材料力学性能（课堂PPT）

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1、1,材料力学性能,能源动力与机械工程学院 材料教研室,辛燕,Mechanical Properties of Materials,2,2,工程材料力学性能,(第2版)，束德林,机械工业出版社，2008,参考资料：,金属力学性能，孙茂才，哈尔滨工业大学出版社，2003 材料的力学性能，郑修麟，西北工业大学出版社，2001,教材及参考资料,3,3,Properties (材料性能/性质),Processing (制备/加工) Performance (使用效能),材料科学：研究材料的组成/结构、性质、加工工艺和 使用效能，以及它们之间相互关系的科学 (成分/结构) Composition/Stru

2、cture 结构是制备加工的结果 结构是材料性能的原因 Materials,4,4,一、材料的性能 材料性能,力学性能,物理性能,化学性能,强,度,硬 刚 弹 塑,度 度 性 性,电学性能,磁学性能 光学性能 热学性能 声学性能,抗氧化性 耐腐蚀性 催化性能,5,5,材料力学性能: 材料抵抗变形和断裂的能力。,服役过程: 保持设计要求的外形和尺寸，,保证在服役期内安全地运行。,生产过程: 要求材料具有优良的加工性能。,如压力加工要求优良的塑性和低的塑性变形抗力。,材料力学性能与材料力学的区别？,6,6,二、材料力学性能表征,材料软硬程度的表征,材料脆性的表征,材料抵抗外力能力表征,材料变形能力

3、的表征,含缺陷材料抗断裂能力的表征,材料抵抗多次受力能力的表征,新材料及特种材料性能的表征,特殊条件下材料性能的表征,7,7,材料力学性能是关于各类材料,或构件在外加载荷作用下或载荷和 环境因素（温度、介质和加载速 度）联合作用下表现的变形、损伤 与断裂的行为规律及其物理本质和 评定方法的学科。,8,8,弹性:是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状 和尺寸的能力。,塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形 的能力。,强度:是材料对变形和断裂的抗力。,寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损 伤和失效的能力，使零件在服役期内安全运行。,三、材料的基本力学性能,9,9,第一部分:第一四章,

4、阐述金属材料在一次加载条件下的形变和断裂过程。 所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载 失效的能力或安全性。,第二部分:第五八章,论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间 相关的失效形式。金属材料对这四种形式失效的抗力将决 定零件的寿命。,第三部分:第九十一章,介绍聚合物材料、陶瓷材料和复合材料的力学性能。,四、教材结构和内容,10,10,预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。,理论联系实际:是实用性很强的一门课程。某些力学,性能指标根据理论考虑定义,而更多指标则按 工程实用要求定义。,做些练习: 加深理解巩固所学的知识。,五、本课程学习注意问题：,六、考核方式,平时

5、成绩占30%(包括出勤+作业) 期末闭卷考试占70%,11,11,第一章,金属在单向静拉伸载荷下,的力学性能,12,12,单向静拉伸实验介绍,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1.2 弹性变形,1.3 塑性变形,1.4 金属的断裂,主要内容,13,13,单向静拉伸试验(Tension test)特点： 最广泛使用的金属力学性能检测手段,试验的温度、应力状态、加载速率和试样 等都有严格规定 (GB/T228-2002),最基本的力学行为(弹性、塑性和断裂) 可测力学性能指标：屈服强度0.2,抗拉强度b,断后伸长率 断面收缩率,14,14,常用拉伸试样形状,光滑圆柱试样,板状试样,15,1

6、5,常用的拉伸试样:为了比较不同尺寸试样所测得的延 性,要求试样的几何相似(比例试样)，L0/A01/2(常 数;通常K取5.65或11.3)其中A0为试件的初始横截面 积，L0为原始标距。,光滑圆柱试样:试件的标距长度L0比直径d0,要大得多；通常，L0=5d0或L0=10d0,板状试样:试件的标距长度L0应满足下列关,系式：L0=5.65A01/2或11.3A0 1/2,拉伸试样的尺寸,16,16,电液伺服万能实验机,拉伸试验设备,17,17,拉伸实验中注意的问题,a. 拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。,严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为有效，由不同的 实验室和工作人员测定的拉伸性

7、能数据才可以互相比较。,b. 拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘 制试件所受的载荷和伸长量L之间的关系曲线;,d /dt =110MPa/s,18,18,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,拉伸力-伸长曲线：拉伸实验中记录的力(F)对伸长(L)的关系曲线,退火态低碳钢拉伸变形过程 可分为个阶段：,弹性变形(OA),不均匀屈服塑性变形(AC) 均匀塑性变形(CB),不均匀集中塑性变形(Bk) 断裂(k),正火、退火碳素结构钢和一般低合金结构 钢都具有类似的拉伸力-伸长曲线,19,19,20,20,注意：,并非所有金属材料或同一材料 在不同条件下都具有相同类型 的拉伸力-伸长曲线,2

8、1,淬火高碳钢,退火低碳钢在低温下 拉伸时只有弹性变形阶段 脆性材料：在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹性变形 塑性材料：在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形 21,室温,脆性材料 普通灰铸铁,22,22,低塑性材料 低塑性材料在拉伸断裂前: 只发生均匀伸长 不发生颈缩 塑性变形量较小,高塑性材料 高塑性材料在拉伸断裂前: 不仅产生均匀的伸长 而且发生颈缩现象 且塑性变形量大,23,23,工程应力(Stress) 工程应变(Strain),=FA0 =LL0,工程应力应变曲线 将拉伸力-伸长曲线的纵、横坐 标分别用拉伸试样的原始截面积A0 和原始标距长度L0去除，则得到应 力-应变曲线。因均系

9、以一常数相 除，故曲线形状不变，称为工程应 力应变曲线。,可得到金属在静拉伸条件 下的力学性能指标：,k,e g,s gt,b ,24,24,拉伸变形过程中 横截面积和长度 是不断变化的,25,25,如果用拉伸时试样的真实断面和真实长度去除,得到真应力S和真应变e(e)绘制曲线，则得到真实应,力-应变曲线(OBK曲线)。,真实应力应变曲线,26,26,1.2 弹性变形,一、弹性变形及其实质,弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形,特点：,可逆性变形,加载、卸载期内，应力与应变间都保持单调线性关系 金属弹性变形量较小，一般不超过0.5%1%,实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的

10、反映,金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现,27,27,弹性变形物理本质,弹性变形的可逆性：,原子的位移总和宏观变形 外力去除后，原子靠彼此间,作用力又回到平衡位置 位移消失宏观变形消失,28,28,二、胡克定律 (一) 简单应力状态的胡克定律 1单向拉伸, y E, y y = E x = z = y = ,(1-1),y纵向拉伸应变,x、z横向拉伸应变,E 弹性模量, 泊松比,y拉应力,29,29,2剪切和扭转,(1-3), = G,(1-2),E 2(1+),G =, 切应力 G 切变模量, 切应变 3E、G和的关系,30, 1 =, 1 ( 2 + 3), 2 =, 2 ( 3 + 1)

11、, 3 = E 3 ( 1 + 2 ),(二) 广义胡克定律 实际上机件的受力较复杂，应力往往是两向或三向的。 在复杂应力状态下，用广义胡克定律描述应力与应变的关系：, 1 1 1 ,E E,式中1, 2, 3 主应力 1 , 2 , 3主应变,压应力,拉应力,应变为正号(+)时表伸长 负号()时表缩短 30,31,31,弹性模量：工程上亦称为材料的刚度，表征 金属材料对弹性变形的抗力，其值 愈大，则在相同应力下产生的弹性 变形就愈小。,三、弹性模量(Elastic Modulus) 单纯弹性变形过程中应力与应变的比值,E =/,桥式起重机梁 内燃机、离心机、压气机等的曲轴 精密机床的主轴、床

12、身等,均有刚度要求 以免产生过大振动，保 证加工精度,1.2 弹性变形,32,32,E/105MPa 2.17 1.25 0.72 2.0 1.71.9 2.02.1 1.92.0,金属材料 铁 铜 铝 铁及低碳钢 铸铁 低合金钢 奥氏体不锈钢,表1-1,几种金属材料在常温下的弹性模量,33,33,影响弹性模量的因素,(1)主要取决于金属原子本性和晶格类型,不同种类金属原子间的作用不同不同,原子密排方向的较大（单晶体弹性各向异性）,(2)弹性模量为对组织不敏感的力学性能指标,合金化、热处理、冷塑性变形等对弹性模量的影响较小,(3)温度、加载速率等外在因素对影响较小,34,四、弹性比功 弹性比功

13、：表示金属材料吸收弹性变形功的能力， 又称弹性比能、应变比能。 一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变 形功表示。 几何意义：应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积 2 e 2 2E,式中,弹性比功；,弹性极限；(组织敏感指标) 最大弹性应变(表征材料弹性),e, e e,弹簧材料应具有较高的弹性比功和良好的弹性 34,35,35,36,36,五、滞弹性,1.滞弹性现象,纯弹性体的弹性变形,只与载荷大小有关,与加载方向和加载时间无关,实际金属材料弹性变形,不仅是应力的函数,而且还是时间的函数,37,37,滞弹性：在弹性范围内快速加载或,卸载后，随时间延长产生 附加弹性应变的现象,2.

14、滞弹性原因,产生弹性后效的原因可能与金属中,点缺陷的移动有关。,材料组织越不均匀，滞弹性越明显 钢经淬火或塑性变形后，滞弹性,38,38,在仪表和精密机械中，选用重要传感,元件的材料时，需要考虑弹性后效问题， 如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等。 如选用的材料弹性后效较明显，会使仪表 精度不足甚至无法使用。,3. 滞弹性的危害,39,39,弹性滞后环,实际金属弹性区内快速加、卸载时，加载线与卸载曲 线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。,物理意义：,加载时消耗的变形,功大于卸载时释放的 变形功。,回线面积为一个循 环所消耗的不可逆 功。,40,40,循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆

15、变形功的能 力，也称为内耗。,循环韧性又称为消振性。,循环韧性的应用,机床床身、缸体等选用循环韧性高的材料，减振降噪 乐器（簧片、琴弦等）要求材料循环韧性小，保证音质,41,41,42,六、包申格效应(Bauschinger Effect),包申格效应：金属材料经预先 加载产生少量塑性变形，卸载 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(特别是弹性极限在 反向加载时几乎降低到零)的现象 少量塑性变形：残余应变约为1%-4% 规定残余伸长应力：对应弹性极限 或屈服强度 42,屈服强度 380MPa100MPa,43,某些钢和钛合金，因包申格效应可使屈服强度降低15%-

16、20% 黄铜、铝等有色金属合金,球化高碳钢、低碳钢、管线钢、双相钢 奥氏体不锈钢等 包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象 度量包申格效应的基本定 量指标是包申格应变 包申格应变：在给定应力 下，正向加载与反向加载 两应力应变曲线之间的 应变差 43,均有包申格效应 =bc即为包申格应变,44,44,包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化 有关。,预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；,同向加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加； 反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，残,余伸长应力降低。,包申格效应的微观机理,如金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重 分布，则在随后反向加载时，不显示包申格效应,45,45,危害：交变载荷情况