材料力学性能

材料力学性能沈阳理工大学材料科学与工程学院教师姓名：李永华电话：24686019办公室：CLA323绪论1.材料分类与材料性能2.课程意义3.课程内容与要点4.晶体结构基础知识5.位错理论基础知识6.学习方法7.参考文献1材料分类与材料性能1.1材料的种类类型：金属；无机非金属；高分子材料；复合材料用途：结构材料；功能材料1.2材料的性能力学性能:强度、塑性、韧性等、δ、HB、KIC；物理性能:声、光、电、磁ρ、Tm、Cp、磁导等；化学性能:可燃性、反应性、抗氧化性等；工艺性能:热加工(铸锻焊)、冷加工性能(车铣磨)；生物性能:生物反应性、生物相容性等。1.3材料的力学性能定义材料的力学行为：材料在外加载荷作用下,或在载荷、加载速率和环境因素的联合作用下表现出的行为.材料的力学性能：材料在力作用下,所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能.影响材料力学性能的主要因素内因：晶体学特性;化学成分;显微组织;内部缺陷;残余应力等.外因：温度;周围介质；加载方式;加载速率等.不同外因(即服役工况)时,材料的力学性能将改变.2课程意义工程设计理论力学、材料力学机器零部件设计依据：许用应力[]=s/ns强度校核=N/A[]新材料研发强度、韧性、经济性、工艺性、实用性等失效分析原因分析：力学性能、组织结构、成分等“泰坦尼克”号美国国家技术监督局：遭遇冰山；救生小船不足;连接船体部分的固定铆钉,竟然用掺有矿渣的劣质金属制成.08年初南方暴雪、高铁实际尺寸各异，一般不能实验设备成本限制模拟实际工况受力状态类比试样；比例、规范、标准实验方法结果分析3课程内容与要点3.1内容a)材料的弹性、塑性、屈服与硬化、断裂、硬度、疲劳、蠕变等性能;b)各项力学性能指标的本质、物理含义、微观机理(结构与状态);c)材料力学性能的主要影响因素,提高性能的措施;d)材料力学性能的测试技术3.2课程要点a)金属静力学性能.b)不同加载方式下的力学性能.c)环境对力学性能及其性能指标的影响.d)不同种类材料的力学性能.重视基本概念重视基本计算问题4晶体结构基础知识4.1晶体与非晶体4.1.1、晶体凡原子按一定规律排列的固态物质，称晶体.(如:金刚石、石墨和金属)1）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列.2）固定熔点如铁熔点1538℃.3）晶体性能随原子排列方位而改变，即单晶体具有各向异性.4.1.2、非晶体及其特性(如:塑料、玻璃、沥青)1)内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体;2)无固定熔点；各向同性晶体金刚石、金属等非晶体：蜂蜡、玻璃等4.2晶格、晶胞、晶格常数a)晶格:假设原子刚性球,利用几何线条连接构成空间格架抽象描述晶格中的点称结点.不同方位的原子面称晶面.b)晶胞:晶格的最基本几何单元.c)晶格常数晶胞的棱边长为a、b、c和棱边夹角α、β、γXYZabc晶格常数a，b，c体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等4.3常见金属晶格类型晶格常数：a=b=c；===90面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等晶格常数：a=b=c；===90密排六方晶格hcpMg、Zn等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角905位错理论基础知识5.1位错的基本概念定义:晶体中某处若干列原子有规律的错排.意义:对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起决定性作用.5.2位错的类型根据原子滑移方向和位错线取向的几何特征不同:位错分为刃型位错、螺型位错、混合位错.5.3刃型位错模型滑移面/半原子面/位错线（位错线┻晶体滑移方向,位错线┻位错运动方向,晶体滑移方向//位错运动方向.5.4螺型位错模型位错线//晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位错运动方向5.5位错的运动位错运动的本质是塑性变形.主要有滑移、攀移.位错的滑移：位错在外力作用下在滑移面上的运动，导致永久形变.滑移面应是晶面间距最大的密排面，滑移方向应是原子密排方向.螺型位错的滑移位错的攀移在热缺陷作用下,位错在垂直滑移方向的运动，刃位错除了滑移外,还可攀移运动.实质是多余半原子面的伸长或缩短.螺位错无多余半原子面,无攀移运动.5.6位错的观察DislocationsinNickel(TEM)6学习方法理论联系实际:实用性强;某些力学性能指标根据理论定义,更多指标则按工程实用要求定义.重视实验:掌握力学性能的测试原理、测试技术,了解测试设备,理解力学性能指标的物理意义与实用意义.多做练习;加深理解――巩固所学的知识.考试基本概念、基本原理、基本技能—计算分析考试70-80%实验10%平时10-20%学位课、考试课（30理论+2实验）7参考文献1.束德林.金属力学性能.机械工业出版社.2.刘瑞堂等.工程材料力学性能.哈尔滨工业大学出版社.3.郑修麟.材料的力学性能.西北工业大学出版社.4.何肇基.金属力学性能实验.冶金工业出版社.5.侯旭明.金属力学性能.机械工业出版社.6.王丛曾.材料性能学.北京工业大学出版社.第一章*金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1.1引言1.2应力-应变曲线1.3弹性变形1.4塑性变形1.5金属的断裂1.1引言单向静拉伸试验特点最广泛使用的力学性能检测手段;试验应力状态、加载速率、温度、试样等严格规定(方法:GB/T228-2002;试样:GB/T6397-1986);最基本的力学行为(弹性、塑性、断裂等);可测力学性能指标：强度()、塑性(、)等.工程应用,拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一;预测其它力学性能参量,如疲劳、断裂性能;研究新材料,合理使用材料和改善力学性能,测定拉伸性能.拉伸性能的作用拉伸试样的形状和尺寸常用拉伸试样:为比较不同尺寸试样的塑性,要求试样几何相似,L0/A01/2要为一常数．(A0初始横截面积)光滑圆柱试样:试样标距长度L0比直径d0要大得多;通常L0=5d0或L0=10d0板状试样:试样标距长度L0应满足:L0=5.65A01/2或11.3A01/2；1.2应力-应变曲线**1.2.1拉伸力—伸长曲线弹性变形:e点以内的变形.塑性变形:e点以外.不均匀的屈服塑性变形:AC.均匀塑性变形:CB段.不均匀集中塑性变形:Bk段.断裂:k以下.B点塑性变形:△Lg.k点塑性变形:△Lk1.2.2几种常见材料的拉伸力-伸长曲线正火、退火碳素结构钢和低合金结构钢:类似的拉伸力-伸长曲线退火低碳钢在低温下、灰铸铁在室温下:只有弹性变形阶段冷拔钢:弹性变形和不均匀集中塑性变形阶段面心立方金属在低温和高应变速率下:只有弹性变形和不均匀屈服塑性变形阶段不同材料的拉伸力-伸长曲线特点1.2.3工程应力-应变曲线****拉伸条件下力学性能:应变ε及应力e(弹性极限)s(屈服强度)b(抗拉强度)k(断裂强度).断后伸长率=[(L-L0)/L0]100%断面收缩率=[(A0-A)/A0]100%油压式拉伸试验机传感器式拉伸试验机高温拉伸试验机真实应力—真实应变***真实应力真实应变(1)1ooAPPSAAA0ln0LLLdLeLL设L0=100，L=110，则=[(110-100)/100]100%若设L0=100,L1＝101,L2＝102,…L10=110则1=1%,2=0.99%,3=0.98%,…10=0.917%1+2+3＋……＋1010%1.1ln100110ln109110...102103101102100101ln...10321eeeee拉伸：L=110,L0=100=[(110-100)/100]100%=10%e=ln(110/100)=ln1.1压缩:L0=110,L=100=[(100-110)/110]100%=-9.09%e=ln(100/110)=-ln1.11.2.4真实应力-应变曲线按拉伸试样的真实断面A和真实长度L计算应力和应变.在弹-塑性变形阶段,只有真应力-真应变曲线才能描述材料的力学形为.多数金属在室温下屈服后,要使塑性变形继续进行,必须不断增大应力,所以真应力-真应变曲线表现为流变应力不断上升.称形变强化.单位应力(强度):MPa106Pa应变:无单位.1.3弹性变形1.3.1弹性变形定义外力去除,能恢复到原来形状或尺寸的变形.特点:单调、可逆、变形量很小(0.5~1.0%)1.3.2物理本质金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现.1.3.1胡克定律简单应力状态胡克定律EEyyzxyy剪切和扭转G单向拉伸E、G和的关系)1(2EG1.3.2弹性模量E＊单纯弹性变形过程中应力与应变的比值E物理意义:材料对弹性变形的抗力.用途:工程上称材料的刚度;计算梁等构件挠度时用到.重要的力学性能之一.数值:2.1105MPa或210GPa弹性模量是对组织不敏感的力学性能指标*影响小:晶体学特性;溶质原子;显微组织;合金化;温度;加载速率.单晶体:各向异性多晶体:各向同性(各晶粒统计平均值)影响弹性模量的因素弹性极限:弹性过渡到弹塑性变形时的应力(0.01%)弹性比功:或弹性比能、应变比能.物理意义:吸收弹性变形功的能力.几何意义:应力-应变曲线中弹性阶段的面积.1.3.3弹性极限、弹性比功Eaeeee2212用途:制造弹簧的材料要求弹性比功大1.4塑性变形定义:外载荷卸去后,不能恢复的变形.(永久不可逆)性质:材料受力,应力超过屈服点后,仍能继续变形而不发生断裂的性质.断后伸长率，断面收缩率.δ100%:称为超塑性塑性变形的方式滑移:主要变形机制:切应力下金属沿滑移面和滑移方向运动切变过程.孪生:重要变形机制,低温或快速形变时；晶界滑动和扩散性蠕变只在高温；形变带滑移和孪生都不能进行才起作用.1.4.1塑性变形的方式及特点滑移面：原子最密排面；滑移方向：原子最密排方向.滑移系：滑移面和滑移向的组合.滑移系越多,材料的塑性越好.晶体结构的影响较大.fcc＞bcc＞hcp滑移bccfcc孪晶:外形对称.好象两个相同晶体对接起来;内部原子排列呈镜面对称于结合面.孪晶可分为:自然孪晶和形变孪晶.孪生特点：比滑移困难;时间短;变形量小;孪晶层仅为狭窄一层.孪生与滑移交互作用,促进金属塑性变形.孪生由点阵畸变而使晶体表面出现的弯曲区域,由于该区域贯穿整个试样截面成带状,故称形变带.相邻滑移带的交互作用.多个滑移系同时动作,正常的滑移不能进行,产生点阵弯曲,形成形变带.三种变形机制的比较滑移:相邻部分滑动,变形前后晶体内部原子排列不变.孪生:变形部分相对未变形部分发生取向变化.形变带:晶体点阵畸变.形变带各晶粒变形的不同时性和不均匀性晶粒取向有利先滑移；不利则弹性变形后增加外力继续滑移；变形的局部性,内应力,晶粒中可能有裂纹,断裂.变形的相互协调性整体,不允许晶粒仅在一个滑移系中变形,否则晶界开裂.塑性变形的特点标志:拉伸时的屈服现象是开始宏观塑性变形的标志.定义:塑性变形开始阶段,外力不增加、甚至下降时,而变形继续进行的现象,称屈服.上屈服点:试样发生屈服而力首次下降前的最大应力下屈服点:不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小应力1.4.2屈服与屈服强度***屈服吕德斯带吕德斯带特点屈服塑性变形不均匀.低碳钢冲压件表面产生皱褶现象.影响外观质量.在1~2%压下量下预轧一次,消除屈服现象,无明显屈服点的钢板.再冲压,表面质量好.外力作用下,晶体中位错萌生、增殖和运动过程(1)柯氏气团位错与溶质原子交互作用,位错被钉扎.溶质原子聚集在位错线的周围,形成气团.提高外应力,位错才能运动;继续发生塑性变形所需的外应力降低.屈服机理（2）位错塞积群n个位错同向运动受阻,形成塞积群,导致材料要继续塑性变形必须加大外力;一旦障碍被冲破,继续塑性变形所需的外力降低.金属塑性变形的应变速率与位错密度、位错运动速率