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1、材料力学性能,哈尔滨工业大学材料学院 朱景川,应力状态很软(2), 适用面广；,高碳钢,氮化层截面硬度压痕分布,碳化钨陶瓷,5.硬度与强度关系及试验方法的改进,(1)硬度试验特点,一些材料的硬度,方法简便，基本“无损”，适于现场检验；,物理意义不明确，难以定量设计。,(2)硬度与强度之间关系,钢铁：K=0.330.36,铜合金、不锈钢等： K=0.40.55,退火金属的硬度与强度关系,注意：硬度的单位！,(3)纳米压痕试验,纳米压痕载荷-位移曲线,H 纳米硬度； S 接触刚度； A 接触面积； 与压头几何形状相关的常数； Er等效模量,纳米压痕试验原理,习题2：试比较各种硬度试验原理、特点及应
2、用。,S2-1 弹性变形及其物理本质,第二章 材料变形行为,1.弹性变形特点,(1)可逆性；,(2)一般为线弹性；,(3)弹性应变较小。,2.弹性变形的宏观描述胡克定律,复杂应力状态各向同性线弹性体的广义胡克定律,3.弹性变形的微观本质,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逆变化。,弹性模量的物理本质：反映原子间结合能的大小。,工程弹性常数,(1)杨氏模量E：,(2)切变模量G：,(3)泊松比：,(4)体模量K：,各向同性体只有两个独立的弹性常数：,S2-2 材料的弹性常数,1.弹性常数的工程意义,(1)构件稳定性与刚度,弹性模量是决定构件刚度的重要因素。,强度设计：不发生
3、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)原子种类与键合方式 一般来说，在构成材料聚集状态的4种键合方式中，共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数，分子键弹性模数低。 无机非金属材料大多由共价键或离子键以及两种键合方式共同作用而成，因而有较高的弹性模数。 金属及其合金为金属键结合，也有较高的弹性模数。 高分子聚合物的分子之间为分子键结合，因而高分子聚合物的弹性模数亦较低。,2.影响弹性模量的因素,(2)晶体结构,单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上呈各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。 多晶体材
4、料的弹性模数为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但这种各向同性称为伪各向同性。 非晶态材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性模量是各向同性的。,(3)合金元素,材料化学成分的变化可引起原子间距或键合方式的变化，因此也能影响材料的弹性模数。 与纯金属相比，合金的弹性模数将随组成元素的质量分数()、晶体结构和组织状态的变化而变化。 固溶体合金的弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构。随着溶质元素质量分数的增加，虽然固溶体的弹性模数发生改变，但在溶解度较小的情况下一般变化不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过5。,在两相合金中，弹性模数的变化比较复杂，它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及分布
5、状态有关例如在铝中加入Ni(15)、Si(13)，形成具有较高弹性模数的金属间化合物，使弹性模数由纯铝的约6.5104 MPa增高到9.38l04 MPa。,(4)微观组织,金属材料刚度代表的弹性模数，是一个组织不敏感的力学性能指标。 工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷的相的种类、粒度、分布、比例及气孔串有关。,气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致可用下式表示：,式中：E0为无气孔时的弹性模数；p为气孔率。 可见：随着气孔率的增加，陶瓷的E值下降。,高分子聚合物的弹性模数可以通过添加增强填料而提高！ 图1-7所示为热裂炭黑填科对天然橡胶弹性模数的影响。,复合材料是特殊的多相材料。对于增强相为粒状的复
6、合材料，其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大。 对于单向纤维增强复合材料，其弹性模数一般用宏观模量表示，分别为纵向弹性模量E1、横向弹性模量E2:,式中：Ef、Em分别为纤维和基体的弹性模数；vf、vm分别为纤维和基体的体积分数。 显然：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。,5. 温度,一般说来，随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模数降低。例如，碳钢加热时，温度每升高100 ，E值下降35。 另外，随着温度的变化，材料发生固态相变时，弹性模数将发生显著变化。,图1-8为几种材料的弹性模数随着温度
7、(温度与熔点之比)的变化情况。,材料力学性能,哈尔滨工业大学材料学院 朱景川,S2-3 弹性不完整性,第二章 材料变形行为,(1)单值；,(2)线性；,(3)应力应变同步。,理想弹性体的力学行为：,应变落后于应力(弹性滞后),弹性不完整性,实际材料,静态:弹性后效,动态:内耗,粘弹性:显著的时间相关性,1.静态弹性后效,ab:正弹性后效(弹性蠕变),cd:反弹性后效,恒载: = 0 e,OA:瞬时应变(普弹性),卸载: = 0,bc:瞬时应变(普弹性), 弛豫时间,弹性滞后的物理本质,-Fe中八面体间隙,与应力感生C原子有序(Snock机制),钉扎位错弦阻尼振动K-G-L模型, 位错网络或析出
8、相粒子强钉扎； 杂质原子弱钉扎,弹性滞后的物理本质：应力感生材料内部结构或状态的弛豫变化。,弹性滞后对材料加工与使用性能的影响,(1)长期承受载荷的测力弹簧材料、薄膜材料等，应考虑正弹性后效问题。,对仪表和精密构件材料的加工与应用影响较大：,例如油压表（或气压表）的测力弹簧，不允许存在弹性后效，否则测量误差大。,(2)经过校直的工件，放置一段时间后又会变弯，与反弹性后效有关；也可能是工件中存在的第类残余内应力引起正弹性后效。,实际工程材料的弹性后效与组织结构复杂程度、不均匀性及缺陷总量呈正相关。,金属镁有强烈的弹性后效，可能和它的六方晶格结构有关。因为和立方晶格金属相比，六方晶格的对称性较低，
9、故具有较大的“结晶学上的不均匀性”。,高分子材料一般具有显著的弹性滞后，不能忽略。,金属材料一般弹性滞后不显著，有时予以忽略。,陶瓷材料弹性模量大，弹性应变小，弹性滞后不明显，通常予以忽略。,除材料本身外，外在服役条件也影响弹性后效的大小及其进行速度。,(1)温度升高，弹性后效速度加快 如锌，提高温度150C，弹性后效的速度增加50。 温度同时也影响弹性后效形变量的绝对值。 假若以100C时弹性后效形变量为100，则在扭转时，每升高10C，黄铜的弹性后效形变量值增加2.9%,铜增加3.4%,银增加3.6%。 反之，若温度下降，则弹性后效变形量急剧下降，以致有时在低温（1850C）时无法确定弹性
10、后效现象是否存在。,(2)应力状态也剧烈影响弹性后效 应力状态软性系数越大，亦即切应力分量越大时，弹性后效现象（即变形量）越显著。 所以扭转时的弹性后效现象比弯曲或拉伸时为大。,2.动态弹性滞后环,连续加载、卸载时，若存在弹性后效，加载线和卸载线不重合，形成一个封闭的滞后回线，称为弹性滞后环。,交变载荷下一个应力循环中弹性滞后环的面积相当于不可逆能量的消耗（即内耗），称为循环韧性。 循环韧性的大小代表着材料在单向循环应力或交变循环应力作用下，以不可逆方式消耗能量而不被破坏的能力，也就是代表着金属靠自身微结构或缺陷来消除机械振动的能力（即消振性的好坏）。 所以在生产上有很重要的意义，是一个重要的
11、机械性能指标。 例如飞机的螺旋桨和汽轮机叶片等零件由于结构条件限制，很难采取结构因素（外界能量吸收器）来达到消振的目的，此时材料本身的消振能力就显得特别重要。,Cr13系列钢之所以常用作制造汽轮机叶片材料，除其耐热强度高外，还有个重要原因就是它的循环韧性大，即消振性好。 灰铸铁循环韧性大，是很好的消振材料，所以常用它做机床和动力机器的底座、支 架以达到机器稳定运转的目的。 相反，在另外一些场合下，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，则必须使循环韧性尽可能小。,弹性后效和弹性滞后环的起因： (1)可能是因位错的运动引起，也可能由于其他效应所引起。 (2)由
12、于在宏观或微观范围内变形的不均匀性，在应变量不同地区间出现温度梯度，形成热流。附加应变不容易和应力同步变化，因此出现滞弹性现象， (3)也可能由于晶界的粘滞性流变或由于磁致伸缩效应产生附加应变，而这些应变又往往是滞后于应力的。,3.粘弹性,粘弹性是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。 一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时表现粘弹性现象。 其特征是应变落后于应力，即应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。当加上周期应力时，应力应变曲线就成一回线。,应力和应变的关系与时间有关，可分为恒应变下的应力松弛和恒应
13、力下蠕变两种情况。,材料的粘弹性行为在一些高分子材料中表现得比较突出，这是由于大分子链段沿外力逐渐舒展引起的，在外力去除后这部分蠕变变形可以缓慢地恢复，这也是高分子材料蠕变与金属或陶瓷材料蠕变的明显区别。,高分子聚合物的弹性,(1)普弹性：键长、键角的变化，如晶态聚合物、塑料等,(2)高弹性：卷曲链段运动，如橡胶,(3)粘性流动：整链运动,式中:E1普弹模量，D1普弹柔量,式中:E2高弹模量，D2高弹柔量,线型非晶态高分子材料的三种力学状态,4、伪弹性,伪弹性是指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象。伪弹性变形
14、的量级大约在60左右，大大超过正常弹性变形。,Ni-Ti合金马氏体及奥氏体相的特征,Austenite (奥氏体) Hard Simple FCC (face-centered cubic ) structure Martensite (马氏体) Soft Complex structure,AB段为奥氏体常规弹性变形阶段，BM为应力诱发马氏体相变开始的应力，c点处马氏体相变结束，CD段为马氏体的弹性应变阶段。在CD段卸载，马氏体作弹性恢复。,FP表示开始逆向相变的应力，马氏体相变回原来的组织，到G点完全恢复初始组织。GH为初始组织的弹性恢复阶段，恢复到初始组织状态，没有任何残留变形 。形状记
15、忆合金就是利用了这一原理。,铁弹性与力滞回线,课后思考：解释下图现象，并指出此图绘制不合理之处,材料力学性能,哈尔滨工业大学材料学院 朱景川,课后思考：解释下图现象，并指出此图绘制不合理之处,S2-4 材料的塑性变形,第二章 材料变形行为,变形条件:,不可逆性：,温度、时间相关性：,1.塑性变形现象,(1)宏观特征,s,变形量较大：,组织和性能变化大：,非线性：,组织和环境敏感性：,(2)工程意义,塑性成形的基础:,构件安全性的保障：,形变强化是材料强化的重要手段。,松弛应力,消耗能量,加工硬化,晶体整体切变模型,2.单晶体的塑性变形,(1)理论切变强度,令a=b,s,(2)塑性变形的滑移机制
16、,滑移是位错运动的结果：,刃型位错滑移过程,螺形位错及其滑移,位错滑移变形 实验证据：,F-R位错增值机制,滑移的方向性:,滑移条件,单晶体单向拉伸宏观与微观变形之关系,滑移条件临界切应力定律,屈服时： =c, =s,(3)塑性变形的孪生机制,在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。,金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。,孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生.,特点：,孪生原子移动的相对位移是原子间距的分数值.变形量较小,FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金属仅在室温或受冲击时发生。HCP金属较容易发生孪生。,黄铜中的孪晶,锌中的孪晶,（1）多晶体塑性变形特点 a.各晶粒变形的不同时性和不均匀性 多晶体金属：由于各晶粒位向
