第2章 弹性变形ppt课件.ppt

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1、陈康敏江苏大学材料科学与工程学院2009年01月材料的变形与断裂1第二章材料的弹性变形2一、弹性变形弹性变形定义：当外力去除后，能恢复到原形状或尺寸的变形－弹性变形。弹性变形的可逆性特点：金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物：在弹性变形内，应力－应变间具有单值线性关系，且弹性变形量都较小。橡胶态高分子聚合物：在弹性变形内，应力－应变间不呈线性关系，且变形量较大。无论变形量大小和应力－应变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆变形。3弹性变形本质：都是构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。金属、陶瓷类晶体材

2、料：弹性变形是处于晶格结点的原子(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：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。4双原子模型解释弹性变形的微观过程：1）在无外加载荷下，晶格中原子N1和N2在其平衡位置仅作微小热振动，这是受原子间相互作用力控制的结果。原子间相互作用力（曲线3）：是由引力（曲线1）和斥力（曲线2）迭加而成，都是原子间距的函数。在原子平衡位置处合力为零。52）当受外力作用时，原子间相互平衡力受到破坏，原子的位置亦随之作相应调整，即产生位移，以期外力、引力和斥

3、力达到新的平衡。原子位移的总和在宏观上就表现为变形。3）当外力去除后，原子依靠彼此间作用力又回到原来平衡位置，宏观变形也随之消失，从而表现了弹性变形的可逆性。6必须注意：1）上述模型导出的原子间相互作用力与其弹性位移关系并非虎克定律所描述的直线关系，而是抛物线关系。2）合力曲线有最大值Fmax，若外力略大于Fmax，就意味着可克服原子间引力而使它们分离。Fmax即为材料在弹性状态下的理论断裂抗力，此时相应的弹性变形量：rm-ro可达25％。73）实际工程材料，不可避免存在各种缺陷、杂质、气孔或微裂纹，因而实际断裂抗力

4、远远小于Fmax时，材料就发生断裂或产生塑性变形。弹性变形：只是合力曲线的起始阶段，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。88、虎克（Hooke）定律1、简单应力状态下的虎克定律：99、弹性模量E在弹性变形的应力-应变间有一重要关系常数－－弹性模量。拉伸时：σ=Eε,（虎克定律）剪切时：τ＝Gγ。E－为弹性模量G－为切变模量；γ－切应变。弹性模量E：在数值上等于当应变为一个单位时的弹性应力，即产生100％弹性变形所需的应力。弹性模量E：可由应力－应变曲线的斜率得到：ασeεe10材料的刚度与构件的刚度

5、弹性模数E：是表征材料对弹性变形的抗力，工程称材料的刚度，其值越大，在相同应力下产生的弹性变形就越小。在机械零件或工程构件设计时，为保证不产生过大弹性变形，都要考虑所选用材料的弹性模量E。但机械零件或工程构件的刚度：还与其截面形状、尺寸及载荷作用方式有关，与材料的刚度不同。因此，弹性模量是结构材料的重要力学性能指标之一。11弹性模量E的影响因素弹性模量E的影响因素：弹性模数：是构成材料的原子、离子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的弹性模数。1）键合方式一般来说，在构成材料聚集状态的4种键合

6、方式中，共价键、离子键（无机非金属材料）和金属键（金属及其合金）都有较高的弹性模数，（高分子聚合物）分子键弹性模数低。122、原子结构金属元素：弹性模数的大小与元素在周期表中的位置有关，实质与元素的原子结构和原子半径有密切关系，原子半径越大，E值越小。过渡族元素：都有较高的弹性模数，这是由于其原子半径较小，且d层电子引起较大的原子间结合力所致。133.晶体结构单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上呈各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但这

7、种各向同性称为伪各向同性。非晶态材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性模量是各向同性的。144.化学成分化学成分变化可引起原子间距或键合方式的变化，因此，也能影响材料的弹性模量。与纯金属相比，合金的弹性模量将随组成元素的质量分数、晶体结构和组织状态的变化而变化。固溶体合金：弹性模数取决于溶剂元素的性质和晶体结构。随着溶质含量增加，其弹性模量发生改变，但在溶解度较小时变化不大。例如：碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过5％。15两相合金：弹性模数的变化比较复杂，它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及分布状态有关。例如：纯Al的

8、弹性模量约6.5×104MPa；在Al中加入15％Ni、13％Si，形成金属间化合物，具有较高弹性模量，可增高到9.38×l04MPa。165.微观组织金属材料弹性模量：是一个组织不敏感的力学性能指标。钢的热处理和合金化会使其强度明显提高，但弹性模量E无太大改变。工程陶瓷弹性模量：与构成陶瓷的相的种类、粒度、分布、比例及气孔串有关。一般随气孔率