材料性能力学热学性能.pptx
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1、学习本课程后达到的目标1.解释一些常见现象 例如为什么陶瓷与玻璃一摔就碎?2.掌握专业名词术语 保证在专业交流时不说外行话3.专业领域的一些基本问题第1页/共129页第一章 材料的受力形变材料在外力作用下,发生形状和大小的变化,称为形变。=F/A0;S=F/A;S=(1+)应力分量 xxyyzzxyyzzx=L/L0;e=dL/L=lnL/L0;e=ln(1+)xxyy zzxyyzzx第2页/共129页第3页/共129页第4页/共129页1.1 弹性形变在外力作用下产生形变,外力除去后形变可以恢复的性能。无论变形量大小、应力与应变是否呈线性关系,凡弹性形变都是可逆形变。在弹性变形范围内,应力
2、与应变关系服从虎克定律。=E第5页/共129页x=y=z=第6页/共129页定义泊松比y=-x=-,Z=-=X=第7页/共129页一.弹性变形的本质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。重要的力学性能弹性模量E,表征材料的刚度或对弹性变形的抗力。E是键合强度的标志。第8页/共129页第9页/共129页二.影响弹性模量的因素1.键合方式 共价键,离子键,金属键,分子键2.显微组织 陶瓷 E=E0(1-1.9P+0.9P2)3.复相材料 设 1=2 E U=E1V1+E2V2 1=2 1/EL=V1/E1+V2/E2 4.温度 相变时,E发生突变。5.外力第10页/共12
3、9页三.滞弹性(弹性后效)与时间有关的弹性应变OABCDEFGHt0第11页/共129页四.粘弹性弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学性能应力与应变的关系与时间有关 恒应变下的应力弛豫 E r(t)=(t)/0恒应力下的应变蠕变 E c(t)=0/(t)第12页/共129页第13页/共129页1.2 塑性形变 指在外力作用下产生形变,但材料不产生开裂,外力移去后形变不能恢复的性质。微观上是相邻质点产生永久性位移,不能回到原来的位置。第14页/共129页塑性形变的机理1.晶格滑移 晶体在剪应力C作用下,一部分相对另一部分发生平移滑动,是沿滑移系统进行的切变过程。滑移面和滑移方向组成晶体的滑移系统
4、。满足静电作用条件几何条件第15页/共129页第16页/共129页第17页/共129页第18页/共129页拉伸产生的剪应力当角与角处于同一平面时,即+=900,角最小。剪应力最大。体心立方金属(铁、铜等)滑移系统有48种之多,易于滑移而产生塑性形变离子键或共价键具有明显的方向性。只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。第19页/共129页第20页/共129页2.位错运动理论实际晶体的滑移是位错运动的结果有位错时的势垒高度h,金属为0.1-0.2;陶瓷1.0eV位错运动激活能H()位错运动速度第21页/共129页第22页/共129页宏观应变率,要造成宏观塑性变形,必须:(1)有足够的位错
5、;(2)位错有足够的运动速度;(3)b要小。第23页/共129页位错形成能 E=aGb2 G为剪切模量,a为几何因子,其值为0.5-1.0,b为柏氏矢量。柏氏矢量b小容易形成位错,金属3,陶瓷5 以上第24页/共129页3.超塑性超塑性是指材料在一定条件下呈现非常大的伸长率(100%以上)而不发生缩颈和断裂的性质,比通常塑性变形的伸长率高10倍以上。相变超塑性,在形变过程中发生相变。结构超塑性,在稳定结构中产生的超塑性。第25页/共129页产生超塑性的条件:超细晶粒0.55之间;等轴晶粒;一定的温度:0.4Tm以上。机制:晶界扩散和晶界滑移第26页/共129页超塑性现象最早的报道是在1920年
6、,发现Zn-Cu-Al合金在低速弯曲时,可以弯曲近180度。1934年,英国的C.P.PEARSON 发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。但是由于第二次世界大战,这方面的研究没有进行下去。六十年代后期及七十年代,世界上形成了超塑性研究的高潮。近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。第27页/共129页铝合金断后伸长5060%;碳钢3040%优异的变形性能和材质均匀等特点,在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。第28页/共129页1.3 高温蠕变约比温度T/T m 高温:T/Tm
7、0.5.恒温恒载荷下缓慢地产生塑性变形的现象.(1)蠕变的一般规律:第29页/共129页起始段OA 外力作用下发生的瞬时弹性形变第一阶段 蠕变减速阶段d/dt=At-n第二阶段 稳态蠕变阶段d/dt=K第三阶段 加速蠕变阶段d/dt=Ktn温度T提高或增加应力,第二阶段缩短,甚至消失,试样经过蠕变减速阶段后,很快进入加速蠕变阶段直至断裂.第30页/共129页第31页/共129页(2)蠕变机理第32页/共129页位错的热激活方式:刃位错攀移,螺位错的交滑移,空位扩散的随机与定向,路径:体扩散与晶界扩散晶界滑动蠕变 晶界为非晶态,发生粘滞流动蠕变断裂 晶界断裂第33页/共129页(3)影响蠕变的因
8、素温度 T提高,改变蠕变机制,Al2O3陶瓷的蠕变机理;晶界粘滞流动及扩散系数增大,蠕变增大。应力 提高,蠕变增大。组成 共价键,离子键第34页/共129页显微结构气孔率增加,蠕变率增大;晶粒愈小,晶界比例增加,蠕变率愈大。玻璃相 比晶体蠕变大,不润湿晶体时,抗蠕变性能好;完全润湿时,形成抗蠕变最弱的结构。比较玻璃陶瓷和晶体的蠕变率第35页/共129页第36页/共129页1.4高温下玻璃相的粘性流动 在粘性流动中,剪应力与速度梯度成正比 =dv/dx dv/dx为速度梯度,比例常数称为粘性系数或粘度,是材料的性能参数,单位为(PaS)。符合这一定律的流体叫牛顿液体。第37页/共129页一、流动
9、模型绝对速率理论模型液体层相对于邻层流动时,液体分子从开始的平衡状态过渡到另一个平衡状态,必须越过势垒E。在作用下,可以算出流动速度。u=20e-E/kTsinh(123/2kT)=dv/dx=u/1=1/u =1/20e-E/kTsinh(123/2kT)第38页/共129页可以认为=1=2=3,则=exp(E/kT)/20sinh(V0/2kT)E是势垒高度,0为频率,即每秒超过势垒的次数一般实验条件下,很小,V0也很小,所以V0 kT,可以近似为sinh(V0/2kT)=V0/2kT,=kT eE/kT/0 V0 =0 eE/kT当剪应力小时,根据此模型导出的粘度和应力无关;当剪应力大时
10、,随着温度升高,下降。第39页/共129页二、影响粘度的因素1.温度温度T升高,下降。玻璃成型工艺中:熔化阶段的为5-50PaS加工阶段为103-107 PaS退火阶段为1011.5-1012.5 PaS。第40页/共129页玻璃加工中广泛使用的两种T:退火点,相当于粘度为1012.4 PaS的温度;软化点,相当于粘度为106.6PaS的温度。第41页/共129页2.时间在玻璃转变区域内,形成玻璃液体的粘度取决于时间,如图1.25所示3.组成在1600时,熔融石英的粘度由于加入2.5mol的K2O而降低了四个数量级。在复杂的氧化物玻璃中,改性阳离子的加入在任何给定温度下总会使粘度降低。第42页
11、/共129页第二章 脆性断裂与强度实际平均应力远低于理论结合强度,不产生明显的塑性形变,导致材料突然断裂。2.1 理论结合强度在外加正应力作用下,晶体中两个原子面沿垂直于外力方向拉开所需的应力.第43页/共129页第44页/共129页第45页/共129页理论结合强度只与材料常数有关,适用于所有固体材料.th约为30GPa或E/10.实际材料约为th的1/101/100。例如熔融石英纤维的强度可达到24.1GPa,碳化硅晶须强度约为6.47GPa,氧化铝晶须强度约为15.2GPa。第46页/共129页问 题1.实际强度与理论强度相差很大;2 实际材料的强度总是在一定范围内波动;3.尺寸效应第47
12、页/共129页2.2 断裂强度一、Griffith微裂纹理论1920年Grifith为了解释玻璃的理论强度与实际强度的巨大差异,提出了微裂纹理论。裂纹尖端的应力集中A第48页/共129页第49页/共129页二、断裂方程物体内储存的弹性应变能的降低大于等于形成两个新表面所需的表面能 第50页/共129页应变能的降低为:形成新表面需要的表面能为裂纹进一步扩展2dc,单位面积所释放的能量为形成新表面所需的表面能为:第51页/共129页因为:因此临界条件是:第52页/共129页 与Griffith公式中C对应的裂纹半长度c称为Grifith裂纹,可作为脆性断裂的判据。th/C=(C/a)1/2 上式说
13、明,裂纹两端引起应力集中。断裂方程能说明脆性断裂的本质,解释强度的尺寸效应、强度的波动、实际材料强度与理论强度的差异。第53页/共129页例 刚拉制的玻璃棒强度为6GPa,在空气中放置几小时后为0.4GPa;自然状态下的NaCl强度为5MPa,除去表面缺陷后为1.6GPa;石英玻璃纤维长度为12cm时,强度为275MPa,0.6cm时为760MPa。第54页/共129页P塑性功,对于高强度金属,P=103。陶瓷材料 E=300GPa,=1J/m2,如果裂纹尺寸c=1m,则C=400MPa;对于高强度钢,如果C仍然为400MPa,则裂纹长度可达1.25mm。第55页/共129页结论陶瓷存在微观裂
14、纹尺寸时,便会导致低应力断裂;金属要有宏观尺寸的裂纹,才会在低应力下断裂。第56页/共129页2.3 裂纹的起源与快速扩展一、裂纹的起源1.位错 组合,塞积,交截等;第57页/共129页2.表面损伤 制造过程中的机械损伤、化学腐蚀,形成表面裂纹;3.热应力 制造中从高温冷却、晶型转变等。第58页/共129页 不同表面情况对玻璃强度的影响表面情况强度MPa工厂刚制得45.5受沙子严重冲刷后14.0用酸腐蚀后1750第59页/共129页二、裂纹的快速扩展裂纹扩展力增加,G变大,但表面能2是常数,超过临界值时裂纹扩展,形成恶性循环。对于脆性材料,裂纹的起始扩展就是断裂的临界阶段。第60页/共129页
15、三、防止裂纹扩展的措施使作用应力不超过临界应力;在材料中设置吸收能量的机构,如塑性粒子、纤维;在材料中形成大量极微细的裂纹;在表面形成压应力层等。第61页/共129页2.4 显微结构对脆性断裂的影响一、晶粒尺寸 形状Hall-Patch关系 f=0+kd-1/2 多晶氧化铝晶粒=46J/m2,晶界=18J/m2,晶界为薄弱环节,沿晶断裂。第62页/共129页晶粒尺寸与原始裂纹尺寸相当,晶粒越细,裂纹尺寸越小,强度越高。扁平晶粒、柱状晶粒强度?二、气孔气孔减小了负荷面积;引起应力集中;晶界上的气孔往往成为开裂源。第63页/共129页三、第二相杂质引起应力集中降低强度弹性模量E低的第二相降低强度E
16、大的第二相可以提高强度复相材料或复合材料第64页/共129页2.5 断裂类型 断裂过程包括裂纹的形成与扩展两个阶段按照材料宏观塑性变形的程度,可以分为韧性断裂与脆性断裂;按照断裂时裂纹扩展的路径,分为穿晶断裂与沿晶断裂;第65页/共129页第66页/共129页第67页/共129页2.6 断裂韧性Griffith理论在脆性材料中获得了成功,但在金属材料中没有受到重视。从40年代起,金属材料的结构发生一系列脆性断裂事故,传统方法很难对断裂进行分析。在这种背景下,提出了新的断裂判据断裂韧性,对构件进行设计和校核。第68页/共129页一、线弹性条件下的断裂韧性1.裂纹的扩展方式第69页/共129页2.
17、2.裂纹尖端应力场分析第70页/共129页平面应力状态 Z=0平面应变状态 Z=0rKC新的选材准则 KKC=YCC1/2KC是材料的本征性能,表示抵抗裂纹扩展的能力。第73页/共129页四、裂纹扩展能量释放率裂纹扩展动力 G=c 2/EGC=CC2/E,也称为断裂韧性。根据G和GC的相对大小,可以建立裂纹失稳扩展的力学条件:G GC第74页/共129页KCC的物理意义GC与KC的关系为:GC=K2C/E 对于脆性材料,GC=2则平面应变状态第75页/共129页五、裂韧性的测定单边直通切口梁法讨论:断裂强度越大,断裂韧性是否越大?第76页/共129页六、断裂韧性在工程中的应用塑性区修正问题当裂
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