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金属材料力学性能 1 本章内容 • 金属力学性能基本概念 • 单向拉伸试验特点 • 拉伸曲线 • 拉伸力学性能指标 • 几个基本概念 2 力学性能 强度成形性刚度韧性耐久性 •拉伸 •屈服 •压缩 •弯曲 •剪切 •蠕变 •延伸率 •断面收缩率 •弯曲曲率 •模量 •弯曲模量 •冲击强度 •缺口敏感性 •磨损阻力 •疲劳强度 金属的服役性能与力学性能相关 拉伸测试 冲击试验 硬度试验 1.金属力学性能基本概念 3 1.金属力学性能基本概念：应力及应力类型 力 变形方式 应力类型 单向应力 剪切应力 扭转力矩 弯曲力矩 拉伸伸长 压缩压缩 剪切剪切 扭转扭转 弯曲弯曲 •工程构件可能受到的应力类型有：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲 等 4 2.单向拉伸试验特点 •应力状态：单向拉应力，应力状态简单，最常用的力学性能试验方法 •拉伸试验反映的信息：弹性变形、塑性变形和断裂（三种基本力学行为） ，能综合评定力学性能 •通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延伸率、加工硬化和韧性等重要的 力学性能指标，它是材料的基本力学性能 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 注意：拉伸试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定（方法： GB/T228-2002；试样：GB/T6397-1986） 5 2.单向拉伸试验特点 可移动横梁 试样 载荷与 位移读 数 载荷和运 动控制 • 试验条件和 样品要符合 标准 • 工程应力： σengstress = P/A0 A0  原始截面积 •真应力： σtruestress = P/A A = 实时截面积 6 2.单向拉伸试验特点：应力 AB F A  = F/A (单位: N/m2 or Pascal (Pa)) 7 2.单向拉伸试验特点：应变 • 应变用来描述塑性变形和弹性变形程度 单位长度上的变化量： e = DL / L0 无单位 (m/m, mm/mm) 8 2.单向拉伸试验特点：应力与应变举例 • 图中丝的截面积为1 mm2, 长度为 100 mm . • 在丝的下方悬挂10 Kg物体，丝的长度变 成了 100.5 mm. • 计算：丝中的应力；丝的应变量 10Kg 9 • 应力：9.8×10/1 （N/ mm2)＝98×106 Pa ＝98MPa • 应变：(100.5-100)/100=0.005＝0.5% 10 3.拉伸曲线 11 典型的拉伸曲线  s= 0.2   s b e e e ee e 12 弹性变形阶段 13 屈服点 14 屈服发生后的卸载 15 均匀塑性变形阶段 16 颈缩阶段 17 3.拉伸曲线：弹性变形 • 原子间的距离发生伸长 和缩短，但原子间的结 合键并没有发生破坏 • 卸载后变形迅速恢复 加加载载 卸卸载载 18 3.拉伸曲线：塑性变形 • 相邻原子改变，改变后 又会迅速产生新的平衡 • 卸载后产生不可恢复的 永久变形 加加载载 卸卸载载 19 塑性变形一定导致断裂 吗？ •一些材料可以承受一定的塑性变形而不破坏 • • 一些材料承受一定塑性变形就会发生破坏，如桥梁混凝土，陶瓷，一些材料承受一定塑性变形就会发生破坏，如桥梁混凝土，陶瓷， 等等 wire 20 基本设计准则  施加的应力必须小于材料的强度 – 强度就是材料变形和断裂的临界应力 21 • 大多数的工程材料都可以看作弹性体，因 此弹性模量具有普遍性 • 弹性系数和弹性模量的区别 4.拉伸力学性能指标（1）弹性模量 E F= kx 22 弹性模量E: 单纯弹性变形过 程中应力与应变 的比值。

23 stress strain A B 应力 应变 A= 刚度大 B=刚度小 刚度与弹性模量的区别 24 材料的弹性模 量具有组织不 敏感性！ 25 悬臂梁挠度与弹性模量 聚苯乙烯 铝 钢 26 （2）比例极限 •定义：满足线性 关系的所能达到 的最大应力 •tgθ’＝1.5tgθ 偏离50％ 此时，σp50 如果偏离25％或10 ％，记做 σp25,,σp10 •也可以：P/A0 •意义：强调正比 例关系，是弹性 零件必须满足的 性能指标如弹 簧秤 θ θ’ σp50 27 （3）弹性极限 •定义：发生弹性变形 ，而不发生塑性变形 的最大应力 •规定一个小的塑性变 形量对应的应力值作 为弹性极限，如 0.005%, 0.01%, 0.05%. 此时弹性极限 分别记做：σ0.005, σ0.01, σ0.05 •也可以：P/A0 •意义：强调不发生塑 性变形；（比例极限 强调符合正比例关系 ） •一般的弹性件，如紧 固螺栓 28 •对于拉伸曲线上有 明显的屈服平台的 材料，塑性变形硬 化不连续，屈服平 台所对应的应力即 为屈服强度，记为 s s = Ps / A0 •对于拉伸曲线上没有 屈服平台的材料，塑 性变形硬化过程是连 续的，此时将屈服强 度定义为产生0.2% 残 余伸长时的应力，记 为σ0.2 s = σ0.2 = P0.2 / A0 （4）屈服强度 29 30 31 • 小塑性变 形抗力指 标 32 抗拉强度b： • 定义为试件断 裂前所能承受 的最大工程应 力，以前称为 强度极限。

取 拉伸图上的最 大载荷，即对 应于b点的载荷 除以试件的原 始截面积，即 得抗拉强度之 值，记为σb σb = Pmax／A0 （5）抗拉强度 33 Ø 拉伸断裂时的真 应力称为真实断 裂强度，记为σf 试验时测出断 裂点的截荷Pf， 试件的最小截面 积Af，则断裂时 的平均真应力， 即平均断裂强度 值，σf表示如下 σf = Pf / Af Ø 通常在拉伸试验 中，不测定断裂 强度在这种情 况下，可以根据 下列经验公式估 算断裂强度 σf =σb（1+Ψk） （6）真实断裂强度 34 • 大塑性变 形抗拉指 标 35 条件断面收缩率ψ： 断面收缩率ψ是评定材料塑性的主要指标 （7）条件断面收缩率 36 条件延伸率： 材料的塑性常用延伸率表示测定方法如下：拉伸试 验前测定试件的标距L0，拉伸断裂后测得标距为Lk，然 而按下式算出延伸率 （8）条件延伸率 37 极限延伸率 极限延伸率等于试样断裂后的总条件延伸 率， K＝ ΔLK /L0×100％ 其中ΔLK ＝ ΔLE ＋ ΔLN 试验总结得出： ΔLE＝β×L0，其中β是常数 ΔLN＝γ ×A0，其中γ 是常数，A0是试样的 原始截面积 因此： K＝ ΔLK /L0×100％＝（ β×L0＋ γ ×A0） /L0×100％＝ β＋ γ×A0/L0 极限延伸率与试样尺寸A0和L0的比值有关。

如果是细长试样，A0/F0比值小 ，试样极限延伸率小；反之则大 为此国家标准对拉伸试样样品尺寸作出规定两种： 10倍试样： L0＝10×A0，延伸率记为10； 5倍试样： L0＝5×A0，延伸率记为5 38 • 依据体积不变原理，纵向伸 长，那么横向必然收缩 n = - 横向应变 = - ey • 范围： 0 到 0.5 • 大多数工程材料 ~ 0.3 – Al = 0.33, Zr = 0.31, Pb = 0.42, Nylon = 0.4, 硬塑料= 0.43,… – 反泊松比材料 5.几个基本概念：泊松比 纵纵向向应变应变 e e x x 39 • 体模量（压缩弹性模量）： • 0.5的情况 • 大于0.5的情况 • 小于0.5的情况 40 脆性与韧性 •断裂前不发生明显塑性变形—— 脆性 – 玻璃、陶瓷、硬塑料 – 高强度钢 •断裂前发生明显塑性变形——韧 性 – 低强度钢、铜、铝、铅… 41 Brittle fractureDuctile fracture ”脆性断裂”所需的能量：分开原子＋新表面的表 面能 ”韧性断裂”所需的能量：分开原子＋新表面的表 面能+塑性变形消耗的能量（远大于前两者之和 ） Brittle fractureBrittle fractureDuctile fractureDuctile fracture脆性断裂 韧性断裂 42 应变 应变 应力 应力 塑性材料 脆性材料 玻璃、陶瓷 下面两种材料强度相近，谁 的韧性大？ 43 弹性能 x 弹性能 44 思考 • 那种材料弹性模量最大 ？（A） • 哪种材料脆性最大？（ C） • 那种材料塑性最好？（ A） • 那种材料韧性最好？ • （A） • 比较强度： – 屈服强度 – 抗拉强度 – 断裂强度 应变 应力 45 思考题 1）有颈缩材料的拉伸应力应变曲线分为几个变形阶 段？ 2）叙述金属拉伸力学性能指标的物理意义和测量方 法。

3）推导极限延伸率计算公式说明5倍拉伸试样和 10倍拉伸试样测量得到的极限延伸率差别的原因 ？ 4）一个直径为2.5mm，长度200mm的杆，在载荷 2000N作用下，直径缩小为2.2mm，计算：a）杆 的最终长度（体积不变原理）；b）该载荷作用的 真应力与真应变；c）该载荷作用下的条件应力与 条件应变 46 思考题 1）美国哥伦比亚号航天飞机解体，从材料上看原 因是什么？ 2）弹簧的弹性系数和弹簧所用材料的弹性模量有 什么区别？ 3）什么是形状记忆合金的伪弹性？产生原因？应 用？ 4）查找下面材料的力学性能指标： 45＃钢，2024Al合金，纯铝，纯镁 5）材料的弹性模量 构件的刚度 6）超声法测量材料弹性模量的原理 7）比例极限和弹性极限概念上有什么区别？ 8）工程零件实际服役应力以屈服强度设计，还是 抗拉强度设计？ 47 48 。