《材料物理性能》全套PPT課件

《材料物理性能》全套PPT課件,材料物理性能,材料,物理性能,全套,PPT,課件 第一節(jié)第一節(jié) 金屬的彈性金屬的彈性一、彈性模量及其物理本質(zhì)一、彈性模量及其物理本質(zhì) 在在靜靜彈彈性性變變形形階階段段，應應力力與與應應變變成成正正比比。其其比比例例系數(shù)為彈性模量。系數(shù)為彈性模量。正彈性模量正彈性模量E:切變彈性模量切變彈性模量G:體積模量體積模量K:P 為體積壓縮應力。為體積壓縮應力。所所以以，E、G、K為為單單位位應應變變時時的的應應力力，是是材材料料抵抵抗抗彈彈性性變變形形的的能能力力，彈彈性性模模量量越越高高，其其剛剛度度越越好好。它們之間的關系：它們之間的關系：為為泊泊松松比比：在在單單相相正正應應力力作作用用下下，物物體體發(fā)發(fā)生生彈彈性性變變形形時其橫向與縱向尺寸相對變化之比：時其橫向與縱向尺寸相對變化之比：一一般般 為為0.20.4。鋼鋼在在未未受受外外應應力力時時，原原子子在在平平衡衡位位置。原子間引力和斥力平衡，此時原子具有最低位能。置。原子間引力和斥力平衡，此時原子具有最低位能。當當受受到到外外力力時時，外外應應力力將將部部分分克克服服原原子子間間的的相相互互作作用用力力，使使原原子子發(fā)發(fā)生生相相對對位位移移而而改改變變原原子子間間距距，產(chǎn)產(chǎn)生生彈彈性性應應變變。由由于于彈彈性性應應力力不不足足以以完完全全克克服服相相鄰鄰原原子子間間的的相相互互作作用用力力，當當外外力力去去除除后后，原原子子間間相相互互作作用用力力又又使其恢復到原來的平衡位置，即彈性應變消失。使其恢復到原來的平衡位置，即彈性應變消失。（1）、所所以以，彈彈性性模模量量的的物物理理本本質(zhì)質(zhì)是是原原子子間間結(jié)結(jié)合合力力大小的標志。大小的標志。因為各個方向的結(jié)合力不同，故彈性模量有各向異性。因為各個方向的結(jié)合力不同，故彈性模量有各向異性。（2）、因因為為彈彈性性取取決決于于原原子子間間結(jié)結(jié)合合力力，故故彈彈性性模模量量是一個組織不敏感參數(shù)。是一個組織不敏感參數(shù)。（3）、與熔點和蒸發(fā)熱的關系。）、與熔點和蒸發(fā)熱的關系。熔點也反映原子結(jié)合力的大小。熔點也反映原子結(jié)合力的大小。V為比容；為比容；K、a、b為常數(shù)。為常數(shù)。二、影響彈性模量的因素二、影響彈性模量的因素 1、原子結(jié)構(gòu)的關系、原子結(jié)構(gòu)的關系 原原子子間間結(jié)結(jié)合合力力與與原原子子結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)有有關關，在在周周期期表表中中，金金屬元素的彈性模量隨著原子序數(shù)呈現(xiàn)周期性變化。屬元素的彈性模量隨著原子序數(shù)呈現(xiàn)周期性變化。一般情況下，彈性模量一般情況下，彈性模量E與原子間距與原子間距a有如下關系：有如下關系：K、m為與原子結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)。為與原子結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)。過渡族元素有所不同。過渡族元素有所不同。2、溫度的影響、溫度的影響 彈彈性性模模量量隨隨著著溫溫度度升升高高而而降降低低。由由于于溫溫度度升升高高，原原子熱振動加劇，原子間距增大，導致原子結(jié)合力下降。子熱振動加劇，原子間距增大，導致原子結(jié)合力下降。E隨著隨著T的變化用彈性模量系數(shù)的變化用彈性模量系數(shù)e來表征：來表征：e又與熱膨脹系數(shù)又與熱膨脹系數(shù) 成正比：成正比：.3、相變的影響、相變的影響 金金屬屬發(fā)發(fā)生生相相變變時時，其其彈彈性性模模量量會會偏偏離離正正常常變變化化的的規(guī)規(guī)律，有時會發(fā)生突變。律，有時會發(fā)生突變。Fe在在768 oC 發(fā)發(fā)生生磁磁性性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變，E發(fā)發(fā)生生拐拐折折；在在910 oC 由由 -Fe向向 -Fe轉(zhuǎn)變時，轉(zhuǎn)變時，E發(fā)生突變性升高。發(fā)生突變性升高。Ni的的反反常常較較明明顯顯，先先陡陡降降，到到180360 （居居里里點點）間，間，E升高，此后又降低。升高，此后又降低。而而磁磁化化到到飽飽和和狀狀態(tài)態(tài)的的Ni，E隨隨著著溫溫度度成成正正常常下下降降，符符合一般金屬變化規(guī)律合一般金屬變化規(guī)律 彈彈性性的的鐵鐵磁磁性性反反常常是是由由于于磁磁致致伸伸縮縮效效應應而而造造成成的的，鐵鐵磁磁體體在在退退磁磁狀狀態(tài)態(tài)下下其其磁磁疇疇是是隨隨機機取取向向的的，當當有有應應力力時時，各各個個磁磁疇疇將將通通過過壁壁移移和和磁磁矩矩轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動以以適適應應應應力力方方向向而而降降低低磁磁彈彈性性能能，如如對對力力致致磁磁質(zhì)質(zhì)伸伸縮縮材材料料加加力力時時，其其磁磁疇疇矢矢量量必必須須要要轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向平平行行于于拉拉伸伸方方向向，因因而而產(chǎn)產(chǎn)生生附附加加伸伸長長，把把這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為磁磁質(zhì)質(zhì)伸伸縮縮。這這個個伸伸縮縮產(chǎn)產(chǎn)生生附附加加應應變變，造造成成彈彈性模量的虧損。性模量的虧損。當當鐵鐵磁磁體體預預先先被被處處理理成成磁磁飽飽和和態(tài)態(tài)時時，則則應應力力就就不不再再使疇壁移動或磁矩轉(zhuǎn)動，力致伸縮為零。使疇壁移動或磁矩轉(zhuǎn)動，力致伸縮為零。4、合金化及加工硬化的影響。合金化及加工硬化的影響。兩種普通金屬形成連續(xù)固溶體時，兩種普通金屬形成連續(xù)固溶體時，E與原子濃度成與原子濃度成直線變化。但是若組元為過渡族元素時，呈現(xiàn)凸型變化，直線變化。但是若組元為過渡族元素時，呈現(xiàn)凸型變化，這與過渡族元素未填滿這與過渡族元素未填滿的內(nèi)電子層影響原子間結(jié)合的內(nèi)電子層影響原子間結(jié)合力有關。冷加工使力有關。冷加工使E降低，降低，但若形成組織織構(gòu)時，沿軋但若形成組織織構(gòu)時，沿軋向的向的E大幅度提高。大幅度提高。第二節(jié)第二節(jié) 材料的滯彈性一 滯彈性的定義1 理想彈性：在振動條件下，應力和應變之間的關系完全遵從胡克定律，應力與應變隨時保持同相位。2理想粘彈性：粘性服從牛頓定律，應力與應變速率成正比。聚合物的粘彈性是嚴重發(fā)展的滯彈性。3滯彈性：是指在彈性范圍內(nèi)出現(xiàn)的非彈性現(xiàn)象。應變不僅與應力有關，而且與時間有關。二 滯彈性的力學模型1 彈性及粘性元件模型：2 滯彈性的力學模型：標準線性固體力學模型三 滯彈性的表現(xiàn)形式1 滯彈性表現(xiàn)形式的分類：大應力大應力(10 MPa以上以上)和低頻應力條件和低頻應力條件下：即靜態(tài)應用條件下，滯彈性表現(xiàn)為彈性后效彈性后效、彈性彈性滯后滯后、彈性模量隨時間延長而降低彈性模量隨時間延長而降低以及應力松應力松弛弛等四方面。小應力小應力(1MPa以下以下)和高頻應力條件和高頻應力條件下：即動態(tài)應用時，滯彈性表現(xiàn)為應力循環(huán)中外界能量的損耗，有內(nèi)耗內(nèi)耗、振幅對數(shù)衰減振幅對數(shù)衰減等。2 彈性后效3 應力弛豫應變保持恒定的條件下，應力隨時間延長而減小。（應力松弛）弛豫模量弛豫模量高溫條件下，應力弛豫更顯著4 模量虧損恒應力條件下，彈性模量(1)單向快速加、卸載時，應變弛豫來不及產(chǎn)生，此時彈性模量為(2)單向緩慢加、卸載，應變來得及充分進行，此時 ，MR為完全弛豫性模量，也為恒溫彈性模量。(3)實際測量時，加載速度介于上兩者之間，彈性模量大小介于Mu與 MR之間。稱為動力彈性模量第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)耗一 內(nèi)耗概述1 內(nèi)耗定義：一自由振動的固體，即使與外界完全隔離(如處于真空環(huán)境)，它的機械能也會轉(zhuǎn)化成熱能，從而使振動逐漸停止；如果是強迫振動，則外界必須不斷供給固體能量，才能維持振動。這種由于固體內(nèi)部原因而使機械能消耗的現(xiàn)象稱為內(nèi)耗或阻尼。內(nèi)耗變化的最大值稱為內(nèi)耗峰。2 內(nèi)耗發(fā)生的前提：發(fā)生非彈性應變文獻中的同義語：Internal Friction；內(nèi)摩擦；工程應用中：阻尼本領（Damping Capacity）高頻振動中：超聲衰減（Ultrasonic Attenuation)二 內(nèi)耗的分類1.線性滯彈性內(nèi)耗：表現(xiàn)為只與加載頻率有關。如弛豫型內(nèi)耗2.非線性滯彈性內(nèi)耗：既與頻率有關，又與振幅有關。它來源于固體內(nèi)部缺陷及其相互作用。3.靜滯后型內(nèi)耗：完全與頻率無關而只與振幅有關的內(nèi)耗。4.阻尼共振型內(nèi)耗：形式上類似于線性滯彈性內(nèi)耗，與頻率有關，但內(nèi)耗峰對溫度變化較不敏感，常與位錯行為有關。三 內(nèi)耗的表征1 品質(zhì)因數(shù)實數(shù)部分產(chǎn)生模量虧損，序數(shù)部分產(chǎn)生內(nèi)耗2 計算振幅對數(shù)減縮量3 建立共振曲線求內(nèi)耗4 計算超聲波在固體中的衰減系數(shù)5 計算阻尼系數(shù)或阻尼比四 一些典型內(nèi)耗的特點1 弛豫型內(nèi)耗：線性滯彈性內(nèi)耗實數(shù)部分虛數(shù)部分2 靜滯后型內(nèi)耗（瞬時范性）靜態(tài)滯后的產(chǎn)生是由于應力和應變間存在多值函應力和應變間存在多值函數(shù)關系數(shù)關系，即在加載時，同一載荷下具有不同的應變值，完全去掉載荷后有永久形變產(chǎn)生。僅當反向加載時才能回復到零應變。靜態(tài)滯后回線不是線性關系，滯后回線的面積是恒定值，與振動頻率無關，與振動頻率無關，內(nèi)耗與振幅有關內(nèi)耗與振幅有關。物體在周期性應力的作用下振動時，除了產(chǎn)生一個相應的彈性應變以外，還會由于內(nèi)部的原因而產(chǎn)生一個附加的非彈性應變非彈性應變，從而導致了應變落后于應力應變落后于應力，消耗機械能，形成內(nèi)耗。五 內(nèi)耗產(chǎn)生的機制1 內(nèi)耗產(chǎn)生的原因：非彈性應變非彈性應變包括滯彈性應變、非線性滯彈性應變、線性粘彈性應變、瞬時范性應變等。以滯彈性應變滯彈性應變?yōu)槔M行說明非彈性應變與彈性應變有什么差別呢？(b)應變時間曲線應變時間曲線交變應力下理想彈性理想彈性的行為(c)應力應變曲線應力應變曲線(a)應力時間曲線應力時間曲線AB理想彈性行為具有理想彈性行為具有瞬時性瞬時性：即應：即應變對于應力的響應是瞬時的，變對于應力的響應是瞬時的，應應變變的變化與的變化與應力應力的變化是的變化是同相位同相位的。的。應力應變曲線沿應力應變曲線沿O-A-B-OO-A-B-O往復往復變化，并不形成封閉的回線。變化，并不形成封閉的回線。(a)應力時間曲線應力時間曲線(c)應力應變滯后回線應力應變滯后回線(b)應變時間曲線應變時間曲線交變應力下滯彈性滯彈性的行為應變?yōu)槭裁磿浜笥趹δ?？應變落后于應力又為什么會形成?nèi)耗呢？平衡狀態(tài)1平衡狀態(tài)2調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 過渡過渡弛豫過程弛豫過程2 滯彈性內(nèi)耗產(chǎn)生的機制滯彈性內(nèi)耗產(chǎn)生的機制需要一定的時間完成，需要一定的時間完成，即弛豫時間，同時需即弛豫時間，同時需要越過一定的勢壘，要越過一定的勢壘，即需要提供一定的激即需要提供一定的激活能?；钅?。內(nèi)耗是材料內(nèi)部的內(nèi)耗源在應力作用下的行為的本質(zhì)反映。各類點缺陷、線缺陷、各類點缺陷、線缺陷、面缺陷面缺陷內(nèi)耗源：固體內(nèi)部的各類點缺陷、現(xiàn)缺陷、面缺陷的運動變化以及它們之間的相互作用。外加應力：內(nèi)耗峰與應力的頻率有關弛豫時間：弛豫時間依賴于溫度。不同的內(nèi)耗源有不同的弛豫時間。激活能：不同的內(nèi)耗源所需的激活能不同測量溫度：實驗也證明內(nèi)耗峰還與溫度有關滯彈性內(nèi)耗四要素滯彈性內(nèi)耗四要素1)點陣中原子有序排列引起的內(nèi)耗點陣中原子有序排列引起的內(nèi)耗 應力感生有序內(nèi)耗應力感生有序內(nèi)耗體心立方體心立方(bcc)晶體中間隙原子引起的內(nèi)耗晶體中間隙原子引起的內(nèi)耗 Snoek峰峰 用近似于用近似于1Hz的頻率測量的頻率測量含氮的含氮的-Fe（bcc結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)）的內(nèi)耗，發(fā)現(xiàn)在室溫的內(nèi)耗，發(fā)現(xiàn)在室溫20附近出現(xiàn)內(nèi)耗峰，而含碳附近出現(xiàn)內(nèi)耗峰，而含碳的的-Fe在在40 出現(xiàn)內(nèi)耗峰。出現(xiàn)內(nèi)耗峰。1903年，測定鋼制年，測定鋼制 音叉的阻音叉的阻尼時發(fā)現(xiàn)阻尼作為溫度的函數(shù)尼時發(fā)現(xiàn)阻尼作為溫度的函數(shù)存在一個極大值，并且這個極存在一個極大值，并且這個極值的位置取決于音叉的頻率值的位置取決于音叉的頻率二維正方晶格及其間隙原子體心立方(bcc)晶格模型如-Fe間隙原子bcc晶格中，可以容納間隙原子的位置在晶格的面心及棱心位置，如藍色小球所示的位置。無應力作用時應力為零時，1，2，3間隙位置等效，間隙原子將以無規(guī)方式無規(guī)方式占據(jù)這些間隙位置，每一種位置都具有間隙原子總數(shù)的1/3。施加單向拉應力后，間隙原子傾向于沿拉力方向分布沿拉力方向分布，這種現(xiàn)象稱為應力感生有序應力感生有序。間隙原子存在應力感生有序傾向，對于應力產(chǎn)生的應變就有弛豫現(xiàn)象。當晶體在這個方向受到交變應力作用的時候，間隙原子就在這些位置上來回跳動，使應變落后于應力，導致能量損耗。有應力作用時小結(jié)由于間隙原子在受外力作用時存在著應力感生有序的傾向，對應于應力產(chǎn)生的應變就有弛豫現(xiàn)象。當晶體在這個方向上受交變應力作用時間隙原子在這個方向上受交變應力作用時間隙原子就在這些位置上來回地跳動、且應變落后于應力，就在這些位置上來回地跳動、且應變落后于應力，導致能量損耗導致能量損耗。交變應力頻率很高時交變應力頻率很高時，間隙原子來不及跳躍，即不能產(chǎn)生弛豫現(xiàn)象，故不能引起內(nèi)耗。交變應力頻率很低時交變應力頻率很低時，這是一種接近靜態(tài)完全弛豫過程應力和應變滯后線面積為零也不會產(chǎn)生內(nèi)耗。過去曾經(jīng)認為，由于面心立方晶體中的間隙原子引起溶劑點陣的畸變是立方對稱的，因而不存在應力感生有序的傾向。但1953年洛辛和芬克爾斯坦在含碳奧氏體不銹鋼Cr25Ni20中觀察到：2）洛辛峰）洛辛峰fcc晶體中間隙原子引起的內(nèi)耗晶體中間隙原子引起的內(nèi)耗葛庭燧等人研究了碳在Crl8Ni8不銹鋼、高錳鋼、鎳鋁合金以及純鎳中所引起的內(nèi)耗表明，間隙原子在面心主方晶體中引起內(nèi)耗是一個普遍現(xiàn)象。他們用濕氫脫碳和滲碳的方法來改變碳的含量得到碳含量與Q-1峰高成正比的關系。B：置換原子C：間隙原子3）甄納峰）甄納峰置換原子引起的內(nèi)耗置換原子引起的內(nèi)耗首先在首先在Cu70Zn30合金中發(fā)現(xiàn)合金中發(fā)現(xiàn)在在400，620Hz處有很明顯處有很明顯的內(nèi)耗峰；的內(nèi)耗峰；后發(fā)現(xiàn)在后發(fā)現(xiàn)在Ag-Zn合金中這種內(nèi)合金中這種內(nèi)耗峰更明顯；耗峰更明顯；在在bcc、fcc、hcp中發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)20種種合金都有類似的內(nèi)耗峰。合金都有類似的內(nèi)耗峰。2 與位錯有關的內(nèi)耗K-G-L理論強釘弱釘弓出雪崩3 與晶界有關的內(nèi)耗4 馬氏體相變內(nèi)耗六 內(nèi)耗的測量方法及應用1 測量方法 1）低頻扭擺法 2）共振棒法3）超聲脈沖回波法2 應用