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1、材料的概念,肖纪美先生的观点：材料是人类社会能接受的，经济地制造有用器件的物质。,材料的定义:,材料的性能,1、 使用性能：物理性能（光、电、磁） 力学性能 （强度、塑性、硬度） 2、 加工性能 （可制造性） 热加工：铸、锻、焊、热处理 冷加工：车、铣、磨 特种加工：电火花、激光、离子,材料力学性能的定义,材料在外加载荷（外力）作用下，或载荷与 环境因素（如温度、介质和加载速率）联合 作用下所表现的行为，又称为力学行为。宏 宏观上一般表现为材料的变形或断裂。,材料力学性能表征,1、材料软硬程度的表征。 2、材料脆性的表征。 3、材料抵抗外力能力表征。 4、材料变形能力的表征。,5、含缺陷材料抗
2、断裂能力的表征。 6、材料抵抗多次受力能力的表征。 7、新材料及特种材料性能的表征。 8、特殊条件下材料性能的表征。,材料力学性能表征,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。,材料的基本力学性能,关于材料力学性能的参考书,1 高建明 主编. 材料力学性能 M. 武汉: 武汉理工大学出版社, 2004. 2 石德珂, 金志浩 主编. 材料力学性能 M. 西安: 西安交通大学出版社, 1998. 3 刘瑞堂
3、 主编. 工程材料力学性能 M. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2001. 4 陈楷 主编. 陶瓷材料物理性能 M. 北京: 中国建筑工业出版社, 1980. 5 吴振铎 主编. 无机材料物理性能 M. 北京: 清华大学出版社, 1992.,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,拉伸试验是材料力学性能最重要的试验方法之一。 拉伸试验可以确定力学性能指标。 抗拉强度 b 屈服强度 0.2 延伸率 % 断面收缩率 % 弹性极限 E 静载拉伸试验指在室温下、缓慢加载等条件下进行。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,拉伸试样 圆形试样 板状试样,光滑圆柱试件:试件的标距长度l0比直径d
4、0要大得多；通常，l0=5d0或l0=10d0 板状试件: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 ；,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,力-伸长曲线和应力-应变曲线,力-伸长曲线 拉伸试验中拉伸力 与伸长的关系曲线,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,弹性变形 屈服变形 均匀塑性变形 局部塑性变形,低碳钢应力应变曲线,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,左图为多数金属材料的应力应变曲线。,特点：主要包括弹性变形、均匀塑性变形、局部塑性变形阶段，无明显的屈服阶段。 加工硬化,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,低塑性材料的应力
5、应变图,脆性材料的应力应变图,特点：无屈服现象 无颈缩现象 典型材料：球墨铸铁、铝青铜,特点：无塑性变形 典型材料：玻璃、淬火高碳钢、普通灰铸铁,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,拉伸性能指标,屈服强度 S定义: 材料开始塑性变形的应力. 工程上常用的屈服标准有三种 比例极限P: 应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力。 弹性极限el: 材料能够完全弹性恢复的最高应力。 工程上用途不同区别,枪炮材料要求高的比例极限,弹簧材料 要求高的弹性极限。 屈服强度0. 2或ys : 以规定发生一定的残留变形为标准, 通常为0.2%残留变形的应力作为屈服强度。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学
6、性能,抗拉强度 材料的极限承受能力 对于脆性材料和不形成颈缩的塑性材料，抗拉强度代表断裂抗力。对于形成颈缩的塑性材料表示在静拉伸条件下的极限承载能力。 实际断裂强度,对于不连续屈服的材料，如低碳钢，则存在上屈服点和下屈服点，一般以下屈服点作为材料的屈服强度。,脆性材料的拉伸力学行为 脆性材料在拉伸载荷下的力学行为可用虎克定律来描述。在弹性变形阶段，应力与应变成正比，即 =Ee 无机玻璃、陶瓷以及一些处于低温下的脆性金属材料，在拉伸断裂前只发生弹性变形，而不发生塑性变形。 脆性材料在拉伸载荷下的力学性能可用两个力学参数表征：即弹性模量和脆性断裂强度。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,第
7、一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,塑性材料的拉伸力学行为 当塑性材料所受的应力低于弹性极限，其力学行为可近似地 用虎克定律加以表述。当材料所受的应力高于弹性极限，虎 克定律不再适用。此时，材料的变形既有弹性变形又有塑性 变形，进入弹塑性变形阶段，其力学行为需要用弹-塑性变形 阶段的数学表达式，或称本构方程加以表述。,弹性变形及其物理本质 外力引起原子间距的变化，即位移，在宏观上即弹性变形。 弹性性能与特征是原子间结合力的宏观表现，本质上决定于晶体的电子结 构，而不依赖于其显微组织。,引力,斥力,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,虎克定律,（一）简单应力状态的虎克定律 （二）广义虎
8、克定律,单向受力时，,由此可见，即使在单轴加载条件下，材料不仅有受拉方向上的伸长变形，还有垂直于受拉方向的横向收缩变形。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,弹性模量,定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹性应 力，即产生100%弹性变形时所需要的应力。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,从原子间结合键的本质看，具有强化学键结合的材料的弹性模量高，而分子间由范德华力结合的材料弹性模量低，弹性模量与熔点一样，取决于粒子间的键合强度，两者具有相同的变化趋势。,表 一些工程材料的弹性模量、熔点和键型,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,除少数几个具有简单的晶体结构，如MgO，K
9、Cl等，在室温下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶体结构复杂，室温下没有塑性，因而是脆性材料。脆性材料的拉伸试验只能测定其弹性模量和断裂强度。,陶瓷材料的弹性模量,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,陶瓷材料的弹性模量比金属的大得多，常高出一倍至几倍。陶瓷材料的原子键主要有离子键和共价键两大类，且多数具有双重性。共价键晶体结构的主要特点是键具有方向性。它使晶体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍位错运动的能力，使共价键陶瓷具有比金属高得多的硬度和弹性模量。离子键晶体结构的键方向性不明显，但滑移系不仅要受到密排面与密排方向的限期，而且要受到静电作用力的限制，因此实际可动滑移系较少，弹性模量较高。,陶瓷材料的
10、弹性模量,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,典型陶瓷材料的弹性模量,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响,式中E0为无孔隙时陶瓷材料的弹性模量， p为孔隙率。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,孔隙率对陶瓷材料弹性模量的影响,拉、压应力状态下的弹性模量,金属不论是在拉伸还是在压缩状态下，其弹性模量相等，即拉伸与压缩两部分曲线为一条直线，。而陶瓷材料压缩时弹性模量一般高于拉伸时弹性模量，即压缩时-e 曲线斜率比拉伸时的大。这与陶瓷材料显微结构的复杂性和不均性有关。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,金属与陶瓷材料-e曲线的弹性部分,弹性
11、性能的工程意义,大部分零件在服役过程中处于什么变形阶段？,不同的零件弹性变形的能力要求一样吗？,刚度,定义：材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。,减少弹性变形的途径：,实际情况如何呢？,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,1 增大截面积：,比弹性模量（弹性模量/密度）的提出,2 增大弹性模量的途径,材料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，可以说它是一个对组织不敏感的性能指标（对金属材料），而对高分子和陶瓷E对结构和组织敏感。 不同类型的材料，其弹性模量差别很大。 熔点高，E E W =2EFe EFe=3EAl,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的
12、力学性能,弹性比功,1 定义：应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功的能力。,弹性比功,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,表 几种材料的弹性比功,提高弹性比功的途径：,合金化，热处理，冷热加工,滞弹性,在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生的附加弹性应变的现象，称为滞弹性。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,包申格(Bauschinger)效应,定义：金属材料预先经少量塑性变形(1%-4%)后再同向加载，弹性极限与屈服强度升高；若反向加载，则弹性极限与屈服强度降低，这一现象称为包申格效应。,淬火350回火T10钢的Bausich
13、inger效应,包申格效应比较普遍地存在于各种金属材料中，但在退火或高温回火状态的低碳低合金钢中表现较为明显。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,Bauschinger效应的理论解释位错理论,Bauschinger效应的消除办法,预先进行较大的塑性变形,或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火,如钢在400-500以上.,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,塑性指标及意义,塑性的定义：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。 拉伸时的塑性以延伸率 和断面收缩率表示。,延伸率：材料的塑性常用延伸率表示。测定方法如下：拉伸试验 前
14、测定试件的标距L0，拉伸断裂后测得标距为Lk，然而按下式算出 延伸率,断面收缩率：,塑性的意义与影响因素,对机件来讲，都要求材料具有一定的塑性，以防止机件偶然过载时产生突然破坏。 影响因素： 1. 溶质元素会降低铁素体的塑性； 2. 钢的塑性受碳化物体积比以及形状的影响； 3. 细化颗粒可使材料的塑性增加。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,材料力学性能 第三章 塑性变形,金属材料塑性变形机制,常见的塑性变形方式为滑移和孪生 滑移是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。 滑移面滑移方向=滑移系 滑移系越多,塑性 孪生是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式,孪生变
15、形可以调整滑移面的方向,使新的滑移系开动,间接对塑性变形有贡献。(滑移受阻孪生,变形速度加快),第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,金属的断裂,断裂的类型 根据断裂前塑性变化大小分类： 韧性断裂和脆性断裂 韧性断裂：指金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。 脆性断裂：脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,按裂纹扩展的途径分类：,穿晶断裂与沿晶断裂
16、 多晶金属断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂的裂纹穿过晶体内，而沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,根据断裂机理分类：,纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂 (1) 剪切断裂： 金属材料在切应力的作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂；包括滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。微孔聚集型断裂是通过微孔成核、长大聚合而导致材料分离。 (2) 解理断裂： 是指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正压力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂； 由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面为解理面。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,如果断裂面取向垂直于最大正应力，为正断型断裂； 如果断裂面取向与最大切应力方向一致，而与最大正应力方向成45度角，为切断型断裂。,根
