粘弹性、滞弹性及高温蠕变
1.2 粘弹性和滞弹性
图l-11所示，当突然施加一应力σo于 拉伸试样时，试样立即沿0A线产生瞬时 应变Oa。如果低于材料的微量塑性变形 抗力，则应变Oa只是材料总弹性应变OH 中的一部分。应变aH只是在σo长期保 持下逐渐产生的，aH对应的时间过程为 图1-11中的ab曲线。
恒定应力σo
卸载时，如果速度也比较大，则当应力下降为零时， 只有应变eH部分立即消逝掉，而应变eO是在卸载后逐渐去 除的，这部分应变对应的时间过程为图中的cd曲线。
三.动态粘弹性（滞后、内耗）
在正弦或其它周期性变化的外力作用下,聚合物粘弹性的表现. 高聚物作为结构材料在实际应用时,往往受到交变力的作 用。如轮胎、传送皮带、橡齿轮。
研究动态力学行为的实际意义?
用作结构材料的聚合物许多是在交变的力场中使用 , 因 此必须掌握作用力频率对材料使用性能的影响。 如外力的作用频率从 0→100~1000 周，对橡胶的力学性 能相当于温度降低 20~40℃，那么在-50℃还保持高弹性 的橡胶，到-20℃就变的脆而硬了。 塑料的玻璃化温度在动态条件下,比静态来的高,就 是说在动态条件下工作的塑料零件要比静态时更耐热 , 因此不能依据静态下的实验数据来估计聚合物制品在动 态条件下的性能。
对于未交联橡胶
Cross-linking polymer Linear polymer
0e
0
t
玻璃态 高弹态
粘流态
不同温度下的应力松弛曲线 t
t
不同聚合物的应力松弛曲线
高分子链的构象重排和分子链滑移是导致材料蠕变和应力松 弛的根本原因。 如果T很高(>>Tg),链运动摩擦阻力很小,应力很快松弛掉了, 所以观察不到,反之,内摩擦阻力很大,链段运动能力差,应力 松弛慢,也观察不到.只有在Tg温度附近的几十度的范围内应 力松弛现象比较明显.(链由蜷曲变为伸展,以消耗外力)
武汉理工材料物理性能复习资料
第一章一、基本概念1．塑性形变及其形式：塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。
晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪晶。
2．蠕变：当对粘弹性体施加恒定压力σ0时，其应变随时间而增加，这种现象叫做蠕变。
弛豫：当对粘弹性体施加恒定应变ε0时，其应力将随时间而减小，这种现象叫弛豫。
3．粘弹性：一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，称为粘弹性，所有聚合物差不多都表现出这种粘弹性。
4．滞弹性：对于理想的弹性固体，作用应力会立即引起弹性应变，一旦应力消除，应变也随之消除，但对于实际固体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间，无机固体和金属这种与时间有关的弹性称为滞弹性。
二、基本理论1．金属材料和无机非金属材料的塑性变形机理：○1产生滑移机会的多少取决于晶体中的滑移系统数量。
○2对于金属，金属键没有方向性，滑移系统多，所以易于滑移而产生塑性形变。
对于无机非材料，离子键和共价键有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。
晶体结构越复杂，满足这种条件就越困难，所以不易产生滑移。
○3滑移反映出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果，无机材料不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生塑性形变，材料易脆断。
金属与非金属晶体滑移难易的对比金属非金属由一种离子组成组成复杂金属键物方向性共价键或离子键有方向性结果简单结构复杂滑移系统多滑移系统少2．无机材料高温蠕变的三个理论○1高温蠕变的位错运动理论：无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。
当温度增加时，位错运动加快，除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。
热运动有助于使位错从障碍中解放出来，并使位错运动加速。
当受阻碍较小时，容易运动的位错解放出来完成蠕变后，蠕变速率就会降低，这就解释了蠕变减速阶段的特点。
如果继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来，引起最后的加速蠕变阶段。
粘弹性材料
粘弹性材料粘弹性材料是一种具有特殊性能的复合材料，具有特殊的粘性和弹性特性。
它常见于一些需要具有黏性和回弹性的材料，比如胶水、橡皮等。
今天我们就来了解一下粘弹性材料的特点和应用。
粘弹性材料的主要特点是黏性和回弹性的结合。
黏性指的是材料表面具有粘附和拉伸的能力，而回弹性则指材料在外界力作用下能够快速恢复初始状态。
这种特性使得粘弹性材料能够有效地吸收冲击和振动，从而减少能量传递和噪音的产生。
另外，粘弹性材料还具有非线性应变的特性，即应变与应力之间的关系不符合胡克定律，而是呈现出非线性的曲线。
粘弹性材料的应用非常广泛。
首先，它可以用于减震降噪的材料。
由于粘弹性材料能够有效地吸收冲击和振动，因此它常被应用于汽车、飞机、建筑等工程领域，用于减少振动和噪音的产生。
其次，粘弹性材料也可以用于阻尼器的制造。
阻尼器是一种能够吸收地震或风力引起的振动能量的装置，粘弹性材料的黏性和回弹性特性以及非线性应变特性使得它成为制造阻尼器的理想材料。
除此之外，粘弹性材料还可用于医疗领域的填充材料、电子产品的凝胶材料、生物学实验的模型等。
不过，粘弹性材料也存在一些缺点。
首先，它的制造成本相对较高，而且制造过程相对复杂。
其次，粘弹性材料的性能受环境温度的影响较大，温度过低或过高都会使其性能发生变化。
此外，粘弹性材料在长期使用后可能会发生蠕变现象，即材料会因为持续的应力而发生变形。
因此，在设计和应用粘弹性材料时需要考虑这些因素。
总的来说，粘弹性材料是一种具有特殊性能的复合材料，具有粘性和弹性的结合特点。
它的应用范围广泛，可以用于减震降噪、阻尼器等领域。
然而，它也存在一些缺点，制造成本高、温度敏感性强等。
因此，在应用粘弹性材料时需要综合考虑材料的性能和环境条件。
1.2 粘弹性和滞弹性解析
t1
t2
t
0 应力
E1 普弹形变模量
图1 理想弹性体（瞬时蠕变）普弹形变
b.高弹形变
链段运动
（t） 0 (t<t1) t/
（t）
t
外力除去， 逐渐回复
(t)=
E
（ 1 e ） 松弛时间
2
=2/E2
0 (t→) E2-高弹模量 特点:高弹形变是逐渐回复的.
t1
t2
图l-11所示，当突然施加一应力σo于 拉伸试样时，试样立即沿0A线产生瞬时 应变Oa。如果低于材料的微量塑性变形 抗力，则应变Oa只是材料总弹性应变OH 中的一部分。应变aH只是在σo长期保 持下逐渐产生的，aH对应的时间过程为 图1-11中的ab曲线。
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恒定应力σo
卸载时，如果速度也比较大，则当应力下降为零时， 只有应变eH部分立即消逝掉，而应变eO是在卸载后逐渐去 除的，这部分应变对应的时间过程为图中的cd曲线。
线形非晶态聚合物在Tg以上单轴 拉伸的典型蠕变及回复曲线
2. 聚合物的蠕变现象
从分子运动和变化的角度来看，蠕变过程分为： a.普弹形变 （t）
从分子运动的角度解释:
材料受到外力的作用,链内的键长和 键角立刻发生变化,产生的形变很小, 我们称它普弹形变.
（t）
t
外力除去， 立即完全回复
0
E1
当聚合物受力时，以上三种形变同时发生聚 合物的总形变方程:
2+3
1 2 3
t
( t ) 1 2 3 -t
1
(1 e ) t E1 E2 3
线形非晶态聚合物的蠕变及回复曲线
材料性能学名词解释大全
名词解释第一章：弹性比功：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。
包申格效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
滞弹性：是材料在加速加载或者卸载后，随时间的延长而产生的附加应变的性能，是应变落后于应力的现象。
粘弹性：是指材料在外力的作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。
内耗：在非理想弹性变形过程中，一部分被材料所吸收的加载变形功。
塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力。
韧性：是材料力学性能，是指材料断裂前吸取塑性变形攻和断裂功的能力。
银纹：是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于它密度低，对光线反射高为银色。
超塑性：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。
脆性断裂：是材料断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，而是突然发生的快速断裂过程。
韧性断裂：是指材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。
剪切断裂：是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。
河流花样：两相互平行但出于不同高度上的解理裂纹，通过次生解理或撕裂的方式相互连接形成台阶，同号台阶相遇变汇合长大，异号台阶相遇则相互抵消。
当台阶足够高时，便形成河流花样。
解理台阶：不能高度解理面之间存在的台阶韧窝：新的微孔在变形带内形核、长大、聚集，当其与已产生的裂纹连接时，裂纹便向前扩展形成纤维区，纤维区所在平面垂直于拉伸应力方向，纤维区的微观断口特征为韧窝。
2 材料的弹性模数主要取决因素：1）键合方式和原子结构2）晶体结构3）化学成分4）微观组织5）温度6）加载方式3决定金属材料屈服强度的因素1）晶体结构2）晶界与亚结构3）溶质元素4）第二相5）温度6）应变速率与应力状态4 金属的应变硬化的实际意义1）在加工方面：利用应变硬化和塑性变形的合理配合，可使金属进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺的顺利实施2）在材料应用方面：应变硬化可以使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件的安全使用。
材料在高温下的力学性能（蠕变、松弛）
材料在高温下的力学性能（蠕变、松弛）第7章材料在高温下的力学性能7.1 材料在高温下力学性能的特点有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。
材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。
首先，材料在高温将发生蠕变现象。
即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。
这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。
载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。
粗略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4TM ；(TM为材料的熔点以绝对温度K计)；对陶瓷约为T>0.4-0.5TM ；对高分子材料为T>Tg，Tg为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生蠕变。
由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。
而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。
除非试验时加载的应变速率非常高。
材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。
应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。
和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。
一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。
另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。
材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。
第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。
第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。
材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。
而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。
这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。
1.2 粘弹性和滞弹性
图l-11所示，当突然施加一应力σo于拉 伸试样时，试样立即沿0A线产生瞬时 应变Oa。如果低于材料的微量塑性变 形抗力，则应变Oa只是材料总弹性应 变OH中的一部分。应变aH只是在σo长 期保持下逐渐产生的，aH对应的时间 过程为图1-11中的ab曲线。
恒定应力σo
卸载时，如果速度也比较大，则当应力下降为零时，只 有应变eH部分立即消逝掉，而应变eO是在卸载后逐渐去 除的，这部分应变对应的时间过程为图中的cd曲线。
b.交联:可以防止分子间的相对滑移。如橡胶采用硫化 交联的办法来防止由蠕变产生分子间滑移造成的不可 逆形变。
2. 聚合物的蠕变现象
从分子运动和变化的角度来看，蠕变过程分为： a.普弹形变
（t）
从分子运动的角度解释:
材料受到外力的作用,链内的键长和 键角立刻发生变化,产生的形变很小, 我们称它普弹形变.
（t）
t
外力除去， 立即完全回复
t1
t2 t
图1 理想弹性体（瞬时蠕变）普弹形变
0
E1
0 应力
E1 普弹形变模量
§1-4 粘弹性与滞弹性
理想弹性固体
➢ 弹性服从虎克定律， ➢ 特点：
✓ 受外力作用后，应力和应变之间呈线性关系 ，应力与 应变随时保持同相位；
✓ 应变与t无关。受力时，应变瞬时发生达到平衡值，除 去外力，应变瞬时恢复（可逆）。
E
t
t1
t2
滞弹性
➢ 实际上，绝大多数固体材料的弹性行为很难满足理想弹 性行为。一般都表现出非理想弹性性质，即实际固体的 应力与应变不是单值对应关系，往往有一个时间的滞后 现象。
（t）
t
不可回复
t1 t2
t
图3 理想粘性流动蠕变
无机材料物理性能第2讲
抗蠕变性能就较好。
1.6 无机材料的超塑性
超塑性：一些晶粒尺寸非常细小的无机材料在较高温度下 受到一个缓慢增大的荷载作用时，其永久形变能力发生较 大幅度的提高，远大于常规变形极限的现象。
超塑性
相变超塑性：由于材料发生结构相变而导致永 久性的各向异性尺寸变化。
如果玻璃相不润湿晶相，则晶界为晶粒与晶粒结合， 抵抗蠕变的性能就好；如果玻璃相完全湿润晶相， 玻璃相穿入晶界，将晶粒包围，就形成了抗蠕变最 薄弱的结构，抵抗蠕变的性能就差，其它湿润程度处 在二者之间。
➢ 4.组成 组成不同的材料其蠕变行为不同。 即使组成相同，单独存在和形成化合物，其蠕 变行为不一样。
柏氏矢量具有守恒性，一根不分叉的任何形状的位错 只有一个柏氏矢量。
三、 塑性形变速率对屈服强度的影响
YS m
式中，m为位错运动速率的应力敏感性指数。
1.4 高温下玻璃相的黏性流动
dv
dx
dv 或
dx
dr
dt
式中，常数为粘性系数或粘度，单位为 Pa s
这一定律称为牛顿定律，符合这一定律的流体叫 牛顿液体。
e u 2
0 E kT sinh
23
2kT
1
根据牛顿定律 : dv , 得:
1
dx
1
1
2
eE
0
kT
sinh 231
3kT
可近似认为
1
2
3
, 则：
expE kT
式中:
v
2
0
sinh
0
2kT
E —没有剪应力时的势垒高度；
—频率，即每秒超过势垒的次数； 0
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思考题：
• 高温蠕变的位错运动理论的含义？ • 影响蠕变的因素有哪些？怎样影响？ • 玻璃相的粘度与哪些因素有关？
σ弹2 ε弹2 E2
σ弹1 ε弹1 E1 σ粘 ε粘 η
根据此模型有以下关系： 2=1+3 3= 3 =1+2 1=E1 1 1=3 2=E22 消去各元件的应力和应变，得 （/E1)(E1+E2) + E2 = (/E1) +
设： = /E1 ， = (E1+E2)/ E2 = (E1+E2)/ E2 E1 则有 E2( +)=+ 定义： ------ 恒定应变下的应力弛豫时间； ------ 恒定应力下的应变蠕变时间。
应力弛豫时间的含义：表达了一种材料在恒定变形下， 势能消失时间的长短，是材料内部结构性质的重要指 标，对于材料变形性质有决定性的影响。 • 松弛时间短，势能消失快，这种材料接近虎克固体. • 两种弛豫时间都表示材料在外力作用下，从不平衡状 态通过内部结构重新调整组合达到平衡状态所需的时 间。 弛豫时间与滞弹性的关系：材料的粘度越大，弹性模量 越小，弛豫时间越长，滞弹性越大。
高温蠕变主要有以下几种理论:
位错运动理论
扩散蠕变理论 晶界蠕变理论
位错运动理论
高温蠕变理论
位错攀移示意图
扩散蠕变理论
高温蠕变理论
扩散蠕变理论
沿晶粒内部扩散的稳态蠕变速率
高温蠕变理论
ε
沿晶界扩散扩散的稳态蠕变速率
ε
晶界蠕变理论
高温蠕变理论
多晶陶瓷中存在着大量晶界，当晶界 位向差大时，可以把晶界看成是非晶
标准线性固体的力学行为
蠕变：施加恒定应力， 应变随时间而增加
(b)
驰豫：施加恒定应变， 应力随时间而减小
(c)
标准线性固体应力应变与时间的关系
§1-3
无机材料的高温蠕变
蠕变:当对材料施加恒定应力σ0时，其
应变随时间而增加的现象
典型的蠕变曲线
加速蠕变阶段。应变率随时 间增加，最后到d点断裂
应变与时间成正比
无机材料物理性能
第四讲
2013年12月31日
粘弹性与滞弹性
理 想弹 性:受到外力后，平衡形变是瞬时达到的与 时间无关。 理想粘弹性:受到外力后，形变是随时间线性发展的。 粘 弹 性：非晶体、多晶体在比较小的应力时可以 同时表现出弹性和粘性 滞 弹 性：无机固体和金属这种与时间有关的弹性
滞弹性或粘弹性的力学模型
蠕变减速阶段
瞬时发生的和时间没有关系
oa段形变是瞬时发生的和时间没有关系 第一阶段蠕变ab，蠕变减速阶段 A为常数。
低温时n=1，
高温时n=2/3，
；
第二阶段蠕变bc，稳态蠕变阶段 （常数） 成正比 应变与时间
第三阶段蠕变cd，加速蠕变阶段。
应变率随时间增加，最后到d点断裂
高温蠕变理论
体。高温时，其粘度变小，从而易发
生粘滞流动，而产生蠕变。
影响蠕变的因素
温度 应力 显微结构 化学组成 晶体结构
§1-4
高温下玻璃相的粘性流动
剪应力与剪切速度梯度成正比
牛顿定律
绝对速率理论模型
流动速度
流体粘度
影响粘度的因素
温度 时间 组成
温 度 影 响
时间的影响
组 成 的 影 响
粘弹性和滞弹性
• 粘弹性------材料在比较小的应力作用下，可以同时表现出 弹性和粘性。与理想的弹性应变比较，后者应力和应变不 随时间滞后，前者有一定的滞后。 • 滞弹性------与时间有关的弹性，即E(t) 。 • 对于蠕变，应力和应变有 Ec(t)=0/(t) • 对于弛豫，应力和应变有 Er(t)= (t)/ 0 • 也即弹性模量随时间而变化，并不是一个常数。 • 未弛豫模量------测量时间小于松弛时间，随时间的形变还 没有机会发生时的弹性模量； • 弛豫模量------测量的时间大于松弛时间，随时间的形变已 发生的弹性模量。