《材料力学行为-第一章-孙巧艳主讲》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学行为-第一章-孙巧艳主讲（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材料力学行为,主讲 孙巧艳 材料科学与工程学院 2011.5月7月,联系方式;,材料力学行为 绪论,研究内容：固体材料的本构关系和破坏的物理基础，探讨化学成分和微观结构与宏观力学性能的关系，找出其内在规律，为预测和改进材料力学性能奠定科学基础。,材料力学行为: 材料的变形和断裂,力学性能是关键,课程内容,金属材料的常规力学行为以及性能指标 金属材料的变形和断裂 金属材料的疲劳行为 金属材料在高速加载下的力学行为 金属材料在不同环境下的力学性能 陶瓷、高分子和复合材料的力学行为,课程内容学时安排,绪论 1学时 金属材料的常规力学行为和力学性能 5学时 金属材料的变形与断裂 4 学时 金属材料的疲
2、劳力学行为 4 学时 金属材料在高速加载下的力学行为 2 学时 金属材料在不同环境下的力学行为 6 学时 陶瓷材料的力学行为 4 学时 高分子材料的力学行为 4 学时 复合材料的力学行为 4 学时,课程特点,以材料的力学性能为重点介绍内容 以材料组织结构与性能的关系为基础 以常用的工程材料为框架,中文教材 材料的力学行为（匡震邦 顾海澄 李中华 编著，高等教育出版社，1998年出版）英文文教材 Mechanical behavior of materials，Thomas H. Courtney.McGraw-Hill Companies,Inc.2000,参 考 教 材,第一章 金属材料常规
3、力学性能,室温、大气环境、静加载 冲击加载下的力学性能,屈服强度、抗拉强度、断裂强度、硬度 冲击韧性 塑性（延伸率和断面收缩率）,第一节 加载方式和应力状态软性系数,第二节 金属静拉伸力学行为,金属静拉伸变形过程模拟（动画）,低碳钢载荷-位移曲线,低碳钢工程应力-工程应变曲线,真应力-真应变曲线,工程应力-工程应变曲线,没有应力降低阶段,常见金属的应力应变曲线,常用金属的弹性模量（单位：GPa）,E: 杨氏模量 G：剪切模量,一般地，金属的熔点越高，弹性模量越大。,sp:比例极限,se:弹性极限,ss:屈服强度,屈服现象,吕德斯带,（4）抗拉强度 和真实断裂强度,抗拉强度（强度极限）,真实断裂
4、强度,(5) 金属的塑性指标,3 金属的形变强化,均匀变形阶段，应力应变的关系 （Hollomon关系）,K:形变强化系数；n：应变硬化指数,如何用拉伸应力应变曲线的数据获得K、n呢？,直线的斜率即为n 纵坐标截距可求的强化系数K,常见金属的加工硬化指数,n值的大小反映了金属的加工硬化能力。,n的范围在0-1之间。,形变强化的实际意义？,4 金属超塑性,金属的伸长量：100-1000%。,晶粒转动参与了塑性变形。,应用：用于形状复杂不易加工的零件，在超塑性条件下用很少次数就可以精密成型。,第三节 金属其它力学性能,一 压缩试验,2 压缩试验的应用,主要用于脆性材料力学性能的测试。,3 多向压缩
5、 2,多向不等压缩,单相压缩,2,1.5,1,0.5,T8A,紫铜,适用于脆性更大的材料,滚珠轴承和滚动体采用多向压缩试样,拉伸和压缩力学性能比较,退火态的Al、Cu和低碳钢，压缩和拉伸的屈服强度相等； 对于高强度钢，压缩的屈服强度高于拉伸屈服强度。（强度差效应）,2 扭转,（1）扭转试样形状：圆柱状试样,(3) 扭转试验的应用,扭转试样的断口形貌,（4）扭转试验测试的力学性能指标,扭矩T,扭转角,弹性变形阶段,扭转屈服强度,扭转强度,表面切应力,表面切应变,Tb,Ts,三 弯曲,1 弯曲试验,断裂位置,断裂位置不确定,2 弯曲图和弯曲试验力学性能指标,试样形状：矩形试样或者圆柱试样,加载方式
6、：三点弯曲和四点弯曲,三点弯曲,四点弯曲,（3）弯曲试验的特点和应用,抗弯强度,弯曲和扭转试验,四 金属的硬度,硬度：衡量金属软硬程度的一种性能指标。反映金属表面抵抗局部压入变形或者划刻破坏的能力。,测试方法：压入法划刻法,压入法应用最广。,生产中常用的硬度指标：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,1 布氏硬度：始于1900年，应用历史最悠久的硬度测试方法之一。,D:钢球直径 D：压痕直径 H：压痕深度,相似原理,4）布氏硬度特点和应用,2 洛氏硬度,（1）压头 1）硬质压头：顶角为120度的圆锥金刚石压头 2）软质压头：硬质钢球（直径1.5875或3.175 mm),直接用压痕深度大小作为硬度标
7、志。,3）洛氏硬度大小的确定,用压痕深度大小作为硬度值。,压痕越小，硬度越大 。,不符合人们的习惯？,选择一个常数减去h的差值作为洛氏硬度。,常数的选择：,0.2mm,HRA和HRC,0.26mm,HRB,认为规定：硬度表的表盘上刻度0.002mm为一度。,有效值：HRC的范围： 20-67,有效值：HRB的范围： 25-100,4） 洛氏硬度的特点和应用,特点：1）适用材料范围宽，软硬材料都适用。2）压痕小，工件表面损伤轻微3）效率高，立即得到硬度数据。,缺点：各种硬度级别数据不统一，不能相互比较；压痕小，有些情况不能反映材料的整体硬度。,应用：淬火钢等比较硬的材料（HRC）退火钢、有色金属
8、等比较软的材料（HRB）,(3) 维氏硬度,始于1925年。测试原理与布氏硬度相同。用单位面积承受的负荷值作为硬度指标。,1）维氏硬度的压头,金刚石压头，锥面角为136的四方角锥体,为什么采用四方角锥压头？,载荷改变，保证压入角不变。可以任意选载荷值。 压痕为正方形，便于测量压痕尺寸。（一般测对角线长度） 136 角，是为了和布氏硬度有最好的配合。,2） 维氏硬度的计算,F：载荷； S：压痕面积,F负荷:5kg-120kg,3) 维氏硬度的特点和应用,没有载荷和压头直径规定条件的约束。 使用材料范围宽：软硬材料都可以测试。 可以测试薄件的硬度； 维氏硬度测试准确。,问题1 测量维氏硬度时如何选
9、择载荷？,(4) 显微硬度,帮助我们了解金属合金中个别组织组成物或者加杂物的硬度。,测试原理与维氏硬度相同，仅仅是载荷减小了1-2个数量级。,注意：载荷的单位用的是克(力），mN, 压痕尺寸d，mm。 纤维硬度的顶角制造要求严格，对角线测量要求严格。,硬度指标与强度指标的关系,根据大量的实验数据建立了硬度指标与材料抗拉强度和疲劳强度的经验关系。,主要是布氏硬度和强度的关系,b= kHB,近似正比关系,对于钢铁材料：k为0.33-0.36；,-1= HB,旋转弯曲疲劳极限,系数b为0.16,抗拉强度、疲劳强度与布氏硬度的经验关系,由显微硬度发展的材料性能测试与表征技术,纳米压入仪（Nanoind
10、enter),Berkovich三棱锥压头,在研究薄膜力学性能，弹性模量、硬度方面被广泛采用,揭示了压入深度与硬度的关系,压入时，通过传感器可以记录压头承受载荷和压入位移数据。,微尺度材料力学性能测试与表征技术,纳米压入仪（Nanoindenter),Berkovich三棱锥压头,微米尺度的试样,开辟了材料强度尺度效应研究的新领域,Science，2004.,纳米压入,目前基于硬度和压缩试验技术发展的材料测试表征技术的最新进展,1 将压头装在TEM中，可以实现变形时可以观察材料内部变形的情况,2 将压头装在SEM中，可以观察压缩时材料变形在表面留下的痕迹。 可以在SEM中实现拉伸试验。,mov
11、ie,第四节 金属缺口试样的力学性能,为什么关注金属缺口试样的力学性能？,缺口的影响,缺口部位应力集中，使应力状态变硬,引起多轴应力状态,一 缺口对应力和应变分布的影响,缺口试样,应力集中,多轴应力状态,轴向力，切向力，径向力,弹塑性变形与缺口处应力应变分布求解,名义应力线,Neuber双曲线,二 缺口敏感性试验,1 缺口试样的静拉伸,用于测量拉伸条件下材料的缺口敏感性，衡量材料在硬化应力状态下和应力集中下材料的催化倾向。,衡量指标：缺口强度比,缺口试样 缺口角:45-60 缺口根部曲率半径0.1-0.2mm 缺口截面直径：7-15mm dN/d0=0.7-0.85,缺口偏斜拉伸,用于高强度钢
12、制造的螺钉、螺栓等紧固件。,斜角为a的垫圈,光滑试样,缺口试样,缺口偏斜拉伸试样,（2）缺口试样静弯曲试验,试验方法,缺口,应用：造船、压力容器钢必须要做的力学试验。,第五节 冲击韧性和韧脆转变,应变速率增加对材料性能的影响？,增加材料的脆性,如何评价冲击载荷下脆断倾向？,冲击韧性：材料在冲击载荷下的吸收塑性变形功和断裂功的能力。,一 冲击试验：,1 摆锤冲击试验,摆锤试验机,试验原理,摆锤在冲断试样中失去的能量就是破坏试样所作的功。,冲击吸收功：Ak=G（H1-H2）,AK对材料的组织和缺陷很敏感。,10*10*55,带缺口的三点弯曲试样,试样的冲击吸收功：弹性功、塑性功和断裂功,二 韧脆转变,材料从韧性断裂转变为脆性断裂的现象。,如何用材料的冲击吸收功来表征韧脆转变？,标志：冲击吸收功急剧降低。,三 冲击试验的应用,1 用于检验金属产品的质量。 2 可用于评定材料低温脆性趋势。 3 冲击韧性指标在某些零件设计时使用。,
