变形与断裂机械基础.doc

一拉伸曲线 1)弹性变形σp比例极限σe弹性极限 2)不均匀屈服塑性变形σs屈服强度 3)均匀塑性变形σb抗拉强度 4)不均匀集中塑性变形 5)最后发生断裂二弹性变形定义当外力去除后,能恢复到原形状或尺寸的变形-弹性变形。弹性变形具有可逆性的特点。无论变形量大小、应力-应变是否呈线性关系,凡弹性形变都是可逆变形。(金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物具有单值线性关系,且弹性变形量都较小。橡胶态高分子聚合物不呈线性,且变形量较大。) 弹性变形本质都是构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。弹性变形的微观过程 1)在无外加载荷下,晶格中原子在其平衡位置仅作微小热振动,这是受原子间相互作用力控制的结果。原子间相互作用力是原子间距的函数。在原子平衡位置处合力为零。 2)当受外力作用时,原子间相互平衡力受到破坏,原子的位置产生位移,达到新的平衡。原子位移的总和:在宏观上就表现为变形。 3)当外力去除后,原子依靠彼此间作用力又回到原来平衡位置,宏观变形也随之消失,表现出弹性变形的可逆性。弹性模数 E是表征材料对弹性变形的抗力,工程称材料的刚度. 机械零件或工程构件的刚度还与其截面形状、尺寸及载荷作用方式有关,与材料的刚度不同。弹性模量 E的影响因素 1)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(无机非金属材料)和金属键(金属及其合金)都有较高的弹性模数; 分子键(高分子聚合物)弹性模数低。 2) 原子结构金属元素:弹性模数的大小与元素在周期表中的位置有关,实质是与元素的原子结构和原子半径有密切关系,原子半径越大, E 值越小。过渡族元素都有较高的弹性模数; 因其原子半径较小,且 d 层电子引起较大的原子间结合力所致。 3) 晶体结构单晶体材料: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。多晶体材料: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。 4) 化学成分化学成分变化:可引起原子间距或键合方式的变化,也能影响材料的弹性模量。合金的弹性模量: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:弹性模数取决于溶剂元素的性质和晶体结构。随着溶质含量增加,弹性模量发生改变,但溶解度较小时变化不大。两相合金: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、尺寸及分布状态有关。 5)微观组织金属材料弹性模量:是一个组织不敏感的力学性能指标。工程陶瓷弹性模量:与构成陶瓷的相的种类、粒度、分布、比例及气孔串有关。一般随气孔率的增加,陶瓷的 E值下降。高分子聚合物的弹性模数:可通过添加增强填料而提高。复合材料:是特殊的多相材料。粒状增强相的复合材料弹性模数:随增强相体积分数的增高而增大。 6)温度一般地,随着温度升高,原子振动加剧,体积膨胀,原子间距增大, 结合力减弱,金属和陶瓷材料的弹性模量降低。弹性模量 E:与原子或离子分离距离的 4次方或更高次方成反比。但是,弹性模量 E降低也不是很厉害。弹性比功表示材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。物理意义:吸收弹性变形功的能力。几何意义: 应力σ-应变ε曲线上弹性阶段下的面积。工程设计中,若材料只容许有弹性变形,且要求能吸收很大的能量(如机械弹簧),其合适材料应有高的弹性极限σ e和低的弹性模量 E。一般工程材料,弹性模数 E不易改变,尤其是金属材料;因此,常用提高弹性极限σ e方法来提高弹性比功 a e。滞弹性(弹性后效)是指材料在弹性范围内快速加载或卸载后,随时间的延长而产生的附加弹性应变的现象。加载时,应变落后于应力,而与时间有关的滞弹性,称为正弹性后效。卸载时,应变落后于应力的现象,称为反弹性后效。(材料组织越不均匀,滞弹性越明显;钢经淬火或塑性变形后,组织不均匀性增加,滞弹性加大;温度升高和切应力分量增大,滞弹性越强烈;没有切应力的多向压应力作用下,看不到滞弹性现象。) 材料的滞弹性对仪器仪表和精密机械中的重要传感元件的测量精度有很大影响,因此选材时需要考虑滞弹性问题。内耗在弹性区内单向快速加载、卸载时,加载线与卸载线会不重合(应力和应变不同步) ,形成一封闭回线,称为弹性滞后环(交变加载弹性滞后环,交变加载塑性滞后环)。材料加载时吸收的变形功>卸载时释放的变形功,有一部分加载变形功被材料所吸收。这部分在变形过程中被吸收的功。内耗的大小:可用滞后环面积度量。金属材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力,称为金属的循环韧性,也叫金属的“内耗”。循环韧性:指材料在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。内耗:指材料在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。内耗原因阻