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1、材料的力学性能,材料与化工学院,主讲：张振国,材料的力学性能,先修课程：大学物理、材料力学、理论力学、工程力学以及材料科学基础等； 涉及课程：弹性力学、断裂力学、塑性力学、计算力学等。 后续课程：所有与力学应用相关的课程。,材料的力学性能,金属材料力学性能 陶瓷(非金属)材料力学性能 聚合物(高分子)材料力学性能 复合材料力学性能,材料的力学性能,1、定义：在外加载荷作用下，或载荷与环境因素联合作用下，所表现的行为。通常表现为变形和断裂。 2、任务：机器零件的承载条件一般用各种力学参数表示，所以就将表征材料的力学参数的临界值或规定值作为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
2、料抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质量的主要依据。研究受载过程中变形和断裂的规律。(静态载荷、动态载荷、交变载荷)(常温、高温、低温）(环境) 3、主要内容：各种受载条件下的失效现象(或规律)；微观机理；表征这种规律的性能指标；影响性能指标的因素及提高途径；其它。,材料的力学性能,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 硬度及冲击实验 第四章、金属的断裂韧度 第五章、金属的疲劳 第六章、金属的应力腐蚀和氢脆断裂 第七章、金属磨损和接触疲劳 第八章、金属高温力学性能 第十章、陶瓷材料的力学性能 第十一章、复合材料的力
3、学性能,静态载荷,1、定义：缓慢加载和低的变形速率。 2、种类：拉伸、扭转、弯曲、压缩等。 3、单向静拉伸：是最简单的，也是最有代表性的。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线 1.2 弹性变形 1.3 塑性变形 1.4 金属的断裂,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,一、力伸长曲线1、试验过程：常温；低碳钢；,采用拉伸试验机；,缓慢加载，低的变形速率；按照GB228-87标准执行。,采用光滑圆柱试样；,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,2、典型力伸长曲线分析：OP：弹性变形，FL。Pe：过量弹性变形Pe偏离OP。eC：屈服变形，不均
4、匀塑性变形。CB：均匀塑性变形。Bk：不均匀集中塑性变形。k：断裂。,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,3、其它力伸长曲线 （非典型力伸长曲线）,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,二、应力应变曲线：1、工程应力应变曲线：=F/A0, =L/L0,比例极限p，弹性极限e，屈服点s，抗拉强度b等。,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,2、真应力S应变e曲线：真应力S= F瞬/A瞬真应变e=ln(L/L0) 3、二者关系 S = (1+)e = ln(1+),1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1.2 弹性变形,一、弹性变形及其实质：1、可逆变形。2、双原子解释模型：(1
5、)常态：F引=ma/rm+1 F斥=-nb/rn+1F合=ma/rm+1-nb/rn+1 =0(2)受力：产生位移，导致变形；(3)去力：位移消失。,1.2 弹性变形,二、虎克定律(一)简单应力状态的虎克定律：拉伸、剪切、扭转等,(二)广义虎克定律：,1.2 弹性变形,三、弹性模量(材料的刚度，表征弹性变形的性能指标)1、杨氏模数E：=E2、切变模数G：=G 3、实质：产生100弹性变形所需的应力。4、比弹性模数（比模数、比刚度，一般适用于航空业）指材料的弹性模数与其单位体积质量的比值。5、影响弹性模数的因素键合方式和原子结构、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,1.2
6、弹性变形,四、弹性比功(弹性比能或应变比能) e:1、定义：弹性变形过程中吸收变形功的能力。 2、表示方法：用达到弹性极限时，单位体积吸收的弹性变形功表示。即用应力应变曲线下的影线面积表示，故 e=1/2ee=e2/(2E)3、作用：表示弹性的好坏。减震、储能。4、提高弹性比功途径：或者提高e，或者降低E。,1.2 弹性变形,四、弹性比功（补充）:1、比例极限p：即开始偏离直线时的应力值。 p=Fp/A02、弹性极限e ：即弹性变形过渡到弹-塑性变形（屈服变形）时的应力。 e=Fe/A0,1.2 弹性变形,非比例伸长（率）？规定非比例伸长（率）？ 0.01 3、规定非比例伸长应力p：即试验时，
7、非比例伸长达到原始标距长度(L0)规定的百分比时的应力。例如p0.01表示规定非比例伸长率0.01时的应力 4、工程意义：比例极限p适用于：应力应变关系严格遵守线性关系的机件；弹性极限e适用于：不允许产生微量塑性变形的机件。,1.2 弹性变形,五、滞弹性（补充）1、弹性分类：根据应力和应变响应特点:分为理想弹性(完全弹性);非理想弹性(弹性不完整性)两类。2、理想弹性材料：= M，并满足3个条件：应变对于应力的响应是线性的；应力和应变同相位；应变是应力的单值函数。3、非理想弹性材料：滞弹性、粘弹性、伪弹性及内耗等。,1.2 弹性变形,五、滞弹性(弹性后效)：快速加载或卸载后，随时间的延长，产生
8、附加弹性应变的性能=f(t) 。,1、正弹性后效(弹性蠕变)：快速加载0沿OA线应变Oa0不变应变aH (ab线)。加载时，应变落后于应力，与时间有关的现象。 2、反弹性后效：快速卸载至零应变eH立即消逝载荷为零应变eO (cd线) 。卸载时，应变落后于应力的现象。,1.2 弹性变形,1.2 弹性变形,1.2 弹性变形,循环韧性(内耗)：1、理想弹性：变形（加载）时储存弹性能，恢复（卸载）时释放弹性能，没有能量损耗。2、非理想弹性：,(1)弹性滞后环:应力和应变不同步，加载线与卸载线不重合，形成一封闭回线。(2)内耗:加载时吸收的变形功，大于卸载时释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收。
9、其大小可用回线面积度量。,1.2 弹性变形,3、意义：也称为材料的循环韧性，又称为消振性。表示材料在交变载荷(振动)下，吸收不可逆变形功的能力。材料循环韧性越高，则消振能力越好。,六、包申格效应（Bauschinger） 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。,1.2 弹性变形,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。,1.3 塑性变形,屈服,应
10、变硬化,缩颈,拉伸伸长 断面收缩,1.3 塑性变形,一、塑性变形方式及特点(已学、自学) 二、屈服现象与屈服点(屈服强度) 三、影响屈服强度的因素(自学) 四、应变硬化(形变强化) 五、缩颈现象与抗拉强度 六、塑性 七、静力韧度,二、屈服现象与屈服点(屈服强度),1、屈服现象：(1)不均匀的塑性变形,平台或锯齿；外力恒定，试样继续伸长；或外力增加到一定数值时，突然下降，随后，在外力恒定下，继续伸长变形。,(5)屈服伸长：屈服阶段产生的伸长； (6)屈服平台或屈服齿：屈服伸长对应的水平线段或曲折线段。,(2)屈服点(s): 屈服时对应的应力值； (3)上屈服点(su):力首次下降前的最大应力值；
11、 (4)下屈服点(sl):屈服阶段中最小应力；,屈服机理 (自学),二、屈服现象与屈服点(屈服强度),2、屈服强度(表征屈服的性能指标)：(1)金属材料屈服强度(s)：屈服时所对应的应力值。 s=Fs/A0 通常把sl作为屈服强度(屈服点)。sl=Fsl/A0,二、屈服现象与屈服点(屈服强度),(2)金属材料条件屈服强度(0.2)：规定非比例伸长应力(p)规定残余伸长应力( r ) ：卸除拉力后，残余伸长达到规定的原始标距百分比(0.2%)时的应力。规定总伸长（弹性伸长加塑性伸长）应力( t ) ：总伸长达到规定的原始标距百分比(0.5%)时的应力。,二、屈服现象与屈服点(屈服强度),3、屈服
12、强度意义：(1)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；(2)根据屈服强度与抗拉强度之比(屈强比)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。,三、影响屈服强度的因素(自学),1、金属本性及晶格类型 2、晶粒大小与亚结构 3、溶质元素 4、第二相： 5、温度 6、应变速率与应力状态,四、应变硬化(形变强化),0、定义：随着变形量的增大，形变应力提高的现象。,四、应变硬化(形变强化),1、金属材料应变硬化机理：多系滑移：位错交互作用形成割阶、位错锁和胞状结构等位错运动阻力增大产生应变硬化。交滑移：刃位错随应变增加
13、密度增大产生应变硬化。,四、应变硬化(形变强化),2、应变硬化指数(金属的真应力-真应变曲线)(1)Hollomon公式： S=Kenn为应变硬化指数；K为硬化系数。(2)应变硬化指数n ：反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。n =1完全理想弹性体；n =0S=K=常数 没有应变硬化能力。n =0.10.5(3)n值和屈服点s大致呈反比关系：即ns=常数。,根据GB5028-85金属薄板拉伸应变硬化指数(n值)实验方法测定,四、应变硬化(形变强化),3、应变硬化的意义：(1)加工方面：使金属进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。(2)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
14、使用安全。(3)应变硬化是一种强化金属的重要手段，如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属等。,五、缩颈现象和抗拉强度,1、缩颈：变形集中于局部区域的特殊状态。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。缩颈形成点对应于最大载荷点，dF=0。缩颈判据：,五、缩颈现象和抗拉强度,2、抗拉强度：最大实验力所对应的应力。b=Fb/A0(1)标志塑性金属材料的实际承载能力。(2)b是脆性材料的断裂强度。(3)b的高低由屈服强度和应变硬化指数来决定。,六、塑性,塑性：是指材料断裂前产生塑性变形的能力。 意义：防止偶然过载造成危害；保证机件正常运行；有利于塑性加工和修复等。,六、塑性与塑性指
15、标,1、伸长率指标：(1)最大应力下非比例伸长率g，即 g=Lg/L0100(2)最大应力下总伸长率gt ，即gt=Lgt/L0100(3)断后伸长率，即=Lk/L0100,六、塑性与塑性指标,(4)分析（试棒尺寸的确定）：缩颈前均匀伸长LgL0； (塑性伸长)缩颈后局部伸长LN(LN=Lk-Lg)(塑性伸长),断裂后总的伸长Lk=Lg+LN,的大小与A0、L0密切相关。,断裂后总伸长率：,国家规定,即： L0/d0=5, 5L0/d0=10,10,六、塑性与塑性指标,2、断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积(A1)的最大减缩量;与原始横截面积(A0)的百分比，符号表示，即=(A0-A1)/A0100,七、静力韧度,(1)韧度(韧性)定义： 是材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力,或指材料抵抗裂纹扩展的能力。包括静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。 (2)静力韧度( )：静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功。一般用真实应力-应变曲线下包围的面积来精确表示。 = (Sk +0.2) ef/2= (Sk2-0.22)/2D (3)工程上的静力韧度(韧性材料),1.4 金属的断裂,在力的作用下，分成若干部分。,1.5 断 裂,一、断裂的类型 二、解理断裂 三、微孔聚集断裂 四、断裂强度 五、断裂理论的应用,一、断裂的类型,
