1、第三章第三章 材料的力学行为材料的力学行为材料在外力作用下所产生的变形、材料在外力作用下所产生的变形、抵抗力（即强度）及破坏等，又称抵抗力（即强度）及破坏等，又称为力学性能。为力学性能。第一节第一节 材料的弹性材料的弹性 一、弹性和弹性变形一、弹性和弹性变形材料变形的实质：内部质点在外力作用下，偏材料变形的实质：内部质点在外力作用下，偏离或改变了原来的平衡位置，产生了相对位移。离或改变了原来的平衡位置，产生了相对位移。应力：单位面积上材料内部产生的平衡外力的应力：单位面积上材料内部产生的平衡外力的抵抗力。抵抗力。应变：材料相对变形的大小。应变：材料相对变形的大小。一、弹性和弹性变形一、弹性和弹
2、性变形 弹性：材料在外力作用下产生变形，当外弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，变形随即消失，材料恢复至原力除去后，变形随即消失，材料恢复至原来的形状。来的形状。弹性变形（瞬时变形、可恢复变形）：即弹性变形（瞬时变形、可恢复变形）：即刻恢复的变形。刻恢复的变形。虎克固体模型虎克固体模型lEHooke定律定律 E 二、弹性模量二、弹性模量弹性变形的弹性变形的 力学特点力学特点:小形变、可回复小形变、可回复二、弹性模量二、弹性模量 拉应力或压应力：拉应力或压应力：剪切应力：剪切应力：静水压应力：静水压应力：EGVmK垂直应力；垂直应力；垂直应变；垂直应变；E 弹性模量（杨氏模量或纵向弹性
3、模量）弹性模量（杨氏模量或纵向弹性模量）剪切应力；剪切应力；剪切应变；剪切应变；G 剪切模量（刚性模量或横向弹性模量）剪切模量（刚性模量或横向弹性模量）m静水压应力；静水压应力；V体积应变；体积应变；K 体积弹性模量（压缩模量）体积弹性模量（压缩模量）二、弹性模量二、弹性模量 E、G、K关系：关系：)1(3)1(2KGEKEKGGE6322泊松比泊松比横向收缩系数，固体弹性伸长一定量时其横截面的减少量，横向收缩系数，固体弹性伸长一定量时其横截面的减少量，为缩短应变与伸长应变的比值。为缩短应变与伸长应变的比值。上述公式适用于各向同性材料。上述公式适用于各向同性材料。二、弹性模量二、弹性模量 E、
4、G、K表示材料的弹性变形阻力，即材料的刚度。表示材料的弹性变形阻力，即材料的刚度。材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大。改变结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大。改变材料的成分和组织会对材料的强度材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉如屈服强度、抗拉强度强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。共价键有显著影响，但对材料的刚度影响不大。共价键结合的材料弹性模量最高，而主要依靠分子键结合的结合的材料弹性模量最高，而主要依靠分子键结合的高分子，由于键力弱其弹性模量最低。弹性模量是和高分子，
5、由于键力弱其弹性模量最低。弹性模量是和材料的熔点成正比的，越是难熔的材料弹性模量也越材料的熔点成正比的，越是难熔的材料弹性模量也越高。高。温度的升高导致晶格热运动增强，原子键合刚度下降温度的升高导致晶格热运动增强，原子键合刚度下降弹性模量随温度上升而稍有降低。弹性模量随温度上升而稍有降低。混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量三、滞弹性三、滞弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性 理想的弹性固体理想的弹性固体弹性变形弹性变形马上恢复马上恢复 实际材料，尽管弹性变形可逆且呈线性关系，实际材料，尽管弹性变形可逆且呈线性关系，但存在变形和回复在时间上的滞后。这种与时但存在变形
6、和回复在时间上的滞后。这种与时间有关的弹性行为称为滞弹性。间有关的弹性行为称为滞弹性。滞弹性本质：交变应力导致原子不断换位，而滞弹性本质：交变应力导致原子不断换位，而位移的往返需要一定的时间。位移的往返需要一定的时间。滞性迥线（滞滞性迥线（滞后迥线）后迥线）迥线包围的面积表示输入的能量，即单位体积的材料在每一周期所迥线包围的面积表示输入的能量，即单位体积的材料在每一周期所消耗的能量（消耗于加热材料和周围的环境）。消耗的能量（消耗于加热材料和周围的环境）。滞弹性对振动过程起阻尼作用滞弹性对振动过程起阻尼作用原子移动消耗部分机械能为热能而消散原子移动消耗部分机械能为热能而消散四、高弹性四、高弹性
7、一般弹性变形不能超过某一个范围。一般弹性变形不能超过某一个范围。如：结晶态物质如：结晶态物质 弹性体：可逆弹性变形范围大的材料。弹性体：可逆弹性变形范围大的材料。如：橡胶如：橡胶100以上以上特点：弹性变形大，弹性模量小，且弹模随温度升高特点：弹性变形大，弹性模量小，且弹模随温度升高而增大而增大 橡胶弹性：橡胶弹性：可耐非常大的变形而不被破坏可耐非常大的变形而不被破坏除去外力后可恢复到原来长度除去外力后可恢复到原来长度要求分子链长，易于变形，具有交联点要求分子链长，易于变形，具有交联点第二节第二节 材料的塑性材料的塑性 一、塑性变形一、塑性变形塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后不塑性
8、：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后不能完全恢复原有形状。能完全恢复原有形状。塑性变形（永久变形、残余变形）：不可恢复的变形塑性变形（永久变形、残余变形）：不可恢复的变形与弹性变形不同：外力所做的功没有全部变成内功，与弹性变形不同：外力所做的功没有全部变成内功，在外力超过材料质点间的相互作用力后，引起材料部在外力超过材料质点间的相互作用力后，引起材料部分结构或构造的破坏，造成不可恢复的永久变形。分结构或构造的破坏，造成不可恢复的永久变形。圣维南固体模型圣维南固体模型上屈服点上屈服点下屈服点下屈服点动摩擦动摩擦静摩擦静摩擦ABOb变形变形塑性变形曲线塑性变形曲线塑性变形塑性变形 脆性材料：破
9、坏前无显著变形而突然破坏脆性材料：破坏前无显著变形而突然破坏砖瓦、生铁砖瓦、生铁 塑性材料：破坏前有显著塑性变形塑性材料：破坏前有显著塑性变形沥青、低碳钢沥青、低碳钢 混凝土、钢筋混凝土：一种弹、塑、粘性混合混凝土、钢筋混凝土：一种弹、塑、粘性混合的材料的材料 塑性和脆性随温度、含水率、加荷速度而改变塑性和脆性随温度、含水率、加荷速度而改变沥青：低温脆性，高温塑性沥青：低温脆性，高温塑性塑性变形塑性变形 屈服强度屈服强度材料由弹性行为转变为塑性行为时所承受的应力。材料由弹性行为转变为塑性行为时所承受的应力。屈服强度屈服强度弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形破坏破坏baa 比例极限比例极限 弹性极
10、限弹性极限b 屈服上限屈服上限c 屈服下限屈服下限e 极限强度极限强度二、塑性变形机理二、塑性变形机理 亚微观和微观看，永久变形是结构发生了流动亚微观和微观看，永久变形是结构发生了流动流动：材料内部质点调换其相邻质点的切变过程流动：材料内部质点调换其相邻质点的切变过程固体材料的塑性变形固体材料的塑性变形晶体的晶体的塑性流动塑性流动 原子面按照晶体学规律相互滑动原子面按照晶体学规律相互滑动（一）单晶体的塑性流动（一）单晶体的塑性流动 1、滑移（主要原因）、滑移（主要原因）晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）的一定方向晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）相对于晶体的另一部分发生滑
11、动。（滑移方向）相对于晶体的另一部分发生滑动。结果：在晶体表面造成相对位移，形成滑移台阶结果：在晶体表面造成相对位移，形成滑移台阶滑移带滑移带滑移台阶滑移台阶滑移线滑移线对滑移线的观察也表明了晶体塑性变对滑移线的观察也表明了晶体塑性变形的不均匀性，滑移只是集中发生在形的不均匀性，滑移只是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形，只是彼此的晶体层片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。之间作相对位移而已。单晶体的塑性流动单晶体的塑性流动 滑移总是沿着晶体中原子排列密度最大的晶面滑移总是沿着晶体中原子排列密度最大的晶面进行进行最密排晶面间
12、距最大，结合力最弱，滑移阻力最小最密排晶面间距最大，结合力最弱，滑移阻力最小发生滑移的晶面和晶向称为发生滑移的晶面和晶向称为滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向一个滑移面和这个面上的一个滑移方向组成一个滑移面和这个面上的一个滑移方向组成滑移系滑移系滑移系数量滑移面数滑移系数量滑移面数滑移方向数滑移方向数滑移系越多，滑移的可能性越大，塑性越好。滑移系越多，滑移的可能性越大，塑性越好。温度影响：温度较高时，滑移系增加。温度影响：温度较高时，滑移系增加。滑移与位错运动密切相关滑移与位错运动密切相关位错使屈服强度降低很多。位错运动的结果产生了滑移变形位错使屈服强度降低很多。位错运动的结果产生了滑移变形单晶
13、体的塑性流动单晶体的塑性流动 2、孪生、孪生晶体的一部分沿着一定晶面（孪生面）沿一定方向晶体的一部分沿着一定晶面（孪生面）沿一定方向（孪生方向）发生切变。（孪生方向）发生切变。2、孪生、孪生孪晶（带）：发生切变的晶体部分。孪晶（带）：发生切变的晶体部分。每层原子面相对于相邻原子面的移动量相同，移动距离和离每层原子面相对于相邻原子面的移动量相同，移动距离和离孪生面的距离成正比，且不是原子间距的整数倍。孪生面的距离成正比，且不是原子间距的整数倍。孪生变形部分晶体与未变形部分晶体在孪生面两侧呈镜面对孪生变形部分晶体与未变形部分晶体在孪生面两侧呈镜面对称。称。产生孪生所需要的切应力一般高于滑移所需，即
14、是否产生孪生所需要的切应力一般高于滑移所需，即是否产生孪生与晶体是否产生滑移有关。产生孪生与晶体是否产生滑移有关。孪生变形会引起晶格畸变，因此产生的塑性变形量不孪生变形会引起晶格畸变，因此产生的塑性变形量不大（大（10），但速度很快（接近于声速），但速度很快（接近于声速）。孪生与滑移的主要区别孪生与滑移的主要区别 1、孪生使晶格位向改变，造成变形晶体与未变、孪生使晶格位向改变，造成变形晶体与未变形晶体的对称分布；滑移不引起晶格变化。形晶体的对称分布；滑移不引起晶格变化。2、孪生时原子沿孪生方向的相对位移是原子间、孪生时原子沿孪生方向的相对位移是原子间距的分数；滑移时原子在滑移方向的相对位移距的
15、分数；滑移时原子在滑移方向的相对位移是原子间距的整数倍。是原子间距的整数倍。3、孪生变形所需切应力比滑移大。、孪生变形所需切应力比滑移大。孪生一般在不易滑移的条件下发生。孪生一般在不易滑移的条件下发生。4、孪生产生的塑性变形量比滑移小得多。、孪生产生的塑性变形量比滑移小得多。孪生与滑移的主要区别孪生与滑移的主要区别（二）多晶体的塑性变形（二）多晶体的塑性变形 多晶体中存在着大量位向不同的单晶体晶格，多晶体中存在着大量位向不同的单晶体晶格，存在大量原子排列不规整的晶界，因此，变形存在大量原子排列不规整的晶界，因此，变形复杂得多，但基本变形机理仍然是滑移和孪生。复杂得多，但基本变形机理仍然是滑移和
16、孪生。1、晶粒取向的影响、晶粒取向的影响 晶粒取向对多晶体塑性变形的影响，主要表现在各晶晶粒取向对多晶体塑性变形的影响，主要表现在各晶粒变形过程中的相互制约和协调性。粒变形过程中的相互制约和协调性。1、晶粒取向的影响、晶粒取向的影响 当外力作用于多晶体时，由于晶体的各向异性，位向不当外力作用于多晶体时，由于晶体的各向异性，位向不同的各个晶体所受应力并不一致。处于有利位向的晶粒同的各个晶体所受应力并不一致。处于有利位向的晶粒首先发生滑移，处于不利方位的晶粒却还未开始滑移。首先发生滑移，处于不利方位的晶粒却还未开始滑移。但多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中，它的变但多晶体中每个晶粒都处于其他晶
17、粒包围之中，它的变形必然与其邻近晶粒相互协调配合，不然就难以进行变形必然与其邻近晶粒相互协调配合，不然就难以进行变形，甚至不能保持晶粒之间的连续性，会造成空隙而导形，甚至不能保持晶粒之间的连续性，会造成空隙而导致材料的破裂。为了使多晶体中各晶粒之间的变形得到致材料的破裂。为了使多晶体中各晶粒之间的变形得到相互协调与配合，每个晶粒不只是在取向最有利的单滑相互协调与配合，每个晶粒不只是在取向最有利的单滑移系上进行滑移，而必须在几个滑移系其中包括取向并移系上进行滑移，而必须在几个滑移系其中包括取向并非有利的滑移系上进行，其形状才能相应地作各种改变。非有利的滑移系上进行，其形状才能相应地作各种改变。1
18、、晶粒取向的影响、晶粒取向的影响 理论分析指出，多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能理论分析指出，多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在在5个独立的滑移系上进行滑移。可见，多晶体的塑性个独立的滑移系上进行滑移。可见，多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互间的协调，即变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互间的协调，即一个多晶体是否能够塑性变形，决定于它是否一个多晶体是否能够塑性变形，决定于它是否具备有具备有5个独立的滑移系个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求。来满足各晶粒变形时相互协调的要求。2 2、晶界的影响晶界的影响 晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，何况晶界两侧晶界上原子排
19、列不规则，点阵畸变严重，何况晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，因此，的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，在室温下晶界对滑移具有阻碍效应在室温下晶界对滑移具有阻碍效应。对多晶体而言，外加应力必须大至足以激发大量晶粒中对多晶体而言，外加应力必须大至足以激发大量晶粒中的位错源动作，产生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。的位错源动作，产生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。第三节第三节 材料的粘性流动材料的粘性流动 粘性流动：材料在一定的剪切应力下，以一定粘性流动：材料在一定的
20、剪切应力下，以一定的变形速度进行的流动，但若除去外力，材料的变形速度进行的流动，但若除去外力，材料会静止在这个位置上而不能恢复其变形。会静止在这个位置上而不能恢复其变形。完全粘性体（牛顿液体）牛顿液体模型完全粘性体（牛顿液体）牛顿液体模型l1dtddtd 变形速度变形速度 剪切应力剪切应力 粘性系数（粘度）粘性系数（粘度）粘性流动粘性流动 高于玻璃化温度，原子集团发生持续的热运动，高于玻璃化温度，原子集团发生持续的热运动，同时作用应力使局部构型发生偏离，粒子有选同时作用应力使局部构型发生偏离，粒子有选择地调换其近邻的粒子，以产生适应作用应力择地调换其近邻的粒子，以产生适应作用应力的形状变化。的
21、形状变化。粘度粘度正是这种重排的速率和难易程度的度量正是这种重排的速率和难易程度的度量 在高于玻璃化温度并受到相当大的应力作用时，在高于玻璃化温度并受到相当大的应力作用时，无机玻璃和热塑性聚合物会发生显著的粘性流无机玻璃和热塑性聚合物会发生显著的粘性流动。动。非晶态固体阿累尼乌斯非晶态固体阿累尼乌斯Arrhenius方程方程0和和Q取决于材料键合和结构取决于材料键合和结构RTQe/0 粘度粘度Q 激活能激活能0系数系数 混凝土材料宾汉姆模型混凝土材料宾汉姆模型y当当 y时，不变形时，不变形eEEe当当 y时，发生与应力（时，发生与应力（y）成正）成正比的粘性流动比的粘性流动dtdVy总变形总变
22、形 e V V为常数为常数dtdy宾汉姆方程宾汉姆方程acbddtda牛顿液体牛顿液体b非牛顿液体非牛顿液体c宾汉姆液体宾汉姆液体d一般宾汉姆液体一般宾汉姆液体超流动性的混凝土混合料接近于非牛顿液体；超流动性的混凝土混合料接近于非牛顿液体；一般的混凝土混合料接近于一般宾汉姆体。一般的混凝土混合料接近于一般宾汉姆体。粘弹性：在外力作用下，材料的变形性质介于粘弹性：在外力作用下，材料的变形性质介于弹性和粘性材料之间，即同时表现出弹性和粘弹性和粘性材料之间，即同时表现出弹性和粘性，应力可以同时与应变和应变率有关，变形性，应力可以同时与应变和应变率有关，变形性能强烈地依赖于温度和外力作用时间。性能强烈
23、地依赖于温度和外力作用时间。线性粘弹性理想固体的弹性和理想液体的粘性组合线性粘弹性理想固体的弹性和理想液体的粘性组合非线性粘弹性非线性粘弹性高分子材料高分子材料第四节第四节 材料的粘弹性材料的粘弹性麦克斯韦模型麦克斯韦模型12E21dtddtddtd21dtdE21dtdEdtd1麦克斯韦模型麦克斯韦模型 当时间当时间t0时，时，故故 令令/E，得，得 即当应变不变时，应力随时间以指数形式衰减（应力松即当应变不变时，应力随时间以指数形式衰减（应力松弛）弛）/0tet0dtd01dtdE/E为应力松弛时为应力松弛时间，是麦克斯韦模型间，是麦克斯韦模型的特征时间常数，等的特征时间常数，等于模型的粘
24、性系数于模型的粘性系数和弹性常数和弹性常数E的比值。的比值。说明粘弹性现象必然说明粘弹性现象必然是同时有粘性和弹性是同时有粘性和弹性存在的结果。存在的结果。第五节第五节 材料的蠕变材料的蠕变 蠕变：固体材料在恒定应力作用下，变形蠕变：固体材料在恒定应力作用下，变形随着时间的增长而持续发展的现象，又叫随着时间的增长而持续发展的现象，又叫徐变或蠕滑。徐变或蠕滑。所有的材料都可能发生蠕变。所有的材料都可能发生蠕变。T0.4Tm，忽略不计（，忽略不计（Tm以绝对温度以绝对温度K表示的表示的材料熔点）材料熔点）T0.4Tm，蠕变随应力水平提高而增大。，蠕变随应力水平提高而增大。一、蠕变的流变模型一、蠕变
25、的流变模型 开尔文模型开尔文模型 dtdEt21E令应力保持常数令应力保持常数0dtdEE0/01teEt线性粘弹性材料蠕变随时间呈指数型变化线性粘弹性材料蠕变随时间呈指数型变化混凝土材料混凝土材料 勃格尔模型勃格尔模型EE二、蠕变曲线二、蠕变曲线第一阶段蠕变第一阶段蠕变第二阶段蠕变第二阶段蠕变第三阶段蠕变第三阶段蠕变ABCDT10.4Tm1t常数常数T20.4Tm2Ottr荷载常数荷载常数二、蠕变曲线二、蠕变曲线 1、瞬时弹性变形和瞬时塑性变形、瞬时弹性变形和瞬时塑性变形 2、初始蠕变：材料应变硬化，蠕变速率持续降低、初始蠕变：材料应变硬化，蠕变速率持续降低 3、稳态蠕变阶段：应变硬化和热回
26、复（加热软化），两、稳态蠕变阶段：应变硬化和热回复（加热软化），两者抵消。曲线近似一直线，蠕变速率近似为常数，也叫者抵消。曲线近似一直线，蠕变速率近似为常数，也叫恒定蠕变速率阶段。恒定蠕变速率阶段。4、第三阶段蠕变：裂纹生长形成内部孔洞或出现颈缩，、第三阶段蠕变：裂纹生长形成内部孔洞或出现颈缩，局部应力提高，蠕变速率增高，最终突然破坏。局部应力提高，蠕变速率增高，最终突然破坏。二、蠕变曲线二、蠕变曲线 金属、陶瓷和高分子材料类似曲线金属、陶瓷和高分子材料类似曲线1。曲线曲线2：瞬时变形后蠕变经历了第一阶段，在较低应力下，：瞬时变形后蠕变经历了第一阶段，在较低应力下，稳态蠕变阶段很短，甚至趋近于
27、零。蠕变应变可稳定在稳态蠕变阶段很短，甚至趋近于零。蠕变应变可稳定在一定水平，通常不会产生大量变形和断裂。一定水平，通常不会产生大量变形和断裂。三、蠕变机理三、蠕变机理 晶界滑动晶界滑动和和位错位错通过通过攀移攀移越过障碍物的运动。越过障碍物的运动。这两个过程都取决于热激活的原子活动性这两个过程都取决于热激活的原子活动性 在极低温度下，原子几乎是固定在晶格中其所在在极低温度下，原子几乎是固定在晶格中其所在的位置上。当接近熔点温度时，原子却在非常快的位置上。当接近熔点温度时，原子却在非常快地相互改变着位置。地相互改变着位置。1、晶界机理、晶界机理 2、晶格机理、晶格机理1、晶界机理、晶界机理 晶
28、界处原子活动性比内部原子大，行为类似粘滞性的液晶界处原子活动性比内部原子大，行为类似粘滞性的液体。在中、高温时的应力作用下，晶界产生粘滞性流动，体。在中、高温时的应力作用下，晶界产生粘滞性流动，造成晶粒相对移动，晶体材料通过晶界滑动而发生蠕变。造成晶粒相对移动，晶体材料通过晶界滑动而发生蠕变。控制晶界形变，即多晶体中晶粒相对运动的过程。控制晶界形变，即多晶体中晶粒相对运动的过程。扩散蠕变：温度接近熔点时，在外应力作用下，晶体中扩散蠕变：温度接近熔点时，在外应力作用下，晶体中的空位定向扩散引起晶粒沿晶界相对移动或改变了晶粒的空位定向扩散引起晶粒沿晶界相对移动或改变了晶粒尺寸，使晶体材料产生蠕变类
29、似于线性粘性流动尺寸，使晶体材料产生蠕变类似于线性粘性流动（应变速率正比于应力）（应变速率正比于应力）扩散蠕变仅仅在温度接近于熔点时才较为重要。扩散蠕变仅仅在温度接近于熔点时才较为重要。2、晶格机理、晶格机理 在较高温度下，作用在晶体材料上的外应力低于在较高温度下，作用在晶体材料上的外应力低于屈服应力时，经过一段持续荷载，热激活的原子屈服应力时，经过一段持续荷载，热激活的原子的活动性能帮助晶体中的位错攀越原不能克服的的活动性能帮助晶体中的位错攀越原不能克服的势垒而运动位错攀移势垒而运动位错攀移控制的是与原子或空位扩散以及位错运动相关的过程。控制的是与原子或空位扩散以及位错运动相关的过程。位错攀
30、移与原子和空位的扩散密切相关对蠕变作位错攀移与原子和空位的扩散密切相关对蠕变作用随温度的增加而迅速增加。用随温度的增加而迅速增加。一般认为一般认为应力低，蠕变速率小时，晶界滑动是主要过程。应力低，蠕变速率小时，晶界滑动是主要过程。高应力和高温情况下，位错攀移是主要过程。高应力和高温情况下，位错攀移是主要过程。混凝土的徐变混凝土的徐变t弹性应变弹性应变徐变应变徐变应变弹性回复弹性回复徐变回复徐变回复不可逆徐变不可逆徐变混凝土卸荷混凝土卸荷素混凝土的标准徐变曲线素混凝土的标准徐变曲线四、蠕变影响因素四、蠕变影响因素 1、应力、应力外加应力越大，材料的蠕变速率越大。外加应力越大，材料的蠕变速率越大。
31、蠕变极限：在一定温度和规定时间内，产生一蠕变极限：在一定温度和规定时间内，产生一定大小变形的应力，或在一定时间间隔内产生定大小变形的应力，或在一定时间间隔内产生一定变形速率的应力。一定变形速率的应力。长时间工作和蠕变速率极小时，规定时间内容许的长时间工作和蠕变速率极小时，规定时间内容许的总变形量总变形量蠕变速率较大时，容许的蠕变速率蠕变速率较大时，容许的蠕变速率四、蠕变影响因素四、蠕变影响因素 2、温度、温度温度升高促进蠕变温度升高促进蠕变升高温度将降低扩散激活能，增大扩散速率升高温度将降低扩散激活能，增大扩散速率热能促进了变形过程热能促进了变形过程是蠕变的基本特征。是蠕变的基本特征。一般，熔
32、点越高，抗蠕变能力越强。一般，熔点越高，抗蠕变能力越强。陶瓷材料蠕变温度高，作耐火材料陶瓷材料蠕变温度高，作耐火材料四、蠕变影响因素四、蠕变影响因素 3、晶粒尺寸、晶粒尺寸细晶粒晶体比粗晶粒晶体蠕变大细晶粒晶体比粗晶粒晶体蠕变大细晶粒晶体内部晶界多，蠕变时晶界滑动引起的变细晶粒晶体内部晶界多，蠕变时晶界滑动引起的变形更大。形更大。晶粒尺寸并非越大越好最佳晶粒尺寸晶粒尺寸并非越大越好最佳晶粒尺寸超过该尺寸，蠕变极限有不同程度的降低。超过该尺寸，蠕变极限有不同程度的降低。四、蠕变影响因素四、蠕变影响因素 4、弥散的第二相颗粒、弥散的第二相颗粒熔点高的第二相颗粒可阻碍高温下位错运动的熔点高的第二相颗
33、粒可阻碍高温下位错运动的作用，有利于提高材料的抗蠕变能力。作用，有利于提高材料的抗蠕变能力。颗粒大小颗粒大小太小，位错很容易通过它而在基体中运动太小，位错很容易通过它而在基体中运动太大，位错可在颗粒之间的相当大的空间中通过太大，位错可在颗粒之间的相当大的空间中通过四、蠕变影响因素四、蠕变影响因素 5、气孔率、气孔率气孔减小了抵抗蠕变的有效截面积气孔减小了抵抗蠕变的有效截面积蠕变速率随气孔率的增大而提高蠕变速率随气孔率的增大而提高第六节第六节 材料的理论强度材料的理论强度 强度是材料最基本的性能。强度是材料最基本的性能。强度：材料抵抗由外力所造成的机械破坏强度：材料抵抗由外力所造成的机械破坏的能
34、力，在力学上表示为材料破坏时所达的能力，在力学上表示为材料破坏时所达到的极限应力值。到的极限应力值。一、固体材料的结合力和结合能一、固体材料的结合力和结合能 1、原子间作用力、原子间作用力任何材料都是由分子、原子、离子等微粒所组成，其相互作任何材料都是由分子、原子、离子等微粒所组成，其相互作用力称键力。用力称键力。离子键结合、共价键结合、金属键结合、范氏力结合离子键结合、共价键结合、金属键结合、范氏力结合金属键金属键（Metallic bonding）化学键化学键（Chemical bonding）主主价键价键primary interatomic bonds共价键共价键（covalent b
35、onding）物理键物理键（physical bonding)，次价键次价键(Secondary bonding)，亦称，亦称Van der Waals bonding氢键氢键（Hydrogen-bonding），介于化学键和范德华力之间），介于化学键和范德华力之间离子键（离子键（Ionic bonding）1）离子键结合）离子键结合 特点：键力强，无方向性。其配位数可为特点：键力强，无方向性。其配位数可为4、6或或8，由正负离子电荷、相对尺寸和晶体结构决定。，由正负离子电荷、相对尺寸和晶体结构决定。由离子键形成的晶体叫离子晶体多数盐类、由离子键形成的晶体叫离子晶体多数盐类、碱类和金属氧化物碱
36、类和金属氧化物金属原子金属原子 带正电的正离子带正电的正离子非金属原子非金属原子 带负电的负离子带负电的负离子实质实质 e 静电引力静电引力离子键离子键 离子晶体特点离子晶体特点 良好的绝缘体良好的绝缘体所有电子都受到各个离子的强约束作用，在离子晶体所有电子都受到各个离子的强约束作用，在离子晶体中很难产生能自由运动的电子。中很难产生能自由运动的电子。但在熔融态或溶液中，正负离子在外电场作用下可作但在熔融态或溶液中，正负离子在外电场作用下可作定向移动而具有导电性。定向移动而具有导电性。强度大、熔点高、脆性大强度大、熔点高、脆性大正负离子结合较强。离子键要求正负离子作相间排列，正负离子结合较强。离
37、子键要求正负离子作相间排列，使异号离子之间吸引力达到最大，同号离子之间排斥使异号离子之间吸引力达到最大，同号离子之间排斥力最小，所以当受剪力作用产生滑移时，很容易引起力最小，所以当受剪力作用产生滑移时，很容易引起同号离子相斥而破碎。同号离子相斥而破碎。2）共价键结合）共价键结合 实质：由二个或多个电负性相差不大的原子间通过共用实质：由二个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而成电子对而成非极性：非极性：位于两成键原子中间位于两成键原子中间极性：共用电子对偏于某成键原子极性：共用电子对偏于某成键原子离子键共价键极性键的极限状态离子键共价键极性键的极限状态 特点：键力很强，有方向性和饱和性。
38、特点：键力很强，有方向性和饱和性。由共价键形成的晶体叫共价晶体亚金属（由共价键形成的晶体叫共价晶体亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料），聚合物和无机非金属材料特点：硬度特别大，熔点高，延展性不好。特点：硬度特别大，熔点高，延展性不好。3）金属键结合）金属键结合 典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子气。金属中自由电子与金属正离子之间构成电子气。金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。键合称为金属键。特点：键力强，无方向性和饱和性，配
39、位数高。特点：键力强，无方向性和饱和性，配位数高。除亚金属外的金属除亚金属外的金属Sn金属键和共价键金属键和共价键特点：良好导电、导热性能，延展性好，强度高。特点：良好导电、导热性能，延展性好，强度高。4）范氏力结合）范氏力结合 实质：分子的固有电偶极实质：分子的固有电偶极矩之间或瞬时电偶极矩之矩之间或瞬时电偶极矩之间的相互作用力。间的相互作用力。包括：静电力、诱导力和包括：静电力、诱导力和色散力，属物理键，系次色散力，属物理键，系次价键，不如化学键强大，价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性但能很大程度改变材料性质。质。特点：键力弱。特点：键力弱。分子晶体大部分有机分子晶体大部分有机化
40、合物、惰性气体化合物、惰性气体特点：熔点、硬度低。特点：熔点、硬度低。2、固体的结合力和结合能、固体的结合力和结合能 1）结合力）结合力典型的粒子间相互作用力是电子的负电荷与原子核的典型的粒子间相互作用力是电子的负电荷与原子核的正电荷之间的静电引力。正电荷之间的静电引力。包括一个长程吸引力和一个短程排斥力包括一个长程吸引力和一个短程排斥力mnBrfArf21 斥力引力r两原子中心间距；两原子中心间距；A、B常数；常数；n引力系数；引力系数；m斥力系数。斥力系数。mnBrArF-合力斥力斥力引力引力f1f2rFr0F：键力曲线：键力曲线r0：原子的平衡距离：原子的平衡距离rr0：原子间作用力为零
41、，：原子间作用力为零，即引力等于斥力；即引力等于斥力；rr0：压缩，斥力超过引：压缩，斥力超过引力，合力的绝对值随力，合力的绝对值随r的减的减小而迅速增大；小而迅速增大；rr0：拉伸，引力超过斥：拉伸，引力超过斥力，合力先随力，合力先随r的增加而增的增加而增大，达到最大值后又随大，达到最大值后又随r的的增加而逐渐减小到零。增加而逐渐减小到零。2）结合能）结合能原子间的相互作用力，还可用原子间的相互作用力，还可用互作用势能互作用势能表示。表示。dvFdrdv互作用势能（结合能）变化量；互作用势能（结合能）变化量；dr两原子间距变化量；两原子间距变化量；从平衡点从平衡点r0出发，出发，F与与dr的
42、方向总是相反的。的方向总是相反的。1111mnrrmBrnAFdrV当当rr0时，时，互作用势能（结合能）最小：互作用势能（结合能）最小：10011nrmnmnAV积分得：积分得：假设一对原子相距无穷远假设一对原子相距无穷远时互作用势能为零（约几时互作用势能为零（约几千千nm）。）。原子间距减小时，引力作原子间距减小时，引力作正功，势能降低；斥力作正功，势能降低；斥力作负功，势能增加。负功，势能增加。势能势能rr0V0互作用势能与原子间距关系示意图互作用势能与原子间距关系示意图 惰性气体的结合最弱惰性气体的结合最弱 碱金属的结合为中等强度碱金属的结合为中等强度 过渡族金属、共价键结合的碳结合极
43、强过渡族金属、共价键结合的碳结合极强 离子晶体的结合最强离子晶体的结合最强二、理论抗拉强度二、理论抗拉强度 键力曲线，当键力曲线，当r增至一定值时，键力曲线达增至一定值时，键力曲线达到峰值到峰值Fmax，即引力最大，若外力继续增，即引力最大，若外力继续增大，键力就急剧下降，不足以抵抗外力，大，键力就急剧下降，不足以抵抗外力，r也急剧增大，晶体趋于断裂。也急剧增大，晶体趋于断裂。Fmax就称为晶体材料的最大抵抗力，所对就称为晶体材料的最大抵抗力，所对应的应力应的应力max称为晶体材料的理论抗拉强称为晶体材料的理论抗拉强度（理论断裂强度）。度（理论断裂强度）。将键力曲线简化为正弦曲线，横坐标将键力
44、曲线简化为正弦曲线，横坐标x为原子间距变化，为原子间距变化，为波长。为波长。Frr0Fmaxxmax2x2sinmax材料断裂的实质就是应力材料断裂的实质就是应力作功产生的弹性作功产生的弹性能转换为新断面的表面能能转换为新断面的表面能。220dx积分得：积分得：max2max2杨氏弹性模量：杨氏弹性模量：0 xddE0rx得：得：0max2 rE0maxrE晶体的杨氏模量各向异性，因此理论强度随外力对晶轴的取晶体的杨氏模量各向异性，因此理论强度随外力对晶轴的取向不同而变化。向不同而变化。三、理论剪切强度三、理论剪切强度hGb2maxG剪切弹性模量；剪切弹性模量；b 滑移向的原子中心间距；滑移向
45、的原子中心间距；h滑移面的面间距；滑移面的面间距；max理论抗剪强度（滑移向的屈服强度）。理论抗剪强度（滑移向的屈服强度）。对金属晶体、离子晶体和分子晶体对金属晶体、离子晶体和分子晶体四、理论强度与高强材料四、理论强度与高强材料hGb2max具有最大破坏强度的材料，杨氏具有最大破坏强度的材料，杨氏模量模量E要高，表面能要高，表面能要大，原子要大，原子间距间距r0要小。要小。具有最大抗剪强度的材料，剪切具有最大抗剪强度的材料，剪切弹性模量弹性模量G要高，原子密度要小要高，原子密度要小（b大），相邻原子面间距要小大），相邻原子面间距要小（h小）小）。通常通常max小于小于max，因此许多晶体材料的
46、最大强度取决于，因此许多晶体材料的最大强度取决于剪切强度剪切强度。0maxrE 屈服比：屈服比：max/maxmax/max 1/10塑性，断裂前有显著的塑性流塑性，断裂前有显著的塑性流动金属动金属max/max 1共价晶体、离子晶体断裂前共价晶体、离子晶体断裂前变形小变形小 高强材料：高强材料：max与与max均较大均较大 要求：高弹性模量，原子间具有定向性，键长要求：高弹性模量，原子间具有定向性，键长短，原子半径小，原子价位高，以形成坚固的短，原子半径小，原子价位高，以形成坚固的三维网状键结构。三维网状键结构。Be、B、C、N、O、Al、Si化学结构分析：化学结构分析：r0小较轻的元素；定
47、向键非小较轻的元素；定向键非密堆积的结晶结构，密度低；弹性模量高结合能密堆积的结晶结构，密度低；弹性模量高结合能大，熔点高，热膨胀系数小。因此，最强的固体材料大，熔点高，热膨胀系数小。因此，最强的固体材料将具有将具有弹性模量高，密度低，熔点高及热膨胀系数小弹性模量高，密度低，熔点高及热膨胀系数小等性质。等性质。第七节第七节 材料的实际强度材料的实际强度 一、材料的实际强度一、材料的实际强度任何实际材料内部都会存在杂质和缺陷。任何实际材料内部都会存在杂质和缺陷。玻璃断裂理论玻璃断裂理论Griffith完全脆性的完全脆性的材料在形材料在形成过程中，内部有微裂缝形成。材料在受到外成过程中，内部有微裂
48、缝形成。材料在受到外力时在裂纹附近产生应力集中现象；力时在裂纹附近产生应力集中现象；CEsff为断裂拉应力，为断裂拉应力，E为杨氏弹性模量，为杨氏弹性模量，是单位面积的表面自由能，是单位面积的表面自由能，C为裂缝临为裂缝临界宽度的一半。界宽度的一半。0maxrECEsf0maxrCf1102m数量级的裂缝在各种实际材料中均能发现。数量级的裂缝在各种实际材料中均能发现。材料的实际强度远低于理论强度材料的实际强度远低于理论强度二、外力作用方向与材料强度二、外力作用方向与材料强度 材料的强度通常用静力破坏性试验来确定，材料的强度通常用静力破坏性试验来确定，试件破坏时的极限应力值即强度。试件破坏时的极
49、限应力值即强度。受力受力抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度1、抗拉强度、抗拉强度APR拉R拉拉材料的抗拉强度，材料的抗拉强度，MPa；P 试件破坏时的最大荷载，试件破坏时的最大荷载，N；A试件受拉面积，试件受拉面积，mm2。PP 混凝土固定试件困难，很少进行直接抗拉试验，混凝土固定试件困难，很少进行直接抗拉试验，多采用立方体或圆柱体劈裂抗拉试验测定。多采用立方体或圆柱体劈裂抗拉试验测定。APAPR637.02劈拉R劈拉劈拉混凝土劈裂抗拉强度，混凝土劈裂抗拉强度，MPa；P 试件破坏时的最大荷载，试件破坏时的最大荷载，N；A试件劈裂面面积，试件劈裂面面积，mm2。PP上压板上压
50、板下压板下压板垫条垫条垫条垫条垫层垫层垫层垫层试件试件2、抗压强度、抗压强度APR压R压压材料的抗压强度，材料的抗压强度，MPa；P 试件破坏时的最大荷载，试件破坏时的最大荷载，N；A试件承压面积，试件承压面积，mm2。150mm立方体立方体试试 件件PP100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系小于立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系小于C50的的混凝土，修正系数混凝土，修正系数m m=0.95。随混凝土强度的提高，修正系数。随混凝土强度的提高，修正系数m m 值值有所降低。当有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数时，换算系数m m 约为约为0.9。100150c
