/=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpa,K=/(V/V),So=0.5(1-E/3K),=6.89Mpa/(1-0.9883)/1=193.7Mpa,E=3K(1-2),=0.51-(24.6MPa)/(3

18、193.7MPa)=0.48,例題,金屬晶體、離子晶體、共價(jià)晶體等的變形通常表現(xiàn)為普彈性，主要的特點(diǎn)是： A 應(yīng)變?cè)趹?yīng)力作用下瞬時(shí)產(chǎn)生， B 應(yīng)力去除后瞬時(shí)消失， C 服從虎克定律。 高分子材料通常表現(xiàn)為高彈性和粘彈性,高彈性，即橡膠彈性 (rubberlike elasticity) 彈性模量小、形變大。 A 一般材料，如銅、鋼等，形 變量最大為 1 左右， B 而橡膠的高彈性形變很大， 可拉伸至 5 10 倍。,2. 有機(jī)聚合物的彈性、粘彈性 Elasticity and Visco-elasticity of Polymers,C 橡膠的彈性模量則只有一般 固體物質(zhì)的萬(wàn)分之一左右， 即10100 10 4 Pa。 彈性模量隨溫度升高而上升，