材料的力学行为教学内容.ppt

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1、材料的力学行为一、弹性和弹性变形弹性:材料在外力作用下产生变形,当外力除去后,变形随即消失,材料恢复至原来的形状。弹性变形(瞬时变形、可恢复变形):即刻恢复的变形。虎克固体模型lσEHooke定律=E·二、弹性模量弹性变形的力学特点:小形变、可回复二、弹性模量拉应力或压应力:剪切应力:静水压应力:σ-垂直应力;ε-垂直应变;E-弹性模量(杨氏模量或纵向弹性模量)τ-剪切应力;γ-剪切应变;G-剪切模量(刚性模量或横向弹性模量)σm-静水压应力;εV-体积应变;K-体积弹性模量(压缩模量)二、弹性模量E、G

2、、K关系:泊松比横向收缩系数,固体弹性伸长一定量时其横截面的减少量,为缩短应变与伸长应变的比值。上述公式适用于各向同性材料。二、弹性模量E、G、K表示材料的弹性变形阻力,即材料的刚度。材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力,而材料的成分和组织对它的影响不大。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响,但对材料的刚度影响不大。共价键结合的材料弹性模量最高,而主要依靠分子键结合的高分子,由于键力弱其弹性模量最低。弹性模量是和材料的熔点成正比的,越是难熔的材料弹性模量也越高。

3、温度的升高导致晶格热运动增强,原子键合刚度下降→弹性模量随温度上升而稍有降低。混凝土的弹性模量三、滞弹性——无机固体和金属的与时间有关的弹性理想的弹性固体→弹性变形→马上恢复实际材料,尽管弹性变形可逆且呈线性关系,但存在变形和回复在时间上的滞后。这种与时间有关的弹性行为称为滞弹性。滞弹性本质:交变应力导致原子不断换位,而位移的往返需要一定的时间。滞性迥线(滞后迥线)迥线包围的面积表示输入的能量,即单位体积的材料在每一周期所消耗的能量(消耗于加热材料和周围的环境)。滞弹性对振动过程起阻尼作用原子移动消耗部分机械

4、能为热能而消散四、高弹性一般弹性变形不能超过某一个范围。如:结晶态物质弹性体:可逆弹性变形范围大的材料。如:橡胶→100%以上特点:弹性变形大,弹性模量小,且弹模随温度升高而增大橡胶弹性:可耐非常大的变形而不被破坏除去外力后可恢复到原来长度要求分子链长,易于变形,具有交联点第二节材料的塑性一、塑性变形塑性:材料在外力作用下产生变形,当外力除去后不能完全恢复原有形状。塑性变形(永久变形、残余变形):不可恢复的变形与弹性变形不同:外力所做的功没有全部变成内功,在外力超过材料质点间的相互作用力后,引起材料部分结构或

5、构造的破坏,造成不可恢复的永久变形。圣维南固体模型τ上屈服点下屈服点动摩擦静摩擦σεABOb变形塑性变形曲线塑性变形脆性材料:破坏前无显著变形而突然破坏砖瓦、生铁塑性材料:破坏前有显著塑性变形沥青、低碳钢混凝土、钢筋混凝土:一种弹、塑、粘性混合的材料塑性和脆性随温度、含水率、加荷速度而改变沥青:低温脆性,高温塑性塑性变形屈服强度材料由弹性行为转变为塑性行为时所承受的应力。σε屈服强度弹性变形塑性变形破坏σba’—比例极限—弹性极限—屈服上限—屈服下限—极限强度二、塑性变形机理亚微观和微观看,永久变形是结构发生

6、了流动流动:材料内部质点调换其相邻质点的切变过程固体材料的塑性变形→晶体的塑性流动原子面按照晶体学规律相互滑动(一)单晶体的塑性流动1、滑移(主要原因)晶体的一部分沿着一定晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生滑动。结果:在晶体表面造成相对位移,形成滑移台阶滑移带滑移台阶滑移线对滑移线的观察也表明了晶体塑性变形的不均匀性,滑移只是集中发生在一些晶面上,而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形,只是彼此之间作相对位移而已。单晶体的塑性流动滑移总是沿着晶体中原子排列密度最大的晶面进行最密排

7、晶面间距最大,结合力最弱,滑移阻力最小发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向一个滑移面和这个面上的一个滑移方向组成滑移系滑移系数量=滑移面数×滑移方向数滑移系越多,滑移的可能性越大,塑性越好。温度影响:温度较高时,滑移系增加。滑移与位错运动密切相关位错使屈服强度降低很多。位错运动的结果产生了滑移变形单晶体的塑性流动2、孪生晶体的一部分沿着一定晶面(孪生面)沿一定方向(孪生方向)发生切变。2、孪生孪晶(带):发生切变的晶体部分。每层原子面相对于相邻原子面的移动量相同,移动距离和离孪生面的距离成正比,且不是原子

8、间距的整数倍。孪生变形部分晶体与未变形部分晶体在孪生面两侧呈镜面对称。产生孪生所需要的切应力一般高于滑移所需,即是否产生孪生与晶体是否产生滑移有关。孪生变形会引起晶格畸变,因此产生的塑性变形量不大(≤10%),但速度很快(接近于声速)。孪生与滑移的主要区别1、孪生使晶格位向改变,造成变形晶体与未变形晶体的对称分布;滑移不引起晶格变化。2、孪生时原子沿孪生方向的相对位移是原子间距的分数;滑移时原子在滑

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