的力学性能选读.docx

本章内容提要　　在介绍应力-应变曲线的基础上，介绍材料的弹性变形、塑性变形、高温蠕变及其它力学性能的理论描述、产生的原因、影响因素。从断裂的现象和产生、断裂力学的原理出发，通过理论结合强度、应力场的分析，阐述断裂的判据，应力场强度因子、平面应变断裂韧性、延性断裂、脆性断裂、沿晶断裂、静态疲劳的概念，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。　　人类最早学会利用的材料性质便是力学性质，如石器时代利用天然岩石的强度和硬度：青铜器时代利用铜的高塑性和高强度及加工硬化性能；而在铁器时代更是利用Fe-C合金的高强度、硬度和塑性。尽管如此，人类真正认识和开始系统地理解材料的力学性质起始于19世纪中叶，人们利用金相显微镜对材料细微组织进行了研究。在我们身边注意到的经验是金属具有延展性，陶瓷硬而脆，橡胶具有很大的弹性形变，如此等等。图1-1比较了金属、陶瓷和高分子力学性质。迥然不同的力学行为是由其基本结构决定的。金属与陶瓷材料的晶体结构(包括键合类型)、缺陷(主要是位错)是理解和描述其力学性质的核心概念；而在高分子材料中，却是分子链的构形，交联与缠结起了关键的作用。本章我们将研究这些概念如何使强度、塑性、断裂和高温行为得以定性和定量描述和理解。图1-1 工程材料的金属、陶瓷和聚合物重要力学性能第一节　应力及应变　　　　1.1.1应力　　材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变(deformation)。材料承受外力作用、抵抗形变的能力及其破坏规律，称为材料的力学性能或机械性能（mechanical performance）。　　材料发生形变时，其内部分子间或离子间的相对位置和距离会发生变化，同时产生原子间及分子间的附加内力而抵抗外力，并试图恢复到形变前的状态，达到平衡时，附加内力与外力大小相等、方向相反。　　应力（stress）：材料单位面积上所受的附加内力，其值等于单位面积上所受的外力。?????????????? ??????????????????????（1-1）　　　式中：σ为应力；F为外力；A为面积。在国际单位制中，应力的单位为牛顿/米2（N／m2或Pa）。若材料受力前的面积为Ao，则σ0＝F／A0称为名义应力（nominal stress）；若受力后的面积为A，则σT＝F／A为真实应力（real stress）。实际中常用名义应力，对于形变量小的材料，二者数值上相差不大。?图1-2?应力分量　　如果围绕材料的内部某点取一体积元(如图1-2)，其六个面均分别垂直于X，Y，Z轴，则作用在该体积元单位面积上的力△Fx，△Fy，△Fz,可分解为法向应力σxx，σyy，σzz和剪切应力τxy，τxz，τyz等。　　应力分量下标的含义：应力分量σ和τ下标的第1个字母表示应力作用面的法线方向，第2个字母代表应力作用的方向。　　应力分量的正负号规定：正应力的正负号规定是拉应力（张应力）为正，压应力为负；剪应力的正负号规定是体积元上任意面上的法向力与坐标轴的正方向相同，则该面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正；如果该面上的法向应力指向坐标轴的负方向，则剪应力指向坐轴的正方向者为负。它们构成应力张量（stress tensor）。????????????? ????????????（1-2）　　????法向应力导致材料的伸长或缩短，而剪切应力引起材料的切向畸变。根据平衡条件，体积元上相对的两个平行平面上的法向应力应该大小相等、正负号相同，同—平面上的两个剪切应力互相垂直。根据剪切应力互等原理可知：τxy=τyx,其余类推。故一点的应力状态由六个应力分量(σxx，σyy，σzz，τxy，τxz，τyz)来决定。　　　1.1.2??应变　　应变(strain)：用来表征材料受力时内部各质点之间的相对位移。对于各向同性材料，有三种基本的应变类型：拉伸应变ε、剪切应变γ和压缩应变△。图1-3?拉伸应变示意图??????????????????图1-4?剪切应变示意图　　拉伸应变(drawing strain )是指材料受到垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用在同一直线上的两个拉伸应力时材科发生的形变，如图1-3所示。一根长度为l0的材料，在拉应力σ作用下被拉长到l1，则其拉伸应变ε为:??????????????????????（1-3）???真实应变（Real Strain）定义为：???????????????????????????（1-4）　　　剪切应变（shearing strain）是指材料受到平行于截面积的大小相等、方向相反的两个剪切应力τ时发生的形变，如图1-4所示，在剪切应力τ作用下，材料发生偏斜，该偏斜角θ的正切值定义为剪切应变γ：??。???????????????????????????　　压缩应变（pressed