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1、第3章 材料的力学行为力学行为指的是材料在外力作用下产生的变形、抵抗力及破坏等，又称为力学性能。本章主要内容是材料的变形、强度及破坏形式。本章内容o3.1 材料的弹性o3.2 材料的塑性o3.3 材料的粘性流动o3.4 材料的粘弹性o3.5 材料的蠕变o3.6 材料的理论强度o3.7 材料的实际强度o3.8 材料的脆性与脆性破坏o3.9 材料的疲劳破坏与蠕变破坏o3.10 金属材料的强化3.1 材料的弹性本节提要o 1. 弹性、弹性变形与弹性模型 o 2. 弹性模量及影响因素 o 3. 滞弹性 o 4. 高弹性1. 应力与应变2. 弹性lE胡克模型一、弹性和弹性变形OaA二、弹性模量 =E 拉
2、应力 =G 剪切应力m=Kv 静水压应力1. 对于弹性体o ：垂直应力； o ：垂直应变； o ：剪切应力； o ：剪切应变； o m：静水压应力； m= 1/3(x +y+ z) o v：体积应变； o E：弹性模量（杨氏模量、纵向弹性模量）； oG：横向弹性模量（刚性模量） oK：体积弹性模量（压缩模量）公式 =E =G m=Kv 中, E、G、K之间有如下关系：泊松比适用于各向同性材料o 模量E、G、K表示材料的弹性变形阻力，也就是材料 的刚度。o 模量E、G、K主要受键型影响，键力越强，表明材料 弹性变形越不易。o 随温度升高，E、G、K降低。o 的是材料的收缩系数，表征的是固体每弹性
3、伸长一定 量时横截面将减少的量。2. 对于非弹性体10o 对于理想弹性固体，应力作用，立即引起应变，应力撤除，应变马上消除；o 对于实际弹性固体，在施加应力和撤除应力时，其应变的产生和消除在时间上有些滞后，这种与时间有关的弹性行为就是滞弹性。三、滞弹性(a)(b)滞性迥线输入的能量o 在一定条件下，很多材料都表现出滞弹性效 应，这取决于温度和荷载的频率。 o 温度和荷载频率不同，材料的滞弹性表现不 同，也许是理想弹性，也许是很严重的滞弹 性。四、高弹性o 高弹性的概念结晶态物质的弹性变形很窄，只有 0.1%1%以内。而橡胶材料的弹性变形 可以达100%以上，这类变形很大的材料 即为弹性体，而这
4、种弹性就是高弹性。 o 高弹性的弹性变形大，弹性模量小， 且弹性模量随温度升高而增大。材料的能弹性与熵弹性o 材料受力 f 作用时其变形为：能量是为了减小因伸长 变形而引起的原子间距 、键角、分子间力等的 改变对位能增大而发生 的收缩力。熵项是为了增大 因分子键伸长而 降低的熵值而发 生的收缩力。p 金属、无机非金属等晶体材料的 弹性来自于能弹性，其熵弹性等 于零。p 橡胶类材料的弹性来自于熵弹性，其能弹性近于零，熵弹性不等于 零。o 由图表明，当分子键伸长时，其构象熵下降，然 而，熵达到极大状态总是稳定的状态，因此，外 力除去后，分子键又回到原来的状态。熵弹性（橡胶弹性）特征：（1）应力作用
5、下，变形非常大且不被破坏；（2）应力撤除后变形可以完全恢复到原来状态和长度。能符合条件的只 有高分子材料o 但并非所有高分子材料都具有橡胶弹性，主要是要求链的长度达到一定要求，还必须是易于变形的分子链，也即不能是结晶体。为了可以回到原来的状态，又要求分子链必须具有交联点来对分子加以束缚。对于橡胶等高弹性材料，其刚度的定义是：使材料产生300%的伸长所需的拉应力。3.2 材料的塑性本节提要o 1. 塑性、塑性变形及其模型 o 2. 脆性及其影响因素 o 3. 塑性机理：滑移与孪生一、塑性变形1. 塑性的概念2. 塑性变形oo圣维南模型下屈服点上屈服点动摩擦静摩擦A脆性与脆性材料材料破坏时无明显的
6、塑性变形，呈突然破坏。塑性材料韧性与韧性材料在冲击、震动荷载作用下，材料能够吸收较大能量，同时产生一定的变形而不破坏。影响材料的脆性与塑性的因素：（1） 材料粒子结合的键型（2） 所含杂质（3） 温度（4） 含水率（5） 加荷速度o 实际中没有完全的弹性体，再好的弹性体材料，当应力超多一定限度后也会产生塑性变形。ab：弹性变形 oa：塑性变形b破坏oab0.002b条件屈服强度破坏弹塑性体二、塑性变形机理o 从亚微观和微观角度讲，永久变形是由于结构发生了流动，流动是材料内部质点调换相邻质点的切变过程。固体材料的塑性变形则来自于晶体的塑性流动，塑性流动是按照晶体学规律相互滑动。o 单晶体的塑性流
7、动机理是滑移和孪生，其中滑移是主 要的。o 滑移是晶体的一部分沿着晶面（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。o 滑移的结果是晶体表面造成相对位移，并形成滑移台 阶，表面出现许多相互平行的线条，也就是滑移带。o 滑移带由更细的滑移线组成。（一）单晶体的塑性流动滑移示意图滑移总是在沿晶体中原子排列密度最大的晶面和晶向上进行，也即滑移面和滑移方向往往是晶体中原子排列最密的晶面和晶向。 宏观晶 轴滑移带滑移台阶滑移线微观o 发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。o 滑移系：一个滑移面和这个面上的一个滑移方向 组成一个滑移系统，简称为滑移系。o 滑移系数量=滑移面数与滑移方
8、向数的乘积。o 滑移系越多，晶体发生滑移的可能性越大，塑性 越好。o 滑移方向对滑移的影响比滑移面更大。滑移系：62=12 43=12 13=3滑移系数量=滑移面数与滑移方向数的乘积。理论剪切强度o 材料塑性与滑移系数量有关。o 滑移系的活动受温度影响显著，因此，材料的脆性除受键型影响外，还要受材料的滑移系影响。o 滑移方向的影响比滑移面更大体心立方晶格（-Fe）比面心立方晶格（-Fe）塑性差。o 材料的塑性变形与滑移系的数量有关。2. 孪生孪生概念：晶体的一部分相对于一定的晶面沿一定的方向发生切变。发生切变的部分就叫孪晶带，简称孪晶。在孪晶带中，每层原子面相对于相邻原子面的移动数量相同，但它
9、们在孪生后各自移动的距离却和离孪生面的距离成正比，且不是原子间距的整数倍。变形后晶体变形部分和未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称。孪生示意图宏观微观晶 轴孪生面孪晶o 与滑移一样，孪生也是在切应力作用下产生的，但孪生所需的切应力比滑移的高。o 在容易发生滑移的面心立方晶格中，一般不产生孪生；某些滑移系数目有限的密排六方金属晶体内，一般优先发生孪生；体心立方金属在低温时也由于滑移困难而进行孪生，孪生与滑移可以先后进行，某些情况下甚至同时进行。o 孪生产生的塑性变形一般较小，不超过10%，但其速度很快。孪生与滑移的主要区别是：o 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，而滑移
10、不引起晶格变化；o 2. 孪生时原子沿孪生方向的相对位移是原子间距的分数，而滑移时原子在滑移方向上相对位移是原子间距的倍数；o 3. 孪生需要的切应力比滑移大，因此，孪生一般在不易滑移的条件下发生；o 4. 孪生产生的塑性变形量比滑移小的多。o 实际晶体大多数是多晶体，多晶体中存在大量位向不同的单晶体晶格，因而多晶体的变形比单晶体复杂的多，但其变形机理仍然是滑移和孪生。（二）多晶体的塑性变形o 多晶体要表现出塑性变形，至少需要相当 多其他的滑移系同时动作，因为各个晶粒 是互相约束的。o 已经证明，多晶体要表现出塑性，至少需要5个独立的滑移系同时动作。o 多晶体变形时，各晶粒的滑移面和滑移方向的
11、分布相对于受力方向是不同的，在同样的外力作用下，不同晶粒滑移系所受应力不同，受最大或接近最大应力状态的晶粒处于“软位向”，即容易滑动的方向，受最小或接近最小应力的晶粒处于“硬位向”，即不易滑移的状态。o 滑移时，软位向状态的晶粒开始滑移，产生塑性变形，外力越来越大时，处于硬位向的晶粒也开始产生塑性变形。o 参加滑移的晶粒越来越多，变形的分配越来越均匀，同时开动的滑移系也越来越多，晶体材料发生较大的变形。3.3 材料的粘性流动o 粘性流动概念：在一定的剪切应力下，以一定的变形速度进行的流动，当外力去除后，物体会静止在这个位置上而不能恢复变形。本节提要o 1. 粘性流动及其模型 o 2. 宾汉姆模
12、型l牛顿液体模型油壶（粘壶 ）d /d t =1/ 应力应变符合本式的流体为完全粘性体 或牛顿液体。d/dtd /d t：变形速率：粘性系数（粘度 ）：剪切应力实际材料中，例如：无机玻璃与热塑性聚合物，在高于玻璃化温度时，它们表现出一定的粘性流动，但同时这些材料还可以承受拉应力，在快速应力作用下，更容易表现出弹性，而在缓慢施加应力时表现为粘性。粘性流动与温度的关系密切相关，对于非晶态固体，遵循阿累尼乌思关系： 粘度； Q激活能；0系数Q和0取决于材料键合和结构。o 粘性流动对于非晶态物质的加工很重要，无机玻 璃在高温吹制时之所以容易成型，就在于粘性流 动时不像晶体的塑性流动那样产生颈缩现象，伴
13、 随着伸长变形的是横截面积的均匀缩减。o 长链聚合物也可以像玻璃那样加工，但在一定程 度的应变以后，由于分子的分离而有撕裂的趋势 。很多材料的流变性质并不能用简单模型来分析，只能是多种模型的并联、串联等组合。宾汉姆模型圣维南模型牛顿模型虎克模型y当 y y时，在并联部分时，在并联部分 发生与应力（发生与应力（ - - y y）成）成 正比的粘性流动，则变形正比的粘性流动，则变形 ，则：，则：ad/dtbcd黏土、新拌水泥混凝土ad/dtbcd牛顿液体宾汉姆液体非牛顿液体一般宾汉姆液体当液体中有分散粒子时3.4 材料的粘弹性本节提要o 1. 粘弹性概念及其研究模型o 2. 应力松弛o 在外力作用
14、下，材料同时表现出弹性和粘性特征，这种力学性质称为粘弹性。此时，变形与温度和外力作用时间关系密切。o 粘弹性若符合理想虎克模型和理想牛顿模型的组合，则称为线性粘弹性，否则是非线性粘弹性。o 粘弹性是高分子材料的一个重要特征。麦可斯韦模型（牛顿模型和胡克模型的串联）E应力松弛：应力随时间以 指数形式衰减tt03.5 3.5 材料的蠕变材料的蠕变本节提要1. 蠕变的概念及其研究模型2. 蠕变曲线特征3. 蠕变机理4. 蠕变影响因素蠕变是固体材料在恒定应力作用下，变形随时间的增长而持续发展的现象。又叫徐变或蠕滑。所有的材料都有可能发生蠕变，温度对材料的蠕变至关重要。当温度低于0.4Tm时，蠕变极小，
15、而当温度高于0.4Tm时，蠕变较大。1. 开尔文模型（对于一般材料）Ett0材料的变形随时间呈指数 型变化EE对于某些具体材料，如混凝土，则只能用勃格尔模型来研究其蠕变。二、蠕变曲线OA：包括瞬时弹性变形和瞬时塑性变形；AB：初始蠕变；BC：稳态蠕变阶段；CD：出现内部空洞或颈缩，蠕变速率增高第一 阶段第二 阶段第三 阶段120ABCDtT10.4TmT1n合力：r Ff1f2引 力斥 力r0r0：原子的平衡距离。当两原子处于平衡距离 时，原子间作用力为零 ，即引力等于斥力；当原子间距小于r0时，即固体受压缩，斥力大于 引力；当原子间距大于r0时，固体受拉伸，引力超过斥 力，合力随r的增加而增 加，达到最大值时又随r的增加而减小。键力曲线原子间的相互作用，还可以用互作用势能来表示，又 称结合能。o 设一对原子间距无穷远（最多也只有几百埃 ）时，其互作用能为零。o 当原子间距减小时，引力做正功，势能降低 ；斥力做负功，使势能增加，其结果如图。rr0V0势 能r=r0时，势能最小。o 惰性气体的结合能最弱，碱金属的结合能中等，过渡金属结合能较强，共价晶体、离子晶体结合能也较强。二、理论抗拉强度o 由键力曲线可知，晶体受拉时，相邻两质 点间的距离增大
