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1、材料力学性能 课件,绪论,一、材料科学,研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学,1、成分组织结构表示材料结构所包含的四个层次：原子结构、结合键、原子排列方式（晶体与非晶体）和组织2、制备合成与加工工艺其方法相对性能的影响随材料种类的不同而不同3、固有性能材料本身所具有的物理件能（电、磁、光、热等性能）、化学性能（如抗氧化和抗腐蚀、聚合物的降解等）和力学性能（如强度、塑性、韧性等）,4、使用性能（服役性能）把材料的固有性能和产品设计、工程应用能力联系起来，度量使用性能的指标有：寿命、速度、能量利用率、安全可靠程度、成本等综合因素,二、金属材料的使用性能物理性能：密度、熔点、导热性、
2、导电性、磁性等； 化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处 理工艺性等。 力学性能：弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。,三、金属材料的力学性能含义是指金属在外加载荷作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）的联合作用下所表现的行为。也可以简单地理解为金属抵抗外力引起的变形和断裂的能力或金属材料的失效抗力。,四、金属材料的力学性能弹性 、塑性 、强度、硬度、韧性 、耐磨性、缺口敏感性等等。1、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。弹性指标：刚度E 、 p 2、塑性:是材料在外力
3、作用下发生不可逆的永久变形的能力塑性指标： 、 3、强度:是材料对变形和断裂的抗力。强度指标： b 、0.2、-1,4、韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力韧性指标：Ak、KIC金属力学性能指标高低表示金属抵抗变形和断裂能力大小是评定金属材料质量的主要依据，也是金属机件设计时选材和进行强度计算进的主要依据,五、影响金属材料力学性能的因素内在因素：材料的化学成分、组织结构、冶金质量残余应力及表面和内部缺陷 外在因素：载荷性质、应力状态、温度、环境介质等,六、金属力学性能的研究进程金属力学性能的物理本质及宏观变化规律与金属在变形和断裂过程中位错运动、增殖和交互作用等微观过程有关金属力学
4、性能的研究工作以宏观规律与微观机理相结合的阶段,七、本课程的主要任务：（1）金属材料在各种服役条件下的变形和断裂现象及微观本质（2）金属力学性能指标的本质、物理概念、实用意义、以及各种力学性能指标间的相互关系 （3）影响金属力学性能的因素，提高金属力学性能的方向和途经（4）金属力学性能指标的测试技术,第一章 金属在单向拉伸载荷下的力学性能,通过拉伸试验可得：1 . 最基本力学性能指标： b 、0.2 、2. 揭示三种失效形式：过量弹性变形、塑性变形和断裂及相关指标。,主要内容 1、 性能指标的物理概念与实用意义2、弹性变形、塑性变形、断裂基本规律和原理； 3、 改变上述性能指标的途径和方向,第
5、一节 力伸长曲线和应力应变曲线一 静拉伸实验1 、静拉伸：是材料力学性能实验中最基本的试验方法。2 、拉伸曲线：应力-应变曲线，可求出许多主要性能指标。例如：弹性模量E：零件刚度设计；屈服强度s，抗拉强度b:强度设计；塑性，断裂前的应变量：冷热变形时的工艺性能。,拉伸性能的作用：a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设 计的主要依据之一。 b.提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、断裂性能。 c .研究新材料，或合理使用现有材料和改善其力学性能时，都要测定材料的拉伸性能,拉伸条件：加载方式 ： 单向拉伸环 境：室温加载速率：静态介 质：空气，无腐蚀。 常用的拉伸试件：为了比较不同尺寸试样
6、所测得的延性,要求试样的几何相似，l0A01/2要为一常数其中A0为试件的初始横截面积。,拉伸 试件的形状和尺寸 1)光滑圆柱试件:试件的标距长度l0比直径d0要大得多；通常，l0=5d0或l0=10d0 2)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11.3A01/2 ； 3) 具体标准：GB 639786,拉伸试验机,1 静拉伸载荷伸长曲线 拉伸图-加载后标距间的长度变化量l 载荷P关系曲线 拉伸曲线-应力应变曲线 工程应力载荷除以试件的原始截面积即得工程应力， =PA0 工程应变伸长量除以原始标距长度即得工程应变，=ll0,高碳钢（淬火高温回火） 2. 低合
7、金结构钢 3. 黄铜 4. 陶瓷、玻璃 5. 橡胶 6. 工程塑料,2 工程应力应变曲线： p:比例极限 p=FP/A0 p: 应力与应变成正比关系的最大应力。 e:弹性极限 e =Fe /A0 e :由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。 s:屈服极限 LY:屈服（下） UY：屈服（上） b： 强度极限,如果用真应力和真应变绘制曲线，则得到真实应力应变曲线： 真实应力应变曲线,3、典型的拉伸曲线 材料分类： 按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。 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。 高塑性材料在拉
8、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。低塑性材料在拉伸断裂前只发生均匀伸长，不发生颈缩，且塑性变形量较小。 注意：不同材料，或相同材料不同力学行为，其应力应变曲线不同。,思考题 1 金属拉伸试验经历哪几个阶段？拉伸试验可以测定哪些力学性能？ 2 塑性材料和脆性材料的应力应变曲线有何不同？,第二节 弹性变形 一 弹性变形及实质 1.金属弹性变形特点 ： （1)可逆性变形。 （2)在加载期或卸载期内，应力与应变之间都保持单值线性关系。 （3)弹性变形量不超过0.5一1。实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映，弹性位移量只相当于原子间距的几分之一 。 2 双原子模型来解
9、释弹性变形：外力(F)与原子间引力(a / r m)、斥力(b / r n)的平衡过程。,当 r=r0：引力=斥力,平衡位置； 当外加拉应力 ：rr0,引力斥力； 当外加压应力： rrm,斥力0,引力0原子位移的总和在宏观上就表现为 弹性变形。外力去除，位移消失宏观变形也消失，从而表现了弹性变形的可逆性。,二、 弹性模量 1、弹性模量：在弹性变形阶段，应力与应变之间符合虎克定律的正比关系，E= G E、 G分别为拉伸杨氏模量和切变模量。 物理意义：当应变为一个单位时弹性模量等于弹性应力即弹性模量是产生100弹性变形所需的应力。 （无意义） 工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表示材料在外载
10、荷下抵抗弹性变形的能力. 机件的刚度与材料刚度不同机件刚度（AE）与两个因素相关： 构件的几何尺寸 材料弹性模量,2 、技术意义：E，G称为材料的刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。 举例说明精密机床的主轴精密机床的主轴如果不具有足够的刚度，就不能保证零件的加工精度 汽车、拖拉机的曲轴弯曲刚度不足影响活塞、连杆及轴承等重要零件的正常工作；若扭转刚度不足，则可能会产生强烈的扭转振动,3、影响E的特征因素：1）与原于间作用力有关，与原子间距也有一定关系。原子间作用力决定于金属原子本性和晶格类型，故弹性模量也主要决定于金属原子本性与晶格类型。 与原子序数有周期性关系2）温度T： T 原子结
11、合力下降，E 3）加载速度：对E 影响不明显 4）合金化（加入某种金属），热处理对E影响不明显。,4、说明(1)材料不同，弹性模量差别很大。(2)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 。对金属材料,对组织不敏感的性能指标，对高分子和陶瓷E对结构和组织敏感。 (3)熔点高，E(4)零件的刚度与材料的刚度不同：还与零件的截面尺寸与形状，以及截面积作用的方式有关。 (5)机械设计中，刚度设计是第一位的，它保证精度，曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核。,三 比例极限和弹性极限弹性极限e:材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力。 比例极限p:应力
12、与应变成正比关系的最大应力;e p的实际意义是：一般的e p 选择比例极限p：对于要求在服役时其应力应变关系维持严格直线关系的机件； 选择弹性极限e：对于要求不允许产生微量塑性变形的机件。,四 弹性比功弹性比功 ae=ee/2=e2/2E 意义：表示金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功。 金属材料的弹性比功决定于弹性极限e和弹性模量E 。 应用举例 1 弹簧：缓冲、储能、减震、传力 汽车板簧：要求髙的弹性比功 e大,E小ae大 提高e：成分与热处理 ，对e影响大，对 E影响不大。 降低E: 改变材料 仪表弹簧：因要求无磁性，铍青铜，磷青铜等软弹簧 材料。2 实际机器 零件体积大 总结
13、：四个弹性指标 p、e E ae E ：材料的刚度，材料的成分和热处理的影响不大； e ：材料的强度性能，改变材料的成分和热处理能显著提高。,思考题： 1 弹性变形的实质是什么？ 2 弹性模量E的物理意义？E是一个特殊的力性指标，表现在哪里？ 3 比例极限、弹性极限、屈服极限有和异同？ 4 你学习了哪几个弹性指标？,理想材料弹性变形：可逆性、单值性 弹性不完整性 ：实际上，金属的弹性变形与加载方向和加载时间有关，产生了弹性滞后、包申格效应等现象 。 五、 滞弹性 1、滞弹性：实际材料加载与卸载不在同一直线，应变落后于应力的现象。 多数材料不明显，少数材料如铸铁、高铬不锈钢明显。 例：普通压铸铁
14、拉伸的弹性滞后环,金属在弹性区内加载卸载时，由于应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后环。,# 内耗 #循环韧性交变载荷，最大应力低于宏观弹性极限，且加载速率比较大，则得到弹性滞后环。 交变载荷，最大应力超过宏观弹性极限，则得到塑性滞后环。,1、金属材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的内耗.内耗与循环韧性的区别：内耗：金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力，用弹性滞后环面积来度量。 循环韧性：金属在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力，用塑性滞后环面积来度量； 循环韧性也是金属材料的力学性能，又称为消振性，用表示 这两
15、个名词有时混用。,优点：滞后环面积大，减少振动， 降低噪声，防止共 振导致疲劳断裂. 例 ：汽轮机叶片用1Crl3钢制造，机床床身、发动 机缸体 和内燃机底座等选用灰铸铁制造 。 缺点：精密仪器 仪表的弹簧、油压表或气压表的弹簧 要求弹簧的弹性变形能灵敏反应油压或气压的变 化。 仪表乐器选用循环韧性低的材料。 2 影响因素 产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动有 关 滞弹性应变量与材料成分、组织有关，也与试验条 件有关。,六、 包申格效应: 1、包申格效应: 预先经过少量塑性变形（14），卸载后同向加载弹性极限（P）或屈服强度（S）增加，反向加载时P、S降低的现象。 2 解释机制 与位错运动所受的阻力变化有关：,3 包申格效应的应用理论上: 由于是金属变形时长程内应力的度量(可用X光方法测定) ,所以,包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制. 工程上: 材料加工工艺时,需要注意或考虑包辛格效应. 如正反向轧制，提高板材的延展性 ，薄板反向弯曲 成型。包辛格效应大的材料,内应力较大，对氢脆敏感。包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系。4 消除包申格效应的方法： 1）预先进行较大的塑性变形， 2）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400一500以上，铜合金在250一270以上退火。,
