材料力学性能1-2013.3

第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1981年4月12日：第一架航天飞机“哥伦比亚”号首发成功1986年1月28日：第二架航天飞机“挑战者”号发射升空中爆炸失事仅仅1分12秒就爆炸了2003年2月1日：“哥伦比亚”号航天飞机降落时爆炸解体美航天飞机的失事与新一代空天飞机计划第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能绪言§0.1材料的性能与材料的力学性能§0.2本课程的研究内容§0.3学习本课程的目的§0.4教材内容及参考书§0.5本课程学习注意问题第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能§0.1材料的性能与材料的力学性能一、材料的种类按物理化学属性分：金属材料；无机非金属材料；有机高分子出来；复合材料。按用途分：结构材料；功能材料。结构材料是以力学性能为基础，制造受力构件所用的材料。功能材料主要是利用物质独特的物理、化学性质或生物功能等形成的一类材料。第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能二、材料的性能物理性能：热学性能、光学性能、电学性能、磁性性能，等；化学性能：耐腐蚀性、高温抗氧化性、抗老化性、降解性，等；力学性能：弹性、塑性、硬度、韧性，等；工艺性能：铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性，等；生物性能：生物反应性、生物相容性，等。第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能三、材料的力学性能1、定义材料在外加载荷作用下，或者在载荷与环境因素的联合作用下表现出的力学行为。宏观上一般表现为材料的变形和断裂。第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能2、力学性能的指标弹性、塑性、强度、硬度、寿命、韧性等。(1)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。(2)塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力．(3)强度:是材料对变形和断裂的抗力。(4)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。第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能内部因素————材质因素。(1)成分：化学元素种类及含量。(2)组织结构：各元素原子组成的方式；内部的缺陷、残余应力等3、影响材料力学性能的主要因素外部因素————（载荷与环境因素）：(1)加载速度（静、冲击、交变……）(2)加载方式即应力状态(拉、压、弯、扭等)(3)温度(4)环境介质第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能§0.2本课程的研究内容主要研究在力或力和其它外界因素（温度、介质和加载速率）的共同作用下材料发生变形和断裂的本质及其基本规律，即：①力学过程的微观本质和宏观规律；②研究各种力学性能指标的物理技术意义以及内在因素和外在条件对它们的影响及变化规律。第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能材料力学性能力学行为与物理本质力学性能指标与应用与环境相关的力学行为：疲劳、蠕变、磨损、应力腐蚀等基本力学行为(简单加载)：弹性变形、塑性变形、断裂韧性：断裂抗力强度：变形抗力塑性：弹性：变形能力强度设计、刚度设计、断裂设计、寿命评估、失效判据等第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能3研究方法(1)试验：(2)理论:宏观强度理论微观强度理论断裂力学(3)计算机模拟:第一性原理分子动力学有限元第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能具体：1、材料的弹性、塑性、屈服与硬化、断裂、硬度、疲劳、蠕变等力学性能指标的物理含义、微观机理（结构与状态）；2、影响材料力学性能的主要因素，以及提高其性能所采取的措施；3、材料力学性能的测试技术第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能§0.3学习本课程的目的1、掌握材料的力学性能及其变化规律；2、了解材料力学性能的微观机理；3、能正确地选用材料；4、具有研究开发新型结构材料的能力。第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章：材料在单向静拉伸载荷下的力学性能第二章：材料在其它静载荷下的力学性能第三章：材料在冲击载荷下的力学性能第四章：材料的断裂韧性第五章：材料的疲劳第六章：材料的应力腐蚀和氢脆断裂第七章：材料的磨损和接触疲劳第八章：材料的高温力学性能教学内容§0.4教材内容及参考书第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能学习方法(1)理论与实验相结合：(2)宏观与微观相结合:(3)静态与动态相结合:教材与参考书(1)毛为民、朱景川等，金属材料结构与性能，清华大学出版社，2008(2)周益春、郑学军，材料的宏微观力学性能，高等教育出版社，2009(3)石德珂、金志浩，材料力学性能，西安交大出版社，1998(4)郑修麟，材料的力学性能，西工大出版社，2005第二版(5)王德尊，金属力学性能，哈工大出版社，1993第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能参考书1.高建明材料力学性能，武汉理工大版20042.郑修麟材料的力学性能，西北工大版20013.匡震邦材料的力学行为，高教版19984.冯端金属物理学（第三卷金属力学性能），科学版19995.张清纯陶瓷材料的力学性能，科学版19876.吴人洁复合材料，天津大版20007.Courtney,ThomasH.MechanicalBehaviorofMaterials,机工版2004第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能§0.5本课程学习注意问题预备知识：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。某些力学性指能标根据理论考虑定义,而更多指标则按工程实用要求定义。重视实验:通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又可掌握测试技术，了解测试设备，进一步理解所测力学性能指标的物理与实用意义。做些练习:加深理解――巩固所学的知识。第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能拉伸试样1)圆形截面2)矩形截面l0=10d0l0=5d0l0tb003.11Al0065.5Al或第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能0mFmSR0eFeSR100100%LLLA010100%AAAZ低碳钢拉伸曲线线弹性阶段冷作硬化颈缩阶段强化阶段屈服阶段第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能无明显屈服的塑性材料拉伸曲线第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能树脂材料拉伸曲线第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能单向应力、静拉伸§1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线拉伸力-伸长曲线：F-ΔL曲线应力-应变曲线：σ-ε曲线第一章: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横坐标：ΔL、ε纵坐标：F、σσ=F/A0ε=ΔL/L0=(L-L0)/L0第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能将拉伸力-伸长曲线的横、纵坐标分别用拉伸试样的原始标距长度L0和原始截面积A0去除，则得到应力—应变曲线，称为工程应力—应变曲线。由此可建立金属材料在静拉伸条件下的力学性能指标。第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能低碳钢的拉伸力-伸长曲线低碳钢的应力-应变曲线第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能在拉伸过程中，试样的截面积和长度随着拉伸力的增大是不断变化的，工程应力-应变曲线并不能反映实验过程中的真实情况。真实应力：S=F/A（A-材料受力后的真实面积）真实应变：e=ln[(L0+ΔL)/L0]=ln(1+ɛ)真实应力—应变曲线第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能材料的受力形变形变：各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化1.应力：单位面积上所受的内力σ=F/A(1.1)F为外力，A为面积，σ为应力－－真实应力若材料受力前的初始面积为A0，则σ0=F/A0为名义应力对于形变总量很小的无机材料，二者数值相差不大，只有在高温蠕变情况下，才有显著的差别。§1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能xyzzxxyyyxxzzyzzyyxxzS围绕材料内部一点P，取一体积单元体积元的六个面均垂直于坐标轴x,y,z。在这六个面上的作用应力可以分解为法向应力xx,yy,zz和剪应力xy,xz,yz等。图1.2应力分量第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能对于图1.2的说明：下脚标的意义：每个面上有一个法向应力和两个剪应力应力分量，的下标第一个字母表示应力作用面的法线方向；第二个字母表示应力的作用方向。方向的规定法向应力的正负号规定：拉应力（张应力）为正，压应力为负。正剪应力负剪应力剪应力的正负号规定：如果体积元任一面上的法向应力与坐标轴的正方向相同，则该面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正，若该面上的法向应力指向坐标轴的负方向，则剪应力指向坐标轴的负方向者为正。第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能应力间存在以下关系：根据平衡条件，体积元上相对的两个平行平面上的法向应力大小相等，正负一样；体积元上任一平面上的两个剪应力互相垂直。根据剪应力互等定理xy＝yx因而，一点的应力状态由六个应力分量决定xx，yy，zz，xy，yz，zx法向应力引起材料的伸长或缩短，剪应力引起材料的畸变，并使材料发生转动。第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能•应变是用来描述物体内部各质点之间的相对位移的。1．材料的应变方式材料受力的方式不同，发生形变的方式亦不同。对于各向同性材料，有三种基本类型，即简单拉伸、简单剪切和均匀压缩。1）简单拉伸材料受到的外力F是垂直于截面，大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个应力，这时材料的形变称为张应变。三．应变第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能FALoLAo伸长应变：单位长度的伸长。ε=(L－L0)/L0（名义应变）应变用来描述物体内部各质点之间的相对位移。εtrue=dL/L=ln(L/L0)(1.3)LLo若分母不是原来长度L0，而是真实长度L，则真实应变第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能2）简单剪切在剪应力作用下发生剪切形变。当材料受到的力F是与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直线上的两个力时，发生简单剪切，即单剪。在此剪切力作用下，材料将发生偏斜，偏斜角θ的正切定义为剪应变，γ=△l／l0，当切应变很小时，γ≈θ。简单剪切示意图第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能式中V0为初始体积；V为压缩后的体积；△V0为体积变化量。0000/Δ/)-(γVVVVVv==3）均匀压缩在均匀压缩(如液体静压)时，材料受到周围压力p，发生体积形变，体积由V0缩小成V，压缩应变)γv为：附：拉伸试验拉伸试验测定的是材料抵抗静态或缓慢施加的负载的能力。在拉伸试验中，试样的两端固定在夹头上，拉伸机的负载测量仪器安装在试样的一端，应变测量装置安装在试样的另一端，拉伸试验图位伸试验方法示意图拉伸试验图(a);(b)如果计算应力和应变时采用的是试样的原始截面积和原始长度，这个应力-应变曲线又称为工程应力-应变曲线。工程应力应变曲线中的应力值并不是材料实际上受到的应力，而是载荷除以材料原始截面积得到的应力值拉伸试验第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能§1-2弹性变形——弹性变形的力学性能指标一、弹性变形的定义及特点：1、弹性变形的特点：①应力-应变保持直线关系②变形可逆③变形总量较小第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能§1-2弹性变形——弹性变形的力学性能指标2、弹性变形产生的机理：—原子间作用力原子间具有一定间距——原子间距（2r0），也即是原子半径（r0）的两倍（指同类原子）原子间作用力：吸引力、相斥力；且二者均与原子间的相互距离（2r）有关吸引力：原子核中质子(正离子)与其它原子的电子云之间的作用力：F1∝1/r²相斥力：离子之间及电子之间的作用力：F2∝-1/r4第一章:金属在单向静拉伸载荷下的力学性能则有：F=F1+F2=A/r²-Ar0²/r4其中：F1=A/r²为引力项，F2=-Ar0²/r4为斥力项r＞r0时F＞0，为引力，两原子