[材料力学]第三章 材料的力学性能 物理课件

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1、第三章 材料的力学性能内 容金属在单向静拉伸载荷下的力学性能力学实验加工硬化原理蠕变疲劳磨损聚合物及陶瓷材料的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能n力-伸长曲线和应力应变曲线Op直线关系与pe偏离直线关 系，即弹性形变阶段（可逆形变）；F到达FA至Fc点时，产生不均匀塑性变 形（不可逆的永久变形）；CB均匀塑性变形；Bk再次不 均匀塑性变形；K点发生断裂纵横坐标分别除以原始截面积A0和原 始标距长度L，即可得应力应变曲线COc真实应力应变曲线真实应力应变曲线与工程应力应变曲线不同，为什么？真实应力应变曲线与应力应变曲线的 区别应力-应变曲线中的应力和应变是以试样的初始尺寸进行计算 的，事实

2、上，在拉伸过程中试样的尺寸是在不断变化的，此 时的真实应力S应该是瞬时载荷（P）除以试样的瞬时截面积 （A），即：S=P/A；同样，真实应变e应该是瞬时伸长量除 以瞬时长度de=dL/L。真应力-真应变曲线，它不像应力-应 变曲线那样在载荷达到最大值后转而下降，而是继续上升直 至断裂，这说明金属在塑性变形过程中不断地发生加工硬化 ，从而外加应力必须不断增高，才能使变形继续进行，即使 在出现缩颈之后，缩颈处的真实应力仍在升高，这就排除了 应力-应变曲线中应力下降的假象。弹性变形弹性变形及其实质n材料在受到外力作用时产生 变形或者尺寸的变化，而且 能够恢复的变形叫做弹性变 形。n弹性变形的重要特征

3、是其可 逆性，即受力作用后产生变 形，卸除载荷后,变形消失。n金属的弹性性质是金属原子 间结合力抵抗外力的宏观表 现。弹性变形弹性变形及其实质构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映 。双原子模型和A和r0为与原子本性或晶体、 晶格类型有关的常数 弹性变形弹性模量n 弹性模量，又称杨氏模量，弹性模数是产生100%弹性变 形所需的应力。n拉伸时=E，剪切时=G，E和G分别为拉伸时的杨氏模 数和切变模数。n可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。n材料的抗弹性变形的一个量，材料刚度的一个指标。它只与 材料的化学成分有关，与其组织变化无关，与热处理状态无 关。各种钢的弹性模量差别很

4、小，金属合金化对其弹性模量 影响也很小。 影响弹性模数的因素键合方式晶体结构化学成分微观组织温度加载条件和负荷持续时间总之，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力 学性能指标，外在因素的变化对它的影响也比较小， 主要取决于材料的本性与晶格类型 弹性变形比例极限与弹性极限弹性变形比例极限与弹性极限对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，则应以比例极限作为选择材料的依据；对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机件，设计时应按弹性极限来选择材料。p、e的工程意义弹性变形弹性比功思考：人们日常所说的材料弹性的好坏指的是什么？

5、（1）提高e提高材料弹性比功的途径（2）降低E举例（高弹性比功材料） 弹簧（金属材料）减振、储能 橡胶（高分子材料）不能做受力结构件塑性变形塑性变形方式及特点金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪生两种。塑性变形 机理：材料的塑性变形上微观结构的相邻部分 产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。1、金属材料的塑性变形滑移是金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。滑移面和滑移方向组成滑移系。滑移系越多，金属的塑性越好，但滑移系的多少不是决定塑性好坏的唯一因素。 孪生也是金属晶体在切应力作用下产生的一种塑性变形 方式。 孪生本身提供的变形量很小,但可以调整滑移面的方向,使新的

6、滑移系开动,因而可以对塑性变形产生影响。2、陶瓷材料的塑性变形陶瓷晶体多为离子键或共价键，具有明显的方向 性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系 能满足位错运动的几何条件和静电作用条件。非晶态玻璃材料,不存在晶体中的滑移和孪生的变形 机制,其永久变形是通过分子位置的热交换来进行的 ,属于粘性流动变形机制,塑性变形需要在一定温度 下进行。因此，普通的无机玻璃在室温下没有塑性变形。因此，大多数陶瓷在室温下没有塑性变形。3、高分子材料的塑性变形(2)非晶态高分子材料的塑性 变形有两种形式，即在正应 力作用下形成银纹或在切应 力作用下无取向分子链局部 转变为排列的纤维束。(1)结晶态高分子材料的

7、塑性变形是由薄晶转变为 沿应力方向排列的微纤维 束的过程。平行薄晶的塑性变形微纤维束晶块中分子链排列屈服现象与屈服强度1、屈服现象（1）定义：在退火低碳钢试样的拉伸力达到Fs后，材料开 始产生不均匀的塑性变形，力伸长曲线上出现平台或 锯齿。在此过程中，外力不再增加（保持恒定）试样仍然 继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在 外力不增加或上下波动的情况下试样可以继续伸长变形， 这种现象称为材料在单向拉伸实验时的屈服现象。屈服是 材料由弹性变形向弹塑性变形过渡的明显标志。屈服现 象多出现在许多铁基合金、有色金属及高分子材料中。2、屈服强度（屈服点）（1）定义：材料屈服时所对应的应力值也

8、就是材料抵 抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。这一应力 值称为材料的屈服强度或屈服点，用s表示。（2）工程意义： 作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设 计和选材依据； 根据屈服强度与抗拉强度之比的大小，衡量材料进 一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形 加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。影响金属材料屈服强度的因素（1）晶体结构：金属材料的屈服过程主要是位错的运动。（2）晶界与亚结构：晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多， 对材料屈服强度的提高贡献越大。（3）溶质元素：晶格畸变应力场与位错应力场产生交互作用 ；溶质与溶剂之间的电学交互作用；化学交互作用；有序作用

9、等都使位错运动受阻，从而提高屈服强度，产生固溶增强化。影响金属材料屈服强度的因素（4）第二相：其强化效果与质点的性质有关。（5）温度：一般情况下，温度升高金属材料的屈服强度下降 。但是，晶体结构不同，其变化形式各异。（6）应变速率与应力状态：应变速率对金属材料的屈服强度 有明显的影响。应变速率高，金属材料的屈服应力显著提高； 应力状态对金属材料屈服强度的影响规律是：切应力分量越大 ，越有利于塑性变形，屈服强度就越低。4、应变硬化（1）定义：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大 ，形变应力不断提高的现象称为应变硬化或形变硬化。（2）应变硬化机理：金属材料的应变硬化是塑性变形过程中

10、的多系滑移和交滑移造成的。 在多系滑移过程中，由于位错的交互作用，形成割阶、Lomer-Cottrell 位错锁和胞状结构等障碍，使位错运动的阻力增大，而产生应变硬化。 在交滑移过程中，硬化主要是由于原滑移面中刃位错引起的。因为刃位 错不能产生交滑移，因而随应变增加，刃位错密度增大，产生应变硬化 。取向的结晶态高分子材料的应变硬化机理与金属不同。当结晶高分子 材料发生屈服后，原有的结构开始破坏，载荷下降。应力应变曲线的 最低点表示原有结构完全破坏，并出现缩颈。如果在缩颈开始后不迅速 发生断裂，则随应变的增加，被破坏的晶体又重新组成方向性好、强度 高的微纤维结构。载荷将不再由范德瓦尔斯键承担，而

11、是由强得多的共 价键承担。每个微纤维都有很高的强度，再加上微纤维间的联合分子链 进一步伸开，微纤维结构的继续变形非常困难，从而造成应变硬化。（3）应变硬化的意义：加工方面：使金属进行均匀的塑性变形，保证变形工艺顺利 实施。材料应用方面：可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力， 保证机件使用安全。材料强化方面：应变硬化也是一种强化金属的重要手段，尤其对那些不能 进行热处理强化的材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属等，这种强 化方法显得更为重要。5、抗拉强度与缩颈条件（1）抗拉强度：拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所 对应的应力。其值等于最大拉力Fb除以试样的原始横截面面积 A0，抗拉强度用b

12、表示，即 b=Fb/A0 （2）缩颈：是一些金属材料和高分子材料在拉伸实验时 ，变形集中于局部区域的特殊状态。它是在应变硬化与 截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的 发展，使变形集中于试样局部区域而产生的。抗拉强度是材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力。高分 子材料和陶瓷材料的抗拉强度是产品设计的重要依据。6、塑性与塑性指标（1）定义：塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。 （2）材料塑性的评价：在工程上一般以光滑圆柱试样的拉伸 伸长率和断面收缩率作为塑性性能指标。常用的塑性性能指标 有三种：定义：固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。 材料的断裂是力对材料作用的最终结果，

13、它意味着材料的彻底失效，因材料断裂而导致的机件失效与其他失效方式（如磨损、腐蚀等）相比危害性更大，并且可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值。金属的断裂材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。 按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程 度：脆性断裂和韧性断裂；按晶体材料断裂时裂纹扩展的途径：穿晶断裂和沿晶断裂；按微观断裂机理：解理断裂和剪切断裂；按作用力的性质：正断和切断。 1、断裂的类型2、断口特征断口：材料的断裂表面称为断口。断口分析法：用肉眼、放大镜或电子显微镜等

14、手段对材 料断口进行宏观及微观的观察分析，以了解材料发生断 裂的原因、条件、断裂机理以及与断裂有关的各种信息 ，称为断口分析法。 （ 1 ）韧性断裂与脆性断裂韧性断裂定义：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。韧性断裂特征：裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大 量塑性变形能，韧性断裂的断口用肉跟或放大镜观 察时往往呈暗灰色、纤维状。形成原因：纤维状是由于塑性变形过程中，众多微细裂 纹不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色是纤维断口表 面对光的反射能力很弱所致。举例：一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温 下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。脆性断裂定义：是材料断裂前基本上不产生明显

15、的宏观塑性变 形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因 而具有很大的危险性。 脆性断裂特征：脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观 上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。例如：淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程 及断口常具有上述特征。（2）穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；而沿晶断 裂则多数为脆性断裂。材料物理与性能（3）剪切断裂与解理断裂剪切断裂与解理断裂是两种不同的微观断裂方式，是材料 断裂的两种重要微观机理。剪切断裂：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。 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

16、定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。 材料物理与性能剪切断裂的另一种形式为微孔聚集型断裂，微孔聚集型断裂是材料韧性断裂的普通方式，其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样则是断口上分布大量“韧窝”，如图1-26所示，微孔聚集断裂过程包括微孔形核、长大、聚合直至断裂。 （3）微孔聚集型断裂力学实验力学实验弯曲实验硬度实验冲击实验布氏硬度实验洛氏硬度实验维氏硬度实验材料物理与性能(a)(a)(b)(b)布氏硬度试验 材料物理与性能材料物理与性能HRA、HRB、HRC 洛氏硬度试验 材料物理与性能维 氏 硬 度 试 验 硬 度 的 类 型动载 压人法布氏硬 度洛氏硬 度维氏硬 度莫氏硬度 努氏硬度 肖氏硬度 显微硬 度静载 压人法刻 划 法材料物理与性能材料物理与性能冲击实验 材料物理与性能材料物理与性能材料物理与性能冲击弯曲试验主要有以下四方面用途（1）评定原材料的冶金质量和热加工后产品的质量。 通过测量Ak值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气孔、 夹杂、偏析、严重分