1 材料的力学性能

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1、材料的力学性能弹性形变塑性形变滞弹性和粘弹性断裂性能第一章材料的力学性能掌握应力和应变的概念掌握无机非金属材料弹性形变的微观机理掌握晶格滑移的条件掌握弹性形变力学性能指标——弹性模量和泊松比的物理意义掌握塑性形变的概念及特点了解第一章材料的力学性能1.1应力及应变1.2弹性形变1.3材料的塑性形变1.4滞弹性和内耗1.5材料的高温蠕变1.6材料的断裂强度1.7材料的断裂韧性1.8裂纹的起源与扩展1.9材料的疲劳1.10显微结构对材料脆性断裂的影响1.11提高材料强度及改善脆性的途径1.12复合材料1.13材料的硬度1材料的力学性能在介绍应力-应变曲线的基础

2、上，介绍材料的弹性变形、塑性变形、高温蠕变及其它力学性能的理论描述、产生的原因、影响因素。从断裂的现象和产生、断裂力学的原理出发，通过理论结合强度、应力场的分析，阐述断裂的判据，应力场强度因子、平面应变断裂韧性、延性断裂、脆性断裂、沿晶断裂、静态疲劳的概念，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。1.1应力及应变1.1.1应力名义应力真实应力应力分量1.1.2应变名义应变真实应变拉伸应变剪切应变g=tanq剪应变应变张量(StrainTensor)：图1-7不同材料的拉伸应力-应变曲线1.2弹性形变1.2.1Hooke定律对于理想的弹性材料，在

3、应力作用下会发生弹性形变(elasticdeformation)，其应力与应变关系服从胡克(Hooke)定律，即应力σ与应变ε成正比：E称为弹性模量(Young’smodulus)，又称为杨氏模量或弹性刚度。1.2.2弹性模量的影响因素弹性模量E是一个重要的材料常数。(1)原子结构的影响图1-9弹性模量的周期性变化弹性模量E随原子间距a的减小，近似地存在以下关系：式中k、m是常数。(2)温度的影响随着温度的升高材料发生热膨胀现象。原子间结合力减弱，因此金属与合金的弹性模量将要降低。(3)相变的影响材料内部的相变(如多晶型转变、有序化转变、铁磁性转变以及超导

4、态转变等)都会对弹性模量产生比较明显的影响，其中有些转变的影响在比较宽的温度范围里发生，而另一些转变则在比较窄的温度范围里引起模量的突变，这是由于原子在晶体学上的重构和磁的重构所造成的。表1-1一些工程材料的弹性模量、熔点和键型材料弹性模量E/MPa熔点TM/ºС键型铁及低碳钢铜铝钨金刚石Al2O3石英玻璃电木硬橡胶非晶态聚苯乙烯低密度聚乙烯~207.00~121.00~69.00~410.00~1140.00~400~70.00~5.00~4.00~3.00~0.2153810846603387>38002050Tg~1150Tg~100Tg~137金属

5、键金属键金属键金属键共价键共价键和离子键共价键和离子键共价键共价键范德瓦尔斯力范德瓦尔斯力1.2.3无机材料的弹性模量表1-2几种典型陶瓷材料的弹性模量材料E/N.m-2材料E/N.m-2刚玉晶体烧结氧化铝（气孔率5%）高铝瓷（90~95%Al2O3）烧结氧化铍（气孔率5%）热压BN（气孔率5%）热压B4C（气孔率5%）石墨（气孔率20%）烧结MgO（气孔率5%）烧结MoSiO2（气孔率5%）38×101036.6×101036.6×101031×10108.3×101029×10100.9×101021×101040.7×1010烧结MgAl2O4（气孔

6、率5%）致密SiC（气孔率5%）烧结TiC（气孔率5%）烧结稳定化ZrO2（气孔率5%）SiO2玻璃莫来石瓷滑石瓷镁砖23.8×101046.7×101031×101015×10107.2×10106.9×10106.9×101017×10101.2.4复相的弹性模量）两相系统上限模量(并联)下限模量（串联）气孔的影响图1-13弹性模量E与气孔率的关系1.2.5弹性形变的机理图1-15原子间振动模型（a）双原子的作用力F(r)与距离的关系；(b)相互作用力U(r)与距离的关系图1-14双原子的作用力F(r)及其相互作用力U(r)曲线弹性系数的大小实质上反映

7、了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。对于一定的材料它是个常数，它代表了对原子间弹性位移的抵抗力，即原子结合力。1.3材料的塑性形变材料在外应力去除后仍保持部分应变的特性称为塑性(plasticity)，塑性形变是在超过材料的屈服应力作用下，产生变形，外力移去后不能恢复的形变。材料经受此种形变而不破坏的能力叫延展性（ductility)。此种性能对材料的加工和使用都有很大的影响，是一种重要的力学性能。图1-16为KBr和MgO晶体弯曲试验的应力-应变曲线。其特点是当外力超过材料弹性极限，达到某一点时，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到

8、屈服点的应力为屈服应力，严格说，弹性极限并没有固定的值，因为开始偏