材料的力学性能

材料的力学性能材料与材料力学性能概述•材料概述：•材料作为一门大型基础学科，内容涉及广泛，材料加工工程专业的学生不仅要了解、掌握金属材料，还需要了解非金属材料的力学性能，这对以后大家的学习、就业和工作等方面都是大有益处的。材料的力学性能概念：是关于材料强度的一门学科，即是关于材料在外加载荷（外力）作用下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现的变形、损伤与断裂的行为规律，及其物理本质和评定方法的学科。材料的力学性能常用材料的力学性能指标来表述。材料力学性能指标：是材料在载荷和环境因素作用下抵抗变形与断裂的量化因子，是评定材料质量的主要依据，是结构设计时选材的依据。由于一般情况下材料或构件的承载条件用各种力学参量表示，于是人们常把参量的临界值或规定值称为力学性能指标。材料力学性能指标•弹性、强度、塑性、韧性、硬度、耐磨性、缺口敏感性、裂纹扩展速率、寿命等等。第一章材料单向拉伸力学性能1.引言2．拉伸试验3．脆性材料的拉伸曲线与拉伸性能4.引言5．弹性变形6．弹性极限与弹性比功7．弹性不完善性8．脆性断裂9．理论断裂强度和脆断强度理论10．延性断裂第二章材料在其他静载下的力学性能以及硬度•1．引言2．扭转试验3．弯曲试验4．压缩试验5．剪切试验6．布氏硬度7．洛氏硬度8．维氏硬度9．显微硬度第三章材料的冲击韧性与低温脆性•1．前言2．切口冲击韧性3．低温脆性4．脆性—韧性转变第四章断裂韧性•1引言2裂纹的应力分析3裂纹扩展力或裂纹扩展的能量释放率4平面应变断裂韧性5裂纹尖端塑性区*6平面应变断裂韧性KIC的测定7断裂韧性的工程应用第五章金属的疲劳•1引言2金属在对称循环应力下的疲劳3非对称循环应力下的疲劳4疲劳切口敏感度5疲劳失效过程和机制6应变疲劳7疲劳裂纹形成寿命的预测*8疲劳裂纹扩展速率及门槛值9疲劳延寿技术第六章材料的磨损•1引言2摩擦及磨损的概念3磨损试验方法4磨损机制及影响因素5接触疲劳第七章金属在高温下的力学行为•1引言2金属的高温拉伸性能3蠕变极限与持久强度4蠕变过程中合金组织的变化及变形和断裂机制5应力松弛6金属在高温下的疲劳行为第八章应力腐蚀与氢脆•1引言2应力腐蚀断裂3氢脆4腐蚀疲劳•第九章高分子材料的力学行为1引言2线性非晶态高分子材料的力学行为3结晶高分子材料的力学行为4高分子材料的粘弹性5高分子材料的强度6高分子材料的的断裂韧性7高分子材料的的疲劳A(2学时)10第十章陶瓷材料的力学行为•1引言2陶瓷材料的拉伸性能3陶瓷材料的切口强度4陶瓷材料的韧性5陶瓷材料的疲劳6陶瓷材料的抗热震性第十一章复合材料的力学行为•1引言2研究单向连续纤维增强复合材料力学性能的基本假设3代表性体元4复合材料的纵向力学性能5复合材料的横向力学性能6复合材料的面内剪切弹性模量7短纤维复合材料的力学性能8复合材料的断裂、冲击与疲劳性能特点实验教学内容与学时分配•1）材料拉伸性能与断口形貌观测：测定几种常用塑性与脆性材料的拉伸曲线及相关性能指标，并分析宏观断口形貌；•2）材料压缩性能与试样形貌观测：测定几种常用塑性与脆性材料的压缩曲线及相关性能指标，并观测分析试样形貌；•3）宏观与微观断口形貌观测：了解断口样品的制作过程，观察各种典型断口的宏、微观形貌，分析比较其各自特征。关于材料力学性能的参考书：•[1]高建明主编.材料力学性能[M].武汉:武汉理工大学出版社,2004.•[2]石德珂,金志浩主编.材料力学性能[M].西安:西安交通大学出版社,1998.•[3]刘瑞堂主编.工程材料力学性能[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2001.•[4]陈楷主编.陶瓷材料物理性能[M].北京:中国建筑工业出版社,1980.•[5]吴振铎主编.无机材料物理性能[M].北京:清华大学出版社,1992.学时安排•48学时，其中讲课40学时，实验6学时，考试2学时。第1章材料在静载下的力学行为1.1材料在静拉伸时的力学行为概述静拉伸是材料力学性能试验中最基本的试验方法。用静拉伸试验得到的应力－应变曲线，可以求出许多重要性能指标。如弹性模量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，特别是抗拉强度和弯曲疲劳强度有一定的比例关系，这就进一步为零件在交变载荷下使用提供参考；而材料的塑性，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。几种典型材料在温室下的应力－应变曲线图1－1几种典型材料在温室下的应力－应变曲线•图1-1表示不同类型材料的几种典型的拉伸应力－应变曲线。可见，它们的差别是很大的。对退火的低碳钢，在拉伸的应力-应变曲线上，出现平台，即在应力不增加的情况下材料可继续变形，这一平台称为屈服平台，平台的延伸长度随钢的含碳量增加而减少，当含碳量增至0.6%以上，平台消失，这种类型见图1-1a；•对多数塑性金属材料，其拉伸应力-应变曲线如图1-1b所示，该图所绘的虽是一铝镁合金，但铜合金，中碳合金结构钢(经淬火及中高温回火处理)也是如此，与图1-1a不同的是，材料由弹性变形连续过渡到塑性变形，塑性变形时没有锯齿形平台，而变形时总伴随着加工硬化；对高分子材料，象聚氯乙烯，在拉伸开始时应力和应变不成直线关系，见图1-1c，即不服从虎克定律，而且变形表现为粘弹性。图1-1d为苏打石灰玻璃的应力-应变曲线，只显示弹性变形，没有塑性变形立即断裂，这是完全脆断的情形。工程结构陶瓷材料象Al2O3，SiC等均属这种情况，淬火态的高碳钢、普通灰铸铁也属这种情况。1.2金属材料的弹性变形•弹性的定义：是指材料在外力作用下保持固有形状和尺寸的能力，在外力去除后恢复固有形状和尺寸的能力。弹性模量E、剪切模量G、比例极限和弹性极限等。1.2.1广义虎克定律已知在单向应力状态下应力和应变的关系为：一般应力状态下各向同性材料的广义虎克定律为：•其中：•如用主应力状态表示广义虎克定律,则有1.2.2弹性模量的技术意义•工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。在机械设计中，有时刚度是第一位的。精密机床的主轴如果不具有足够的刚度，就不能保证零件的加工精度。若汽车拖拉机中的曲轴弯曲刚度不足，就会影响活塞、连杆及轴承等重要零件的正常工作；若扭转刚度不足，则可能会产生强烈的扭转振动。曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后作强度校核。通常由刚度决定的尺寸远大于按强度计算的尺寸。所以，曲轴只有在个别情况下，才从轴颈到曲柄的过渡园角处发生断裂，这一般是制造工艺不当所致。•不同类型的材料，其弹性模量可以差别很大，因而在给定载荷下，产生的弹性挠曲变形也就会相差悬殊。材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点(金属的弹性模量是一个结构不敏感的性能指标，而高分子和陶瓷材料的弹性模量则对结构与组织很敏感)。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。•从大的范围说，材料的弹性模量首先决定于结合键。共价键结合的材料弹性模量最高，所以象SiC，Si3N4陶瓷材料和碳纤维的复合材料有很高的弹性模量。而主要依靠分子键结合的高分子，由于键力弱其弹性模量最低。金属键有较强的键力，材料容易塑性变形，其弹性模量适中，但由于各种金属原子结合力的不同，也会有很大的差别，例如铁(钢)的弹性模量为210GPa，是铝(铝合金)的三倍(EAl≈70GPa)，而钨的弹性模量又是铁的两倍(Ew≈420GPa)。弹性模量是和材料的熔点成正比的，越是难熔的材料弹性模量也越高。•材料弹性变形的应用实例：•弓弩、能弹射弹丸的弹弓、弹簧秤及琴瑟（se）、钟鼓等各种乐器中的簧片，都是利用材料弹性的例子。1.2.3弹性比功•又称弹性比能、应变比能，表示材料吸收弹性变形功的能力•对于弹簧零件来说，不管弹簧的形状如何（是螺旋弹簧还是板弹簧），也不管弹簧的受力方式如何（是拉压还是弯扭），都要求其在弹性范围内（弹性极限以下）有尽可能高的弹性比功。弹性比功为应力－应变曲线下弹性范围内所吸收的变形功，即：•弹性比功•式中σe为材料的弹性极限，它表示材料发生弹性变性的极限抗力。理论上弹性极限的测定应该是通过不断加载与卸载，直到能使变形完全恢复的极限载荷。实际上在测定弹性极限时是以规定某一少量的残留变形(如0.01%)为标准，对应此残留变形的应力即为弹性极限。•弹性模量是材料的刚度性能，材料的成分与热处理对它影响不大；而弹性极限是材料的强度性能，改变材料的成分与热处理能显著提高材料的弹性极限。这里附带说明，材料的弹性极限规定的残留变形量比一般的屈服强度更小，是对组织更敏感的性能指标，如它对内应力、钢中残留奥氏体、自由铁素体和贝氏体等能灵敏地反映出材料内部组织的变化。1.2.4滞弹性（二次）•理想的弹性体其弹性变形速度是很快的，相当于声音在弹性体中的传播速度。因此，在加载时可认为变形立即达到应力-应变曲线上的相应值，卸载时也立即恢复原状，图上的加载与卸载应在同一直线上，也就是说应变与应力始终保持同步。但是，在实际材料中有应变落后于应力现象，这种现象叫做滞弹性。•在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生的附加弹性应变的现象，称为滞弹性。•对于多数金属材料，如果不是在微应变范围内精密测量，其滞弹性不是十分明显，而有少数金属特别象铸铁、高铬不锈钢则有明显的滞弹性。例如普通灰铸铁在拉伸时，其在弹性变形范围内应力和应变并不遵循直线AC关系(参见图1-2)，而是加载时沿着直线ABC，在卸载时不是沿着原途径，而是沿着CDA恢复原状。•加载时试样储存的变形功为ABCE，卸载时释放的弹性变形能为ADCE，这样在加载与卸载的循环中，试样储存的弹性能为ABCDA，即图中阴影线面积。这个滞后环面积虽然很小，但在工程上对一些产生振动的零件却很重要，它可以减小振动，使振动幅度很快地衰减下来，正是因为铸铁有此特性，故常被用来制作机床床身和内燃机的支座。•滞弹性也有不好的一面，如在精密仪表中的弹簧、油压表或气压表的测力弹簧，要求弹簧薄膜的弹性变形能灵敏地反映出油压或气压的变化，因此不允许材料有显著的滞弹性。•对于追求音响效果的元件如：音叉、钟等希望声音持久不衰，即振动的延续时间长久，则必须使循环韧性尽可能的小。•对于高分子材料，滞弹性表现为粘弹性并成为材料的普遍特性，此时高分子的力学性能都与时间有关了，其应变不再是应力的单值函数也与时间有关。高分子材料的粘弹性主要是由于大的分子量使应变对应力的响应较慢所致。弹性滞后环的类型•由于实际金属具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时，由于应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后环（图a）。•如果施加交变载荷，且最大应力低于宏观弹性极限，加载速率比较大，则也得到弹性滞后环（图b）。•如果交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限，就会得到塑性滞后环（图c）。1.2.5金属的循环韧性•定义：•金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功的能力，也称为金属的内耗或消振性。•意义：•循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。1.2.6包辛格效应及其使用意义•包辛格效应就是指原先经过微量塑性变形，然后再同向加载，使弹性极限升高，反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象，如图1－3所示。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。•包辛格效应在理论上和实际上都有其重要意义。在理论上由于它是金属变形时长程内应力的度量（长程内应力的大小可用X光方法测量），包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制。在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。•包辛格效应一般可用第二类内应力的作用来解释，在一定拉力P约等于Pe作用下，多晶体金属由于各晶粒取向不同，只有在软取向晶粒上产生塑性变形，而相邻硬取向的晶粒处于弹性