材料力学性能2版课件资料讲解.pptx

材料力学性能能源动力与机械工程学院 材料教研室辛燕Mechanical Properties of M2工程材料力学性能(第2版)，束德林机械工业出版社，2008参考资料：金属力学性能，孙茂才，哈尔滨工业大学出版社，2003材料的力学性能，郑修麟，西北工业大学出版社，2001教材及参考资料3Properties(材料性能/性质)Processing(制备/加工)Performance(使用效能)材料科学：研究材料的组成/结构、性质、加工工艺和使用效能，以及它们之间相互关系的科学(成分/结构)Composition/Structure结构是制备加工的结果结构是材料性能的原因Materials5材料力学性能: 材料抵抗变形和断裂的能力服役过程: 保持设计 要求的外形和尺寸，保证在服役期内安全地运行生产过 程: 要求材料具有优良的加工性能如压力加工要求优良的塑性和低的塑性变形抗力材料力学性能与材料力学的区别？6二、材料力学性能表征材料软硬程度的表征材料脆性的表征材料抵抗外力能力表征材料变形能力的表征含缺陷材料抗断裂能力的表征材料抵抗多次受力能力的表征新材料及特种材料性能的表征特殊条件下材料性能的表征7材料力学性能是关于各类材料或构件在外加载荷作用下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速度）联合作用下表现的变形、损伤与断裂的行为规律及其物理本质和评定方法的学科。

8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塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力强度:是材料对变 形和断裂的抗力寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力，使零件在服役期内安全运行三、材料的基本力学性能9第一部分:第一四章阐述金属材料在一次加载条件下的形变和断裂过程所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力或安全性第二部分:第五八章论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间相关的失效形式金属材料对这 四种形式失效的抗力将决定零件的寿命第三部分:第九十一章介绍聚合物材料、陶瓷材料和复合材料的力学性能四、教材结构和内容10预备 知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识理论联 系实际 :是实用性很强的一门课 程某些力学性能指标根据理论考虑定义,而更多指标则 按工程实用要求定义做些练习 : 加深理解巩固所学的知识五、本课程学习注意问题 ：六、考核方式平时成绩占30%(包括出勤+作业)期末闭卷考试占70%11第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能12单向静拉伸实验 介绍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 金属的断裂主要内容13单向静拉伸试验 (Tension test)特点：最广泛使用的金属力学性能检测 手段试验 的温度、应力状态、加载速率和试样等都有严格规定 (GB/T228-2002)最基本的力学行为(弹性、塑性和断裂)可测力学性能指标：屈服强度0.2抗拉强度b断后伸长率断面收缩率14常用拉伸试样 形状光滑圆柱试样板状试样15常用的拉伸试样 :为了比较不同尺寸试样 所测得的延性,要求试样 的几何相似(比例试样 )，L0/A01/2(常数;通常K取5.65或11.3)其中A0为试 件的初始横截面积，L0为原始标距。

光滑圆柱试样 :试件的标距长度L0比直径d0要大得多；通常，L0=5d0或L0=10d0板状试样 :试件的标距长度L0应满 足下列关系式：L0=5.65A01/2或11.3A0 1/2拉伸试样 的尺寸16电液伺服万能实验 机拉伸试验设备17拉伸实验 中注意的问题a. 拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验 严格按照国家标准进行拉伸试验 ，其结果方为有效，由不同的实验 室和工作人员测 定的拉伸性能数据才可以互相比较b. 拉伸试验 机带有自动记录 或绘图 装置，记录 或绘制试件所受的载荷和伸长量L之间的关系曲线;d /dt =110MPa/s181.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变 曲线拉伸力-伸长曲线：拉伸实验 中记录 的力(F)对伸长(L)的关系曲线退火态低碳钢拉伸变形过程可分为个阶段：弹性变形(OA)不均匀屈服塑性变形(AC)均匀塑性变形(CB)不均匀集中塑性变形(Bk)断裂(k)正火、退火碳素结构钢和一般低合金结构钢都具有类似的拉伸力-伸长曲线1920注意：并非所有金属材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸力-伸长曲线淬火高碳钢退火低碳钢在低温下拉伸时只有弹性变形阶段脆性材料：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21室温脆性材料普通灰铸铁22低塑性材料低塑性材料在拉伸断裂前:只发生均匀伸长不发生颈缩塑性变形量较小高塑性材料高塑性材料在拉伸断裂前:不仅产生均匀的伸长而且发生颈缩现 象且塑性变形量大23工程应力(Stress)工程应变(Strain)=FA0=LL0工程应力应变 曲线将拉伸力-伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样 的原始截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到应力-应变 曲线。

因均系以一常数相除，故曲线形状不变，称为工程应力应变 曲线可得到金属在静拉伸条件下的力学性能指标：kegsgtb24拉伸变形过程中横截面积和长度是不断变化的25如果用拉伸时试样 的真实断面和真实长 度去除得到真应力S和真应变 e(e)绘制曲线，则得到真实应力-应变 曲线(OBK曲线)真实应 力应变 曲线261.2 弹性变形一、弹性变形及其实质弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形特点：可逆性变形加载、卸载期内，应力与应变间 都保持单调线 性关系金属弹性变形量较小，一般不超过0.5%1%实质 ：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映金属原子间结 合力抵抗外力的宏观表现27弹性变形物理本质弹性变形的可逆性：原子的位移总和宏观变形外力去除后，原子靠彼此间作用力又回到平衡位置位移消失宏观变形消失28二、胡克定律(一) 简单应 力状态的胡克定律1单向拉伸 yE yy =E x = z = y = (1-1)y纵向拉伸应变x、z横向拉伸应变E 弹性模量 泊松比y拉应力292剪切和扭转(1-3) = G(1-2)E2(1+)G = 切应力G 切变模量 切应变3E、G和的关系 1 = 1 ( 2 + 3) 2 = 2 ( 3 + 1) 3 = E 3 ( 1 + 2 )(二) 广义胡克定律实际 上机件的受力较复杂，应力往往是两向或三向的。

在复杂应 力状态下，用广义胡克定律描述应力与应变 的关系： 1 1 1EE式中1, 2, 3 主应力1 , 2 , 3主应变压应 力拉应力应变为 正号(+)时表伸长负号()时表缩短3031弹性模量：工程上亦称为材料的刚度，表征金属材料对弹 性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小三、弹性模量(Elastic Modulus)单纯弹 性变形过程中应力与应变 的比值E =/桥式起重机梁内燃机、离心机、压气机等的曲轴精密机床的主轴、床身等均有刚度要求以免产生过大振动，保证加工精度1.2 弹性变形32E/105MPa2.171.250.722.01.71.92.02.11.92.0金属材料铁铜铝铁及低碳钢铸铁低合金钢奥氏体不锈钢表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量33影响弹性模量的因素(1)主要取决于金属原子本性和晶格类型不同种类金属原子间的作用不同不同原子密排方向的较大（单晶体弹性各向异性）(2)弹性模量为对 组织 不敏感的力学性能指标合金化、热处 理、冷塑性变形等对弹 性模量的影响较小(3)温度、加载速率等外在因素对影响较小四、弹性比功弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比能、应变 比能。

一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示几何意义：应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积2e2 2E式中弹性比功；弹性极限；(组织 敏感指标)最大弹性应变 (表征材料弹性)e e e弹簧材料应具有较高的弹性比功和良好的弹性343536五、滞弹性1.滞弹性现象纯弹 性体的弹性变形只与载荷大小有关与加载方向和加载时间 无关实际 金属材料弹性变形不仅是应力的函数而且还是时间 的函数37滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间 延长产 生附加弹性应变 的现象2. 滞弹性原因产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动有关材料组织 越不均匀，滞弹性越明显钢经 淬火或塑性变形后，滞弹性38在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑弹 性后效问题 ，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等如选用的材料弹性后效较明显，会使仪表精度不足甚至无法使用3. 滞弹性的危害39弹性滞后环实际 金属弹性区内快速加、卸载时 ，加载线 与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环物理意义：加载时 消耗的变形功大于卸载时释 放的变形功回线面积为 一个循环所消耗的不可逆功40循环韧 性：金属材料在交变载 荷下吸收不可逆变形功的能力，也称为内耗。

循环韧 性又称为消振性循环韧 性的应用机床床身、缸体等选用循环韧 性高的材料，减振降噪乐器（簧片、琴弦等）要求材料循环韧 性小，保证音质41六、包申格效应(Bauschinger Effect)包申格效应：金属材料经预 先加载产 生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载规定残余伸长应 力降低(特别是弹性极限在反向加载时 几乎降低到零)的现象少量塑性变形：残余应变约为 1%-4%规定残余伸长应 力：对应弹 性极限或屈服强度42屈服强度380MPa100MPa某些钢和钛合金，因包申格效应可使屈服强度降低15%-20%黄铜、铝等有色金属合金球化高碳钢、低碳钢、管线钢 、双相钢奥氏体不锈钢 等包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象度量包申格效应的基本定量指标是包申格应变包申格应变 ：在给定应力下，正向加载与反向加载两应力应变 曲线之间的应变 差43均有包申格效应=bc即为包申格应变44包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关预塑性变形，位错增殖、运动、缠结 ；同向加载，位错运动受阻，残余伸长应 力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，残余伸长应 力降低包申格效应的微观机理如金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重分布，则在随后反向加载时 ，不显示包申格效应45危害：交变载 荷情况下，显示循环软 化(强度极限下降)利用：薄板反向弯曲成形，拉拔的钢棒经轧辊压 制较直包申格效应的危害和利用包申格效应的防止方法预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。

第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火461.3 塑性变形一、塑性变形方式及特点金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生塑性变形：外载荷卸去后，不能恢复的变形塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变 形而不发生断裂的性质滑移 最主要的变形机制；孪生 重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时1.塑性变形方式47(1) 滑移金属材料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：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向滑移系：滑移面和滑移向的组合滑移系越多，材料的塑性越好晶体结构的影响较大，fccbcchcp滑移的临界分切应力=(P/A)coscos外应力与滑移面法线的夹角；外应力与滑移向的夹角；= coscos称为取向因子48(2) 孪生孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面孪生的特点：比滑移困难；时间 很短；变形量很小；Cd孪生变形量仅7.4%，滑移变形300%也是在切应力作用下沿特定晶面和特定晶向进行的孪晶层在试样 中仅为 狭窄的一层，不一定贯穿整个试样孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展49多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规律与单晶体金属相同。

但由于多晶体金属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同塑性变形具有如下特点：2. 塑性变形特点(1) 各晶粒变形的不同时性和不均匀性多晶体中各晶粒取向不同，即 coscos。