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材料力学性能能源动力与机械工程学院材料教研室辛燕MechanicalPropertiesofMaterialsxinyan@ncepu.edu.cn2《工程材料力学性能》(第2版)，束德林机械工业出版社，2008参考资料：《金属力学性能》，孙茂才，哈尔滨工业大学出版社，2003《材料的力学性能》，郑修麟，西北工业大学出版社，2001教材及参考资料3Properties(材料性能/性质)Processing(制备/加工)Performance(使用效能)材料科学：研究材料的组成/结构、性质、加工工艺和使用效能，以及它们之间相互关系的科学(成分/结构)Composition/Structure结构是制备加工的结果结构是材料性能的原因Materials4一、材料的性能材料性能力学性能物理性能化学性能强度硬刚弹塑度度性性电学性能磁学性能光学性能热学性能声学性能抗氧化性耐腐蚀性催化性能5材料力学性能:材料抵抗变形和断裂的能力。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。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。《材料力学性能》与《材料力学》的区别？6二、材料力学性能表征材料软硬程度的表征材料脆性的表征材料抵抗外力能力表征材料变形能力的表征含缺陷材料抗断裂能力的表征材料抵抗多次受力能力的表征新材料及特种材料性能的表征特殊条件下材料性能的表征7材料力学性能是关于各类材料或构件在外加载荷作用下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速度）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。8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。塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力。强度:是材料对变形和断裂的抗力。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，使零件在服役期内安全运行。三、材料的基本力学性能9第一部分:第一～四章阐述金属材料在一次加载条件下的形变和断裂过程。所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力或安全性。第二部分:第五～八章论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间相关的失效形式。金属材料对这四种形式失效的抗力将决定零件的寿命。第三部分:第九～十一章介绍聚合物材料、陶瓷材料和复合材料的力学性能。四、教材结构和内容10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。某些力学性能指标根据理论考虑定义,而更多指标则按工程实用要求定义。做些练习:加深理解――巩固所学的知识。五、本课程学习注意问题：六、考核方式平时成绩占30%(包括出勤+作业)期末闭卷考试占70%11第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能12单向静拉伸实验介绍1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线1.2弹性变形1.3塑性变形1.4金属的断裂主要内容13单向静拉伸试验(Tensiontest)特点：最广泛使用的金属力学性能检测手段试验的温度、应力状态、加载速率和试样等都有严格规定(GB/T228-2002)最基本的力学行为(弹性、塑性和断裂)可测力学性能指标：屈服强度σ0.2抗拉强度σb断后伸长率δ断面收缩率ψ14常用拉伸试样形状光滑圆柱试样板状试样15常用的拉伸试样:为了比较不同尺寸试样所测得的延性,要求试样的几何相似(比例试样)，L0/A01/2＝Ｋ(常数;通常K取5.65或11.3)．其中A0为试件的初始横截面积，L0为原始标距。光滑圆柱试样:试件的标距长度L0比直径d0要大得多；通常，L0=5d0或L0=10d0板状试样:试件的标距长度L0应满足下列关系式：L0=5.65A01/2或11.3A01/2拉伸试样的尺寸16电液伺服万能实验机拉伸试验设备17拉伸实验中注意的问题a.拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为有效，由不同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较。b.拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所受的载荷Ｆ和伸长量ΔL之间的关系曲线;d/dt=1~10MPa/s181.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线拉伸力-伸长曲线：拉伸实验中记录的力(F)对伸长(ΔL)的关系曲线☆退火态低碳钢拉伸变形过程可分为５个阶段：弹性变形(OA)不均匀屈服塑性变形(AC)均匀塑性变形(CB)不均匀集中塑性变形(Bk)断裂(k)正火、退火碳素结构钢和一般低合金结构钢都具有类似的拉伸力-伸长曲线1920注意：并非所有金属材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸力-伸长曲线淬火高碳钢退火低碳钢在低温下拉伸时只有弹性变形阶段脆性材料：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21室温脆性材料普通灰铸铁22低塑性材料低塑性材料在拉伸断裂前:只发生均匀伸长不发生颈缩塑性变形量较小高塑性材料高塑性材料在拉伸断裂前:不仅产生均匀的伸长而且发生颈缩现象且塑性变形量大23工程应力(Stress)工程应变(Strain)σ=F／A0ε=ΔL／L0工程应力－应变曲线将拉伸力-伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到应力-应变曲线。因均系以一常数相除，故曲线形状不变，称为工程应力－应变曲线。可得到金属在静拉伸条件下的力学性能指标：σkσeδgσsδgtσbδ24拉伸变形过程中横截面积和长度是不断变化的25如果用拉伸时试样的真实断面Ａ和真实长度Ｌ去除得到真应力S和真应变e(ψe)绘制曲线，则得到真实应力-应变曲线(OBK曲线)。真实应力－应变曲线261.2弹性变形一、弹性变形及其实质弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形特点：可逆性变形加载、卸载期内，应力与应变间都保持单调线性关系金属弹性变形量较小，一般不超过0.5%～1%实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现27弹性变形物理本质弹性变形的可逆性：原子的位移总和＝宏观变形外力去除后，原子靠彼此间作用力又回到平衡位置位移消失→宏观变形消失28二、胡克定律(一)简单应力状态的胡克定律1．单向拉伸yEyy=Ex=z=y=(1-1)εy——纵向拉伸应变εx、εz——横向拉伸应变E——弹性模量ν——泊松比σy——拉应力292．剪切和扭转(1-3)=G(1-2)E2(1+)G=τ——切应力G——切变模量γ——切应变3．E、G和ν的关系1=[1(2+3)]2=[2(3+1)]3=E[3(1+2)](二)广义胡克定律实际上机件的受力较复杂，应力往往是两向或三向的。在复杂应力状态下，用广义胡克定律描述应力与应变的关系：111EE式中σ1,σ2,σ3—主应力ε1,ε2,ε3—主应变压应力−拉应力＋应变为正号(+)时表伸长负号(−)时表缩短3031弹性模量：工程上亦称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。三、弹性模量(ElasticModulus)单纯弹性变形过程中应力与应变的比值E=/桥式起重机梁内燃机、离心机、压气机等的曲轴精密机床的主轴、床身等均有刚度要求以免产生过大振动，保证加工精度1.2弹性变形32E/105MPa2.171.250.722.01.7~1.92.0~2.11.9~2.0金属材料铁铜铝铁及低碳钢铸铁低合金钢奥氏体不锈钢表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量33影响弹性模量Ｅ的因素(1)主要取决于金属原子本性和晶格类型不同种类金属原子间的作用不同→Ｅ不同原子密排方向的Ｅ较大（单晶体弹性各向异性）(2)弹性模量为对组织不敏感的力学性能指标合金化、热处理、冷塑性变形等对弹性模量的影响较小(3)温度、加载速率等外在因素对Ｅ影响较小四、弹性比功弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比能、应变比能。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。几何意义：应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积2e22E式中——弹性比功；——弹性极限；(组织敏感指标)——最大弹性应变(表征材料弹性)eee弹簧材料应具有较高的弹性比功和良好的弹性343536五、滞弹性1.滞弹性现象纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关与加载方向和加载时间无关实际金属材料弹性变形不仅是应力的函数而且还是时间的函数37滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象2.滞弹性原因产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动有关。材料组织越不均匀，滞弹性越明显钢经淬火或塑性变形后，滞弹性↑38在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑弹性后效问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等。如选用的材料弹性后效较明显，会使仪表精度不足甚至无法使用。3.滞弹性的危害39弹性滞后环实际金属弹性区内快速加、卸载时，加载线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。物理意义：加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。40循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，也称为内耗。循环韧性又称为消振性。循环韧性的应用机床床身、缸体等选用循环韧性高的材料，减振降噪乐器（簧片、琴弦等）要求材料循环韧性小，保证音质41六、包申格效应(BauschingerEffect)包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载规定残余伸长应力降低(特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零)的现象少量塑性变形：残余应变约为1%-4%规定残余伸长应力：对应弹性极限或屈服强度42屈服强度380MPa→100MPa某些钢和钛合金，因包申格效应可使屈服强度降低15%-20%α黄铜、铝等有色金属合金球化高碳钢、低碳钢、管线钢、双相钢奥氏体不锈钢等包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象度量包申格效应的基本定量指标是包申格应变包申格应变：在给定应力下，正向加载与反向加载两应力－应变曲线之间的应变差43均有包申格效应β=bc即为包申格应变44包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同向加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，残余伸长应力降低。包申格效应的微观机理如金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重分布，则在随后反向加载时，不显示包申格效应45危害：交变载荷情况下，显示循环软化(强度极限下降)利用：薄板反向弯曲成形，拉拔的钢棒经轧辊压制较直包申格效应的危害和利用包申格效应的防止方法预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火461.3塑性变形一、塑性变形方式及特点金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生塑性变形：外载荷卸去后，不能恢复的变形塑性：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滑移最主要的变形机制；孪生重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时1.塑性变形方式47(1)滑移金属材料在切应力作用下沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。滑移面：原子最密排面；滑移向：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滑移的临界分切应力τ=(P/A)cosφcosλφ—外应力与滑移面法线的夹角；λ—外应力与滑移向的夹角；Ω=cosφcosλ称为取向因子。φλτ48(2)孪生孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。孪生的特点：比滑移困难；时间很短；变形量很小；Cd孪生变形量仅7.4%，滑移变形300%也是在切应力作用下沿特定晶面和特定晶向进行的孪晶层在试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展49多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规律与单晶体金属相同。但由于多晶体金属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同