《第七章材料的力学性能PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章材料的力学性能PPT讲稿.ppt（57页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第七章材料的力学性能第1页，共57页，编辑于2022年，星期一MechanicalpropertyofmaterialsStressandstrainElasticdeformationModulusViscoelasticityPermanentdeformationStrengthFracture第2页，共57页，编辑于2022年，星期一7固体材料的机械性能固体材料的机械性能Chapter 7Chapter 8Chapter 9（stressandstrain）LearningObjectives材料的形变材料的形变（Deformationofmaterials）（Elasticdefor
2、mationandPermanentdeformation）不同材料（金属、陶瓷和高分子）的机械行为不同材料（金属、陶瓷和高分子）的机械行为MechanicalPropertiesofSolidMaterials应力和应变应力和应变第3页，共57页，编辑于2022年，星期一MechanicalstatesofmaterialsA晶态晶态结构结构，B较高的弹性较高的弹性模量模量和和强度强度，C受受力力开开始始为为弹弹性性形形变变，接接着着一一段段塑塑性性形形变变，然后断裂，总变形能很大，然后断裂，总变形能很大，D具有较高的具有较高的熔点熔点。7-1-1材料的力学状态材料的力学状态1.金属金属(M
3、etals)的力学状态的力学状态第4页，共57页，编辑于2022年，星期一弹性模量随温度升高而降低？弹性模量随温度升高而降低？第5页，共57页，编辑于2022年，星期一某些金属合金某些金属合金A呈呈非晶态合金非晶态合金，B具有很高的硬度和强度，具有很高的硬度和强度，C延伸率很低而并不脆。延伸率很低而并不脆。D温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降低，发生晶化而失去非晶态结构。低，发生晶化而失去非晶态结构。第6页，共57页，编辑于2022年，星期一2.无机非金属无机非金属(nonmetals)的力学状态的力学状态A玻璃相玻璃相熔点熔点低，热稳定性差，强度
4、低。低，热稳定性差，强度低。B气气相相（气气孔孔）的的存存在在导导致致陶陶瓷瓷的的弹弹性性模模量量和和机机械械强度强度降低。降低。C陶瓷材料也存在玻璃化转变温度陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。D绝绝大大多多数数无无机机材材料料在在弹弹性性变变形形后后立立即即发发生生脆脆性性断断裂裂，总弹性应变能很小。，总弹性应变能很小。第7页，共57页，编辑于2022年，星期一高模量高模量陶瓷陶瓷材料的力学特征材料的力学特征高硬度高硬度高强度高强度低延伸率低延伸率第8页，共57页，编辑于2022年，星期一3.聚合物的力学状态聚合物的力学状态(Polymer)（1）非晶态聚合物非晶态聚合物的的三种三种力力学状
5、态学状态玻璃态玻璃态高弹态高弹态粘流态粘流态第9页，共57页，编辑于2022年，星期一第10页，共57页，编辑于2022年，星期一（2）结晶聚合物结晶聚合物的力学状态的力学状态 A结晶聚合物常存结晶聚合物常存在一定的在一定的非晶非晶部分，也有部分，也有玻璃化转变。玻璃化转变。B在在Tg以上以上模量模量下降不大下降不大C在在Tm以上以上模量模量迅速下降迅速下降D聚合物分子量很大，聚合物分子量很大，TmT f，则熔融之后即转变成，则熔融之后即转变成粘流态粘流态第11页，共57页，编辑于2022年，星期一Tm、T f第12页，共57页，编辑于2022年，星期一玻璃化温度玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料
6、使用的是非晶态塑料使用的上限上限温度温度是橡胶使用的是橡胶使用的下限下限温度温度熔点熔点(Tm)是结晶聚合物使用的是结晶聚合物使用的上限上限温度温度第13页，共57页，编辑于2022年，星期一(stressandstrain)7-1-2应力和应变应力和应变Ifaloadisstaticorchangesrelativelyslowlywithatimeandisapplieduniformlyoveracrosssectionorsurfaceofamember,themechanicalbehaviormaybeascertainedbyasimplestress-straintest.Th
7、esearemostlycommonlyconductedformaterialsatroomtemperature.第14页，共57页，编辑于2022年，星期一应力和应变应力和应变(stressandstrain)应力应力：1.应力应力和应变应变的定义的定义工工程程应应力力（名名义义应应力力）：面积为材料受力前的初始面积(A0)的应力。真实应力真实应力：面积为受力后的真实面积(AT)的应力。应变应变：单位面积上的单位面积上的内力内力，其值与外加的力相等。，其值与外加的力相等。受受到到外外力力不不惯惯性性移移动动时时，几几何何形形状状和和尺尺寸寸的的变化。变化。应力应力=外加力外加力F/面积面
8、积A7-1-2第15页，共57页，编辑于2022年，星期一2.材料的材料的应变方式应变方式各向同性材料，三种基本类型：各向同性材料，三种基本类型：还有扭转和弯曲扭转和弯曲形变。简单拉伸简单拉伸tension简单剪切简单剪切shear均匀压缩均匀压缩compression第16页，共57页，编辑于2022年，星期一F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上工程应变工程应变()：()=(ll0)/l0=l/l0l0l（1）简单拉伸简单拉伸(tension)工程应力工程应力：=F/A0单位单位MPa第17页，共57页，编辑于2022年，星期一A
9、 standard tensile specimenTensionisoneofthemostcommonmechanicalstress-straintest.thetensiontest canbeusedtoascertainseveralmechanicalpropertiesofmaterialsthatisveryimportantindesign.第18页，共57页，编辑于2022年，星期一Sometimesitismoremeaningfultouseatruestresstruestrainscheme.TruestressT isdefinedastheloadF divi
10、dedbytheinstantaneouscross-sectionalareaAi overwhichdeformationisoccurring(i.e.,theneck,pastthetensilepoint),or(7.15)Furthermore,itisoccasionallymoreconvenienttorepresentstrainastruestrainT,definedby(7.16)Ifnovolumechangeoccursduringdeformation,thatis,ifAi li=A0l0(7.17)trueandengineeringstressandstr
11、ainarerelatedaccordingto(7.18a)(7.18b)Equations7.18aand7.18barevalidonlytotheonsetofnecking;beyondthispointtruestressandstrainshouldbecomputedfromactualload,cross-sectionalarea,andgaugelengthmeasurements.Section 7.7第19页，共57页，编辑于2022年，星期一工程应力工程应力：=F/A0真实应力真实应力 T：T=F/ATA0AT工程应力工程应力 小于小于真真实应力实应力 T同一拉伸实
12、验中，同一拉伸实验中，工程应力工程应力（或（或名义应力名义应力）与与真实应力真实应力比较哪个数值大？比较哪个数值大？第20页，共57页，编辑于2022年，星期一第21页，共57页，编辑于2022年，星期一F与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直线上的两个力与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直线上的两个力 切应变：切应变：=tan（2）简单剪切简单剪切(shear)切应力：切应力：s()=F/A0第22页，共57页，编辑于2022年，星期一压缩应变压缩应变 V：Compression stress-stain tests may be conducted when in-service
13、forces are of this type.A com-pression test is conducted in a manner similar to the tension test,except that the force is compressive and the specimencontrasts along the direction of the stress.V=(V0-V)/V0=V/V0（3）均匀压缩均匀压缩(compress)F：周围压力：周围压力p第23页，共57页，编辑于2022年，星期一实心 W=.d 0 3/16 空心 W=.d 0 3（1-d 1 4/
14、d 0 4）/16 切应变切应变 =tg=d0/(2l0)100%（4）扭转扭转Torsionaldeformation切应力切应力 =M/W M:扭矩扭矩;W:截面系数截面系数第24页，共57页，编辑于2022年，星期一（5）弯曲弯曲Flexuraldeformation弯矩弯矩M最大扰度最大扰度 max第25页，共57页，编辑于2022年，星期一曲线（曲线（F l）转换为应力）转换为应力应变曲线应变曲线（）B.采用适当的坐标转换因子采用适当的坐标转换因子=F/A0和和=l/l 0 3.应力应力应变曲线应变曲线(Stress-straincurve)常用的试验方法：常用的试验方法：A.以匀速
15、拉伸试样，用测力装置测量以匀速拉伸试样，用测力装置测量F，伸长计同时，伸长计同时测量测量 l。第26页，共57页，编辑于2022年，星期一弹性弹性-均匀塑性均匀塑性型型纯弹性纯弹性型型弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性型型弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性-均匀塑性均匀塑性型型弹性弹性-不均匀塑性（屈服平台）不均匀塑性（屈服平台）-均均匀塑性匀塑性型型拉伸拉伸应力应力应变曲线（应变曲线（）五种类型五种类型下一页下一页第27页，共57页，编辑于2022年，星期一(1)纯弹性型纯弹性型A陶瓷、岩石、大多数玻璃陶瓷、岩石、大多数玻璃B高度交联的聚合物高度交联的聚合物C以及一些低温下的金属材料。以及一些低温下
16、的金属材料。(2)弹性弹性-均匀塑性型均匀塑性型A许多金属及合金、许多金属及合金、B部分陶瓷部分陶瓷C非晶态高聚物。非晶态高聚物。(3)弹性弹性-不均匀塑性型不均匀塑性型A低温和高应变速率下的面心立方金属，低温和高应变速率下的面心立方金属，B某些含碳原子的体心立方铁合金某些含碳原子的体心立方铁合金C以及铝合金低溶质固溶体。以及铝合金低溶质固溶体。返回返回第28页，共57页，编辑于2022年，星期一(4)弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性-均匀塑性型均匀塑性型A一些结晶态高聚物一些结晶态高聚物B未经拉伸的线型非晶态高聚物未经拉伸的线型非晶态高聚物(5)弹性弹性-不均匀塑性（屈服平台）不均匀塑性（屈服
17、平台）-均匀塑性型均匀塑性型A一些体心立方铁合金一些体心立方铁合金B许多有色金属合金。许多有色金属合金。返回返回第29页，共57页，编辑于2022年，星期一应力应力应变应变实例实例第30页，共57页，编辑于2022年，星期一第31页，共57页，编辑于2022年，星期一第32页，共57页，编辑于2022年，星期一7-1-3弹性形变弹性形变Chapter 7Chapter 8ElasticDeformationElasticdeformationModulusofelasticity(Hook)(metalandceramics)Rubberlikeelasticity(elastomer)Vis
18、coelasticity(polymer)第33页，共57页，编辑于2022年，星期一弹性形变弹性形变Elasticdeformation弹性形变有普遍性弹性形变有普遍性A任何材料任何材料起始起始总是有弹性形变总是有弹性形变;B有一定的弹性形变有一定的弹性形变范围范围，它取决，它取决于应力的大小和形态。于应力的大小和形态。第34页，共57页，编辑于2022年，星期一1、Hooke定律和弹性模量定律和弹性模量HooksrawandModulusofelasticity弹性形变的弹性形变的力学特点力学特点:小形变、可回复小形变、可回复第35页，共57页，编辑于2022年，星期一Hooke定律定律
19、E E-弹性模量弹性模量,量纲量纲GN/m2,Gpa弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力第36页，共57页，编辑于2022年，星期一弹性模量弹性模量正应力在正应力在 状态下状态下:正弹性模量正弹性模量E 纯剪切力纯剪切力 作用下作用下:切弹性模量切弹性模量G 均匀压缩均匀压缩:体积弹性模量体积弹性模量K 0(VV0)泊松比泊松比为缩短应变与伸长应变的比值，为缩短应变与伸长应变的比值，=-ey/ex第37页，共57页，编辑于2022年，星期一转化关系转化关系 E=3G/1+G/3KK=E/3(1-2)E=2G(1+)E=3K(1-2)第38页，共57页，编辑于
20、2022年，星期一第39页，共57页，编辑于2022年，星期一E=3K(1-2)第40页，共57页，编辑于2022年，星期一第41页，共57页，编辑于2022年，星期一材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力主要取决于原子间的结合能力主要取决于原子间的结合能力,构件刚度构件刚度金属的模量金属的模量值主要取决于 10-102 A 晶体中原子原子的本性、电子结构 B 原子的结合力结合力、C 晶格晶格类型以及晶格常数等。D 合金元素降低弹性模量。陶瓷陶瓷材料具有较高模量、原因 10-102 A 原子键合键合的特点 特种陶瓷特种陶瓷 B 构成材料相相的种类，
21、分布、比例及气孔率有关。高分子材料高分子材料低模量第42页，共57页，编辑于2022年，星期一FIGURE7.19Typical stressstrain behavior to fracture for aluminumoxide and glass.第43页，共57页，编辑于2022年，星期一A piece of copper originally 305 mm long is pulled in tensionWith a stress of 276 MPa.If the deformation is entirely elastic,what will be the resultant
22、 elongation?第44页，共57页，编辑于2022年，星期一Solution Since the deformation is elastic,strain is dependent on stressaccording to Hookes law.=E=(l/l0)EThe value of E for copper from Table 7.1 is 110*103 MPa.l=l0/E =276*305/(110*103)=0.77(mm)第45页，共57页，编辑于2022年，星期一例题例题第46页，共57页，编辑于2022年，星期一查表知泊松比查表知泊松比=0.34查表知模量查
23、表知模量E=97GPaSolution第47页，共57页，编辑于2022年，星期一一一硫硫化化的的橡橡胶胶球球受受到到6.89MPa的的静静水水压压力力，直直径径减减少少了了1.2%，而而相相同同材材质质的的试试棒棒在在受受到到516.8KPa的的拉拉应应力力时时伸伸长长2.1%，则此橡胶棒的，则此橡胶棒的泊松比泊松比为多少？为多少？E=/=516.8Kpa/2.1%=24.6MpaK=/(V/V)So=0.5(1-E/3K)=6.89Mpa/(1-0.9883)/1=193.7MpaE=3K(1-2)=0.51-(24.6MPa)/(3 193.7MPa)=0.48例题例题第48页，共57页
24、，编辑于2022年，星期一金金属属晶晶体体、离离子子晶晶体体、共共价价晶晶体体等等的的变变形形通通常常表表现现为为普普弹弹性性，主要的特点是：，主要的特点是：A应变在应力作用下瞬时产生，应变在应力作用下瞬时产生，B应力去除后瞬时消失，应力去除后瞬时消失，C服从虎克定律。服从虎克定律。高分子高分子材料通常表现为材料通常表现为高弹性和粘弹性高弹性和粘弹性第49页，共57页，编辑于2022年，星期一高弹性高弹性，即，即橡胶弹性橡胶弹性(rubberlikeelasticity)弹性模量小、形变大弹性模量小、形变大。A一般材料，如铜、钢等，形一般材料，如铜、钢等，形变量最大为变量最大为1左右，左右，B
25、而橡胶的高弹性形变很大，而橡胶的高弹性形变很大，可拉伸至可拉伸至510倍。倍。2.有机聚合物的弹性、粘弹性有机聚合物的弹性、粘弹性ElasticityandVisco-elasticityofPolymers第50页，共57页，编辑于2022年，星期一C橡胶的弹性模量则只有一般橡胶的弹性模量则只有一般固体物质的万分之一左右，固体物质的万分之一左右，即即10100 104Pa。弹性模量随温度升高而上升弹性模量随温度升高而上升，一般固体的模量则随温度的提高而下降。一般固体的模量则随温度的提高而下降。第51页，共57页，编辑于2022年，星期一（2）粘弹性粘弹性viscoelasticity 静态静
26、态粘弹性 固定应力 A 蠕变蠕变(creep)开尔文开尔文模型（Kelvin model)并联并联 在蠕变过程中形变 是时间的函数。即柔量D是时间的函数D(t)=(t)/形变随时间而增加形变随时间而增加第52页，共57页，编辑于2022年，星期一B.应力松弛应力松弛(stressrelaxation)马克斯维尔马克斯维尔模型(Maxwell model)串联串联在应力松弛过程中，模量随时间而减小，称为松弛模量，E(t)=(t)/应力（模量）随时间而减小应力（模量）随时间而减小第53页，共57页，编辑于2022年，星期一动态粘弹性动态粘弹性 Dynamicviscoelasticity（高聚物）
27、（高聚物）周期性、交变应力周期性、交变应力在周期性应力作用下，模量 E可采用复数复数表示式。E*=E +iE 内耗值内耗值 E/E的量度：的量度：tan=E/E tan，E，E 与与频率的关系频率的关系第54页，共57页，编辑于2022年，星期一取决于温度和荷载的频率取决于温度和荷载的频率 3、滞弹性滞弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性第55页，共57页，编辑于2022年，星期一比例极限比例极限(proportionallimit)弹性变形时应力与弹性变形时应力与应变严格成应变严格成正比正比关系的关系的上限应力上限应力 p=Fp/S0条件比例极限条件比例极限tan/tan=150%p50代表材料对极微量代表材料对极微量塑性变形的抗力塑性变形的抗力切线切线4、弹性极限与弹性比功弹性极限与弹性比功（金属）（金属）第56页，共57页，编辑于2022年，星期一（条件）弹性极限（条件）弹性极限 最大弹性变形最大弹性变形时的应力值。弹性比功弹性比功弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生 永久变形的能力 W=/2=2/2E残留变形残留变形时的应力 第57页，共57页，编辑于2022年，星期一