材料力學(xué)性能 第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1c

1、Mechanical properties of materials1材 料 力 學(xué) 性 能2材料力學(xué)性能（Mechanical properties of materials）引 言第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第二章 材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能第三章 材料的沖擊載荷下的力學(xué)性能第四章 材料的斷裂韌度第五章 材料的疲勞性能第六章 材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能第七章 材料的耐磨性能第八章 材料的高溫力學(xué)性能3引 言材料性能：對材料在一定的外界條件下表現(xiàn)出的行為人為規(guī)定的定量評價(jià)指標(biāo)稱為材料的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)-電化學(xué)性能（腐蝕）。4引 言在載荷（拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、

2、彎曲、剪切、疲勞、磨損）作用下表現(xiàn)出的力學(xué)行為有變形、斷裂、磨損等；在熱、磁、電、光等條件下表現(xiàn)出的物理行為有熱膨脹、磁化、導(dǎo)電、折射、反射、干涉等。在外界環(huán)境和介質(zhì)的作用下，材料表面因發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而受到破壞的行為腐蝕性能。5引 言材料性能學(xué)研究的內(nèi)容：1）在各種物理、化學(xué)、力學(xué)刺激作用下，材料的表現(xiàn)行為，即材料各種性能行為的宏觀規(guī)律；2）用什么樣的指標(biāo)來描述和衡量這些行為表現(xiàn)，即定量化。3）這些行為表現(xiàn)在材料內(nèi)部的微觀機(jī)制。4）如何進(jìn)行材料性能的實(shí)際測量，即測試原理，技術(shù)，設(shè)備，手段等試驗(yàn)技術(shù)。6引 言學(xué)習(xí)材料力學(xué)性能的用途？評定材料優(yōu)劣的依據(jù)工程設(shè)計(jì)中選材的依據(jù)失效分析的依據(jù)為研究

3、新材料、改進(jìn)新工藝，充分發(fā)揮材料性能潛力提供研究依據(jù)。引 言舉例：泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒于冰海美國 Popular Science 雜志W(wǎng)hat Really Sank The TitanicTitanic 號鋼板（左圖）和現(xiàn)代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果7高含硫量8引 言1、使用性能：力學(xué)性能 （強(qiáng)度、塑性、硬度）材料的力學(xué)性能：材料抵抗外加載荷（外力）引起變形和斷裂的能力。服役過程:保持設(shè)計(jì)要求的外形和尺寸，保證在服役期內(nèi)安全地運(yùn)行。9引 言生產(chǎn)過程:要求材料具有優(yōu)良的加工性能。如壓力加工要求優(yōu)良的塑性和低的塑性變形抗力。2、加工性能 （可制造性）熱加工：鑄、鍛、焊、熱處理

4、冷加工：車、銑、磨特種加工：電火花、激光、離子10引 言材料的力學(xué)性能指標(biāo)：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等。內(nèi)在因素：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、表面和內(nèi)部缺陷等。外在因素：載荷性質(zhì)（靜、沖擊、交變）、應(yīng)力狀態(tài)（拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)）、溫度、環(huán)境介質(zhì)等。影響因素11第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能力學(xué)性能研究材料在受載荷過程中變形和斷裂的規(guī)律。靜拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)方法，也是操作最簡單，最直觀，宏觀規(guī)律最明顯，數(shù)據(jù)處理簡單且有代表性的試驗(yàn)。12第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能本章的意義揭示材料在靜載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及常見的三種失效形式（過彈性變

5、形、塑性變形和斷裂）的特點(diǎn)和基本規(guī)律，評定出材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率。這些性能指標(biāo)即是材料的工程應(yīng)用、構(gòu)件設(shè)計(jì)和 科學(xué)研究等方面的計(jì)算依據(jù)，也是材料的評定和選用以及加工工藝選擇的主要依據(jù)。13第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能舉例：彈性模量E，主要用于零件的剛度設(shè)計(jì)中；材料的屈服強(qiáng)度s和抗拉強(qiáng)度b則主要用于零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中；材料的塑性，斷裂前的應(yīng)變量，主要是為材料在冷熱變形時(shí)的工藝性能作參考。14第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能本章的內(nèi)容：介紹拉伸性能的物理概念、物理意義及工程意義，討論材料彈性變形，塑性變形及斷裂行為的基本規(guī)律及其與材料組

6、織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上探討提高材料性能指標(biāo)的途徑和方向。15第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)（含 非理想彈性與內(nèi)耗）第三節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié) 材料的斷裂16第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線一、力伸長曲線（拉伸圖）F-L 曲線是靜拉伸試驗(yàn)得到的第一手資料。在整個(gè)拉伸過程中，x-y記錄儀的兩個(gè)坐標(biāo)分別記錄下力與位移的變化過程。17第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼的力伸長曲線圖18第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線設(shè)備：多功能材料試驗(yàn)機(jī)19第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線雖然載荷和變形曲線作為描述變形過程的參量真實(shí)

7、地表現(xiàn)了試件或?qū)嵨锛虞d變形以至斷裂的全過程，但也有明顯的不足之處：即試樣或被試機(jī)件實(shí)物的尺寸和形狀是各式各樣的，載荷是對試件所加的總載荷，變形是加載過程中所測載荷相應(yīng)的總變形，所以它們不能清楚地說明材料受載的嚴(yán)重程度，不具有可比性；評價(jià)材料和進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)很不方便。20第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線如何規(guī)定各種材料的力學(xué)性能指標(biāo)：原則：1 可比性；2 測量方便。怎樣利用上述測定的結(jié)果并滿足上述原則呢？較好的方法是建立以應(yīng)力和應(yīng)變作為描述變形過程參量的應(yīng)力應(yīng)變曲線。21第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線二、應(yīng)力應(yīng)變曲線（工程應(yīng)力應(yīng)變曲線）應(yīng)力應(yīng)變曲線力伸長曲線其中，A0、L0為原始截面積和原始長

8、度。22第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線比較一下圖1和圖2，看看有何區(qū)別？1 形狀完全相似；2 坐標(biāo)單位有區(qū)別00 = L L = F A第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線試樣圓柱：l0=5d0或 l0=10d0板：l0=5.65A01/2或11.3A0 1/2 = = +L0 L0、對于同一材料制成的幾何形狀相似的試樣來說是常數(shù)國標(biāo)GB/T228-200223斷后延伸率應(yīng)力應(yīng)變曲OE：彈性段E點(diǎn)：彈性極限 e過E：塑性變形彈性變形塑性變形斷裂A點(diǎn)：上屈服點(diǎn)C點(diǎn)：下屈服點(diǎn)CD：屈服。屈服強(qiáng)度 sDB：形變強(qiáng)化B點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度 bK點(diǎn)：斷裂。無屈服平臺時(shí)，取0.2%變形量時(shí)的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度24屈服階

9、段均勻塑性變形階段不均勻集中塑性變形階段（縮頸）25第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線強(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度：材料產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力抗拉強(qiáng)度：材料斷裂前所能承受的最大應(yīng)力強(qiáng)度：材料抵抗塑性變形和開裂的能力塑性指標(biāo)：第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線斷裂時(shí)長度 標(biāo)距“延伸率”k：k=(Lk-L0)/L0“斷面收縮率”k ：k=(A0-Ak)/A0斷面面積 原始面積韌性指標(biāo)：拉伸曲線的面積。2627第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線根據(jù)該曲線可以獲得材料靜拉伸條件下的力學(xué)性能指標(biāo)：比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)，、安全校核指標(biāo)。28第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線是不是所有材料在

10、室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線或者說是拉伸變形行為都是一樣的呢？29第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線幾種典型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線30第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線材料分類：按材料在拉伸斷裂前是否發(fā)生塑性變形，將材料分為脆性材料和塑性材料兩大類。脆性材料在拉伸斷裂前不產(chǎn)生塑性變形, 只發(fā)生彈性變形；塑性材料在拉伸斷裂前會發(fā)生不可逆塑性變形。高塑性材料在拉伸斷裂前不僅產(chǎn)生均勻的伸長，而且發(fā)生縮頸現(xiàn)象，且塑性變形量大。低塑性材料在拉伸斷裂前只發(fā)生均勻伸長，不發(fā)生縮頸，且塑性變形量較小。31第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線不同材料或同種材料在不同條件下可有不同形式的應(yīng)力應(yīng)變曲線，這主要是由材料的鍵合方式、化

11、學(xué)成分和組織狀態(tài)等因素決定的，除此以外還和溫度、加載速度等外界條件有關(guān)。32第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線Tb：脆化溫度Tg：玻璃化溫度Tf：粘流溫度A：玻璃態(tài)C：高彈態(tài)E：粘流態(tài)特點(diǎn)：與溫度密切相關(guān)舉例：高分子的拉伸性第 節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線 遠(yuǎn)小于TT接近Tg33一圖 高分子的拉伸曲線應(yīng)力應(yīng)變成正比，直至斷裂出現(xiàn)屈服點(diǎn)，隨后應(yīng)力降低屈服點(diǎn)后試樣能發(fā)生很大的應(yīng)變，隨后應(yīng)力上升至斷裂高彈態(tài)，無屈服點(diǎn)，在不明顯增加應(yīng)力時(shí)，應(yīng)變變化很大gT小于TgT大于Tg34第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線三、真應(yīng)力應(yīng)變曲線在變形過程中，截面積在減少，而伸長量在增加，所以工程應(yīng)力和工程應(yīng)變并非是真實(shí)或

12、瞬時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變，在此引入真應(yīng)力應(yīng)變曲線。35第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線真應(yīng)力應(yīng)變曲線圖e = de =36LL0dLLe L0 L0= ln=ln(1+)=lnL0 +LL0LL0e=ln工程應(yīng)變和真應(yīng)變之間的關(guān)系：第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線真應(yīng)變：形變的微分增量為de=dL/L，則試樣自L0伸長至L后，總的應(yīng)變量為：37假設(shè)材料的拉伸變形是等體積變化過程，則真應(yīng)力和工程應(yīng)力之間就有如下關(guān)系：第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線S =(1+)真應(yīng)變總是小于工程應(yīng)變，真應(yīng)力總是大于工程應(yīng)力。真應(yīng)力：SF/A38第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線兩曲線形狀的對比：在彈性變形階段，兩線基本重合

13、，真實(shí)屈服應(yīng)力和工程屈服應(yīng)力非常接近，為什么？伸長和截面積變化很小。但在塑性變形階段，兩者之間就出現(xiàn)了顯著的差異。39第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線40第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線四、三條曲線的應(yīng)用1、 力伸長曲線：基本數(shù)據(jù)第一手資料。2、 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線：工程設(shè)計(jì)和材料選用的依據(jù)。在工程應(yīng)用中，因?yàn)槎鄶?shù)構(gòu)件的變形量限制在彈性變形范圍內(nèi)，與真應(yīng)力應(yīng)變的區(qū)別可以忽略，而且測量和計(jì)算簡單。3、 真應(yīng)力應(yīng)變曲線：材料科學(xué)研究，應(yīng)變硬化行為研究。41第一節(jié) 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線各種拉伸曲線銅合金 陶瓷 高錳鋼 純銅 鋼絲42第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)一、彈性變形的

14、本質(zhì)定義：彈性變形外力去處后，變形消失而恢復(fù)原狀。特點(diǎn)：彈性變形有可逆性。應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系：金屬、陶瓷、結(jié)晶態(tài)高分子 彈性變形量較小，應(yīng)力和應(yīng)變呈單值線性關(guān)系。橡膠態(tài)的高分子 彈性變形量較大，應(yīng)力和應(yīng)變之間呈非線性。43第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形的本質(zhì)：概括說來，構(gòu)成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。晶體材料處于晶格結(jié)點(diǎn)的原子（或離子）在力的作用下，在其平衡位置附近產(chǎn)生的微小位移。橡膠類材料呈卷曲狀的分子鏈在力的作用下通過鏈段的運(yùn)動沿著受力方向產(chǎn)生的伸展。44P = m n第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)2A Br rA、B、m、n分別為與原子本性和晶格類型有關(guān)的常數(shù)。

15、雙原子模型45彈性狀態(tài)下的斷裂載荷F P = F m n = 0+46第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形過程其實(shí)就是，外力(F)與原子間引力(A / r m)、斥力(B / r n)的平衡過程。A Br rn m47二、彈性模量1 定義：第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)廣義虎克定律泊松比伸時(shí)的楊氏模量（彈性模量，彈性系數(shù)，彈性模數(shù)）和剪切時(shí)的切變模量。當(dāng)應(yīng)力為兩向或三向時(shí)？=E =G E和G分別為拉第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)2 工程意義：表征材料對彈性變形的抗力， 即材料的剛度。E越大，相同應(yīng)力下產(chǎn)生彈性變形越小。在工程設(shè)計(jì)中，為保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過量的彈性變形，都要考慮結(jié)構(gòu)材料的這一重要力學(xué)性能指標(biāo)。

16、48第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)零件的剛度：具體零件抵抗變形的能力，除了與零件的截面尺寸與形狀以及加載方式有關(guān)外，還和構(gòu)成零件的材料的剛度有關(guān)。當(dāng)零件的剛度不夠怎么辦？減小長度、增加截面尺寸或改變截面形狀。但是，當(dāng)零件的形狀尺寸一定時(shí)，零件的剛度不夠就只能改變材料了。49/，第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)3 比模量（比剛度）材料的比模量：彈性模量/密度載荷形式：拉伸時(shí)E/，懸臂梁時(shí)E1/21/3既要?jiǎng)偠群?，又要重量輕時(shí)，用此指標(biāo)。例如選擇空間飛行器材料等。50材料密度3(g/cm)彈性模量E(GPa)E/1/2E/1/3E/CFRP，58單向碳纖維在環(huán)氧樹脂中1.518912693.8GFRP，50

17、單向玻璃纖維在聚酯中2.048243.51.8高強(qiáng)度鋼7.8207271.80.76鋁合金2.871253.01.551第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)4 剛度的重要性：許多情況下，對材料剛度的要求在性能上是第一重要的，在設(shè)計(jì)時(shí)剛度要求的零件尺寸會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于強(qiáng)度要求的尺寸，為什么？舉例： 精密機(jī)床的主軸如果不具有足夠的剛度，就不能保證零件的加工精度。如果汽車的曲軸彎曲剛度不足，就會影響活塞、連桿及軸承等重要零件的正常工作。52第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)三、影響彈性模量的因素1 鍵合方式 離子鍵和共價(jià)鍵 金屬鍵 分子鍵2 原子結(jié)構(gòu) 金屬鍵結(jié)合的材料E還和原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。原子半徑越

18、大，E越小。 E = k/r m m13 晶體結(jié)構(gòu) 單晶體E為各向異性，原子排列最密的晶向E大，反之較小。多晶體材料E表現(xiàn)為各向同性，非晶體材料E是各向同性的。5354第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)4 化學(xué)成分化學(xué)成分的變化如果引起了原子間距或鍵合方式的變化，E 將改變。一般來說，合金的微小成分變化對E的影響不大（碳鋼和合金鋼），但當(dāng)?shù)诙?qiáng)化相的量較大時(shí)，E會有一定影響（鋁中加入鎳、硅）。純鋁65GPa鋁鎳硅合金93.8GPa第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)5 微觀組織作為結(jié)構(gòu)材料使用的大多數(shù)金屬材料，E是組織結(jié)構(gòu)不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。但是，陶瓷則不同，E一般通過實(shí)際測得，隨著氣孔率的上升而下降。 高分

19、子材料的E可通過添加增強(qiáng)性填料而提高。復(fù)合材料的E由組成相的彈性模量和組成相的體積分?jǐn)?shù)共同決定。55第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)Eeff=E0(1 p)1+2.5pp為孔隙率孔隙率對陶瓷材料彈性模量的影響5657第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)復(fù)合材料58第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)6 溫度溫度變化會引起相變和力學(xué)狀態(tài)改變 （高分子材料，玻璃態(tài)橡膠態(tài)粘流態(tài)）， E會顯著改變。對金屬和陶瓷，無相變時(shí)，溫度升高，E減小。對橡膠態(tài)高分子材料，溫度升高，E略有升高。5960第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)ET關(guān)系圖第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)7 加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間金屬和陶瓷對加載方式和持續(xù)

20、時(shí)間不敏感，陶瓷的壓縮彈性模量大于拉伸。但對高分子材料，E隨負(fù)荷持續(xù)時(shí)間延長而減小，松弛模量。因此高分子聚合物的彈性模數(shù)常用加載一段時(shí)間后的數(shù)值量E(t)表示。6162第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)四、比例極限與彈性極限比例極限是保證材料的彈性變形按正比 關(guān)系變化的最大應(yīng)力，即在拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上開始偏離直線時(shí)的應(yīng)力值，其表達(dá)式為：A 0Fp p =第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)OE：彈性段E點(diǎn)：彈性極限 e過E：塑性變形彈性變形塑性變形斷裂A點(diǎn)：上屈服點(diǎn)C點(diǎn)：下屈服點(diǎn)CD：屈服。屈服強(qiáng)度 sDB：形變強(qiáng)化B點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度 bK點(diǎn)：斷裂。斷裂強(qiáng)度 k無屈服平臺時(shí)，取0.2%變形量時(shí)的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度63屈

21、服階段均勻塑性變形階段頸縮斷裂階段（集中塑性變形斷裂段）64第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)彈性極限是材料由彈性變形過渡到彈塑性變形時(shí)的應(yīng)力，應(yīng)力超過彈性極限以后，材料便開始塑性變形，其表達(dá)式為：A0Fee =第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)比例極限和彈性極限的工程意義對于要求服役時(shí)其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系嚴(yán)格遵守線性關(guān)系的機(jī)件，如測力計(jì)彈簧，是依靠彈性變形的應(yīng)力正比與應(yīng)變的關(guān)系顯示載荷大小的，則應(yīng)以比例極限作為選擇材料的依據(jù)；對于服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機(jī)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按彈性極限來選擇材料。65第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)實(shí)際測量時(shí)，以發(fā)生非比例伸長值達(dá)到原始標(biāo)距長度一定的百分比定義比例極限，將非比例伸長值以下角注形式給出。如 p0.01 ， p0.05 表示非比例伸長量為0.01和0.05。66第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)實(shí)際測量時(shí)，以發(fā)生殘留變形（即塑性變形）值達(dá)到原始標(biāo)距長度一定的百分比定義彈性極限，將殘留變形值以下角注形式給出。 如 e0.01 ， e0.05 表示殘留變形量為0.01和0.05。67第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)e五、彈性比功1.定義：彈性比功是材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力。用材料彈性變形達(dá)到彈性極限時(shí)單