材料基础-第八章材料的力学性能讲述
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在外力作用下所表现出的力学特性，包括强度、韧性、硬度、塑性等。
这些性能参数对于材料的选择、设计和应用具有重要的指导意义。
在工程实践中，我们需要对材料的力学性能进行全面的了解和评估，以确保材料能够满足工程要求并具有良好的可靠性和安全性。
首先，强度是材料力学性能的重要指标之一。
材料的强度表现了其抵抗外部载荷的能力，通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等参数来描述。
强度高的材料在承受外部载荷时不易发生变形和破坏，因此在工程结构和设备中得到广泛应用。
此外，韧性是衡量材料抗破坏能力的重要指标，它反映了材料在受到冲击或挤压时的变形和吸能能力。
韧性高的材料能够在受到冲击载荷时发生一定程度的塑性变形而不破坏，因此在制造高应力、高载荷的零部件和结构中具有重要意义。
此外，材料的硬度也是其力学性能的重要指标之一。
硬度反映了材料抵抗划痕和穿刺的能力，通常通过洛氏硬度、巴氏硬度、维氏硬度等参数来描述。
硬度高的材料具有较高的耐磨性和耐划痕性，适用于制造刀具、轴承、齿轮等零部件。
此外，材料的塑性也是其力学性能的重要指标之一。
塑性反映了材料在受到外部载荷作用下发生变形的能力，通常通过延伸率、收缩率、冷弯性等参数来描述。
塑性好的材料能够在受到外部载荷时发生较大的变形而不破坏，适用于制造成形性零部件和结构。
总之，材料力学性能是材料工程中的重要内容，对于材料的选择、设计和应用具有重要的指导意义。
在工程实践中，我们需要全面了解和评估材料的强度、韧性、硬度、塑性等性能参数，以确保材料能够满足工程要求并具有良好的可靠性和安全性。
希望本文能够对材料力学性能的研究和应用提供一定的参考和帮助。
金属材料的高温力学性能 材料力学性能
第二相的集聚、长大、粗化
3. 细晶强化
高温时晶界强度↓晶界体积分数↑材料强度↓
晶界体积分数↑晶界扩散能力↑塑性变形能力↑ 材料强度↓
性能与载荷作用时间相关：
蠕变和应力松弛现象 断裂方式不同： 室温 1. 静载荷 高温
位错塞积 脆性解理
2. 循环载荷
蠕变 穿晶、沿晶
疲劳
环境影响：
穿晶
疲劳、蠕变 穿晶、沿晶混合
c）复杂组织变化
持续应力作用加速新相的形核与长大
固溶原子沿应力梯度定向移动，使第二相择优溶解或集聚
2）变形机制 a）位错滑移蠕变：与位错的滑移和攀移有关 b）晶界滑动蠕变：与晶界性质有关 c）空位扩散蠕变：高温低应力，位错无法运动条件下
a）位错滑移蠕变 变形硬化和软化共同作用形成蠕变三阶段 硬化：位错受到障碍阻滞 软化：位错借助热激活和空位扩散来克服障碍
反映材料在高温长时作用下的塑性性能 蠕变脆性：在短时试验塑性很高，高温长时加载后塑性 显著降低（有的仅1%）
持久塑性不能外推
2. 蠕变过程的组织变化、变形和断裂机制 1）组织变化 a）形变分布不均匀 第一阶段：亚晶形成；第二阶段：尺寸增加到一定大小后 基本不变；第三阶段：没有大的变化 b）发生再结晶现象 低温蠕变：完全不发生回复和再结晶 高温蠕变：同时进行回复和再结晶。再结晶不一定在回复 完成之后才开始。
10
500
5
= 80 MN/mm2
在一定温度下，在规定的时间内，恰好产生某一允许的总 T 变形量，其所对应的应力确定为蠕变极限，记为 t
例如： 1 10000 = 100MN/mm2
500
两种表示方法的比较：
适用于蠕变速率大而且服役时t
力学性能说课稿
力学性能说课稿标题：力学性能说课稿引言概述：力学性能是指材料在外力作用下产生的各种变形和破坏的性质，是评价材料工程性能的重要指标之一。
在材料科学与工程学科中，力学性能的研究和评价对于材料的选择、设计和应用具有重要意义。
本文将从力学性能的定义、分类、测试方法、影响因素和应用等方面进行详细介绍。
一、力学性能的定义1.1 弹性性能：材料在受力后能恢复原状的能力。
1.2 塑性性能：材料在受力后发生永久变形的能力。
1.3 破坏性能：材料在受到过大外力作用时发生破坏的能力。
二、力学性能的分类2.1 静态力学性能：包括拉伸性能、压缩性能、弯曲性能等。
2.2 动态力学性能：包括冲击性能、疲劳性能、动态强度等。
2.3 热力学性能：包括热膨胀性能、热导率等。
三、力学性能的测试方法3.1 拉伸试验：用于评价材料的强度和韧性。
3.2 压缩试验：用于评价材料在受压状态下的性能。
3.3 冲击试验：用于评价材料在受到冲击载荷时的破坏行为。
四、力学性能的影响因素4.1 材料的组织结构：晶粒大小、晶粒取向等。
4.2 加工工艺：热处理、冷加工等对力学性能的影响。
4.3 环境条件：温度、湿度等环境因素对力学性能的影响。
五、力学性能的应用5.1 材料选择：根据应用场景选择合适的材料。
5.2 设计优化：通过优化结构设计提高材料的力学性能。
5.3 质量控制：通过对力学性能的测试和监控，确保产品质量符合要求。
总结：力学性能作为材料工程中的重要指标，对于材料的选择、设计和应用具有重要意义。
通过对力学性能的定义、分类、测试方法、影响因素和应用等方面的深入了解，可以更好地评价和利用材料的性能，推动材料科学与工程领域的发展。
第八章材料力学性能
4.金属材料蠕变断裂断口特征 宏观特征为：一是在断口附 4)高温高应力下，在强烈变形 近产生塑性变形，在变形区域 部位将迅速发生回复再结晶， 附近有很多裂纹，使断裂机件 晶界能够通过扩散发生迁移， 表面出现龟裂现象；另一个特 即使在晶界上形成空洞，空洞 征是由于高温氧化，断口表面 也难以继续长大。 往往被一层氧化膜所覆盖。 微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。
§1 蠕变现象 晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形 成交截，使晶界曲折。 应力集中不能被滑动晶界前方 晶粒的塑性交形或晶界的迁移 所松弛，那么当应力集中达到 晶界的结合强度时，在三晶粒 交界处必然发生开裂，形成楔 形空洞。
曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍了晶 界的滑动，引起应力集中，导致空 洞形成
§1 蠕变现象 2）空位聚集模型 在垂直于拉应力的那些晶界上, 当应力水平超过临界值时，通 过空位聚集的方式萌生空洞；
§1 蠕变现象 3）高分子材料 温度过低，外力太小，蠕变很 小而且很慢，在短时间内不易 觉察； 如玻璃相完全湿润 晶体相，则 玻璃相包围晶粒，抗蠕变的性能 最弱。 （3）温度： 随着温度升高，位错运动和晶界 滑动速度加快，扩散系数增大， 蠕变速率增 大。 温度过高，外力过大，形变发 展过快，也感觉不出蠕变现象； 在适当的外力作用下，通常在 高聚物的Tg以上不远，链段在 外力下可以运动，但运动时受 到的内摩 擦力又较大，只能缓 慢运动，则可观察到较明显的 蠕变现象。
第Ⅰ阶段：AB段，为可逆形变阶 段，是普通的弹性变形，即应力 和应变成正比； 第Ⅱ阶段：BC段，为推迟的弹性 变形阶段，也称高弹性变形发展 阶段；
1、蠕变变形机理 主要有位错滑移、原子扩散和 晶界滑动，对于高分子材料还 有分子链段沿外力的舒展。
§1 蠕变现象 (1) 位错滑移蠕变机理 由于原子或空位的热激活运动， 塑性变形→位错滑移→塞积、强 使得刃型位错得以攀移，攀移后 化、更大切应力下才能重新运动 的位错或者在新的滑移面上得以 滑移(a);或者与异号位错反应得 →变形速度减小； 在高温下，由于温度的升高，给 以消失(b);或者形成亚晶界(c);或 原子和空位提供了热激活的可能，者被大角晶界所吸收(d)。 使得位错可以克服某些障碍得以 这样被塞集的位错数量减少，对 运动，继续产生塑性变形。 位错源的反作用力减小，位错源 就可以重新开动，位错得以增殖 和运动，产生蠕变变形。 第I阶段，材料因变形而强化， 阻力增大，速率减小。
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在外力作用下所表现出的力学特性，包括材料的强度、韧性、硬度、塑性等。
这些性能直接影响着材料在工程领域的应用，因此对材料力学性能的研究和评价显得尤为重要。
首先，强度是材料力学性能中的重要指标之一。
材料的强度是指材料抵抗外力破坏的能力，通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等来表示。
不同材料的强度差异很大，例如金属材料的强度通常较高，而塑料和橡胶等材料的强度相对较低。
材料的强度直接影响着材料在工程中的承载能力和使用寿命。
其次，韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
韧性高的材料在受到外力作用时能够延展变形而不易断裂，这对于一些需要承受冲击或振动载荷的工程结构来说尤为重要。
例如，航空航天领域对材料的韧性要求较高，以确保飞行器在受到外部冲击时能够保持结构完整。
此外，硬度是材料力学性能中的重要参数之一。
材料的硬度是指材料抵抗划痕和压痕的能力，通常用洛氏硬度、巴氏硬度等来表示。
硬度高的材料通常具有较好的耐磨性和耐腐蚀性，适用于一些对材料表面要求较高的工程领域，例如汽车制造、船舶建造等。
最后，塑性是材料力学性能中的重要特性之一。
材料的塑性是指材料在受到外力作用时能够发生塑性变形而不断裂，这对于一些需要进行成形加工的工程材料来说尤为重要。
例如，金属材料的塑性使其能够通过锻造、轧制等工艺进行成形，从而制备出各种复杂的零部件。
综上所述，材料力学性能是材料工程领域中的重要研究内容，不同的材料力学性能对材料的应用具有重要的影响。
因此，对材料力学性能的研究和评价具有重要的意义，可以为工程领域的材料选择和设计提供重要的参考依据。
第八章固体材料的基本性能
表8-1 三种类型的洛氏硬度及应用
K 0.2 0.26 0.2
2018年9月
3. 维氏硬度HV（Vickers hardness） 维氏硬度是用两个对面体夹角均为136°的四
HS分为邵氏A和邵氏D。 邵氏A适用于软塑料。例如，对于橡胶、 泡沫塑料等；邵氏D则适合于硬塑料。
2018年9月
（4）肖氏硬度（Shore scleroscope hardness）*
肖氏硬度又叫回跳硬度，是动载试验法。 其原理是将一定重量的具有金刚石圆头或钢 球的标准冲头从一定高度h。自由落体到试件表面， 然后由于试件的弹性变形使冲头回跳到某一高度 h，用这两个高度的比值来计算肖氏硬度值KS。 肖氏硬度无量纲，冲头回跳高度越高，则试 样的硬度越高。
刚度准则要求构件在外力作用下的弹性变形不超过允 许的最大变形，否则构件是不稳定的。
刚度准则的表达式是：
δi ≤ [δi ] θi ≤ [θi]
（8-4）
φi ≤[φi]
式中，i= x, y, z ；δi, θi , φi分别是构件的挠度、转角和扭 角； [δi ]、[θi]、 [φi]分别是相应变量下除以各自的安全系数 下所允许的挠度、转角和扭角。
2018年9月
复旦大学材料科学系
2
8.1 材料性能 (property of material)
● 当材料被加工成制品时，必须考虑二大性能：使
用性能和工艺性能。同时还要考虑性价比。 （1） 使用性能 (service performance)
力学、物理、化学等性能。 （2） 工艺性能 (process property)
第八章 聚合物的力学性能
非晶聚合物不同温度下的σ 图8 非晶聚合物不同温度下的σ－ε曲线
13
第八章
聚合物的力学性能
总之， 温度升高，材料逐步变软变韧， 温度升高，材料逐步变软变韧，断裂强度 下降，断裂伸长率增加； 下降，断裂伸长率增加； 温度下降，材料逐步变硬变脆， 温度下降，材料逐步变硬变脆，断裂强 度增加， 度增加，断裂伸长率减小
宽 度
厚度d
b
P
图1 Instron 5569电子万能材料试验机 电子万能材料试验机 （electronic material testing system） ）
5
聚合物的力学性能
非晶态聚合物在Tg以下 非晶态聚合物在 以下
Point of elastic limit 弹性极限点 Yielding point 屈服点 Strain softening 应变软化
(1)温度的影响 温度的影响
非晶聚合物在不同温度下的 ε曲线如图8： 非晶聚合物在不同温度下的σ-ε曲线如图 ： 不同温度下
σ
1 2 3 T 4
T<Tb，硬玻璃态，脆性断裂 硬玻璃态，脆性断裂--1 Tb<T<Tg，软玻璃态，韧性断裂--2、3 软玻璃态，韧性断裂 、 Tg<T<Tf，高弹态 高弹态--4 T>Tf，粘流态 粘流态--5
1
第八章
（2）外力 指牛顿力
聚合物的力学性能
即对材料所施加的使材料发生形变的力。通常称为负荷。 即对材料所施加的使材料发生形变的力。通常称为负荷。 外力包括以下两类： 外力包括以下两类： 按施力方向分：拉伸力、压缩力、剪切力、弯曲力、摩擦力、 a、 按施力方向分：拉伸力、压缩力、剪切力、弯曲力、摩擦力、 扭转力等。 扭转力等。 按施力方式分：以恒定外力长期持续的作用， b、 按施力方式分：以恒定外力长期持续的作用，以一定速度缓 慢短期作用的，突然的力冲击作用的，继续反复作用的。 慢短期作用的，突然的力冲击作用的，继续反复作用的。
力学性能说课稿
力学性能说课稿标题：力学性能说课稿引言概述：力学性能是指材料在受力作用下的力学行为，它直接影响着材料的使用性能和工程应用。
在材料科学与工程学科中，力学性能是一个重要的研究方向，通过对材料的力学性能进行分析和测试，可以更好地了解材料的性能特点，指导材料的设计和应用。
本文将从材料的力学性能概念、分析方法、测试技术、影响因素和应用领域等方面进行详细介绍。
一、力学性能的概念1.1 弹性模量：弹性模量是材料在受力作用下的变形能力，是衡量材料刚度的重要指标。
1.2 屈服强度：材料在受力作用下开始产生塑性变形的临界点，是材料反抗外力的能力。
1.3 断裂韧性：材料在受力作用下发生断裂的能力，是材料抗破坏能力的重要指标。
二、力学性能的分析方法2.1 线性弹性分析：通过建立材料的应力-应变关系，分析材料在弹性阶段的力学性能。
2.2 塑性分析：研究材料在超过屈服强度后的塑性变形行为，分析材料的塑性性能。
2.3 断裂分析：通过研究材料的断裂韧性和断裂机制，分析材料的破坏行为。
三、力学性能的测试技术3.1 拉伸试验：通过施加拉力来测试材料的弹性模量、屈服强度和断裂韧性等力学性能。
3.2 压缩试验：通过施加压力来测试材料在受压状态下的力学性能。
3.3 弯曲试验：通过施加弯曲力来测试材料的弯曲强度和断裂韧性等力学性能。
四、影响力学性能的因素4.1 材料的组织结构：材料的晶粒大小、晶界密度、位错密度等组织结构对力学性能有重要影响。
4.2 温度和环境条件：温度和环境条件对材料的力学性能有明显影响，如高温会降低材料的强度和韧性。
4.3 加工工艺：材料的加工工艺会影响其组织结构和晶粒大小，进而影响力学性能。
五、力学性能的应用领域5.1 材料设计：通过对材料的力学性能进行分析，可以指导材料的设计和选择，提高材料的性能。
5.2 工程应用：在工程领域中，对材料的力学性能要求严格，力学性能的好坏直接影响着工程的安全和可靠性。
5.3 新材料研发：对新材料的力学性能进行研究，可以为新材料的研发和应用提供重要参考。
【材料科学基础】必考知识点第八章
【材料科学基础】必考知识点第⼋章2020届材料科学基础期末必考知识点总结第⼋章回复与再结晶第⼀节冷变形⾦属在加热时的组织与性能变化⼀回复与再结晶回复：冷变形⾦属在低温加热时，其显微组织⽆可见变化，但其物理、⼒学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。
再结晶：冷变形⾦属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的⽆畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，⽽使形变强化效应完全消除的过程。
⼆显微组织变化（⽰意图）回复阶段：显微组织仍为纤维状，⽆可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长⼤，逐渐转变为新的⽆畸变的等轴晶粒。
晶粒长⼤阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺⼨。
三性能变化1 ⼒学性能（⽰意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提⾼。
再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提⾼。
晶粒长⼤阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提⾼，粗化严重时下降。
2 物理性能密度：在回复阶段变化不⼤，在再结晶阶段急剧升⾼；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。
四储存能变化（⽰意图）1 储存能：存在于冷变形⾦属内部的⼀⼩部分（～10％）变形功。
弹性应变能（3～12％）2 存在形式位错（80～90％）点缺陷是回复与再结晶的驱动⼒3储存能的释放：原⼦活动能⼒提⾼，迁移⾄平衡位置，储存能得以释放。
五内应⼒变化回复阶段：⼤部分或全部消除第⼀类内应⼒，部分消除第⼆、三类内应⼒；再结晶阶段：内应⼒可完全消除。
第⼆节回复⼀回复动⼒学（⽰意图）1 加⼯硬化残留率与退⽕温度和时间的关系ln(x0/x)=c0t exp(-Q/RT)x0 –原始加⼯硬化残留率；x－退⽕时加⼯硬化残留率；c0－⽐例常数；t－加热时间；T－加热温度。
2 动⼒学曲线特点（1）没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢；（3）长时间处理后，性能趋于⼀平衡值。
⼆回复机理移⾄晶界、位错处1 低温回复：点缺陷运动空位＋间隙原⼦缺陷密度降低（0.1~0.2Tm）空位聚集（空位群、对）异号位错相遇⽽抵销2 中温回复：位错滑移位错缠结重新排列位错密度降低（0.2~0.3Tm）亚晶粒长⼤3 ⾼温回复：位错攀移（＋滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚（0.3~0.5Tm）晶粒）弹性畸变能降低。
材料的力学性能
材料的力学性能材料的力学性能是指材料在外力作用下的力学行为和性能表现。
力学性能是材料工程中非常重要的一个指标，它直接关系到材料的使用寿命、安全性和可靠性。
材料的力学性能主要包括强度、韧性、硬度、塑性、蠕变等指标。
首先，强度是材料抵抗外力破坏的能力。
常见的强度指标包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
抗拉强度是材料在拉伸状态下抵抗断裂的能力，抗压强度是材料在受压状态下抵抗破坏的能力，抗弯强度是材料在受弯曲状态下抵抗破坏的能力。
强度指标直接反映了材料的抗破坏能力，是衡量材料力学性能的重要参数。
其次，韧性是材料抵抗断裂的能力。
韧性是指材料在受外力作用下能够吸收大量的变形能量而不断裂的能力。
韧性好的材料具有良好的抗冲击性能和抗疲劳性能，能够在外力作用下保持良好的形状和结构完整性。
再次，硬度是材料抵抗划痕和穿刺的能力。
硬度是材料抵抗外界硬物划破或穿透的能力，是材料抵抗局部破坏的重要指标。
硬度高的材料通常具有较好的耐磨性和耐磨损性能，能够在恶劣环境下保持较长时间的使用寿命。
此外，塑性是材料在受力作用下发生形变的能力。
塑性好的材料能够在外力作用下产生较大的变形，具有良好的加工性能和成形性能。
材料的塑性直接影响到材料的加工工艺和成型工艺，是材料加工和成形的重要指标。
最后，蠕变是材料在长期受力作用下发生变形和破坏的现象。
蠕变是材料在高温、高压、长期受力作用下产生的一种渐进性变形和破坏，是材料在高温高应力环境下的重要性能指标。
综上所述，材料的力学性能是衡量材料质量和可靠性的重要指标，强度、韧性、硬度、塑性和蠕变是材料力学性能的重要方面。
在材料设计、选材和工程应用中，需要充分考虑材料的力学性能，选择合适的材料以满足工程需求。
同时，通过合理的材料处理和改性，可以改善材料的力学性能，提高材料的使用寿命和安全可靠性。
材料力学第08章 动载荷与交变应力
x
r Ag r Aa
x
FNd FNst d Kd K d st A A
st为静荷载下绳索中的静应力
强度条件为 d K d st [ ]
P
P P a g
△d表示动变形 △st表示静变形
当材料中的应力不超过比 例极限时荷载与变形成正比
m
FNst
m
FNd
rAg
x
rAg rAa
2 st 42st 8h st 2h d st (1 1 ) 2 st 2h d st ( 1 1 ) K d st
2
st
2h 为动荷因数 其中 K d 1 1
st
Fd d Kd P st
Fd K d P
第八章
动载荷与交变应力
中北大学理学院力学系
第一节 第二节 第三节 第四节
概述 构件受加速度作用时的动应力 构件受冲击时的动应力计算 疲劳破坏及其特点
第五节
第六节 第七节
材料的持久极限
影响构件持久极限的因素 构件疲劳强度计算
总结与讨论
第一节 概述
一、基本概念
1、静荷载:荷载由零缓慢增长至最终值,然后保持不变.构件内各 质点加速度很小,可略去不计. 2、动荷载: 荷载作用过程中随时间快速变化,或其本身不稳定 （包括大小、方向）,构件内各质点加速度较大. 3、交变应力：构件内的应力随时间作交替变化。 4、疲劳失效：构件长期在交变应力作用下，虽然最大工作应力 远低于材料的屈服极限，且无明显的塑性变形，却往往发生突 然断裂。
（The point changes his location periodically with time under an unchangeable load）
第八章聚合物的力学性能
橡胶拉伸－回缩和拉伸－压缩循环应力－应变曲线
表征滞后现象参数：储存模量、损耗模量(或复数模 量)损耗角正切
四、粘弹性力学模型
理想模型：理想弹簧和理想粘壶 理想弹簧：代表符合虎 克定律的理想固体
E / D
应力松弛过程总形变恒定，有：
d 1 d 0 dt E dt
d E dt
(t) 0et /
t = 0－τ，有： 0 / e 0.370
2、伏伊特模型
结构：由一个理想弹黄与一 σ1
E
ησ2
个理想粘壶并联而成，如图
1 2
定义：高分子材料在交变应力作用下，形变落后于应力 的现象
橡胶轮胎应力和应变随时间的变化曲线，如图 滞后现象，如图
原因：高分子材料也是一个松弛过程
影响因素： 1.) 化学结构； 2.) 外力作用频率、温度等
对聚合物性能的影响：
1.) 如果使用的聚合物发生了滞后现象，则在每一个循 环中都要消耗功－力学损耗；这种消耗功转变成热 能释放出来，会导致聚合物本身的温度升高，从而 影响材料的使用寿命；
晶态聚合物的拉伸： 晶态聚合物典型的应力-应变曲线，如图
未经拉伸的晶态聚合物中，其微晶排列是杂乱的， 拉伸使得晶轴与外力方向不同的微晶熔化，分子链沿 外力方向取向再重排结晶，使得取向在熔点以下不能 复原，使得产生的形变也不能复原，但加热到熔点附 近形变能复原，因此晶态聚合物的大形变本质上也属 高弹性
0
E0
0
E
1
exp
t
工程力学(单辉祖)第二篇第8章_轴向拉伸与压缩
轴力图
FN1 F FN2 F
以横坐标 x 表示横截面位置，以纵坐标 FN
表示轴力，绘制轴力沿杆轴的变化曲线。
表示轴力沿杆轴变化情况的图线 （即 FN-x 图 ）, 称为轴力图
例题
例1：求图示杆1-1、2-2、3-3截面上的轴力
❖ 解：
1
FN1
1 2
FN2
2 3
FN3 3
二、轴力图
FN
以轴力 FN 为纵坐标，截面位置为横坐标，杆件沿轴线方向轴 力的变化曲线
max
[
]
FN,max [ ]
A
变截面变轴力拉压杆 等截面拉压杆
常见强度问题类型
校核强度 已知杆外力、A与[]，检查杆能否安全工作
截面设计 已知杆外力与[]，确定杆所需横截面面积
A
FN,max
[ ]
确定承载能力 已知杆A与[]，确定杆能承受的FN,max
[FN] A[ ]
49
例题
[例 8-4] 图示吊环，最大吊重 F = 500 kN，许用应力[] =120MPa， 夹角 = 20°。试确定斜杆的直径 d。
41
应力集中与应力集中因数 应力集中 由于截面急剧变化引起应力局部增大现象－应力集中
42
应力集中因数
K max n
max－最大局部应力 n －名义应力（不考虑应力
集中条件下求得的应力）
43
n
F (bd
)
－板厚
应力集中对构件强度的影响
对于脆性材料构件，当 max＝b 时，构件断裂，用脆性材料
l11.3 A 或 l5.65 A
GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》
拉伸试验 试验装置
材料科学基础课件第八章材料的塑性变形
弹性变形－塑性变形－断裂
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
第一节 金属变形概述
第七章塑性变形 第一节金属变形概述
弹性变形： 变形可逆； 应力应变呈线性关系。 弹性模量：原子间结合力的反映和度量。
第四节 合金的塑性变形
一 固溶体的塑性变形 1 固溶体的结构 2 固溶强化 （1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。 晶格畸变，阻碍位错运动； （2）强化机制 柯氏气团强化。
第四节 合金的塑性变形
一 固溶体的塑性变形 2 固溶强化 （3）屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。 预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或200℃加热后再加载出现屈服。 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。
第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响
二 对性能的影响 1 对力学性能的影响（加工硬化） 强化金属的重要途径； 利 提高材料使用安全性； （2）利弊 材料加工成型的保证。 弊 变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高。
第二节 单晶体的塑性变形
4 滑移时晶体的转动 （1）位向和晶面的变化 拉伸时,滑移面和滑移方向趋于 平行于力轴方向; 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。 几何硬化：，远离45，滑移变得困难；（2）取向因子的变化 几何软化；，接近45，滑移变得容易。
第二节 单晶体的塑性变形
7 滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。
第二节 单晶体的塑性变形
《工程材料物理性能(第2版)》 第08章 金属的高温力学性能
以σ t ζ表示。
例如：某高温合金σ600 1×10 3 =30Mpa，表 示该合金在700 ℃下，1000小时的持久 强度极限为30Mpa。
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第四节 其它高温力学性能 1.高温短时拉伸性能 2.高温硬度
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❖ 蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生 变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速 度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增 大，晶格畸变不断增加，造成形变强化。在高 温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复 软化，但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能的 降低。在蠕变初期由于晶格畸变能较小，所以 回复软化过程不太明显。
近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象；
（2）由于高温氧化，断口往往被一层氧化膜 所覆盖。
4.蠕变断裂断口的微观特征： 主要为冰糖状花样的沿晶断裂形貌。
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（二）蠕变断裂机理
蠕变断裂主要是沿晶断裂。在裂纹成核 和扩展过程中，晶界滑动引起的应力集 中与空位的扩散起着重要作用。由于应 力和温度的不同，裂纹成核有两种类型。
以σ t ζ / δ表示。
如σ 600 1 / δ=10 5=100Mpa，表示材料在500 ℃温度下，105小时后总伸长率为1%的蠕 变极限为100Mpa。
试验时间及蠕变总伸长率的具体数值根 据机件后勤工作时间来规定的。
蠕变极限一般有两种表示方法：
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2.持久强度极限： 高温长时载荷下断裂的抗力。
1.蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷 下缓慢地产生塑性变形的现象。由于这 种变形而最后导致金属材料的断裂称为 蠕变断裂。（蠕变在较低温度下也会发 生，但只有当约比温度大于0.3时才比较 明显。
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在受力作用下所表现出来的性能，包括强度、刚度、韧性等指标。
材料力学性能的好坏直接影响到材料在工程应用中的可靠性和安全性。
本文将介绍材料力学性能的相关概念和测试方法，并分析其对材料应用的影响。
一、强度强度是指材料抵抗外力破坏的能力。
常见的强度指标包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
抗拉强度是指材料在拉伸力作用下，抗拉破坏的能力。
抗压强度是指材料在受压力作用下，抗压破坏的能力。
抗弯强度是指材料在受弯力作用下，抗弯曲破坏的能力。
强度的测试方法主要包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等。
材料的强度往往与其成分、结构和加工工艺有关。
例如，金属材料中添加合适的合金元素，可以提高其强度；陶瓷材料中控制晶粒尺寸和界面结合情况，可以提高其抗压强度；纤维增强复合材料中，纤维的分布和取向对抗弯强度有重要影响。
在工程设计中，需要根据具体应用情况选择合适的材料强度指标，并保证其符合设计要求，以确保结构的稳定性和安全性。
二、刚度刚度是指材料抵抗形变的能力，也可以理解为材料对外力作用下的变形程度。
常见的刚度指标包括弹性模量、切变模量等。
弹性模量是指材料在弹性变形范围内，单位应力下的应变，反映了材料的抗弹性变形能力。
刚度的测试方法主要包括拉伸试验、扭转试验等。
材料的刚度与其物理性质和结构密切相关。
高弹性模量的材料具有较高的刚度，其在受力下变形较小；而低弹性模量的材料具有较低的刚度，其在受力下变形较大。
在工程设计中，需要根据结构的刚度要求选择合适的材料，以确保结构的稳定性和正常运行。
三、韧性韧性是指材料抵抗断裂的能力，反映了材料在受力下的变形能力和吸能能力。
常见的韧性指标包括断裂韧性、冲击韧性等。
断裂韧性是指材料在断裂前所能吸收的能量。
冲击韧性是指材料在受冲击载荷下，能够抵抗破坏的能力。
韧性的测试方法主要包括冲击试验、拉伸试验等。
材料的韧性与其断裂机制和微观结构有关。
例如，金属材料中的晶界和位错可以有效地阻止裂纹扩展，提高韧性；聚合物材料中的交联结构和链段运动可以吸收能量，提高韧性。
力学性能说课稿
力学性能说课稿标题：力学性能说课稿引言概述：力学性能是指材料在外力作用下的变形和破坏特性，是评价材料质量和可靠性的重要指标。
在工程设计和生产过程中，了解材料的力学性能对于确保产品的质量和安全至关重要。
一、材料的强度特性1.1 强度概念：材料的强度是指在外力作用下，材料抵抗破坏的能力。
1.2 抗拉强度：材料在拉伸过程中所能承受的最大拉力。
1.3 抗压强度：材料在受压过程中所能承受的最大压力。
二、材料的韧性特性2.1 韧性概念：材料在受外力作用下，能够发生塑性变形而不破坏的能力。
2.2 断裂韧性：材料在受冲击载荷作用下，能够吸收冲击能量的能力。
2.3 延展性：材料在拉伸过程中能够发生大变形而不断裂的能力。
三、材料的硬度特性3.1 硬度概念：材料抵抗局部变形和划伤的能力。
3.2 洛氏硬度：通过在材料表面施加一定压力，测量材料的硬度。
3.3 布氏硬度：通过在材料表面施加一定压力，测量材料的硬度。
四、材料的脆性特性4.1 脆性概念：材料在受外力作用下，会迅速发生破裂而不发生明显的塑性变形。
4.2 断裂韧性：材料在受冲击载荷作用下，会迅速发生破裂。
4.3 脆性转变温度：材料在低温下变得更加脆性的温度。
五、材料的疲劳特性5.1 疲劳概念：材料在受交变载荷作用下，逐渐发生损伤和疲劳破坏的过程。
5.2 疲劳极限：材料在一定次数的交变载荷下能够承受的最大应力。
5.3 疲劳寿命：材料在特定应力水平下能够承受的循环次数。
结论：通过对材料的力学性能进行全面了解，可以有效指导工程设计和生产过程中的材料选择和使用，确保产品的质量和安全性。
力学性能的评估是材料科学中的重要研究方向，也是工程领域不可或缺的一部分。
金属材料基础知识,金属材料的力学性能
金属材料基础知识，金属材料的力学性能金属材料是指具有光泽、延展性、容易导电、传热等性质的材料。
一般分为黑色金属和有色金属两种。
黑色金属包括铁、铬、锰等。
其中钢铁是基本的结构材料，称为“工业的骨骼”。
由于科学技术的进步，各种新型化学材料和新型非金属材料的广泛应用，使钢铁的代用品不断增多，对钢铁的需求量相对下降。
但迄今为止，钢铁在工业原材料构成中的主导地位还是难以取代的。
任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。
一、力学性能--强度强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。
1．拉伸测试拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。
利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。
2．力－伸长曲线弹性变形阶段--屈服阶段--强化阶段--缩颈阶段3．强度指标（1）屈服强度：当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。
（2）抗拉强度Rm ：材料在断裂前所能承受的最大的应力。
二、力学性能--塑性塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。
1．断后伸长率A ：试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。
2．断面收缩率Z ：试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率三、力学性能--硬度硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。
1．布氏硬度：用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位为Pa，但一般均不标出：表示方法：布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。
当保持时间为10～15s时可不标。
应用范围：主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。
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弹性模量反映材料内部原子间结合键的强弱，一 般随温度升高而逐渐降低，与显微组织及其热处理工 艺无关。
弹性模量表征材料对弹性变形的抗力。其值愈大， 材料产生一定量的弹性变形所需要的应力愈大，工程 上也称E为材料的刚度。
需要指出的是，材料的刚度和零部件的刚度不是 一回事。提高零部件刚度的办法主要是增加零部件的 横截面积或改变截面形状。
σ= F/A0， ε=∆l/l0 =(l-l0)/l0×100％
σ：试样单位面积上的拉伸应力（MPa），
(8-1)
注：与截面垂直的应力叫拉应力，与截面平行的叫剪应力。
ε：试样上的拉伸应变（m/m）；
F：试样上的外力（N）1kg=9.8N；
A0: 试样的原始截面积（m2）； l: 试样拉伸变形后的实际长度（m）；
3.强度
材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力， 称为强度。
根据载荷的不同，强度可分为屈服强度、抗拉强 度、抗弯强度、抗扭强度和断裂强度等。
(1) 屈服强度
屈服强度表征材料发生明显塑性变形时的抗力。
在拉伸过程中，载荷不增加但试样继续伸长的现
象称为屈服。屈服时对应的应力称为屈服强度，记为
σs,可由下式求出:
通过力与位移传感器可获得载荷F(P)与试样伸长 量l之间的关系曲线，即拉伸曲线,如图8-3所示。
图8-2 拉伸机示意图
拉伸试验可以确定材料在静载作用下的力学行为， 即弹性变形、塑性变形、断裂失效的三个基本过程， 进而确定材料最基本的力学性能指标。
图8-3 碳钢应力应变曲线图
用纵坐标表示应力σ，横坐标表示应变ε，这时 的拉伸曲线与试样尺寸无关，称为应力-应变曲线或 σ-ε曲线，见图8-3。
第八章 固体材料的基本性能
8.1 材料的性能 当材料作为结构或器件使用时，必须考虑二大性
能：使用性能和工艺性能。同时还要考虑性价比。 （1） 使用性能
力学性能、物理性质和化学性质。 （2） 工艺性能
成型过程中适应加工及其连接的性能。 1） 金属的铸造、锻压、切削、热处理、焊接等。 2） 陶瓷的制粉、成型与烧结等。 3） 聚合物的成型、流变、挤出、注塑、连接等。
这些性能直接关系到材料的使用效能、成本、成 型过程中的难易程度以及制品的质量控制等。
8.2 金属的性能
8.2.1 力学性能 金属的力学性能，有时也称机械性能，是指材
料在载荷和环境因素（温度、介质）联合作用下所 表现出抵抗变形和断裂的能力，包括强度、塑性、 韧性、硬度、疲劳、断裂等。
外加载荷的作用形式如图8-1所示。 通常在试验室里模拟结构的实际使用条件，用 以确定结构的破坏方式和承载能力。
不同的试验方法可以测定材料特有的力学性能 及其性能指标。性能指标是材料在设计、选用、工 艺评定、质量检验及控制的重要依据。
以下是几种常用的力学性能指标及测定方法。
图8-1 外力载荷的作用类型
1. 拉伸应力-应变曲线 将材料加工成圆棒或板形的光滑试样装夹在拉伸
试验机上(图8-2)，沿试样轴向以一定速度施加载荷， 使其发生拉伸变形直至断裂。
E1= Ef Vf + Em Vm
(8-6)
其中， E1为复合材料的纵向弹性模量； Ef 、Em 分别为纤维和基体的弹性模量； Vf 、Vm 分别为纤维和基体的体积分数。
同理， E2为横向弹性模量,可计算为：
1 / E2 = Vf /Ef + Vm / Em
(8-7)
(2)弹性极限
材料产生微量塑性变形的抗力，记为σe，用下式 表示:
l0: 试样的原始标距长度，通常为圆棒直径d的10倍（m）。
如果截面上作用剪切力S（Q）（图8-4）,剪应力 与剪应变的关系可表示为：
τ = S/F0， γ = a/h=tanθ
(8-2)
τ:试样截面上的剪应力（ MPa）；
γ:试样上的剪应变（m/m）;
S :试样上的剪切力（N)； a :试样的剪切位移（m）； θ :剪切角变形（度）；
常用塑性指标有伸长率δ和断面收缩率ψ。其数 值由下式求出：
δ=[(l1 - l0)/ l0]×100 %
(8-11)
ψ=[(A0 - Ak)/A0 ]×100 %
(8-12)
式中l0为试样原始标距长度；l1为试样断裂后标距的长 度；A为试样原始截面积；Ak为试样断裂处截面积。
试样能承受的最大载荷除以原始截面积所得的应
力称为抗拉强度，记为σb, 即:
σb = Fb / A0
(8-10)
抗拉强度是材料在拉伸条件下能够承受最大载荷 的应力值, 是表征材料对最大均匀变形的抗力。
脆性材料由于没有明显的屈服强度σs ，在强度
设计时常用σb来计算。
4.塑性
材料断裂前发生塑性变形的能力叫塑性。
h :剪切力作用的高度（m）
图8-4 受剪切力的变形
2.弹性
材料在外力作用下产生变形，外力去除后变形完 全消失，材料恢复原状，这种可逆变形叫弹性变形。
(1)弹性模量
在弹性变形阶段，材料的应力与应变成正比关系， 两者的比值称为弹性模量（MPa），记为E,
E =σ/ε
(8-3)
（8-3）式也称为虎克定律（Hook’s 定律）。
σe = Fe/A0
(8-8)
式中Fe：弹性极限载荷，通常很难确定。
在国家标准中把产生0.01%残余伸长所需的应力作 为规定的弹性极限，记σ0.01。
(3)弹性滞后
实际工程材料，特别是高分子，加载后应变不立 即达到平衡值，卸载时变形也不马上消失，这种应变 落后于应力的现象称为弹性滞后。
对易受振动的部件，利用弹性滞后效应吸收振动 能；对仪表上的传感元件则不希望有弹性滞后现象。
如果材料受到的是剪切变形，则（8-3）式变为
G = τ/γ
(8-4)
G为抗剪模量（MPa）、τ 为剪应力（MPa）、 γ 为剪应变（mm/mm）。
G与E的关系为：
G＝E/2(1+ν)
(8-5)
ν为泊松比，是抵抗材料收缩变形的能力。
通常碳钢的ν为0.3, 陶瓷ν为0.25, 聚合物ν为0.35。
对于连续纤维增强聚合物基复合材料，其弹 性模量可计算为：
σs = Fs/A0
(8-9)
式中Fs为屈服时的外载荷。
许多材料没有明显的屈服现象。规定产生0.2%残
余伸长所对应的应力作为条件屈服强度，记为σ0.2。
(2) 抗拉强度
试样屈服后，要继续变形，需要不断增加载荷。
但载荷达到最大值Fb后，试样某一部位的截面开始急 剧缩小，出现“缩颈”致使载荷下降，直到最后断裂。