1材料的力学性能.ppt

材料的力学性能,弹性形变 塑性形变 滞弹性和粘弹性 断裂性能,第一章 材料的力学性能,掌握应力和应变的概念,掌握无机非金属材料弹性形变的微观机理,掌握晶格滑移的条件,掌握弹性形变力学性能指标 弹性模量和泊松比的物理意义,掌握塑性形变的概念及特点,了解,第一章 材料的力学性能,1.1应力及应变 1.2弹性形变 1.3材料的塑性形变 1.4滞弹性和内耗 1.5材料的高温蠕变 1.6材料的断裂强度 1.7材料的断裂韧性,1.8 裂纹的起源与扩展 1.9 材料的疲劳 1.10 显微结构对材料脆性断裂的影响 1.11 提高材料强度及改善脆性的途径 1.12 复合材料 1.13 材料的硬度,1 材料的力学性能,在介绍应力-应变曲线的基础上，介绍材料的弹性变形、塑性变形、高温蠕变及其它力学性能的理论描述、产生的原因、影响因素。从断裂的现象和产生、断裂力学的原理出发，通过理论结合强度、应力场的分析，阐述断裂的判据，应力场强度因子、平面应变断裂韧性、延性断裂、脆性断裂、沿晶断裂、静态疲劳的概念，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。,1.1 应力及应变 1.1.1 应力 名义应力 真实应力 应力分量,1.1.2 应变,名义应变 真实应变,拉伸应变,剪切应变,g=tanq,剪应变,应变张量(Strain Tensor)：,图1-7不同材料的拉伸应力-应变曲线,1.2 弹性形变 1.2.1 Hooke 定律,对于理想的弹性材料，在应力作用下会发生弹性形变(elastic deformation)，其应力与应变关系服从胡克(Hooke)定律，即应力与应变成正比：,E称为弹性模量(Youngs modulus)，又称为杨氏模量或弹性刚度。,1.2.2 弹性模量的影响因素,弹性模量E是一个重要的材料常数。,(1)原子结构的影响,图1-9 弹性模量的周期性变化,弹性模量E随原子间距a的减小，近似地存在以下关系：,式中k、m是常数。,(2)温度的影响 随着温度的升高材料发生热膨胀现象。原子间结合力减弱，因此金属与合金的弹性模量将要降低。,(3)相变的影响 材料内部的相变(如多晶型转变、有序化转变、铁磁性转变以及超导态转变等)都会对弹性模量产生比较明显的影响，其中有些转变的影响在比较宽的温度范围里发生，而另一些转变则在比较窄的温度范围里引起模量的突变，这是由于原子在晶体学上的重构和磁的重构所造成的。,表 1-1 一些工程材料的弹性模量、熔点和键型,1.2.3 无机材料的弹性模量,表1-2 几种典型陶瓷材料的弹性模量,1.2.4 复相的弹性模量,）,两相系统 上限模量 (并联) 下限模量 （串联） 气孔的影响,图1-13 弹性模量E与气孔率的关系,1.2.5 弹性形变的机理,图 1-15 原子间振动模型,（a）双原子的作用力F(r) 与距离的关系； (b) 相互作用力U(r) 与距离的关系 图1-14 双原子的作用力F(r)及其相互作用力U(r)曲线,弹性系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。对于一定的材料它是个常数，它代表了对原子间弹性位移的抵抗力，即原子结合力。,1.3 材料的塑性形变,材料在外应力去除后仍保持部分应变的特性称为塑性(plasticity)，塑性形变是在超过材料的屈服应力作用下，产生变形，外力移去后不能恢复的形变。材料经受此种形变而不破坏的能力叫延展性（ductility)。此种性能对材料的加工和使用都有很大的影响，是一种重要的力学性能。图1-16为 KBr和MgO晶体弯曲试验的应力-应变曲线。其特点是当外力超过材料弹性极限，达到某一点时，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力为屈服应力，严格说，弹性极限并没有固定的值，因为开始偏离线性关系的点是由测量仪器的精度决定的，为了考虑这个测量不准确问题，通常在某个规定的应变处画一条平行于曲线的弹性部分的直线来决定屈服强度。,图1-16 KBr和MgO晶体弯曲试验的应力-应变曲线,图1-17 晶体的滑移示意图,1.3.1晶体滑移,(1)晶体滑移的条件,(1)由于晶面指数小的面，原子的面密度大，因此面间距越大，原子间的作用力越小，易产生相对滑动。 (2)滑过滑动平面使结构复原所需的位移量最小，即柏氏矢量小，也易于产生相对滑动。 (3)另外从静电作用因素考虑，同号离子存在巨大的斥力，如果在滑动过程中相遇，滑动将无法实现。 因此晶体的滑动总是发生在主要晶面和主要晶向上。,图1-18 滑移的条件,图1-20 临界解应力的确定,(2)临界分解剪切应力,(3)金属与非金属晶体滑移难易的比较,对于金属来说，一般由一种原子组成，结构简单，金属键无方向性，滑移系统多，如体心立方金属（铁、铜）滑移系统有48种之多; 而无机材料由于其组成复杂、结构复杂、共价键和离子键的方向性，滑移系统很少，只有少数无机材料晶体在室温下具有延性，这些晶体都属于NaCl型结构的离子晶体结构，如KCl、KBr、 LiF等。属于刚玉型结构，比较复杂，因而在室温下不能产生滑动。 对于多晶体材料，其晶粒在空间随机分析，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大，即使个别晶粒已达到临界剪应力而发生滑移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止。所以多晶材料更不易产生滑移。,位错运动理论：实际晶体中，是位错在滑移面上的移动，而不是晶体内两部分整体相互错动。使位错运动的力更小。位错是一种缺陷，在原子排列有缺陷处，势能较高，而内力平衡时，原子处于势能最低位置，要滑移，必须要克服H的势垒高度。,H()称为“位错运动激活能”,1.3.2 塑性形变的位错运动理论,(a)完整晶体的势能曲线；(b)有位错时晶体的势能曲线；(c)加剪应力后的势能曲线 图1-21 一列原子的势能曲线,(1)位错运动的激活能。,(2)位错运动的速度。,(a) 温度的影响； （b）应变速率的影响 图 1-22 单晶氧化铝的形变行为,当=0,在T=300(K),则kT=4.14*10-21*6.24 *1018 =0.026eV,金属材料h为0.10.2eV，而具有方向性的离子键、共价键的无机材料h为1eV数量级， 远大于kT，因此无机材料位错难以运动。 如果有外应力的作用，因为hhH() ，所以位错只能在滑移面上运动，只有滑移面上的分剪应力才能使H()降低。 如果温度升高，位错运动速度加快，对于一些在常温下不发生塑性形变的材料，在高温下具有一定塑性。,图1-23 塑性变形的简化模型,（3）形变速率,D-位错的密度； b-柏斯矢量； C-位错增殖系数 塑性形变取决于位错运动速度，位错密度，柏斯矢量，位错的增殖系数，且与其成正比,应变速率：,（4）位错的增殖机理,图1-24 弗兰克-瑞德源机理,由于位错与塑性形变的关系特别重要，为了改善无机材料的形变特性，采用对表面进行抛光，加入不同尺寸的离子或不同电价的杂质能引起固溶强化。如对氧化铝退火和进行表面火焰抛光，消除表面缺陷；固溶Fe、Ni、Cr、Ti和Mg可增加压缩屈服强度。由于除Cr外，在氧化铝中所有阳离子的溶解度，可能出现固溶强化和淀析硬化。多晶塑性形变不仅取决于构成材料的晶体本身，而且在很大程度上受晶界物质的控制。 多晶型形变包括以下内容：晶体中的位错运动引起塑性变形；晶粒与晶粒间晶界的相对滑动；空位的扩散；黏性流动。,1.4 滞弹性和内耗,1.4.1 粘弹性和滞弹性 粘弹性:自然界中实际存在的材料，其形变一般介于理想弹性固体与理想粘性液体之间，既具有固体的弹性又具有液体的粘性称粘弹性(viscoelasticty)。最典型的是高分子材料。粘弹性材料的力学性质与时间有关，具有力学松弛的特征，常见的力学松弛现象有蠕变和应力驰豫等。,滞弹性: 与时间有关的弹性，具体表现为应变的产生与消除需要有限的时间。弹性模量是时间的函数(随时间的增加而降低)。当弹性形变有可测出的时间上的滞后，则称为滞弹性行为。,应变松弛(Strain Relaxation):是固体材料在恒定荷栽下，变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程，或材料受力后内部原子由不平衡的过程，也叫蠕变或徐变。 应力驰豫(Stress Relaxation):是在持续外力的作用下，发生变形着的物体，在总的变形值保持不变的情况下，由于徐变变形渐增，弹性变形相应减小，由此使物体的内部应力随时间延续而逐渐减小的过程。,1.4.2 应变松弛和应力松弛,1.4.3 松弛时间,图1-25 驰豫性状的标准性固体,松弛时间（relaxation time）是指物体受力变形，外力解除后材料恢复正常状态所需的时间。直杆在应变保持常值0的松弛过程中，其应力由初值0逐渐减少到0.36790所需要的时间；精确地说，是逐渐减少到0/e所需要的时间，其中e是自然对数的底,e=2.71828。松弛时间与温度及直杆的材料有关。松弛时间通常是表示材料松弛性能的一个特征量。,1.4.4 无弛豫模量与弛豫模量,由于滞弹性的与时间有关的弹性，所以弹性模量可以表示为时间的函数E(t)。 对于蠕变，应力和应变有,对于弛豫，应力和应变有,弹性模量随时间而变化，并不是一个常数,为无弛豫模量，,为弛豫模量,1.4. 模量亏损,实际弹性材料总是存在不同程度的滞弹性，形变依时间而变。在,恒应力下，其弹性模量,从而导致弹性模量随应力作用时间延长而降低。,为了表征材料因滞弹性而引起的弹性模量下降、引入模量亏损(modulus defect)或E效应参量，定义为 :,1.4. 材料的内耗 一自由振动的固体，即使与外界完全隔离(如处于真空环境)，它的机械能也会转化成热能，从而使振动逐渐停止；如果是强迫振动，则外界必须不断供给固体能量，才能维持振动。这种由于固体内部原因而使机械能消耗的现象称为内耗(internal friction)或阻尼(damping)。内耗变化的最大值称为内耗峰(internal friction peak)。,1.5 材料的高温蠕变,1.5.1 蠕变曲线 蠕变曲线：室温拉伸试验时，长期保持屈服极限以下的应力，试件不会产生塑性变形，也就是说应力应变关系不会因载荷作用时间的长短而发生变化。但是，在较高温度下，特别是当温度达到材料熔点的1/3到1/2时，即使是应力在屈服极限以下，试件也会产生塑性变形，时间愈长，变形量愈大，直至断裂。这种发生在高温下的塑性变形就称为高温蠕变。,1.5.2 蠕变机理 (1) 晶格机理,无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下，原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。当温度增加时，位错运动的速度加快。除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。通过吸收空位，位错可攀移到滑移面以外，绕过障碍物，使滑移而移位。攀移通过扩散进行的，从而使蠕变得以进行。,(2)扩散蠕变理论-空位扩散流动,认为在拉应力方向，空位浓度较高，而在压应力的方向，则空位浓度较低，因此，空位就要发生扩散，从而产生蠕变。,(3)晶界蠕变理论 多晶陶瓷中存在着大量晶界，当晶界位向差大时，可以把晶界看成是非晶体。高温时，其粘度变小，从而易发生粘滞流动，而产生蠕变。,图1-30 扩散蠕变与晶界滑动,1.5.3 影响蠕变的因素,(1) 温度 温度升高，蠕变增大。这是因为温度升高，位错运动和晶界错动加快，扩散系数增大。,(2)应力 蠕变随应力增加而增大。若对材料施加压应力，则增加了蠕变的阻力。 (3)显微结构的影响 气孔率 晶粒尺寸 玻璃相,（a）不润湿 （b）完全润湿 图1-33 玻璃相对晶相的润湿情况,(4)组成 组成不同的材料其蠕变行为不同。 (5)晶体结构 随着共价键结构程度增加，扩散及位错运动降低，因此，像碳化物、硼化物等陶瓷材料的抗蠕变性能很好。,1.6 材料的断裂强度,许多安全事故由材料断裂引起 20世纪40年代美国全焊接自由轮折断； 50年代北极星导弹在实验发射时爆炸； 桥梁、船舶、油罐和飞机的断裂破坏的事例还很多； 掌握材料的断裂机理，才能采取相应的防止措施。,理想晶体断裂过程的本质 原子间结合键的断裂并形成二个新的表面的过程。 如果知道了原子间结合力的细节，即知道了应力应变曲线的精确形式，就可算出理论断裂强度？ 原子间的结合力不同材料的化学组成、结构及键合方式的关系 理论计算十分复杂，不可行！,理论断裂强度,1.6.1 理论断裂强度 Orowan提出了一种办法，他以正弦曲线这种简单形式来近似原子间结合力随原子间距变化的曲线图（见图1-34）,为理论断裂强度；,为正弦曲线的波长。,在拉伸过程中，应力所作的功应等于二倍的表面能。,在拉伸过程中，应力所作的功应等于二倍的表面能。,a为晶格常数。 理论断裂强度与弹性模量、表面能、晶格间距等材料常数有关。 虽是粗略的估计,但对所有固体均能应用而不问原子间具体结合力详情如何。,通常: 这样式(1-76)可写成:,经验公式,一般材料常数的典型数值为： E=300 GPa， ， ,则根据式（1-76）算出： 根据式（1-77）算出：,计算举例,要得到高强度的固体,就要求E、y大,而a小。实际材料中只有一些极细的纤维和晶须接近理论强度值，例如: 石英玻璃纤维强度可达24.1Gpa，约为E/4； 碳化硅晶须强度为6.47Gpa， 约为E/23； 氧化铝晶须强度为15.2Gpa， 约为E/33。 但尺寸较大材料的实际强度比理论值低得多，约为E/100到E/1000范围，而且实际材料强度总在一定范围内波动，即使是同样材料在同样条件下制成的试件,强度值也有波动. 试件尺寸大,强度就偏低。,解释实际强度低于理论强度的理论 1.6.2 Inglis 理论 英格里斯（Inglis）曾研究了具有孔洞板的应力集中问题，,他根据弹性理论求得A点的应力A为：,奥罗万注意到当很小，可近似认为与原子间距a同数量级,实际晶体断裂过程 晶体中任意一点的局部应力大于理论断裂强度，该点原子间结合键断裂并扩展最终导致整体断裂成二个新的表面的过程。,贡献：看到了缺陷、解释了实际强度远低于理论强度的事实。 缺点：英格里斯只考虑了端部一点的应力，实际上裂纹端部的应力状态是很复杂的。故用此断裂准则计算的结果是不令人满意的。,Inglis 理论的贡献和不足,格里菲斯（Griffith）认为实际晶体断裂过程 断裂并不是晶体两部分同时沿整个截面被拉断，而是裂纹在外力作用下扩展的结果。 从能量平衡观点出发，物体内储存的弹性应变能的减小大于或等于开裂形成两个新表面所需增加的表面能，即认为物体内储存的弹性应变能降低（或释放）就是裂纹扩展的动力，否则，裂纹不会扩展。,1.6.3 Griffith微裂纹理论,经推导临界应力为：,理论结合强度公式中a为原子间距，而Griffith公式中为裂纹的半长。 如果我们能控制裂纹长度和原子间距同数量级，就可使材料达到理论强度。 制备高强度材料的措施是：E和要大，而裂纹尺寸C要小。 由于同种材料中大尺寸材料比小尺寸材料包含的裂纹数目更多，使得大尺寸材料的断裂强度较低，这就是材料强度的尺寸效应。,贡献：解释了脆性材料强度远低于其理论强度的现象，应用在陶瓷和玻璃等脆性材料中取得很大成功。 不足：用在金属和非晶态高聚物等有延展性材料时实验测得的断裂强度比计算得到的大得多。,Griffith理论的贡献和不足,1.6.4 Orowan理论 Orowan认为是由于延性材料受力时产生的塑性形变消耗了大量的能量，使得断裂强度提高，引入扩展单位面积裂纹所需的塑性功p，可得延性材料的断裂强度c为:,即在延性材料中塑性功p控制着断裂过程，因此塑性是阻止断裂的一个重要因素。,陶瓷、玻璃等脆性材料有微米级微观线度的裂纹时，就会发生低于理论结合强度的裂纹，而金属和非晶态高聚物则在有毫米级宏观尺寸的裂纹时，才会发生低应力的断裂。,思考? 4个材料强度理论的区别及应用? 从强度理论出发,如何制备高强度的材料?,1.7材料的断裂韧性,1.7材料的断裂韧性,1.7.1 裂纹扩展方式,(a) 张开型(型)；（b)滑开型(型)；（c) 撕开型(型) 图1-37 裂纹扩展的三种类型,1.7.2 裂纹尖端应力场分析,KI为与外加应力、裂纹长度C、裂纹种类和受力状态有关。 为几何形状因子，与裂纹型式、几何形状有关。,对于含裂纹体的材料，我们通过裂纹尖端应力场的分析计算找出描述裂纹尖端应力场强度的力学参量应力场强度因子KI。其下标表示型扩展类型，单位为Pam1/2,1.7.3几何形状因子,(a)大而薄的板，中心穿透裂纹；(b) 大而薄的板，边缘穿透裂纹；(c)三点弯曲试件 图1-39 几种情况下的Y值,断裂韧度KIC和断裂K判据 与拉伸实验时的控制断裂的力学参量应力对比，随着应力增加到一定的值，试样破坏。一定的值定义为材料的力学性能，如屈服强度，抗拉强度，断裂强度。 对于裂纹体，控制裂纹扩展的力学参量是应力场强度因子KI，随着KI增加到一定的值，试样破坏。一定的值定义为材料的力学性能，平面应变断裂韧性KIC。,按照经典强度理论，在设计构件中，断裂准则是,即使用应力应小于或等于许用应力，而许用应力。,有一实际使用应力 的构件， 可选用两种钢材的参数为： 甲钢： 乙钢：,，,，,设钢材的几何形状因子Y=1.5，最大裂纹尺寸C=1mm，,应力场强度因子：,，,，,则有 甲钢： 乙钢： 可见，甲钢的 ，而乙钢的 所以选用甲钢不安全，会发生低应力下的脆性断裂，而选用乙钢却安全可靠。,对于有内裂纹（长2C）的薄板，根据计算得到临界状态时的裂纹扩展能力GC）为：,对于脆性材料，,1.7.5裂纹扩展的G判据(了解),Orowan将裂纹扩展单位面积所降低的应变能定义为应变能释放或叫裂纹扩展力:,1.8 裂纹的起源与扩展,1.8.1 裂纹的起源 （1）由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就引起应力集中，导致裂纹成核。,（2）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹，这种表面裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面裂纹开始。有人研究过新制备的材料表面，用手触摸就能使强度降低约一个数量级。,表1-4 不同表面情况对玻璃强度的影响,按照Griffith微裂纹理论， 材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是取决于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸(临界裂纹尺寸)决定材料的断裂强度，一旦裂纹超过临界尺寸，断裂就迅速扩展而断裂。,1.8.2 裂纹的快速扩展,（3）由于热应力而形成裂纹。,图1-42 玻璃板在不同负荷下裂纹增殖示意图,对于脆性材料，裂纹的起始扩展就是破坏过程的临界 阶段，因为脆性材料基本上没有吸收大量能量的塑性变形。,1.8.3 影响裂纹扩展的因素 1、首先应使作用应力不超过临界应力，这样裂纹就不会扩展； 2、其次在材料中设置吸收能量的机构也阻碍裂纹扩展； 例如在陶瓷材料基体中加入塑性的粒子或纤维制成金属陶瓷或复合材料就是利用这一原理的突出例子。 3、人为地在材料中造成大量极微细的裂纹(小于临界尺寸)也能吸收能量,阻止裂纹扩展。 近年来出现的所谓”韧性陶瓷”就是在氧化铝中加入氧化锆,利用氧化锆的相变产生体积变化,在基体中形成大量微裂纹,从而大大提高材料的韧性。,1.9 材料的疲劳,材料的断裂强度取决于时间,例如同样材料,负荷时间长时,断裂强度为1；负荷时间短一些,断裂强度为2 ； 负荷时间再缩短, 断裂强度为3,一般规律为3 2 1 。,1.10 显微结构对材料脆性断裂的影响,对多晶材料，大量实验证明晶粒愈小，强度愈高， 因此微晶陶瓷就成为陶瓷发展的一个重要方向。,1.10.1 晶粒尺寸,1.10.2 气孔的影响,大多数陶瓷材料的强度和弹性模量都 随气孔率的增加而降低。,