材料力學性能01

1、材料力學性能哈爾濱工業(yè)大學材料學院朱景川材料科學與工程的四要素 使用性能制備合成/加工工藝成分/組織結(jié)構(gòu)材料性能一、課程內(nèi)涵與意義晶粒形貌Al-Si合金純鋁錠組織1 基本概念 組織與結(jié)構(gòu)高分辯電鏡觀察硅晶體原子排列注意：結(jié)構(gòu)的尺度！不同尺度的材料組織結(jié)構(gòu)1 基本概念 理論力學一、課程內(nèi)涵與意義力力的平衡運動力學響應(yīng)物體平動轉(zhuǎn)動質(zhì)點系剛體1 基本概念 材料力學一、課程內(nèi)涵與意義力變形斷裂力學響應(yīng)物體變形體(連續(xù)介質(zhì))應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系1 基本概念 材料力學性能一、課程內(nèi)涵與意義力變形斷裂力學響應(yīng)材料非連續(xù)介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系微觀 過程或 機制1 基本概念 應(yīng)力與應(yīng)變一、課程內(nèi)涵與意義 T (bold)

2、or Tijkl （下標階數(shù)） 張量符號 階數(shù)m 分量數(shù) 3m 物理量示例T Scalar 0(標量) 30=1 rTi Vector 1(矢量) 31=3 Ei , Pi Tij 2階張量 2 32=9 sij Tijk 3階張量 3 33=27 dijk Tijkl 4階張量 4 34=81 Cijkl 物理量的種類及其張量表示應(yīng)力張量（Tensor） xx xy xz ij = yx yy yx zx zy zz 法向應(yīng)力導(dǎo)致材料的伸長或縮短切向應(yīng)力引起材料的切向畸變根據(jù)剪切應(yīng)力互等的原理可知：xy=yx， 某點的應(yīng)力狀態(tài)由6個應(yīng)力分量來決定應(yīng)變張量 xx xy xz ij = yx y

3、y yx zx zy zz 其中xy=yx，應(yīng)變也由6個獨立分量決定受力體一點的應(yīng)力狀態(tài)主平面與主應(yīng)力狀態(tài)：123力學描述用任意相互垂直的三個平面截取P點，以截面法向為正方向建立笛卡爾坐標系，得到三個截面上的應(yīng)力分布的組合應(yīng)力張量。以此為基礎(chǔ)，可以求得這個坐標系下任意其他截面上的應(yīng)力分布。數(shù)學描述任意給定一組基后，可以用坐標描述截面位置（方向余弦列向量）及截面應(yīng)力（應(yīng)力分量列向量）。在這組基下，存在一個線性變換，將截面位置映射到截面應(yīng)力。應(yīng)力張量的本質(zhì)同一點的應(yīng)力張量是相似矩陣，并且可以對角化。 應(yīng)力張量代表一個線性變換！ 張量與材料物理性質(zhì)各向異性介質(zhì)中兩個相互作用的矢量之間的線性比例系數(shù)為

4、二階張量，如介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等；各向異性介質(zhì)中如果一個矢量與一個二階張量存在線性關(guān)系，其比例系數(shù)為三階張量,如壓電系數(shù)： 壓電極化強度 Pi=dijkjk各向異性介質(zhì)中如果兩個二階張量存在線性關(guān)系，其比例系數(shù)為四階張量。 ij=cijklkl1 基本概念 力學行為一、課程內(nèi)涵與意義不同材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系材料基本力學行為：彈性變形、塑性變形、斷裂1 基本概念 力學性能指標一、課程內(nèi)涵與意義力學行為變化臨界點1 基本概念 材料與構(gòu)件的失效一、課程內(nèi)涵與意義力變形斷裂力學響應(yīng)材料非連續(xù)介質(zhì)失效失效判據(jù)零件失效形式2.材料力學性能的重要性沉淀硬化不銹鋼鍛件存放過程中開裂沉淀硬化不銹鋼鍛件存放

5、過程中開裂(參見“應(yīng)力腐蝕”動畫)1981年4月12日：第一架航天飛機 “哥倫比亞”號首發(fā)成功1986年1月28日：第二架航天飛機 “挑戰(zhàn)者”號發(fā)射升空中爆炸失事2003年2月1日： “哥倫比亞”號航天飛機降落時爆炸解體 美航天飛機的失事與新一代空天飛機計劃二、教學目的 (1)熟悉材料在各種應(yīng)力狀態(tài)和不同環(huán)境因素下的變形斷裂行為及其微觀機制； (2)掌握各種力學性能指標的物理本質(zhì)、測試方法與應(yīng)用，并進一步理解材料力學性能與微觀組織結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系； (3)了解正確評價與改善材料力學性能的方法與途徑。 三、先修課程 (1)材料力學： 應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、彈性變形與本構(gòu)關(guān)系、強度理論等。 (2)材料科

6、學基礎(chǔ)： 晶體學、晶體缺陷、位錯理論、變形與再結(jié)晶等。材料力學性能力學行為與物理本質(zhì)力學性能指標與應(yīng)用與環(huán)境相關(guān)的力學行為：疲勞、蠕變、磨損、應(yīng)力腐蝕等基本力學行為(簡單加載)：彈性變形、塑性變形、斷裂韌性：斷裂抗力強度：變形抗力塑性：彈性：變形能力強度設(shè)計、剛度設(shè)計、斷裂設(shè)計、壽命評估、失效判據(jù)等四、教學內(nèi)容及要求(1)理論與實驗相結(jié)合：五、教學與學習方法宏觀強度理論微觀強度理論斷裂力學理論應(yīng)力狀態(tài)變形行為斷裂行為變形判據(jù)斷裂判據(jù)力學響應(yīng)微觀機制材料構(gòu)件純鈦多晶體拉伸變形過程晶體塑性有限元模擬(2)宏觀與微觀相結(jié)合：準靜載力學響應(yīng)材料構(gòu)件(3)靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合：動載準靜載力學行為動載力學行為

7、注意力學行為的發(fā)展、演化、歷程！例1：靜力韌度與材料的強韌性配合A:高強度、低塑性、低韌性B:低強度、高塑性、低韌性C:中強度、中塑性、高韌性(4)教學與科研相結(jié)合：材料與狀態(tài)b（MPa）s（MPa）（%）（%）b(MPa%)30CrMnSi新工藝1205918049.62720022新工藝21736170712.43921521傳統(tǒng)工藝113793010451136360Si2Mn新工藝1225918976.2914119新工藝21721164910.63118360傳統(tǒng)工藝165515707.91307540SiMnCrNiMoV新工藝1239419507.22517237新工藝21892

8、1517192235494傳統(tǒng)工藝189015878201568730CrMnSiNi2A新工藝11948177312.243.023766新工藝21644154617.442.828626傳統(tǒng)工藝152012688.212464低合金超高強度鋼不同熱處理狀態(tài)的強韌性配合例2：多晶體塑性變形行為多晶體塑性變形機制：位錯晶界塞積應(yīng)力集中促使相鄰晶粒位錯開動，塑性變形得以傳播。例：雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機制之一 晶粒取向變化試樣II：拉伸變形4.2% 晶體取向：部分晶體取向發(fā)生演化。試樣II上標記圓環(huán)區(qū)域變形前后的晶體取向成像圖(a)變形前 ；(b)變形后矩形框內(nèi)晶粒晶體取向演化 (a),(c

9、)變形前；(b),(d)變形后雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機制之二 滑移系的開動試樣I(2.4%)：滑移開動不均，滑移穿過,協(xié)調(diào)變形試樣I(2.4%)上滑移系的開動及滑移線的形貌和分布Grain No.12345678Basal SF0.10.30.20.30.050.150.050.150.050.180.150.20.10.20.470.5Prism. SF0.420.460.450.480.450.50.400.470.430.470.420.450.430.470.150.2某些選定a晶粒的Schmid因子雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機制之二 滑移系的開動試樣II(4.2%)：多滑移系開動

10、，協(xié)調(diào)變形變形量為4.2%時滑移系的開動及滑移線的形貌和分布某些選定a晶粒的Schmid因子Grain No.1234Basal SF0.380.430.420.480.350.420.450.50Prism. SF0.300.450.280.330.300.400.200.25(5)PPT與板書相結(jié)合： (1)毛為民、朱景川等，金屬材料結(jié)構(gòu)與性能，清華大學出版社，2008 (2)王吉會、鄭俊萍等，材料力學性能，天津大學出版社，2006 (3)周益春、鄭學軍，材料的宏微觀力學性能，高等教育出版社，2009 (4)鄭修麟，材料的力學性能，西工大出版社，2005第二版 (5)王德尊，金屬力學性能，

11、哈工大出版社，1993五、教材與參考書第一章 材料靜載力學性能試驗S1-1 拉伸試驗與拉伸曲線1.拉伸試驗條件：光滑試樣、軸向(準)靜載拉 伸 試 樣1)圓形截面2)矩形截面l0=10d0l0= 5d0l0tb或不同材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系示意圖2.拉伸曲線:P-L或-L或P或低碳鋼拉伸曲線線彈性階段冷作硬化頸縮階段強化階段屈服階段3.典型材料拉伸曲線:無明顯屈服的塑性材料拉伸曲線晶態(tài)聚合物材料拉伸曲線S1-2 拉伸性能指標1.彈性模量：E第一章 材料靜載力學性能試驗(1)比例極限 比例極限p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的應(yīng)力值，其表達式為:式

12、中：FP為比例極限對應(yīng)的試驗力，A0為試棒的原始截面面積。2.強度：p、e、s、b(2)彈性極限 彈性極限e是材料由彈性變形過渡到彈塑性變形時的應(yīng)力，應(yīng)力超過彈性極限以后，材料便開始產(chǎn)生塑性變形。其表達式為：式中：Fe為彈性極限時對應(yīng)的試驗力，Ao為試棒的原始截面面積。(3)比例極限與彈性極限的意義p、e是理論上的物理定義，在實際使用中，很難測出準確而唯一的比例極限和彈性極限數(shù)值。為便于實際測量和應(yīng)用，應(yīng)以發(fā)生非比例伸長值作定義，故p在國家標準中稱為“規(guī)定非比例伸長應(yīng)力”。 例如: 以 p0.01表示非比例伸長率達0.01%時的應(yīng)力。比例極限和彈性極限與屈服強度的概念基本相同，都表示材料對微量塑性變形的抗力，影響它們的因素基本相同。p、e的工程意義是：對于要求服役時其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系嚴格遵守線性關(guān)系的機件，如測力計彈簧，是依靠彈性變形的應(yīng)力正比于應(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件，設(shè)計時應(yīng)按彈性極限來選擇材料。因此彈簧稱有稱量范圍的限制(4)屈服強度 對于沒有明顯屈服階段的塑性材料，用名義屈服