剪切模量.doc

1、 剪 切 模 量剪 切 模 量 ， 材 料 常 数 ， 是 剪 切 应 力 与 应 变 的 比 值 。 又 称 切 变模 量 或 刚 性 模 ， 材 料 的 力 学 性 能 指 标 之 一 。 是 材 料 在 剪 切 应 力 作用 下 ， 在 弹 性 变 形 比 例 极 限 范 围 内 ， 切 应 力 与 切 应 变 的 比 值 。 它表 征 材 料 抵 抗 切 应 变 的 能 力 。 模 量 大 ， 则 表 示 材 料 的 刚 性 强 。 剪切 模 量 的 倒 数 称 为 剪 切 柔 量 ， 是 单 位 剪 切 力 作 用 下 发 生 切 应 变 的量 度 ， 可 表 示 材 料 剪 切 变

2、 形 的 难 易 程 度 。 切 变 模 量 的 倒 数 称 为 剪切 柔 量 ， 是 单 位 剪 切 力 作 用 下 发 生 切 应 变 的 量 度 ， 可 表 示 材 料 剪切 变 形 的 难 易 程 度 。其 中 ， G 表 示 剪 力 模 数 ， 表 示 剪 应 力 ， 表 示 剪 应 变 。弹 性 模 量 有 关 内 容材 料 在 外 力 作 用 下 发 生 变 形 。 当 外 力 较 小 时 ， 产 生 弹 性 变 形 。弹 性 变 形 是 可 逆 变 形 ， 卸 载 时 ， 变 形 消 失 并 恢 复 原 状 。 在 弹 性 变形 范 围 内 ， 其 应 力 与 应 变 之 间

3、保 持 线 性 函 数 关 系 ， 即 服 从 虎 克(Hooke)定 律 ： F=KX.弹 性 模 量 是 表 征 晶 体 中 原 子 间 结 合 力 强 弱 的 物 理 量 ， 故 是 组织 结 构 不 敏 感 参 数 。 在 工 程 上 ， 弹 性 模 量 则 是 材 料 刚 度 的 度 量 。实 际 上 ， 理 想 的 弹 性 体 是 不 存 在 的 ， 多 数 工 程 材 料 弹 性 变 形 时 ，可 能 出 现 加 载 线 与 卸 载 线 不 重 合 、 应 变 滞 后 于 应 力 变 化 等 弹 性 不完 整 性 。 弹 性 不 完 整 性 现 象 包 括 包 申 格 效 应 、

4、 弹 性 后 效 、 弹 性 滞后 和 循 环 韧 性 等 。对 非 晶 体 ， 甚 至 对 某 些 多 晶 体 ， 在 较 小 的 应 力 时 ， 可 能 会 出现 粘 弹 性 现 象 。 粘 弹 性 变 形 是 既 与 时 间 有 关 ， 又 具 有 可 恢 复 的 弹性 变 形 ， 即 具 有 弹 性 和 粘 性 变 形 量 方 面 特 征 。 粘 弹 性 变 形 是 高 分子 材 料 的 重 要 力 学 特 性 之 一 。当 施 加 的 应 力 超 过 弹 性 极 限 时 ， 材 料 发 生 塑 性 变 形 ， 即 产 生不 可 逆 的 永 久 变 形 。 通 过 塑 性 变 形 ，

5、不 但 可 使 材 料 获 得 预 期 的 外形 尺 寸 ， 而 且 可 使 材 料 内 部 组 织 和 性 能 产 生 变 化 。单 晶 体 塑 性 变 形 的 两 个 基 本 方 式 为 滑 移 和 孪 生 。 滑 移 和 孪 生都 是 切 应 变 ， 而 且 只 有 当 外 加 切 应 力 分 量 大 于 晶 体 的 临 界 分 切 应力 tC 时 才 能 开 始 。 然 而 ， 滑 移 是 不 均 匀 切 变 ， 孪 生 为 均 匀 切 变 。对 于 多 晶 体 而 言 ， 要 求 每 个 晶 粒 至 少 具 备 由 5 个 独 立 的 滑 移 系 才能 满 足 各 晶 粒 在 变 形

6、 过 程 中 相 互 制 约 和 协 调 。 多 晶 体 中 ， 在 室 温下 晶 界 的 存 在 对 滑 移 起 阻 碍 作 用 ， 而 且 实 践 证 明 ， 多 晶 体 的 强 度随 其 晶 粒 细 化 而 提 高 ， 可 用 著 名 的 Hall-Petch 公 式 来 加 以 描 述应 力当 材 料 在 外 力 作 用 下 不 能 产 生 位 移 时 ， 它 的 几 何 形 状 和 尺 寸将 发 生 变 化 ， 这 种 形 变 就 称 为 应 变 （ Strain） 。 材 料 发 生 形 变 时内 部 产 生 了 大 小 相 等 但 方 向 相 反 的 反 作 用 力 抵 抗 外

7、力 把 分 布 内力 在 一 点 的 集 度 称 为 应 力 （ Stress） ， 应 力 与 微 面 积 的 乘 积 即 微内 力 或 物 体 由 于 外 因 （ 受 力 、 湿 度 变 化 等 ） 而 变 形 时 ， 在 物 体内 各 部 分 之 间 产 生 相 互 作 用 的 内 力 ， 以 抵 抗 这 种 外 因 的 作 用 ， 并力 图 使 物 体 从 变 形 后 的 位 置 回 复 到 变 形 前 的 位 置 。应 力 的 定 义应 力 定 义 为 “单 位 面 积 上 所 承 受 的 附 加 内 力 ”。 公 式 记 为 = Fj/ Ai其 中 ， 表 示 应 力 ； Fj 表

8、 示 在 j 方 向 的 施 力 ； Ai 表 示 在 i 方 向 的 受 力 面 积 。因 为 力 是 矢 量 ， 如 果 受 力 面 积 与 施 力 方 向 相 互 正 交 则 称 正 应力 ， 如 果 受 力 面 积 与 施 力 方 向 平 行 则 称 剪 应 力 (shear stress)， 内 应 力 :指 组 成 单 一 构 造 的 不 同 材 质 之 间 ， 因 材 质 差 异 而 导 致 变 形方 式 的 不 同 ， 继 而 产 生 的 各 种 应 力 。应 变当 材 料 在 外 力 作 用 下 而 又 不 产 生 惯 性 移 动 时 ， 它 的 几 何 形 状和 尺 寸 将

9、 发 生 变 化 ， 这 种 形 变 就 称 为 应 变 （ Strain） 。 材 料 发 生形 变 时 内 部 产 生 了 大 小 相 等 但 方 向 相 反 的 反 作 用 力 抵 抗 外 力 把分 布 内 力 在 一 点 的 集 度 称 为 应 力 （ Stress） 。 按 照 应 力 和 应 变 的 方 向 关 系 ， 可 以 将 应 力 分 为 正 应 力 和切 应 力 ， 正 应 力 的 方 向 与 应 变 方 向 平 行 ， 而 切 应 力 的 方 向 与 应变 方 向 垂 直 。 按 照 载 荷 （ Load） 作 用 的 形 式 不 同 ， 应 力 又 可 以 分为 拉

10、伸 压 缩 应 力 、 弯 曲 应 力 和 扭 转 应 力正 向 应 力 与 剪 应 力 的 区 别 ：同 截 面 垂 直 的 称 为 正 应 力 或 法 向 应 力 ， 同 截 面 相 切 的 称 为 剪应 力 或 切 应 力 。 应 力 会 随 着 外 力 的 增 加 而 增 长 ， 对 于 某 一 种 材 料 ，应 力 的 增 长 是 有 限 度 的 ， 超 过 这 一 限 度 ， 材 料 就 要 破 坏 。 对 某 种材 料 来 说 ， 应 力 可 能 达 到 的 这 个 限 度 称 为 该 种 材 料 的 极 限 应 力 。极 限 应 力 值 要 通 过 材 料 的 力 学 试 验

11、来 测 定 。 将 测 定 的 极 限 应 力 作适 当 降 低 ， 规 定 出 材 料 能 安 全 工 作 的 应 力 最 大 值 ， 这 就 是 许 用 应力 。 材 料 要 想 安 全 使 用 ， 在 使 用 时 其 内 的 应 力 应 低 于 它 的 极 限 应力 ， 否 则 材 料 就 会 在 使 用 时 发 生 破 坏 。 有 些 材 料 在 工 作 时 ， 其 所 受 的 外 力 不 随 时 间 而 变 化 ， 这 时 其内 部 的 应 力 大 小 不 变 ， 称 为 静 应 力 ； 还 有 一 些 材 料 ， 其 所 受 的 外力 随 时 间 呈 周 期 性 变 化 ， 这 时

12、 内 部 的 应 力 也 随 时 间 呈 周 期 性 变 化 ，称 为 交 变 应 力 。 材 料 在 交 变 应 力 作 用 下 发 生 的 破 坏 称 为 疲 劳 破 坏 。通 常 材 料 承 受 的 交 变 应 力 远 小 于 其 静 载 下 的 强 度 极 限 时 ， 破 坏 就可 能 发 生 。 另 外 材 料 会 由 于 截 面 尺 寸 改 变 而 引 起 应 力 的 局 部 增 大 ，这 种 现 象 称 为 应 力 集 中 。 对 于 组 织 均 匀 的 脆 性 材 料 ， 应 力 集 中 将大 大 降 低 构 件 的 强 度 ， 这 在 构 件 的 设 计 时 应 特 别 注

13、意 。 应 变 力 的 测 量 ：应 力 仪 或 者 应 变 仪 是 来 测 定 物 体 由 于 内 应 力 的 仪 器 。 一 般 通过 采 集 应 变 片 的 信 号 ， 而 转 化 为 电 信 号 进 行 分 析 和 测 量 。 方 法 是 ：将 应 变 片 贴 在 被 测 定 物 上 ， 使 其 随 着 被 测 定 物 的 应 变 一 起 伸 缩 ，这 样 里 面 的 金 属 箔 材 就 随 着 应 变 伸 长 或 缩 短 。 很 多 金 属 在 机 械 性地 伸 长 或 缩 短 时 其 电 阻 会 随 之 变 化 。 应 变 片 就 是 应 用 这 个 原 理 ，通 过 测 量 电

14、阻 的 变 化 而 对 应 变 进 行 测 定 。 一 般 应 变 片 的 敏 感 栅 使用 的 是 铜 铬 合 金 ， 其 电 阻 变 化 率 为 常 数 ， 与 应 变 成 正 比 例 关 系 。通 过 惠 斯 通 电 桥 ， 便 可 以 将 这 种 电 阻 的 比 例 关 系 转 化 为 电 压 。 然后 不 同 的 仪 器 ， 可 以 将 这 种 电 压 的 变 化 转 化 成 可 以 测 量 的 数 据 。对 于 应 力 仪 或 者 应 变 仪 ， 关 键 的 指 标 有 ： 测 试 精 度 ， 采 样 速 度 ，测 试 可 以 支 持 的 通 道 数 ， 动 态 范 围 ， 支 持 的 应 变 片 型 号 等 。 并 且 ，应 力 仪 所 配 套 的 软 件 也 至 关 重 要 ， 需 要 能 够 实 时 显 示 ， 实 时 分 析 ，实 时 记 录 等 各 种 功 能 ， 高 端 的 软 件 还 具 有 各 种 信 号 处 理 能 力 。另 外 ， 有 一 些 仪 器 是 通 过 光 谱 ， 膜 片 等 原 理 设 计 的 。