材料单向静拉伸的力学性能.pptx

第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能1材料力学性能的研究任务材料力学性能的研究任务材料力学性能研究的重要任务，就是材料力学性能研究的重要任务，就是研究材料在受载研究材料在受载过程中变形和断裂的规律。过程中变形和断裂的规律。单向静拉伸试验单向静拉伸试验是工业生产和材料科学研究中应用最是工业生产和材料科学研究中应用最广泛的材料力学性能试验方法。通过拉伸试验可以揭示广泛的材料力学性能试验方法。通过拉伸试验可以揭示材料在静载作用下的材料在静载作用下的应力应变关系应力应变关系及常见的及常见的3 3种失效形种失效形式式(过量弹性变形、塑性变形和断裂过量弹性变形、塑性变形和断裂)的特点和基本规律，的特点和基本规律，还可以评定出还可以评定出材料的基本力学性能指标材料的基本力学性能指标，如，如屈服强度、屈服强度、拉拉伸伸强度、伸长率和断面收缩率强度、伸长率和断面收缩率等。等。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能2这些性能指标既是这些性能指标既是材料的工程应用、构件设计和科学材料的工程应用、构件设计和科学研究研究等方面的计算依据，也是等方面的计算依据，也是材料的评定和选用以及加材料的评定和选用以及加工工艺选择工工艺选择的主要依据。的主要依据。本章介绍这些本章介绍这些性能指标的物理概念和工程意义性能指标的物理概念和工程意义，讨论，讨论材料材料弹性变形、塑性变形及断裂行为弹性变形、塑性变形及断裂行为的基本规律及其与的基本规律及其与材料组织结构的关系，在此基础上探讨材料组织结构的关系，在此基础上探讨提高材料性能指提高材料性能指标的途径和方向标的途径和方向。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能3 1-1力力伸长曲线和应力伸长曲线和应力应变曲线应变曲线一、拉伸力一、拉伸力-伸长曲线伸长曲线在整个拉伸过程中在整个拉伸过程中的变形可分为的变形可分为弹性变弹性变形、屈服变形、均匀形、屈服变形、均匀塑性变形塑性变形(强化强化)及不及不均匀集中塑性变形均匀集中塑性变形(局部变形局部变形)4 4个阶段。个阶段。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能4退火低碳钢的力一伸长曲线是一种最典型的曲线，除退火低碳钢的力一伸长曲线是一种最典型的曲线，除低碳钢外，正火、退火或调质的各种碳素结构钢和一低碳钢外，正火、退火或调质的各种碳素结构钢和一般的合金结构钢都有类似的力一伸长曲线，只是力的般的合金结构钢都有类似的力一伸长曲线，只是力的大小和变形量的多少不同而已。大小和变形量的多少不同而已。并非所有的材料或同一材料在不同条件下都具有相同并非所有的材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸曲线。类型的拉伸曲线。一、拉伸力一、拉伸力-伸长曲线伸长曲线 1-1力力伸长曲线和应力伸长曲线和应力应变曲线应变曲线第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能5一、拉伸力一、拉伸力-伸长曲线伸长曲线 1-1力力伸长曲线和应力伸长曲线和应力应变曲线应变曲线1 1 1 1、淬火高碳钢淬火高碳钢淬火高碳钢淬火高碳钢弹性形变、弹性形变、弹性形变、弹性形变、少量均匀塑性形变少量均匀塑性形变少量均匀塑性形变少量均匀塑性形变2 2 2 2、低合金结构钢低合金结构钢低合金结构钢低合金结构钢弹性形弹性形弹性形弹性形变、大量均匀塑性形变。变、大量均匀塑性形变。变、大量均匀塑性形变。变、大量均匀塑性形变。3 3 3 3、黄铜黄铜黄铜黄铜弹性形变、均匀弹性形变、均匀弹性形变、均匀弹性形变、均匀和不均匀塑性形变。和不均匀塑性形变。和不均匀塑性形变。和不均匀塑性形变。4 4 4 4、陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃只有弹性只有弹性只有弹性只有弹性形变。形变。形变。形变。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能6一、拉伸力一、拉伸力-伸长曲线伸长曲线 1-1力力伸长曲线和应力伸长曲线和应力应变曲线应变曲线5 5 5 5、橡胶橡胶橡胶橡胶只有弹性形变，只有弹性形变，只有弹性形变，只有弹性形变，少量或没有塑性形变。少量或没有塑性形变。少量或没有塑性形变。少量或没有塑性形变。6 6 6 6、工程塑料工程塑料工程塑料工程塑料弹性形变、弹性形变、弹性形变、弹性形变、均匀和不均匀塑性形变。均匀和不均匀塑性形变。均匀和不均匀塑性形变。均匀和不均匀塑性形变。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能7注意：注意：对于对于高分子聚合物材料高分子聚合物材料来说：来说：由于其在结构上的力学状态差异及对温度的敏感性，由于其在结构上的力学状态差异及对温度的敏感性，力一伸长曲线可有多种形式。力一伸长曲线可有多种形式。不同的材料或同一材料在不同条件下可有不同形式不同的材料或同一材料在不同条件下可有不同形式的力一伸长曲线。的力一伸长曲线。这主要是由材料的这主要是由材料的键合方式、化学成分和组织状态键合方式、化学成分和组织状态等多种因素共同决定的。等多种因素共同决定的。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能8将图将图1-1所示的力所示的力-伸长曲线的纵、横坐伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积A0和原始标距长度和原始标距长度L0相除，则得到与力相除，则得到与力-伸伸长曲线形状相似的应力长曲线形状相似的应力(FA0)一应变一应变(=l/L0）曲线）曲线(图图1-3)。这样的应力。这样的应力应应变曲线称为变曲线称为工程应力工程应力-应变曲线应变曲线。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能9工程应力工程应力应变曲线对材料应变曲线对材料在工程中的应用是非常重要的，在工程中的应用是非常重要的，根据该曲线可获得材料静拉伸根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的力学性能指标，如图条件下的力学性能指标，如图l-3l-3中的中的比例极限比例极限p、弹性极、弹性极限限e、屈服点、屈服点s、抗拉强度、抗拉强度b等，可提供给工程设计或选材等，可提供给工程设计或选材应用时参考。应用时参考。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能10实际上，在拉伸过程中，试样的截面积和长度实际上，在拉伸过程中，试样的截面积和长度随着拉伸力的增大是不断变化的，工程应力一应随着拉伸力的增大是不断变化的，工程应力一应变曲线并不能反映试验过程中的真实情况。变曲线并不能反映试验过程中的真实情况。如果以瞬时截面积如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力除其相应的拉伸力F，则可，则可得到得到瞬时的真应力瞬时的真应力S(S=F/A)。同样，当拉伸力同样，当拉伸力F有有一增量一增量dF时，试样在瞬时长度时，试样在瞬时长度L的基础上变为的基础上变为L+dL，于是应变的微分增量应是，于是应变的微分增量应是dedL+L，则试，则试件自件自Lo伸长至伸长至L后，总的应变量为后，总的应变量为:第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能11式中的式中的e e为为真应变真应变。于是，真应变和工程应变之间。于是，真应变和工程应变之间的关系为的关系为显然，显然，e总是小于总是小于，且变形量越大，二者的差距，且变形量越大，二者的差距越大。越大。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能12当材料的拉仲变形是等体积变化过程时，真应力当材料的拉仲变形是等体积变化过程时，真应力S和工程应力和工程应力之间存在如下关系之间存在如下关系这说明这说明真应力真应力大于工程应力大于工程应力。S=(1+)(13)第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能13以真应力以真应力S和真应变和真应变e作为坐作为坐标绘制的应力标绘制的应力-应变曲线称为应变曲线称为真应力一真应变曲线真应力一真应变曲线(图图l-4)l-4)。与工程应力一应变曲线相比与工程应力一应变曲线相比较，较，在弹性变形阶段，在弹性变形阶段，由于试由于试样的伸长和截面收缩都很小，样的伸长和截面收缩都很小，两曲线基本重合，两曲线基本重合，真实屈服应真实屈服应力和工程屈服应力在数值上非力和工程屈服应力在数值上非常接近常接近。在在塑性变形阶段塑性变形阶段，两者出现，两者出现了了显著的差异显著的差异。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能14在在工程应用中，多数构件的变形量限制在弹性变工程应用中，多数构件的变形量限制在弹性变形范围内，形范围内，这时二者的差别可以忽略，同时工程这时二者的差别可以忽略，同时工程应力、工程应变便于测量和计算。应力、工程应变便于测量和计算。因此，工程设计和材料选用中一般以工程应力、因此，工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据。但在材料科学研究中，真应力工程应变为依据。但在材料科学研究中，真应力与真应变将具有重要意义。与真应变将具有重要意义。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能151-21-2弹性形变及其性能指标弹性形变及其性能指标一、弹性形变的本质一、弹性形变的本质弹性变形的定义：弹性变形的定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形弹性变形。弹性变形的可逆性特点：弹性变形的可逆性特点：对于对于金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物，在弹性，在弹性变形范围内，应力和应变之间可以看成具有单值线变形范围内，应力和应变之间可以看成具有单值线性关系，且弹性变形量都较小。性关系，且弹性变形量都较小。对于对于橡胶态的高分子聚合物橡胶态的高分子聚合物，则在弹性变形范围内，则在弹性变形范围内，应力和应变之间不呈线性关系，且变形量较大。应力和应变之间不呈线性关系，且变形量较大。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能16无论变形量大小和应力与应变是否呈线性关无论变形量大小和应力与应变是否呈线性关系，系，凡弹性形变都是可逆变形凡弹性形变都是可逆变形。材料产生材料产生弹性变形的本质弹性变形的本质，概括说来，都是，概括说来，都是构成材料的原子构成材料的原子(离子离子)或分子从平衡位置产或分子从平衡位置产生可逆位移的反映生可逆位移的反映。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。近产生的微小位移。橡胶类材料是呈卷曲状的分子链在力的作用橡胶类材料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。下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能17弹性形变的双原子模型弹性形变的双原子模型 金属、陶瓷类材料弹性变形的微观过程可用金属、陶瓷类材料弹性变形的微观过程可用双原子模型双原子模型解释。解释。在正常状态下，晶格中的离子能保持在其平在正常状态下，晶格中的离子能保持在其平衡位置仅作微小的热振动，是受离子之间的衡位置仅作微小的热振动，是受离子之间的相互作用力控制的结果。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，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而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致。致。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能18引力和斥力都是离子间距的函数，可表示为：引力和斥力都是离子间距的函数，可表示为：式中：式中：r为两离子间的距离；为两离子间的距离；m、n、a、b均为与均为与材料有关的常数。材料有关的常数。离子间的相互作用力，即为引离子间的相互作用力，即为引力力F引引和斥力和斥力F斥斥的合力的合力F合合，即：，即：第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能19图中图中N1、N2分别为分别为两离子的平衡位置，两离子的平衡位置，曲线曲线1为引力，曲线为引力，曲线2为斥力，曲线为斥力，曲线3为合力，为合力，在离子的平衡位置合在离子的平衡位置合力为零。力为零。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能20当外力对离子作用时，当外力对离子作用时，合力曲线的零点位置改合力曲线的零点位置改变，离子的位置亦随之变，离子的位置亦随之作相应的调整，即产生作相应的调整，即产生位移，位移，离子位移的总和离子位移的总和在宏观上就表现为材料在宏观上就表现为材料的变形的变形。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能21当外力去除后，离子当外力去除后，离子依靠彼此间的作用力又依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置，回到原来的平衡位置，宏观的变形也随之消逝，宏观的变形也随之消逝，从而表现了弹性变形的从而表现了弹性变形的可逆性可逆性。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能22必须注意：必须注意：上述模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性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，而是位移的关系并非虎克定律所说的直线关系，而是抛抛物线关系物线关系。合力曲线有最大值合力曲线有最大值Fmax，如果外加拉应力略大于，如果外加拉应力略大于Fmax就意味着可以克服离子间的引力而使它们分离。就意味着可以克服离子间的引力而使它们分离。因此，因此，Fmax也就是材料在弹性状态下的也就是材料在弹性状态下的理论断裂理论断裂抗力抗力，此时相应的离子弹性变形量，此时相应的离子弹性变形量rm-ro可达可达25。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能23实际工程应用的材料中，不可避免地存在着实际工程应用的材料中，不可避免地存在着各种缺陷、杂质、气孔或微裂纹，因而各种缺陷、杂质、气孔或微裂纹，因而实际实际断裂抗力断裂抗力远远小于远远小于Fmax时，材料就发生了断时，材料就发生了断裂或产生了塑性变形。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一位移始阶段，因此虎克定律所表示的外力一位移线性关系是近似正确的。线性关系是近似正确的。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能24在弹性变形的应力和应变间有一个具有重要意义的关在弹性变形的应力和应变间有一个具有重要意义的关系常数系常数弹性模数弹性模数(或弹性系数、弹性模量或弹性系数、弹性模量)。拉伸时拉伸时 =E,剪切时剪切时 G，式中式中E和和G分别为拉伸时的分别为拉伸时的杨氏模数和切变模数杨氏模数和切变模数。当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应力，即弹性模数是产生力，即弹性模数是产生100弹性变形所需的应力。弹性变形所需的应力。胡克定律胡克定律第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能25在工程中弹性模数是表征材料对弹性变在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即形的抗力，即材料的材料的刚度刚度，其值越大，则，其值越大，则在相同压力下产生的弹性变形就越小在相同压力下产生的弹性变形就越小。在机械零件或建筑结构设计时为了保证在机械零件或建筑结构设计时为了保证不产生过大的弹性变形，都要考虑所选用不产生过大的弹性变形，都要考虑所选用材料的弹性模数。因此材料的弹性模数。因此弹性模数是结构材弹性模数是结构材料的最重要力学性能之一。料的最重要力学性能之一。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能26第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能27三、影响弹性模数的因素三、影响弹性模数的因素材料的弹性模数是构成材料的离子或分子之材料的弹性模数是构成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志。间键合强度的主要标志。因此，凡影响键合强度的因素均能影响材料因此，凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模数，如的弹性模数，如键合方式、晶体结构、化学成键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载方式和速度分、微观组织、温度、加载方式和速度等。等。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能281.1.键合方式键合方式一般来说，在构成材料聚集状态的一般来说，在构成材料聚集状态的4 4种键合方式中，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。子键弹性模数低。无机非金属材料无机非金属材料大多由共价键或离子键以及两种键大多由共价键或离子键以及两种键合方式共同作用而成，因而有合方式共同作用而成，因而有较高的弹性模数较高的弹性模数。金属及其合金金属及其合金为金属键结合，也有为金属键结合，也有较高的弹性模数较高的弹性模数。高分子聚合物高分子聚合物的分子之间为分子键结合，因而高分的分子之间为分子键结合，因而高分子聚合物的子聚合物的弹性模数亦较低弹性模数亦较低。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能29金属元素弹性模数的大小与金属元素弹性模数的大小与元素在周期表中的位置有关，元素在周期表中的位置有关，变化规律如图变化规律如图1-6所示。所示。这种变化的实质还与元素的这种变化的实质还与元素的原子结构和原子半径有密切原子结构和原子半径有密切关系关系 原子半径越大，原子半径越大，E值越值越小，反之亦然小，反之亦然。过渡族元素都有较高的弹性过渡族元素都有较高的弹性模数，这是由于原子半径较模数，这是由于原子半径较小，且小，且d层电子引起较大的原层电子引起较大的原子间结合力所致。子间结合力所致。2 2、原子结构、原子结构第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能303.3.晶体结构晶体结构 单晶体材料单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上的弹性模数在不同晶体学方向上呈呈各向异性各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。模数较大，反之则小。多晶体材料多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均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值，表现为各向同性，但这种各向同性称为伪伪各向同性各向同性。非晶态材料非晶态材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性，如非晶态金属、玻璃等，弹性模量是模量是各向同性各向同性的。的。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能314.4.化学成分化学成分 材料化学成分的变化可引起材料化学成分的变化可引起原子间距或键合方式的变化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。因此也能影响材料的弹性模数。与纯金属相比，与纯金属相比，合金合金的弹性模数将随的弹性模数将随组成元素的质量分组成元素的质量分数数()、晶体结构和组织状态、晶体结构和组织状态的变化而变化。的变化而变化。固溶体合金固溶体合金的弹性模数主要取决于的弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶溶剂元素的性质和晶体结构体结构。随着溶质元素质量分数的增加，虽然固溶体的。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不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过5 5。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能32在在两相合金两相合金中，弹性模数的变化比较复杂，中，弹性模数的变化比较复杂，它与它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及分布状态分布状态有关例如在铝中加入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，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间化合物，使弹性模数由纯铝的约6.5104 MPa增高到增高到9.38l04 MPa。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能335.5.微观组织微观组织 金属材料金属材料刚度代表的弹性模数，是一刚度代表的弹性模数，是一个个组织不敏感组织不敏感的力学性能指标。的力学性能指标。工程陶瓷弹性工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷模数的大小与构成陶瓷的相的的相的种类、粒度、分布、比例及气种类、粒度、分布、比例及气孔串孔串有关。有关。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能34气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致可用下式表示：可用下式表示：式中：式中：E0为无气孔时的弹性模数；为无气孔时的弹性模数；p为气孔率。为气孔率。可见：可见：随着气孔率的增加，陶瓷的随着气孔率的增加，陶瓷的E值下降值下降。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能35高分子聚合物的弹高分子聚合物的弹性模数可以通过添加性模数可以通过添加增强填料而提高！增强填料而提高！图图1-71-7所示为热裂所示为热裂炭黑填科对天然橡胶炭黑填科对天然橡胶弹性模数的影响。弹性模数的影响。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能36复合材料是特殊的多相材料。对于复合材料是特殊的多相材料。对于增强相为粒状的复增强相为粒状的复合材料合材料，其弹性模数，其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大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模量表示，分别为纵向弹性模量E1、横向弹性模量、横向弹性模量E2:第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能37式中：式中：Ef、Em分别为纤维和基体的弹性模数；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。分别为纤维和基体的体积分数。显然：显然：无论是纵向弹性模数还是横向弹性模数，均与构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。成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能386.6.温度温度 一般说来，一般说来，随着温度的升高，原子振动加剧，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。的弹性模数降低。例如，碳钢加热时，温度每升例如，碳钢加热时，温度每升高高100，E值下降值下降3 5。另外，随着温度的变化，另外，随着温度的变化，材料发生固态相变时，材料发生固态相变时，弹性模数将发生显著变化弹性模数将发生显著变化。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能39图图1-81-8为几种材为几种材料的弹性模数料的弹性模数随着温度随着温度(温度温度与熔点之比与熔点之比)的的变化情况。变化情况。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能40高分子聚合物高分子聚合物的物理性质与温度的物理性质与温度和时间有密切关系。随着温度的变和时间有密切关系。随着温度的变化，化，在一些特定的温度区间，某些在一些特定的温度区间，某些力学性质会发生突然改变力学性质会发生突然改变，这种变，这种变化称为化称为高聚物的力学状态转变高聚物的力学状态转变。例如，由玻璃态向橡胶态转变、例如，由玻璃态向橡胶态转变、由橡胶态向粘流态的转变。由橡胶态向粘流态的转变。随着高聚物力学状态的转变，其随着高聚物力学状态的转变，其弹性模数也相应产生很大变化，如弹性模数也相应产生很大变化，如图图1-91-9所示。所示。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能41此外，此外，橡胶橡胶的弹性模数的弹性模数随随温度的升高略有增加温度的升高略有增加。这一点与其他材料不同这一点与其他材料不同，其原因是温度升高时，其原因是温度升高时，高分子链的分子运动加高分子链的分子运动加剧，力图恢复到卷曲的剧，力图恢复到卷曲的平衡状态的能力增强所平衡状态的能力增强所致。致。绝大多数材料在温度升高时绝大多数材料在温度升高时弹性模数是下降的弹性模数是下降的第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能427.7.加载条件和负载持续时间加载条件和负载持续时间 加载方式加载方式(多向应力多向应力)、加载速率和负荷持续时间对、加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷材料的弹性模数几乎无影响金属、陶瓷材料的弹性模数几乎无影响。因为这类材料的弹性变形速度与声速相间，远超过因为这类材料的弹性变形速度与声速相间，远超过常见的加载速率，负荷持续时间的长短也不会影响到常见的加载速率，负荷持续时间的长短也不会影响到原子之间的结合力。原子之间的结合力。陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数，陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数，这一这一点与金属材料不同点与金属材料不同。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能43 高分子聚合物材料高分子聚合物材料的弹性模数与时间的关系的弹性模数与时间的关系与其对温度的关系相似，与其对温度的关系相似，随着负荷时间的延长，随着负荷时间的延长，E值逐渐下降值逐渐下降。在此情况下把高聚物的弹性模数在此情况下把高聚物的弹性模数称为松弛模数。称为松弛模数。在动态应力下，高应变速率对应于玻璃态在动态应力下，高应变速率对应于玻璃态E值值较高，低应变速率对应于橡胶态较高，低应变速率对应于橡胶态E值较低，中应值较低，中应变速率对应于转变区，材料具有变速率对应于转变区，材料具有粘弹性性质粘弹性性质。“时温等效”原理何为粘弹性？何为粘弹性？后有更多介绍后有更多介绍第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能44弹性的不完整性的根源弹性的不完整性的根源多数工程上应用的材料为多晶体、甚至为多数工程上应用的材料为多晶体、甚至为非晶态或者是两者皆有的物质非晶态或者是两者皆有的物质上述材料内部存在各种类型的缺陷，导致上述材料内部存在各种类型的缺陷，导致弹性变形时可能出现加载线与卸载线不重弹性变形时可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等有别合、应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象。即：产生于理想弹性变形特点的现象。即：产生弹弹性的不完整性）。性的不完整性）。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能45四、比例极限与弹性极限四、比例极限与弹性极限1-21-2弹性形变及其力学性能指标弹性形变及其力学性能指标1.1.比例极限比例极限 比例极限比例极限p p是保证材料的弹性变形按正比关系是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，即在拉伸应力变化的最大应力，即在拉伸应力-应变应变曲线上开始偏曲线上开始偏离直线时的应力值，其表达式为离直线时的应力值，其表达式为:式中：式中：FP为比例极限对应的试验力，为比例极限对应的试验力，A0为试样的原始截为试样的原始截面面积。面面积。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能46四、比例极限与弹性极限四、比例极限与弹性极限2.2.弹性极限弹性极限 弹性极限弹性极限e e是材料由弹性变形过渡到弹是材料由弹性变形过渡到弹塑性变形塑性变形时的应力，应力超过弹性极限以后，材料便开始产生塑时的应力，应力超过弹性极限以后，材料便开始产生塑性变形。其表达式为：性变形。其表达式为：式中：式中：Fe为弹性极限时对应的试验力，为弹性极限时对应的试验力，Ao为试棒的原始为试棒的原始截面面积。截面面积。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能473.3.比例极限与弹性极限的意义比例极限与弹性极限的意义p p、e e是理论上的物理定义是理论上的物理定义，在实际使用中，很难，在实际使用中，很难测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值。测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值。为便于实际测量和应用，应以发生非比例伸长值作定为便于实际测量和应用，应以发生非比例伸长值作定义，故义，故p p在国家标准中称为在国家标准中称为“规定非比例伸长应力规定非比例伸长应力”。例如例如:以以 p0.01表示非比例伸长率达表示非比例伸长率达0.01%0.01%时的应力。时的应力。比例极限和弹性极限与屈服强度的概念基本相同，都比例极限和弹性极限与屈服强度的概念基本相同，都表示材料表示材料对微量塑性变形的抗力对微量塑性变形的抗力，影响它们的因素基本，影响它们的因素基本相同。相同。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能48p、e的工程意义是：的工程意义是：对于对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系性关系的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，则则应以比例极限作为选择材料的依据应以比例极限作为选择材料的依据。对于对于服役条件不允许产生微量塑性变形服役条件不允许产生微量塑性变形的机的机件，设计时件，设计时应按弹性极限来选择材料应按弹性极限来选择材料。因此弹簧称有称量范围的限制因此弹簧称有称量范围的限制第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能49五、弹性比功五、弹性比功1-21-2弹性形变及其性能指标弹性形变及其性能指标 弹性比功弹性比功又称为又称为弹性比能或应变比能弹性比能或应变比能，用，用ae表表示，是材料在示，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力弹性变形过程中吸收变形功的能力。一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示。吸收的弹性变形功表示。物理意义物理意义：吸收弹性变形功的能力。：吸收弹性变形功的能力。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能50五、弹性比功五、弹性比功几何意义几何意义：应力：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。应变曲线上弹性阶段下的面积。式中：式中：e为与弹性极限对应的为与弹性极限对应的弹性应变。弹性应变。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能51 从式从式(1-12)可以看出，欲提高材料的弹性比功，可以看出，欲提高材料的弹性比功，途径有二，途径有二，即或者提高即或者提高e，或者降低，或者降低E。对于一般的工程材料，弹性模数不易改变，尤其是对于一般的工程材料，弹性模数不易改变，尤其是金属材料，因此金属材料，因此常用提高材料弹性极限常用提高材料弹性极限e的方法来提的方法来提高弹性比功高弹性比功。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能52五、弹性比功五、弹性比功 几种材料的弹性模数、弹性极限、弹性比功如表几种材料的弹性模数、弹性极限、弹性比功如表1-21-2所列。所列。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能53五、弹性比功五、弹性比功 弹簧材料应具有较高的弹性比功。弹簧材料应具有较高的弹性比功。弹簧钢弹簧钢经合理的冷加工或热处理后有较高的弹性极限，经合理的冷加工或热处理后有较高的弹性极限，使弹性比功提高，所以常用来制作各种使弹性比功提高，所以常用来制作各种弹簧弹簧。磷青铜磷青铜或铍青铜常用来制作或铍青铜常用来制作仪表弹簧仪表弹簧，这除了因为它，这除了因为它们无铁磁性外，主要是因为它们有高的弹性比功。们无铁磁性外，主要是因为它们有高的弹性比功。橡胶橡胶有低的弹性模数和高的弹性应变，因而也有较大有低的弹性模数和高的弹性应变，因而也有较大的弹性比功，因而常用来作为减振和储能元件，例如电的弹性比功，因而常用来作为减振和储能元件，例如电子器件中的子器件中的按钮弹簧等按钮弹簧等。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能54第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能551-31-3非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗 根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，弹性可以分为弹性可以分为理想弹性理想弹性(完全弹性完全弹性)和和非理想弹性非理想弹性(弹性不弹性不完整性完整性)两类。两类。对于理想弹性材料，对于理想弹性材料，在在荷荷载作用下，应力和应变服从载作用下，应力和应变服从胡克定律胡克定律，即，即M(其中，模数其中，模数M代表杨氏模量代表杨氏模量E或切或切变模量变模量G)，并同时满足，并同时满足3个条件，即：个条件，即：应变对于应力的响应是线性的；应变对于应力的响应是线性的；应力和应变同相位；应力和应变同相位；应变是应力的单值函数应变是应力的单值函数。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能561-31-3非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗实际上，绝大多数固体材料的弹性行为很难满足实际上，绝大多数固体材料的弹性行为很难满足上述条件。一般都表现出非理想弹性性质，工程中上述条件。一般都表现出非理想弹性性质，工程中的材料按理想弹性应用只是一种近似处理。的材料按理想弹性应用只是一种近似处理。材料的非理想弹性行为大致可以分为材料的非理想弹性行为大致可以分为滞弹性、粘滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应弹性、伪弹性及包申格效应等几种类型。等几种类型。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能57一、滞弹性一、滞弹性 滞弹性滞弹性(弹性后效弹性后效)：指材料在快速加载或卸载后，指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。图图l-11l-11所示，当突然施加一应力所示，当突然施加一应力o o于拉于拉伸试样时，试样立即沿伸试样时，试样立即沿0A0A线产生瞬时应变线产生瞬时应变OaOa。即使低于材料的微量塑性变形抗力，。即使低于材料的微量塑性变形抗力，应变应变OaOa也只是材料总弹性应变也只是材料总弹性应变OHOH中的一部中的一部分，分，应变应变aHaH是在是在o o长期保持下逐渐产生长期保持下逐渐产生的的，aHaH对应的时间过程为图对应的时间过程为图1-111-11中的中的abab曲曲线。线。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能58这种加载时应变落后于应力而与时这种加载时应变落后于应力而与时间有关的滞弹性间有关的滞弹性也称为也称为正弹性后效正弹性后效或弹性蠕变或弹性蠕变。卸载时，如果速度也较大，则当应卸载时，如果速度也较大，则当应力下降为零时，只有应变力下降为零时，只有应变eHeH部分立部分立即消逝掉，而应变即消逝掉，而应变eOeO是在卸载后逐是在卸载后逐渐去除的，这部分应变对应的时间渐去除的，这部分应变对应的时间过程为图中的过程为图中的cdcd曲线。曲线。卸载时应变卸载时应变落后于应力的现象落后于应力的现象也称为也称为反弹性后反弹性后效效。卸载后应变卸载后应变立即消逝立即消逝卸载后逐卸载后逐渐去除渐去除第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能59滞弹性在滞弹性在金属材料和高分子材料金属材料和高分子材料中表现明显，其弹中表现明显，其弹性后效速率和滞弹性应变量与性后效速率和滞弹性应变量与材料成分、组织有关，材料成分、组织有关，也与试验条件也与试验条件有关。有关。材料组织越不均匀，滞弹性越明显材料组织越不均匀，滞弹性越明显钢经淬火或塑性变形后，由于增加了组织不均匀钢经淬火或塑性变形后，由于增加了组织不均匀性，滞弹性倾向加大性，滞弹性倾向加大温度升高和切应力分量增大，滞弹性越强烈温度升高和切应力分量增大，滞弹性越强烈在没有切应力的多向压应力作用下，看不到滞弹在没有切应力的多向压应力作用下，看不到滞弹性现象性现象第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能601-31-3非理想弹性非理想弹性行为行为一、滞弹性一、滞弹性材料的滞弹性对仪器仪表和精密机械中的重要传感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，因此元件的测量精度有很大影响