材料形变规律2

山东理工大学材料科学与工程学院唐竹兴 2009年6月无机材料物理性能一、无机材料的受力形变主要内容： 1.应力、应变及弹性形变 2 无机材料中晶相的塑性 形变 3.无机材料的高温蠕变无机材料的高温蠕变 4.4.液体及玻璃（非晶态）液体及玻璃（非晶态） 的粘的粘 滞滞 流流 动动重点内容：1.应力、应变及弹性形变基 本概念 2 无机材料中晶相的塑性形 变 3.无机材料的高温蠕变无机材料的高温蠕变课次：2 ~3 课型：理论课真实应变= dL/L=ln(L/Lo)L LoPSLoLSo伸长正应变 ：单位长度的伸长L－Lo)/Lo=（名义应变）1.1.1 基本概念 1.正应力和正应变正应力 ：作用于单位面积上 的力P/So=（公称应力或名 义应力）真实应力=P/S1.1 应力、应变及弹性形变∫2. 剪切应力和剪切应变负荷作用在面积为S的ABCD面上，剪切应力：=P/S; 剪切应变：=U/L=tg.正应力引起材料的伸长或缩短，剪应力引起材料的 畸变，并使材料发生转动PABCDEABULFxyzzxxyyyxxzzyzzyyxxz应力分量S围绕材料内部一点P， 取一体积单元1.1.2 任意的力在任意方向上作用于物体1. 应力下脚标的意义：每个面上有一个法向应力和两个剪应力，应力分量下 标：第一个字母表示应力作用面的法线方向；第二个字母表示应力的作用方向。

方向的规定正应力的正负号规定：拉应力（张应力）为正，压应 力为负剪应力的正负号规定：正剪应力负剪应力应力间存在以下关系：根据平衡条件，体积元上相对的两个平行平面上的 法向应力大小相等，方向相反；剪应力作用在物体上的总力矩等于零应应力 张张量T1T2T3T4T5T6xxyyzzyzzxxy结论：一点的应力状态有六个分量决定体积元上任意面上的法向应力与坐标轴的正方向相同 ，则该面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正；如果该面上的法向应力指向坐标轴的负方向，则剪应 力指向坐标轴的正方向者为负2. 应变dxdyBCAC BA(v/y)dy(v/x)dx(u/x)dx(u/y)dyxy0XY面上的剪应变xyyx已知：O点沿x,y,z方向的位移分量分别为u,v,w应变为：u/x ， 用偏微分表示 ： u/ x在O点 处沿x方向的正应变 是： xx = u/x同理： yy= v/y zz= w/z.uxOAxA´O´u（1）正应变 A点在x方向的位移是： u+(u/x)dx， OA的长度增加 (u/x)dx.O点在 y方向的应变： v/x, A点在y方向的位移v +(v/x)dx,A点在y方向相对O点的位移为 ： (v/x)dx,同理：B点在x方向相对O点的 位移为： (u/y)dy（2）剪切应变dxdyBCAC BA(v/y)dy(v/x)dx(u/x)dx(u/y)dyxy0XY面上的 剪应变xyyx线段OA及OB之间的夹角变化OA与OA间的夹角 =(v/x)dx/dx= v/x OB与OB间的夹角= (u/y)dy/dy=u/y线段OA及OB之间的夹角减少了v/x +u/y，xz平面的剪应变为:xy= v/x +u/y （xy与yx)同理可以得出其他两个剪切应变：yz= v/z+w/y zx= w/x +u/z结论：一点的应变状态可以用六个应变分量来决定，即 三个剪应变分量及三个正应变分量。

1）各向同性体的虎克定律xLLbccbxzxy长方体在轴向的相对伸长为：x=x/E应力与应变之间为线性关系，E------弹性 模量，对各向同性体，弹性模量为一常数1.1.3 弹性形变1. 广义虎克定律（应力与应变的关系）当长方体伸长时，横向收缩：y=－c/cz= － b/b横向变形系数（泊松比）：=| y / x| =| z / x |则 y =－  x= － x/E z= － x/E如果长方体在x y z的正应力作用下，虎克定律表 示为：x=x/E－ y/E － z/E= [x－ （y＋ z ）] /Ey=y/E－ x/E － y/E= [y－ （x＋ z ）] /Ez=z/E－ x/E － y/E= [z－ （x＋ y ）] /E对于剪切应变，则有如下虎克定律：xy=xy/Gyz=yz/Gzx=zx/GG ------剪切模量或刚性模量G, E, 参数的关系： G=E/2(1+)如果 x = y =  z ，材料的体积模量K------各向同等 的压力与其引起的体积变化率之比。

K=－p/(V/V)=E/[3(1－2 )]作用力对不同方向正应变的影响 各种弹性常数随方向而不同， 即： Ex Ey  Ez , xy  yz zx在单向受力x时，在y, z方向的应变为：yy =－ yx x= －yx x/Ex=（ －yx /Ex ） x =S21 xzz =－ zx x= －zx x/Ex=S31 xS21, S31为弹性柔顺系数1, 2,3分别表示x,y,z (2) 各向异性同时受三个方向的正应力，在x, y, z方向的应 变为： xx= xx/Ex+S12 yy +S13 zzyy= yy/Ey+S21 yy +S23 zzzz= zz/Ez+S31 yy +S32 zz正应力对剪应变有影响，剪应力对正应变也有影响，通 式为：xx= S11xx+S12 yy +S13 zz+S14 yz+S15zx+S16xyyy= S22yy+S21 xx +S23 zzS24 yz +S25zx+S26 xyzz= S33zz+S31 yy +S32 zzS34 yz +S35 zx+S36 xyyz= S41xx+S42 yy +S43 zz+S44 yz +S45zx+S46 xyzx=S51xx+S52 yy +S53 zz+S54 yz +S55zx+S56 xyxy=S61xx+S62 yy +S63 zz+S64 yz +S65zx+S66 xy总共有36个系数。

根据倒顺关系有（由弹性应变能导出）：Sij=Sji , －21/E1－12/E2，系数减少至21个考虑晶体的对称性，例如：斜方晶系，剪应力只影响与其平行的平面的应变 ，不影响正应变，S数为9个(S11,S22,S33,S44,S55,S66,S12 = S21,S23,S13) 六方晶系只有5个S(S11 = S22, S33, S44, S66, S13)立方晶系为3个S(S11,S44,S12)MgO的柔顺系数在25oC时， S11 =4.03×10-12 Pa-1;S12 =－0.94×10-12 Pa-1; S44 = 6.47×10-12 Pa-1 . 由此可知，各向异性晶体的弹性常数不是均匀的2. 弹性变形机理虎克定律表明，对于足够小的形变，应力与应变成线 性关系，系数为弹性模量E作用力和位移成线性关 系，系数为弹性常数Krrror12＋－＋－FUm在r=ro时，原子1和2处于平衡状 态，其合力F=0.当原子受到拉伸时，原子2向右 位移，起初作用力与位移呈线性 变化，后逐渐偏离，达到r时， 合力最大，此后又减小合力有 一最大值，该值相当于材料断裂 时的作用力。

断裂时的相对位移：r－ro=把合力与相对位移的关系看作线 性关系，则弹性常数：K F/=tg(1) 原子间相互作用力和弹性常数的关系U(ro+ ）=U(ro)+(dU/dr)ro +1/2(d2U/dr2) ro 2=U(ro)+1/2(d2U/dr2)ro 2F=du(r)/dr=(d2U/dr2)ro K =(d2U/dr2)ro就是势能曲线在最小值u(ro)处的曲率 结论：K是在作用力曲线r=ro时的斜率，因此K的大 小反映了原子间的作用力曲线在r=ro处斜率的大小.(2) 原子间的势能与弹性常数的关系结论：弹性常数的大小实质上反映了原子间势能曲线 极小值尖峭度的大小使原子间的作用力平行于x轴，作用于原子上的作用 力：F=－u/r , 应力：xx－(u/r)/ro2dxx－(2u/r2)dr/ro2 , 相应的应变：d xx =dr/ro dxx =C11d xx C11－ (d2U/dr2)ro /ro= K/ ro = E1C------弹性刚度系数（与弹性柔顺系数S成反比） 结论：弹性刚度系数的大小实质上也反映了原子间 势能曲线极小值尖峭度的大小。

大部分无机材料具有离子键和共价键，共价键势能 曲线的谷比金属键和离子键的深，即：弹性刚度系 数大3) 弹性刚度系数晶体C11C12C44 TiC5011.3017.50 MgO28.928.8015.46 LiF11.14.206.30 NaCl4.871.231.26 NaBr3.870.970.97 KCl3.980.620.62 KBr3.460.580.51NaCl型晶体的弹性刚度系数（1011达因/厘米2，200C）（4）用原子间振动模型求弹性常数原子振动时有以下关系： m1r1=m2r2, r=r1+r2=r1(1+m1/m2)外力使其产生振动时，rm1m2r1r2则：F= m1d2r1/dt2=m2d2r2/dt2=－K(r－ro) 得: md2 (r－ro)/dt2=－K(r－ro) 或 md2/dt2=－K其中： m=m1·m2/(m1+m2)（折合质量） 解此方程可以得共振频率：=(K/m)1/2 / 2 (与晶格振 动中的长光学纵波相似，也叫极化波，能引起静电 极化)，则 ： K=m(2)2=m(2c/)2 可以利用晶体的红外吸收波长测出弹性常数。

3. 影响弹性模量的因素架状结构 石英和石英玻璃 的架状结构是三维空间网络， 不同方向上的键结合几乎相同 ------几乎各向同性单链结构 Si2O6双链结构 Si4O11岛状结构 Si6O18方向不同弹性模量不一样（1）晶体结构晶体结构温度复相的弹性模量rrror12FUm大部分固体，受热后渐渐开始变软，弹性常数随温度 升高而降低 弹性模量与温度的定量关系： E=Eo－bTexp(-To/T) 或 (E－Eo)/T=－bexp(-To/T) Eo,b,To是经验常数，对MgO,Al2O3，ThO2等氧化物， b=2.7～5.6 , To=180～320温度对弹性刚度系数的影响，通常用弹性刚度系数的温 度系数表示： Tc=(dE/dT)/E对在电子仪器中的所谓延迟线和标准频率器件十分重要 ，因为它们寻求零温度系数材料2) 温度温度补偿材料：一种异常的弹性性质材料（Tc是正的 ），补偿一般材料的负Tc值.且压电偶合因子大MgO Tc11=－2.3 Tc44=－1.0 SrTiO3 Tc11=－2.6 Tc44=－1.1 －SiO2 Tc11=－0.5 。