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1、材料的弹性与滞弹性,目 录,1、弹性变形与 2、弹性滞后效应 3、内耗机制 4、膨胀合金,1、弹性变形,1、弹性变形,1、弹性变形,1、弹性变形,1、弹性变形,过0.2%做平行线，得到屈服应力。,1、弹性变形,纯金属的强度都很低，为了排除细晶强化效应，以单晶为例，驱动位错所需应力如下： 纯铁：10 MPa左右 纯铝：10 MPa左右 纯镁：1 MPa左右,1、弹性变形,在细晶强化、固溶强化、析出强化等作用下，驱动位错所需应力远高于纯单晶。,1、弹性变形,实际材料中，位错数量非常庞大，各位错所处环境不同，所以驱动各位错所需应力也不相同。最容易驱动的位错，和单晶的情况，差异不大。,所需驱动力,所占
2、比例,1、弹性变形,也就是说： 弹性阶段也会有极少量的位错运动，这些位错的运动，有的是可逆的。但是，该过程中，原子之间发生“摩擦”部分机械能将转变为热量。,所需驱动力,所占比例,1、弹性变形,也就是说： 弹性阶段也会有极少量的位错运动,所需驱动力,所占比例,1、弹性变形,1、弹性变形,理想弹性体实际上是不存在的。 弹性材料（比如弓箭） 拉弓的时候：机械能不可能100%转换为弹性能 放开的时候：弹性能也不可能100%转变为箭的机械能,1、弹性变形,在应力的作用下产生的应变，与应力间存在三个关系：线性、瞬时和唯一性。在实际情况下，三种关系往往不能同时满足，称为弹性的不完整性。,1、弹性变形,弹性后
3、效指的是材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性变形随时间缓缓增长的现象。在去除载荷后，不能立即恢复而需要经过一段足够时间之后才能逐渐恢复原状。,2、弹性滞后效应,2、弹性滞后效应,弹性滞后环面积: 表示被金属不可逆方式吸收的能量 （即内耗）大小,2、弹性滞后效应,大内耗材料（消振）： Cr13系列钢和灰铸铁的内耗大，是很好的消振材料，常用作飞机的螺旋桨和汽轮机叶片、机床和动力机器的底座、支架以达到机器稳定运转的目的。 小内耗材料（乐器）：对追求音响效果的元件音叉、簧片、钟等，希望声音持久不衰，即振动的延续时间长久，则必须使内耗尽可能小。,2、弹性滞后效应,对于理想弹性体，不同应力频率下，弹
4、性模量是相同的。对于非理性弹性体，弹性模量随应力频率发生变化。,MR：弛豫弹性模量又称为等温弹性模量 Mu：未弛豫弹性模量又称为绝热弹性模量 M：称为动态模量，位于MR和MU之间,2、弹性滞后效应,应力频率过高，材料还没反应过来，内耗不大 应力频率过低，材料成分弛豫，内耗也不大,2、弹性滞后效应,2、弹性滞后效应,材料震荡衰减曲线,振幅的拟合函数,2、弹性滞后效应,弛豫时间越长的过程，内耗峰值所对应的频率越低。 例如：置换原子的扩散比间隙原子的扩散就要难得多，所以只能在极低的频率下产生内耗。,2、弹性滞后效应,3、内耗机制,调节 过渡,弛豫过程,内耗是材料内部的内耗源在应力作用下的行为的本质反
5、映。,3、内耗机制,体心立方,12条棱边上的间隙位是完全等价的。所以溶质原子在所有间隙位上随机分布。,3、内耗机制,施加单向拉应力后，间隙原子将沿拉伸方向排队，这种现象称为应力感生有序。间隙原子存在应力感生有序倾向，对于应力产生的应变就有弛豫现象。当晶体在这个方向受到交变应力作用的时候，间隙原子就在这些位置上来回跳动，使应变落后于应力，导致能量损耗。,3、内耗机制,1、当应力频率很高时，间隙原子来不及跳动，也就不能产生弛豫过程，所以不能产生内耗。 2、当应力频率很低时，应变和应力完全同步变化，也不能引起内耗。 3、在一定的温度下，由间隙原子在体心立方点阵中应力感生微扩散产生的内耗峰与溶质原子浓
6、度成正比，浓度愈大，内耗降就愈高。,3、内耗机制,1) 点阵中原子有序排列引起的内耗 晶体中置换原子引起的内耗,在置换式固溶体中单个的溶质原子所能引起的点阵畸变完全是对称性的，对于对称性畸变不存在应力感生有序倾向，不能引起内耗。 两个相邻的溶质原子会组成原子对这样便会产生不对称畸变，从而引起内耗。,3、内耗机制,1) 点阵中原子有序排列引起的内耗,3、内耗机制,2) 与位错有关的内耗,位错网络强钉扎，不能脱钉 杂质原子弱钉扎，可脱钉,3、内耗机制,2) 与位错有关的内耗,再结晶退火可以降低位错密度,3、内耗机制,3) 与晶界有关的内耗,低温时，晶界的粘滞性较大，即滑动的阻力较大，而相对位移很小
7、，所以能量损耗较小。 高温时，晶界的粘滞性变小，相对位移虽然增大，但滑移的切应力很小，所以能量的损耗也比较小。,3、内耗机制,3) 与晶界有关的内耗,晶粒愈细，晶界多，则内耗峰值愈大。,3、内耗机制,3) 与晶界有关的内耗,A、晶粒愈细，晶界愈多，则内耗峰值愈大 B、杂质原子分布于晶界，对晶界起着钉扎 作用，从而可使晶界峰值显著地下降，当杂 质的浓度足够高时，晶界峰可完全消失。 因此晶界内耗的测量可用于研究与晶界强化 有关的问题。,3、内耗机制,3) 与晶界有关的内耗,杂质原子分布于晶界，对晶界起着钉扎 作用，从而可使晶界峰值显著地下降，当杂质的浓度足够高时，晶界峰可完全消失。,3、内耗机制,
8、3) 与晶界有关的内耗,3、内耗机制,4、膨胀合金,A、热的本质与热能的转移 B、热膨胀与膨胀合金,A、热的本质与热能的转移,键长,键角,晶格振动,电子速度,热的本质与热容,传递热能的三种形式,A、热的本质与热能的转移,热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。,A、热的本质与热能的转移,热对流（thermal convection）是指热量通过流动介质，由空间的一处传播到另一处的现象。,A、热的本质与热能的转移,温度以及固溶原子对导电性的影响,A、热的本质与热能的转移,A、热的本质与热能的转移,离子或共价晶体，无自由电子，靠声子（晶格振动）导
9、热,A、热的本质与热能的转移,金属：自由电子多，导热主要靠自由电子 合金：自由电子和声子均有贡献,B、热膨胀与因瓦合金,B、热膨胀与因瓦合金,1998-2002年之间，美国发生190次，由于热膨胀引起火车出轨事件。,B、热膨胀与因瓦合金,B、热膨胀与膨胀合金,定义 在仪器、仪表和电真空技术中使用着一类具有特殊膨胀系数的合金，称为膨胀合金。,B、热膨胀与膨胀合金,按膨胀系数大小又将膨胀合金分为三种: 低膨胀合金 定膨胀合金 高膨胀合金,B、热膨胀与膨胀合金,低膨胀合金 (亦称因瓦合金invariable) (尺寸几乎不随温度变化) 要求材料的线膨胀系数 1.810-6/。主要应用:仪器仪表中随温
10、度变化尺寸近似恒定的元件，如精密天平的臂，标准钟摆杆、摆轮，长度标尺，大地测量基准尺，谐振腔，微波通讯的波导管，标准频率发生器等。还用作热双金属的被动层。,B、热膨胀与膨胀合金,B、热膨胀与膨胀合金,定膨胀合金的主要特点是在一定温度范围内，具有与玻璃或陶瓷等封接材料相近的线膨胀系数。因此这类膨胀合金也称为封接材料。,B、热膨胀与膨胀合金,B、热膨胀与膨胀合金,B、热膨胀与膨胀合金,双金属带材:热双金属是由两层或两层以上具有不同线膨胀系数的合金牢固结合的复合材料。膨胀系数较大的合金层称为主动层，膨胀系数较小的合金层称为被动层，主动层与被动层间可加有起调节电阻作用的中间层，当环境温度变化时，由于主动层和被动层的膨胀系数不同，产生弯曲或转动。,B、热膨胀与膨胀合金,温度计,控温开关,B、热膨胀与膨胀合金,1）、熔点高的金属， 膨胀系数值较低。 2）、金属的硬度越高， 值越小。 3）、金属的体膨胀系数与热容具有相似的变化规律。,B、热膨胀与膨胀合金,B、热膨胀与膨胀合金,Fe-Ni-Co合金中Ni质量分数对膨胀系数的影响,B、热膨胀与膨胀合金,冷加工的对膨胀系数的影响,
