材料力学性能第一章

Mechanicalpropertiesofmaterials1材料力学性能材料科学与工程学院2材料力学性能（Mechanicalpropertiesofmaterials）引言第一章材料在单向静拉伸载荷下的力学性能第二章材料在其他静载荷下的力学性能第三章材料的冲击载荷下的力学性能第四章材料的断裂韧度第五章材料的疲劳性能第六章材料在环境介质作用下的力学性能第七章材料的耐磨性能第八章材料的高温力学性能3引言材料性能：对材料在一定的外界条件下表现出的行为人为规定的定量评价指标称为材料的性能。包括力学性能、物理性能和化学-电化学性能（腐蚀）。4引言在载荷（拉伸、压缩、扭转、弯曲、剪切、疲劳、磨损）作用下表现出的力学行为有变形、断裂、磨损等；在热、磁、电、光等条件下表现出的物理行为有热膨胀、磁化、导电、折射、反射、干涉等。在外界环境和介质的作用下，材料表面因发生化学或电化学反应而受到破坏的行为－腐蚀性能。5引言材料性能学研究的内容：1）在各种物理、化学、力学刺激作用下，材料的表现行为，即材料各种性能行为的宏观规律；2）用什么样的指标来描述和衡量这些行为表现，即定量化。3）这些行为表现在材料内部的微观机制。4）如何进行材料性能的实际测量，即测试原理，技术，设备，手段等试验技术。6引言学习材料力学性能的用途？评定材料优劣的依据工程设计中选材的依据失效分析的依据为研究新材料、改进新工艺，充分发挥材料性能潜力提供研究依据。7引言举例：泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海1995年2月美国《PopularScience》杂志发表了RGannon的文章，标题是『WhatReallySankTheTitanic』。Titanic号钢板（左图）和现代船用钢板（右图）的冲击试验结果高含硫量8引言1、使用性能：力学性能（强度、塑性、硬度……）材料的力学性能：材料抵抗外加载荷（外力）引起变形和断裂的能力。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。9引言生产过程: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。2、加工性能（可制造性）热加工：铸、锻、焊、热处理……冷加工：车、铣、磨……特种加工：电火花、激光、离子……10引言材料的力学性能指标：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等。内在因素：化学成分、组织结构、残余应力、表面和内部缺陷等。外在因素：载荷性质（静、冲击、交变）、应力状态（拉、压、弯曲、扭转）、温度、环境介质等。影响因素11引言按服役温度分类：低温、常温和高温力学性能。一般以所处温度与材料熔点的相对值为高、低温的分界。按加载速度分类：静态、准静态和动态力学性能。一般以应变速率进行划分材料力学性能的基本分类可由材料的主要服役条件来确定。s/101小于10－1／s为静载性能大于10－1／s为动载性能12引言按服役介质的腐蚀性分类：普通和环境介质下的力学性能。前者通常指在干燥空气介质下，后者则指有腐蚀性的介质下（如腐蚀疲劳、应力腐蚀等）。按应力状态（或加载方式）分类：拉伸、压缩、弯曲、扭转等。如拉伸强度与弯曲强度是不能等同的。13引言描述应力状态的参数：应力状态软性系数：maxmax14引言maxmax一般地，切应力引起塑性变形，使材料发生韧性断裂；正应力则通常引起弹性变形，导致材料产生脆性断裂。从宏观上讲，可以利用不同应力状态中最大切应力与最大正应力的比值来判断在所受加载方式下材料更趋向于哪种变形和断裂。15引言越大，表示应力状态愈软，材料愈易产生塑性变形和韧性断裂。越小，表示应力状态愈硬，材料愈易产生脆性断裂。意义：应力状态软性系数表征了材料在一定应力状态下的变形与断裂倾向。16引言单元六面体上的应力分量zzxzyxxzxyyxyzy17引言可分别由材料力学所给出的第二强度理论和第三强度理论确定：max131()2)(321max1、2、3分别是按大小顺序排列的三个主应力；是泊松比。18第一章材料在单向静拉伸载荷下的力学性能力学性能－研究材料在受载荷过程中变形和断裂的规律。静拉伸试验是材料力学性能试验中最基本的试验方法，也是操作最简单，最直观，宏观规律最明显，数据处理简单且有代表性的试验。19第一章材料在单向静拉伸载荷下的力学性能本章的意义揭示材料在静载下的应力应变关系及常见的三种失效形式（过弹性变形、塑性变形和断裂）的特点和基本规律，评定出材料的基本力学性能指标，如屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。这些性能指标即是材料的工程应用、构件设计和科学研究等方面的计算依据，也是材料的评定和选用以及加工工艺选择的主要依据。20第一章材料在单向静拉伸载荷下的力学性能举例：弹性模量E，主要用于零件的刚度设计中；材料的屈服强度σs和抗拉强度σb则主要用于零件的强度设计中；材料的塑性，断裂前的应变量，主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。21第一章材料在单向静拉伸载荷下的力学性能本章的内容：介绍拉伸性能的物理概念、物理意义及工程意义，讨论材料弹性变形，塑性变形及断裂行为的基本规律及其与材料组织结构的关系，并在此基础上探讨提高材料性能指标的途径和方向。22第一章材料在单向静拉伸载荷下的力学性能第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线第二节弹性变形及其性能指标第三节非理想弹性与内耗第四节塑性变形及其性能指标第五节断裂23第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线一、力—伸长曲线（拉伸图）F-L曲线是静拉伸试验得到的第一手资料。在整个拉伸过程中，x-y记录仪的两个坐标分别记录下力与位移的变化过程。24第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线25第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线设备：多功能材料试验机26第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线虽然载荷和变形曲线作为描述变形过程的参量真实地表现了试件或实物加载变形以至断裂的全过程，但也有明显的不足之处：即试样或被试机件实物的尺寸和形状是各式各样的，载荷是对试件所加的总载荷，变形是加载过程中所测载荷相应的总变形，所以它们不能清楚地说明材料受载的严重程度，不具有可比性；评价材料和进行力学分析时很不方便。27第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线如何规定各种材料的力学性能指标：原则：1可比性；2测量方便。怎样利用上述测定的结果并满足上述原则呢？较好的方法是建立以应力和应变作为描述变形过程参量的应力应变曲线。28第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线二、应力—应变曲线（工程应力—应变曲线）应力—应变曲线力—伸长曲线29比较一下图1和图2，看看有何区别？1形状完全相似；2坐标单位有区别其中，A0、L0－为原始截面积和原始长度。第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线00LLAF30第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线国标GB/T228-2002试样板：l0=5.65A01/2或11.3A01/2圆柱：l0=5d0或l0=10d00000kALLLLβ、γ对于同一材料制成的几何形状相似的试样来说是常数断后伸长率32应力—应变曲线OE：弹性段E点：弹性极限e过E：塑性变形A点：上屈服点C点：下屈服点CD：屈服。屈服强度sDB：形变强化B点：抗拉强度bK点：断裂。弹性变形塑性变形断裂无屈服平台时，取0.2%变形量时的应力为屈服强度屈服阶段均匀塑性变形阶段不均匀集中塑性变形阶段（缩颈）33第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线强度指标：屈服强度：材料产生明显塑性变形时的应力抗拉强度：材料断裂前所能承受的最大应力强度：材料抵抗塑性变形和开裂的能力34塑性指标：“断后伸长率”k：k=(Lk-L0)/L0“断面收缩率”k：k=(A0-Ak)/A0第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线断裂时长度标距断面面积原始面积韧性指标：拉伸曲线的面积。35第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线根据该曲线可以获得材料静拉伸条件下的力学性能指标：比例极限、弹性极限、屈服强度、抗拉强度等强度设计指标，、安全校核指标。36第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线是不是所有材料在室温下的应力-应变曲线或者说是拉伸变形行为都是一样的呢？37第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线38第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线几种典型材料的应力-应变曲线39第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线材料分类：按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。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。高塑性材料在拉伸断裂前①不仅产生均匀的伸长，而且②发生缩颈现象，且③塑性变形量大。低塑性材料在拉伸断裂前只发生均匀伸长，不发生缩颈，且塑性变形量较小。40第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线不同材料或同种材料在不同条件下可有不同形式的应力应变曲线，这主要是由材料的键合方式、化学成分和组织状态等因素决定的。41第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线Tb：脆化温度Tg：玻璃化温度Tf：粘流温度A：玻璃态C：高弹态E：粘流态特点：与温度密切相关举例：高分子的拉伸性能42第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线图高分子的拉伸曲线①应力应变成正比，直至断裂②出现屈服点，随后应力降低③屈服点后试样能发生很大的应变，随后应力上升至断裂④高弹态，无屈服点，在不明显增加应力时，应变变化很大远小于TgT小于TgT接近TgT大于Tg43第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线三、真应力－应变曲线在变形过程中，截面积在减少，而伸长量在增加，所以工程应力和工程应变并非是真实或瞬时应力和应变，在此引入真应力应变曲线。44第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线真应力－应变曲线图45第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线00ln0LLLdLdeeeLL1lnlnln000LLLLLe工程应变和真应变之间的关系：真应变：形变的微分增量为de=dL/L，则试样自L0伸长至L后，总的应变量为：46假设材料的拉伸变形是等体积变化过程，则真应力和工程应力之间就有如下关系：第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线1S真应变总是小于工程应变，真应力总是大于工程应力。真应力：S＝F/A47第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线两曲线形状的对比：在弹性变形阶段，两线基本重合，真实屈服应力和工程屈服应力非常接近，为什么？伸长和截面积变化很小。但在塑性变形阶段，两者之间就出现了显著的差异。48第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线49第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线四、三条曲线的应用1、力－伸长曲线：基本数据－第一手资料。2、工程应力－应变曲线：工程设计和材料选用的依据。在工程应用中，因为多数构件的变形量限制在弹性变形范围内，与真应力应变的区别可以忽略，而且测量和计算简单。3、真应力－应变曲线：材料科学研究，应变硬化行为研究。50第一节力—伸长曲线和应力—应变曲线各种拉伸曲线铜合金陶瓷高锰钢纯铜钢丝51第二节弹性变形及其性能指标52第二节弹性变形及其性能指标一、弹性变形的本质定义：弹性变形－外力去处后，变形消失而恢复原状。特点：弹性变形有可逆性。应力－应变之间的关系：金属、陶瓷、结晶态高分子——弹性变形量较小，应力和应变呈单值线性关系。橡胶态的高分子——弹性变形量较大，应力和应变之间呈非线性。53第二节弹性变形及其性能指标弹性变形的本质：概括说来，构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。晶体材料——处于晶格结点的原子（或离子）在力的作用下，在其平衡位置附近产生的微小位移。橡胶类材料——呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿着受力方向产生的伸展。54第二节弹性变形及其性能指标2双原子模型mnABPrrA、B、m、n分别为与原子本性和晶格类型有关的常数。弹性状态下的断裂载荷55第二节弹性变形及其性能指标弹性变形过程其实就是，外力(F)与原子间引力(A/rm)、斥力(B/rn)的平衡过程。0mnABFPFnmrr56二、弹性模量1定义：E和G分别为拉伸