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1、 第一章第一章 材料单向静拉伸力学性能材料单向静拉伸力学性能 材料的力学性能：指材料的弹性、塑性、强度、韧性 及寿命，是材料与力量对话的结果。 第一章 第一节 力 伸 长 曲 线 和 应 力 应 变 曲 线 静拉伸：室温和轴向加载条件下，在应变速率10-1/s 的情况下进行的，由于这种应变速率较低，所以俗称 静拉伸试验。 第一节 力伸长曲线和应力应变曲线 第一章 第一节 力 伸 长 曲 线 和 应 力 应 变 曲 线 一、力伸长曲线 低碳钢的力伸长曲线 F L Fp Fe Fb 0 Fs Fk 第一章 第一节 力 伸 长 曲 线 和 应 力 应 变 曲 线 其它几种典型材料的力伸长曲线图 F
2、L 0 淬火+高温回火高碳钢 16Mn 陶瓷、玻璃 黄铜 铸铁 橡胶 工程塑料 外力，单位 ； 应力，单位 ； 面积，单位 . 定义：名义应力： 材料受力前的初始面积 第一章 第一节 力 伸 长 曲 线 和 应 力 应 变 曲 线 二、应力二、应力应变曲线应变曲线 1.应力的基本概念： 单位面积上所受的内力 第一章 第一节 力 伸 长 曲 线 和 应 力 应 变 曲 线 l4、应 变 l应变是用来描述物体内部各质点之间的相对位移。 l（1）正应变 2. 剪应变 定义：物体内部一体积元上的二个面元之间的夹角 的变化。 形变未发生时线元 及 之间的夹角 形变后为 ，则 间的剪应变定义为： 注意：卸
3、载曲线与加载曲线的区别 第一章 第一节 力 伸 长 曲 线 和 应 力 应 变 曲 线 0 e p s b k g gt 为什么？ 低碳钢的应力应变曲线 假设材料在拉伸过程中是等体积变化，试推 导出真应力与工程应力的关系：S=(1+ ) 显然，真应力总是大于工程应力，真应变总 是小于工程应变。 第一章 第一节 力 伸 长 曲 线 和 应 力 应 变 曲 线 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标 一、弹性变形的本质 1.特点：可逆的（不一定呈线性） 2.本质：材料产生弹性变形的本质弹性变形的本质是构成材料的原子 （离子
4、）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。 例：金属、陶瓷晶体：处于晶格结点的离子在力的作 用下在其平衡位置附近产生微小位移。 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。 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 二、弹性模数 拉伸时 =E 剪切时 =G E、 G弹性模数（或弹性系数、弹性模量） 弹性模数是弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力表征材料对弹性变形的抗力 比弹性模数（比刚度）：材料的弹性模数与其密度 的比值。 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 三、影响材料弹性模数的因素 1、键合方式和原子结构 a、以共价健、
5、离子键、金属键结合的材料有较高的 弹性模量。 如无机非金属材料，金属材料。 b、以分子键结合的材料，弹性模量较低。 如高分子材料（橡胶态）。 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 c 原 子 结 构 （a）非过渡金属 （b）过渡族金属 原子半径较小，且d层电子引起较大的原 子间结合力，弹性模数较高。且当d层电 子等于6时，E有最大值 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 2 晶 体 结 构 a、单晶体材料， 由于在不同的方 向上原子排列的 密度不同，故呈 各向异性各向异性。 体心立方晶格： 沿111晶向 面心立方晶格： 沿110晶向 弹 性 模 量
6、高 沿此晶向原子排列最紧密。 b、多晶体材料，E为各晶粒的统计平均值， 伪各向同性伪各向同性。 C、非晶态材料弹性模量各向同性各向同性。 3、 化学成分 弹性模量 改变 引起原子间距或 键合方式的变化 （1）纯金属主要取决于原子间的原子间的 相互作用力。相互作用力。 （2）固溶体合金：主要取决于溶溶 剂元素的性质和晶体结构剂元素的性质和晶体结构，弹性模 量变化不大 （3）两相合金：与第二相的性质、第二相的性质、 数量、尺寸及分布状态数量、尺寸及分布状态有关。 （4）高分子：填料填料对E影响很大。 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 4 微 观 组 织 第一章 第 二 节
7、 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 金 属 微观组织对弹性模量的影响较 小,晶粒大小对E无影响； 第二相对E值影响，可按两相混合 物体积比例的平均值计算。 E=x1E1+x2E2， 陶 瓷 工程陶瓷弹性模数与相的种类、粒 度、分布、比例、气孔率等有关。 其中，气孔率的影响较大。 E=E0（1-1.9+0.92）。 复 合 材 料 增强相为颗粒状，弹性模数随增 强相体积分数的增高而增大 单向纤维增 强复合材料 E1 =EfVf +EmVm 1/E2 = Vf /Ef +Vm /Em 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 5、温度 a、温度升高，原子振动加剧，体积膨胀，
8、原子间距 增大，结合力减弱，材料的弹性模量降低。如碳钢， 每升高100，E值下降35%（软化）。 b、当温度变化引起材料的固态相变时，弹性模数 显著变化。如碳钢的奥氏体、马氏体相变。 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 6 6、 加载条件和负荷持续时间加载条件和负荷持续时间 a、 加载方式（多向应力），加载速率和负荷持续时 间对金属、陶瓷类材料的弹性模数几乎没有影响。 陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数 （与金属不同）。 b b、高分子聚合物，随负荷时间的延长，、高分子聚合物，随负荷时间的延长，E E值逐渐
9、值逐渐 下降（松弛）。下降（松弛）。 四、比例极限与弹性极限 1、比例极限p：是保证材料的弹性变形符合虎克 定律的最大应力。p=Fp/Ao 2、弹性极限e：材料不发生塑性变形的应力最高 限。e=Fe/Ao，应力超过e，开始产生塑性变形。 0 e p s b k g gt 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 p0.01非比例伸长率0.01%时的应力。 p0.05非比例伸长率0.05%时的应力。 因此，p、e没有质的区别 。 3、 p、e工程意义 p弹簧秤的设计依据。 e不允许产生微量塑性变形的机件的设计 第一章
10、第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 五、弹性比功（弹性比能、应变比能） 1、定义：是指材料在弹性变形过程中吸收变形功的 能力（即材料弹性变形达到弹性极限时，单位体积 吸收的弹性变形功）。 弹性比功是衡量材料弹性 好坏的重要指标。 0 e e 第一章 第 二 节 弹 性 变 形 及 其 性 能 指 标 2、影响材料弹性比功的因素 对于大多数工程材料，E不易改变（尤其金属材料）； 要提高弹性比功 ，常采用提高材料弹性极限e的 方法。 第一章 第 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 第三节 非理想弹性与内耗 弹 性 理想 弹性 非理想 弹性 应变对于应力的响应是线性的 应力应变同
11、相位（同步） 应变是应力的单值函数 滞弹性 粘弹性 伪弹性 包申格效应 第一章 第 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 一、滞弹性 1、定义：材料在快速加载或卸载后，随时间的延长 而产生附加弹性变形的性能。 即应变与应力不同步（相位），应变滞后 。 2 分 类 （1）正弹性后效：加载时，应变落后于应 力的现象，而与时间有关的滞弹性称为 正弹性后效（弹性蠕变）。 (蠕变：变形随时间的延长而变化的现象）。 （2）反弹性后效：卸载时，应变落后于应 力的现象，成为反弹性后效。 第一章 第 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 第一章 第 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 3 3、应用材料：
12、金属材料、高分子材料、应用材料：金属材料、高分子材料 4 4、影响因素：与材料成分、组织、载荷、温度等有关。、影响因素：与材料成分、组织、载荷、温度等有关。 组织越不均匀，滞弹性越明显组织越不均匀，滞弹性越明显 温度升高，滞弹性倾向加大。温度升高，滞弹性倾向加大。 切应力分量增大，滞弹性倾向增大切应力分量增大，滞弹性倾向增大 5 5、弹性后效的避免和应用：、弹性后效的避免和应用： （1 1）测力弹簧）测力弹簧 （2 2）消振）消振 第一章 第 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 二、粘弹性 1、定义：是指材料在外力作用下变形机理，既表现 出粘性流体又表现出弹性固体两者的特性，弹性和 粘性两
13、种变形机理同时存在（时间效应）。 2、特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的， 应变与应力的关系与时间有关，但卸载后， 应变恢复，无残余变形。 0 t t 0 0 0 恒应变下的应力松弛恒应力下的蠕变 4、应用：高分子材料 第一章 第 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 3、 分类： 恒应变下的应力松弛 恒应力下的蠕变。 第一章 第 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 三、伪弹性（拟弹性）三、伪弹性（拟弹性） 1.定义：是指在一定的温度条件下，当应力达到一 定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变, 从而产生大幅度的弹性变形的现象。 2. 2.特点：伪弹性变形可达特点：伪弹性变形可达
14、60%60%左右，大大超过正常左右，大大超过正常 弹性变形。弹性变形。 马氏体相变是一种无扩散相变或位移型相变。马氏体相变是一种无扩散相变或位移型相变。 3.应用：形状记忆合金 常规弹性变形 相变开始应力 马氏体相变结束 马氏体弹性变形阶段 逆向相变开始应力 卸载 马氏体逆向相变 完全恢复为初始组织 初始组织的弹性恢复阶段 无残留变形 第一章 第 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 第一章 第 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 四、包申格效应（Bauschinger） 1.定义：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变 形（残余应变小于4%），然后再同向加载规定残 余伸长应力（0.01）
15、增加；反向加载，规定残余 伸长应力（0.01）降低的现象。 2.产生原因：包申格效应是多晶体金属的普遍现象 与位错运动的阻力变化有关，因此冷变形金属， 工作载荷相反时，需考虑包申格效应（强度下降 15%20%）。 （2）加工过程中，可使板材通过轧辊时交替的承受 反向应力，以降低材料的变形抗力。 4. 4.减弱或消除方法：减弱或消除方法：再结晶退火 第一章 第 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 3. 3.实用意义实用意义 （1 1）经过微量冷变形的材料可以考虑在使用时与）经过微量冷变形的材料可以考虑在使用时与 原来的受力方向相同（变形方向相同）原来的受力方向相同（变形方向相同） 第一章 第
16、 三 节 非 理 想 弹 性 与 内 耗 五、内耗 1.弹性滞后环：在非理想弹性的情况下，应力与应变 不同步，使加载与卸载线不重合，而形成封闭回线 弹性滞后环。 2.内耗：这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的 内耗。 其大小用滞后环面积度量：面积越大，内耗越大。 3.应用： （1）消振材料：灰铸铁，消振性好，内耗大 （2）追求音响效果的元件：循环韧性小 第一章 第 四 节 塑 性 变 形 及 其 性 能 指 标 第四节 塑性变形及其性能指标 塑性变形:指在足够大的外力作用下，材料能发生 不可逆的永久变形，并不引起材料破裂的现象。 塑性大小就是指材料在断裂前能承受的变形能力。 一、塑性变形机理
