材料力学性能06.ppt
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1、材料力学性能材料力学性能哈尔滨工业大学材料学院朱景川4.布氏硬度试验的关键注意事项?有何局限?硬度部分思考题:3.洛氏硬度试验方法的设计思路?主要特点与用途?5.为何硬度值与抗拉强度之间有一定关系?6.纳米压痕与普通硬度试验的区别?7.如何预测材料的硬度?1.硬度的物理意义与工程意义?2.维氏硬度试验基本原理?与布氏硬度有何关系?S2-1 弹性变形及其物理本质第二章 材料变形行为1.弹性性变形特点形特点(1)可逆性;(2)一般为线弹性;(3)弹性应变较小。2.弹性性变形的宏形的宏观描述描述胡克定律胡克定律OO3.弹性性变形的微形的微观本本质双原子模型弹性变形物理本质:原子键合几何参数随外力的可
2、逆变化。弹性模量的物理本质:反映原子间结合能的大小。引引力力斥斥力力4.弹性性性性质的各向异性及其的各向异性及其张量表达量表达A=2(S11S12)/S44 晶体弹性模量的各向异性晶体弹性模量的各向异性 HookeHooke定律的张量表示定律的张量表示 Cijkl:弹性系数(刚度)弹性系数(刚度)stiffness sijkl:顺服系数(柔度)顺服系数(柔度)compliance各向异性弹性性质的张量表达各向异性弹性性质的张量表达C=s-1MN对称各向异性弹性张量各向异性弹性张量正交各向异性弹性张量正交各向异性弹性张量有三个互相正交的材料对称面有三个互相正交的材料对称面 例如正交晶系需要例如正
3、交晶系需要9 9个独立的弹性常数,个独立的弹性常数,立方晶系弹性张量立方晶系弹性张量11=22=3311=22=33,44=55=6644=55=66,12=23=31(12=23=31(其余各项为其余各项为0)0)只有只有3 3个独立分量个独立分量C C1111,C,C1212,C,C4444室温下几种立方晶体的绝热弹性模量各向同性弹性张量各向同性弹性张量各向同性体弹性系数退化为3个(C11、C12、C44)其中只有两个独立的弹性系数!(1)杨氏模量E:E=/(2)切变模量G:G=/(3)泊松比:(4)体模量K:S2-2 广义胡克定律与工程弹性常数1.工程工程弹性常数性常数弹性张量与工程弹性
4、常数的关系(各向同性体)各向同性体只有两个独立的弹性常数:一般表达式(用张量表达)2.广广义胡克定律胡克定律只有均匀材料,Cmn=Cnm为常数。=C Cij:弹性或刚度系数 C:刚度矩阵=S广义胡克定律的另一种张量表达式 Sij:柔度系数 S:柔度矩阵S=C-1,S、C互为逆矩阵弹性张量弹性张量C(C(或或S)S)反映了材料的各向异性性质。反映了材料的各向异性性质。在各向异性材料中存在在各向异性材料中存在拉剪耦合效应:拉剪耦合效应:正应力不仅引起正应变也会引起剪应变;正应力不仅引起正应变也会引起剪应变;剪应力不仅引起剪应变也会引起正应变;剪应力不仅引起剪应变也会引起正应变;广义胡克定律的工程表
5、示(各向同性线弹性体)主应力主应变表达复杂应力状态各向同性线弹性体的广义胡克定律拉伸扭转(1)(2)(3)按照体积不变定律当故(4)依照广义虎克定律又故知例:拉伸与扭转应力应变特点对比反反映映材材料料性性质质的的应应力力、应应力力变变化化率率等等和和应应变变、应应变速率等之间的关系称为本构关系或本构方程变速率等之间的关系称为本构关系或本构方程。材料本构关系(本构方程)材料线弹性本构关系材料线弹性本构关系广义胡克定律广义胡克定律仅在小变形情况下适用仅在小变形情况下适用材料弹塑性本构关系?材料弹塑性本构关系?=C=S3.弹性常数的工程意性常数的工程意义(1)构件稳定性与刚度弹性模量是决定构件刚度的
6、重要因素。强度设计:不发生塑性变形。刚度设计:限制弹性变形。比弹性模量:E/(2)弹性与弹性比功ae注意:弹性与刚度的区别!(1)(1)原子种类与键合方式原子种类与键合方式一般来一般来说,在构成材料聚集状,在构成材料聚集状态的的4种种键合方式中,合方式中,共价共价键、离子、离子键和金属和金属键都有都有较高的高的弹性模数,分性模数,分子子键弹性模数低。性模数低。无机非金属材料无机非金属材料大多由共价大多由共价键或离子或离子键以及两种以及两种键合方式共同作用而成,因而有合方式共同作用而成,因而有较高的高的弹性模数性模数。金属及其合金金属及其合金为金属金属键结合,也有合,也有较高的高的弹性模数性模数
7、。高分子聚合物高分子聚合物的分子之的分子之间为分子分子键结合,因而高分合,因而高分子聚合物的子聚合物的弹性模数亦性模数亦较低低。4.影响影响弹性模量的因素性模量的因素(2)(2)晶体结构晶体结构单晶体材料晶体材料的的弹性模数在不同晶体学方向上性模数在不同晶体学方向上呈呈各向异性各向异性,即沿原子排列最密的晶向上,即沿原子排列最密的晶向上弹性性模数模数较大,反之大,反之则小。小。多晶体材料多晶体材料的的弹性模数性模数为各晶粒的各晶粒的统计平均平均值,表,表现为各向同性,但各向同性,但这种各向同性称种各向同性称为伪各向同性各向同性。非晶非晶态材料材料,如非晶,如非晶态金属、玻璃等,金属、玻璃等,弹
8、性性模量是模量是各向同性各向同性的。的。(3)(3)合金元素合金元素材料化学成分的材料化学成分的变化可引起化可引起原子原子间距或距或键合方式的合方式的变化化,因此也能影响材料的因此也能影响材料的弹性模数。性模数。与与纯金属相比,金属相比,合金合金的的弹性模数将随性模数将随组成元素的成元素的质量分量分数数()、晶体、晶体结构和构和组织状状态的的变化而化而变化。化。固溶体合金固溶体合金的的弹性模数主要取决于性模数主要取决于溶溶剂元素的性元素的性质和晶和晶体体结构构。随着溶。随着溶质元素元素质量分数的增加,量分数的增加,虽然固溶体的然固溶体的弹性模数性模数发生改生改变,但在溶解度,但在溶解度较小的情
9、况下一般小的情况下一般变化化不大,例如碳不大,例如碳钢与合金与合金钢的的弹性模数相差不超性模数相差不超过5。在在两相合金两相合金中,中,弹性模数的性模数的变化比化比较复复杂,它与它与合金成分,第二相的性合金成分,第二相的性质、数量、尺寸及、数量、尺寸及分布状分布状态有关例如在有关例如在铝中加入中加入Ni(15)、Si(13),形成具有,形成具有较高高弹性模数的金属性模数的金属间化合物,使化合物,使弹性模数由性模数由纯铝的的约6.5104 MPa增高到增高到9.38l04 MPa。(4)(4)微观组织微观组织金属材料金属材料弹性模量是一个性模量是一个组织不敏感不敏感的力的力学性能指学性能指标。工
10、程陶瓷工程陶瓷弹性模量具有性模量具有组织敏感性,敏感性,与构与构成陶瓷各相的成陶瓷各相的种种类、尺度、分布、体、尺度、分布、体积分数分数及气孔率及气孔率有关。有关。气孔率气孔率对陶瓷的陶瓷的弹性模数的影响大致性模数的影响大致可用下式表示:可用下式表示:式中:式中:E0为无气孔无气孔时的的弹性模数;性模数;p为气孔率。气孔率。可可见:随着气孔率的增加,陶瓷的随着气孔率的增加,陶瓷的E值下降下降。高分子聚合物的高分子聚合物的弹性模数可以通性模数可以通过添加添加增增强填料而提高!填料而提高!复合材料是特殊的多相材料。复合材料是特殊的多相材料。对于于增增强相相为粒状的复粒状的复合材料合材料,其,其弹性
11、模数性模数随增随增强相体相体积分数的增高而增大分数的增高而增大。对于于单向向纤维增增强复合材料,其复合材料,其弹性模数一般用宏性模数一般用宏观模量表示,分模量表示,分别为纵向向弹性模量性模量E1、横向、横向弹性模量性模量E2:式中:下式中:下标f、m分分别代表代表纤维和基体。和基体。显然:显然:无论是纵向弹性模数还是横向弹性模数,均与构无论是纵向弹性模数还是横向弹性模数,均与构成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。(5 5)温度)温度一般一般说来,来,随着温度的升高,原子振随着温度的升高,原子振动加加剧,体体积膨膨胀,原子,原子间距增大
12、,距增大,结合力减弱,使材料合力减弱,使材料的的弹性模数降低。性模数降低。例如,碳例如,碳钢加加热时,温度每升,温度每升高高100,E值下降下降3 5。另外,随着温度的另外,随着温度的变化,化,材料材料发生固生固态相相变时,弹性模数将性模数将发生生显著著变化化。图1-8为几种材几种材料的料的弹性模数性模数随着温度随着温度(温度温度与熔点之比与熔点之比)的的变化情况。化情况。课后思考:3.广义胡克定律表达的应力-应变是否线性关系?如何理解?5.从微观与宏观角度解释弹性模量的影响因素。6.如何正确理解“弹性模量是组织不敏感参量”?7.为何橡胶的弹性模量随温度升高而增大?1.弹性张量与工程弹性常数的
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