材料变形——弹性变形.ppt

第二章 材料的变形 引言 材料受力后就要发生变形 外力较小时发生弹性变形 外力较大时发生塑性变形 外力进一步增大时发生断裂 材料经变形后，不仅外形和尺寸发生变化，内部组织和有关性能也会发生变化，使之处于自由焓较高的状态。这种状态不稳定，在重新加热时就会发生回复和再结晶现象。 研究材料的变形规律及其微观机制具有十分重要的理论和实际意义！ 弹性变形阶段 弹性变形及其实质 弹性模量（已讲） 弹性的不 完 整 性 粘 弹 性 一、弹性变形及其实质 前已叙及，在单向拉伸过程中，绝大部分固体材料都首先产生弹性变形，外力去除后，变形消失而恢复原状。 弹性变形的主要特点————可逆性变形 对于金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物在弹性变形范围内，应力和应变之间都具有以下特征： 1、弹性变形量较小（ε＜0.5～1％） 2、单值线性关系——即胡克定律 一、弹性变形及其实质 胡克定律 正应力下：σ=E·ε 切应力下：τ=G·γ σ、τ分别为正应力和切应力 ε、γ分别为正应变和切应变 E为弹性模量（正弹性模量、杨氏模量） G为切变模量。 一、弹性变形及其实质 弹性模量与切变模量之间关系为： 广义胡克定律 晶体的特征之一即各向异性，各个方向的弹性模量不同。在三轴应力作用下各向异性弹性体的应力应变关系，可以用广义胡克定律表示。 广义胡克定律 一、弹性变形及其实质 材料弹性变形的本质 ：概括说来，都是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映． 金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移； 橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展． 弹性变形微观过程的双原子模型 在正常状态下，晶格中的离子能保持在其平衡位置仅作微小的热振动，这是受离子之间的相互作用力控制的结果．一般认为，这种作用力分为引力和斥力，引力是由正离子和自由电子间的库仑力所产生，而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致．引力和斥力都是离子间距的函数。 弹性变形微观过程的双原子模型 在离子的平衡位置时合力为零． 当外力对离子作用时，合力曲线的零点位置改变，离子的位置亦随之作相应的调整，即产生位移，离子位移的总和在宏观上就表现为材料的变形。 当外力去除后，离子依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置，宏观的变形也随之消逝，从而表现了弹性变形的可逆性。 需要说明的是，根据上述模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性位移的关系并非虎克定律所说的直线关系，而是抛物线关系．其合力的最大值为Fmax，如果外加拉应力大于Fmax，就意味着可以克服离子间的引力而使它们分离。 弹性变形微观过程的双原子模型 因此，Fmax就是材料在弹性状态下的理论断裂抗力，此时相应的离子弹性变形量 εmax可达 25％。 实际上，因为在工程应用的材料中，不可避免地存在着各种缺陷、杂质、气孔或微裂纹，因而实际断裂抗力远远小于Fmax，材料就发生了断裂或产生了塑性变形．实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起始阶段，因此虎克定律所表示的外力和位移的线性关系是近似正确的。且变形量很小。 二、弹性模量 从原子本质上来看 弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。 所以，弹性模量是组织不敏感参数。 影响因素：回顾上一章内容 二、弹性模量 键合方式： 共价键结合的材料弹性模量最高，所以像SiC等陶瓷材料和碳纤维的符合材料有很高的弹性模量。 金属键有较强的键力，材料容易塑性变形，弹性模量适中。靠分子键结合的高分子，由于分子键弱，弹性模量最低。 弹性模量与熔点成正比，越是难熔的材料其弹性模量也越高。 二、弹性模量 合金化、热处理、冷塑性变形：对弹性模量的影响不大，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，外在因素的变化对它的影响也比较小。 晶体结构：对各向异性晶体，沿原子密排面E较大。 化学成分与微观组织：对金属材料，变化很小。 温度：金属的弹性模量随温度升高的下降速度比陶瓷材料高出大约1倍。高温下，希望用陶瓷材料替代金属。 弹性模量的测量 引伸计（extensometer) 是测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器，通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。传感器直接和被测构件接触。构件上被测的两点之间的距离为标距,标距的变化(伸长或缩短)为线变形。构件变形，传感器随着变形，并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息，放大器将传感器输出的微小信号放大。记录器（或读数器）将放大后的信号直接显示或自动记录下来。 三、弹性的不完整性 通常，人们把材料受载后产生一定的变形，而卸载后这部分变形消逝