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1、9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,1,材料力学性能,裴立宅 材料科学与工程学院 Email: , ,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,2,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。 宏观上一般表现为材料的变形或断裂。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,3,机器零件（简称机件）的承载条件一般用各种力学参数（如应力、断裂韧度等）， 所以就将表征材料的力学参数的临界值或规定值称为材料的力学性能指标或判据。材料力学性能指标具体数值的高低表示材料抵抗变形
2、和断裂能力的大小，是评定材料质量的主要依据。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,4,材料作为一门大型基础学科，内容涉及广泛，我们无机非金属材料专业的学生不仅要了解、掌握无机非金属材料，还需要了解金属材料的力学性能， 这对以后大家的学习、就业和工作等方面都是大有益处的。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,5,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 第四章 金属的断裂韧度 第五章 金属的疲劳 第六章 金属的应用腐蚀和氢脆断裂 第七章 金属磨损和接触疲劳 第八章 金属高温力学性能 第十
3、章 陶瓷材料的力学性能 第十一章 复合材料的力学性能 普通混凝土的力学性能,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,8,第一节 力-伸长曲线和应力-应变曲线,力-伸长曲线：是拉伸试验中拉伸力与伸长的关系曲线,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,9,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,10,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,11,第二节 弹性变形,一、弹性变形及其实质,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,12,二、虎克定律,（一）简单应力状态的虎克定律（二）广义虎克定律,9/21/2018,安徽工业大学 材料
4、科学与工程学院,13,三、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。 这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,14,四、弹性比功,又称弹性比能、应变比能，表示材料吸收弹性变形功的能力,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,15,五、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。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,16,由于实际金属具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时
5、，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（图a）。 如果施加交变载荷，且最大应力低于宏观弹性极限，加载速率比较大，则也得到弹性滞后环（图b） 。 如果交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限，就会得到塑性滞后环（图c） 。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,17,金属的循环韧性,定义： 金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功的能力，也称为金属的内耗或消振性。,意义： 循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与
6、工程学院,18,六、包申格效应（Bauschinger）,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,19,包申格效应的定义：,金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残余应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加； 反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,20,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,21,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400-500，铜合金在250-270退火。,9/2
7、1/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,22,第三节 塑性变形,一、塑性变形方式和特点变形方式： (1) 滑移 (2) 孪生,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,23,多晶金属中每一晶粒滑移变形的规律与单晶金属相同，但是多晶金属中存在晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性变形有如下特点：(1) 各晶粒变形、不同时性和不均匀性 (2) 各晶粒变形的相互协调性,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,24,二、屈服现象和屈服点（屈服强度）,屈服现象是材料产生宏观塑性变形的一种标志。金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡明显，表明外力保持恒定时试样仍继续伸
8、长，或者外力增加到一定数值时突然下降，然后外力几乎不变时，试样仍继续伸长变形，这就是屈服现象。呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外力保持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点，又称屈服强度。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,25,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,26,三、影响屈服强度的因素,（一）内在因素 1. 金属本身与晶格类型2. 晶粒大小和亚结构亚结构：在实际金属晶体中，一个晶粒内部其晶格位向并不像理想晶体那样完全一致，而是存在许多尺寸更小、位向差也很小（一般为几十分到1-2度）的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称为亚结构，或称亚晶粒、
9、镶嵌块。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,27,3. 溶质元素 在纯金属中加入溶质原子（间隙型或转换型）形成固溶合金或多相合金中的基体相，将显著提高屈服强度，称为固溶强化。4. 第二相屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺都可使屈服强度产生明显变化。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,28,（二）影响屈服强度的外在因素,1. 温度2. 应变速率3. 应力状态,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,29,四、应变硬化（形变强化）,定义：在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度之后，
10、 塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去，而需要不断增加外力才能继续进行， 这说明金属有一种阻止继续塑性变形的抗力，这种抗力就是应变硬化性能。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,30,应变硬化的作用：,(1) 应变硬化可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件安全。(2) 应变硬化和塑性变形适当配合可使金属均匀塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。(3) 可降低塑性，改善低碳钢的切削加工性能。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,31,应变硬化指数,可以反映金属材料抵抗继续塑性变形的能力。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,32,五、
11、缩颈现象和抗拉强度,（一）定义缩颈是金属等韧性材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象，这是应变硬化与截面减小共同作用的结果。（二）缩颈判据,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,33,抗拉强度,定义： 拉伸试验时试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。实际意义： (1) 标志塑性金属材料的实际承载能力； (2) 一定场合下抗拉强度可作为设计依据； (3) 抗拉强度的高低由屈服强度和应变硬化指数来决定。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,34,六、塑性,（一）塑性与塑性指标塑性定义： 指金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。,9/21/2018,
12、安徽工业大学 材料科学与工程学院,35,（二）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。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,36,第四节 金属的断裂,一、断裂的类型根据断裂前塑性变化大小分类： （一）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。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,37,按裂纹扩展
13、的途径分类：,（二）穿晶断裂与沿晶断裂 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。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,38,根据断裂机理分类：,（三）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。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,39,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
14、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。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,40,根据断裂面的取向分类：,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。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,41,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,42,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,43,二、解理断裂的微观断口特征,关于断裂机理的三种理论：1. 甄纳-斯特罗位错塞积理论 2. 柯垂耳位错反应理论 3. 史密斯理论
15、,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,44,1. 解理断裂,解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成； 这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的， 多数情况下，裂纹要跨越若干个相互平等的、而且位于不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现了解理台阶和河流花样。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,45,解理台阶：,是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交形成的。(1) 通过解理裂纹与螺型位错相交形成， (2) 通过二次解理或撕裂形成。,9/21
16、/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,46,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,47,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,48,2. 准解理,在淬火回火钢中，当裂纹在晶粒内部扩展时，难于严格的沿一定晶体学平面扩展， 断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小的碳化物质点有关，其微观形态，与解理河流相似，但又不是真正的解理，所以称为准解理。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,49,三、微孔聚集断裂的微观断口特征,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,50,如果使微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相同，则在正应力垂直于微孔的平面上便形成等轴韧窝。 在扭转载荷或受双向不等拉伸条件下，因切应力作用形成拉长韧窝。 如在微孔周围的应力状态为拉、弯联合作用，微孔在拉长、长大同时还要被弯曲，形成在两个相配断口上方向相同的撕裂韧窝。,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,51,9/21/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,
