材料在静载下的力学性能
材料力学性能指标
= (V0-V1)/V0
2.1.2 材料的静载力学性能指标
静载力学性能是指材料在加载速度较慢 时表现出的力学性能。
(1) 静拉伸试验是工业上应用最广泛的力 学性能评定方法之一。试验时在试样两 端缓慢施加载荷，使其工作部分缓慢地 沿轴向伸长，直至拉断为止。
在应力较小时为弹性变形，外力去除后变 形消失。应力增大到一定程度后，外力去 除后变形也不能完全消失，而是有一部分 残余变形，即发生了塑性变形。材料不发 生塑性变形的最大应力为弹性极限σe。在 弹性变形阶段，应力—应变一般服从虎克 (Hook)定律，成正比关系，但应力达到某 一极限值σp后的短暂的弹性变形阶段应力 和应变偏离直线关系，σp是应力—应变成 正比关系的最大应力，称为比例极限。
静拉伸力学性能—— 应力应变曲线分析
不同材料的应力应变曲线
低碳钢
铝合金
不同材料的应力应变曲线
聚氯乙烯
无机材料
延伸率
材料的塑性是指材料发生塑性变形而不断裂的 能力。
延伸率（elongation percentage)δ定义为试样拉 断后工作部分长度的相对伸长量，即：
lb l0 100%
研究目的和意义
（1）正确地使用材料，保证构件在服役期内有 效运行。 （2）通过对材料力学性能的研究可以评价材料 合成与加工工艺的有效性，并通过控制材料的 加工工艺，提高材料的力学性能。 （3）在材料力学性能理论的指导下，采用新的 材料成分和结构，或新的加工和合成工艺，设 计和开发出新材料，以满足对材料的更高需求。
主要内容
2．1 材料的力学性能指标 2．2 材料的变形 2．3 材料的断裂 2．4 材料的断裂韧性 2．5 材料的疲劳 2．6 材料的抗冲击性能
《工程材料》材料的静载力学性能
《工程材料》化学工业出版社 伍强主编
②抗拉强度σb 抗拉强度是指材料在拉断前所能承受的 最大应力，即
Fb b S0
对于脆性材料及不形成颈缩的塑性材料，其最 高的拉伸载荷是断裂载荷，因此其抗拉强度代表了 材料的断裂抗力。对于形成颈缩的塑性材料，其抗 拉强度代表产生最大均匀变形的抗力，表示材料在 静拉伸条件下的极限承载能力，这是选择高分子和 陶瓷材料的依据。
《工程材料》化学工业出版社 伍强主编
1.1.3塑性
• 塑性是材料产生塑性变形而不被破坏的能力。 常用的塑性指标有延伸率和断面收缩率。
塑性变形试验机
《工程材料》化学工业出版社 伍强主编
14
常用塑性指标：
《工程材料》化学工业出版社 伍强主编
1.1.4硬度
材料在表面局部体积内抵抗变形，特别是 塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度，其物 理意义是指材料表面抵抗比它更硬的物体局部 压入时引起塑性变形的能力。
应力 = F/S0 应变 = (l-l0)/l0
拉 伸 试 验 机
低碳钢的应力-应变曲线
拉伸试样
《工程材料》化学工业出版社 伍强主编
σ-ε曲线
《工程材料》化学工业出版社 伍强主编
弹性 E=/
强度 s、 b 塑性
=(L1-L0)/L0
=(F0-F1)/F0 拉伸曲线
《工程材料》化学工业出版社 伍强主编
《工程材料》化学工业出版社 伍强主编
属维氏硬度试验方法》进行。
《工程材料》化学工业出版社 伍强主编
其它硬度
②显微硬度HV
用于材料微区硬度 ( 如单个晶粒、
夹杂物、某种组成相等 ) 的测试，可 参照 GB4342-84《金属显微维氏硬度
材料力学性能-第一章-弹性的不完整性
在弹性范围内快速加载或卸 载后，随时间延长产生附加弹 性应变的现象称为滞弹性。
时间
应力
A
B
O
ea
c d
H
应变
b
图1-7. 滞弹性示意图
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
影响因素 材料成分；组织；实验条件；
材料的组织越不均匀，滞弹性越明显。如钢 淬火或塑性变形后，增加了组织的不均匀性，滞 弹性倾向增大。
如图1-9所示，设Tk和 Tk+1为自由振动相邻振幅 的大小，则循环韧性：
ln
Tk Tk 1
图1-9. 自由振动衰减曲线
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
循环韧性的意义：材料的循环韧性越高，则机 件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的 循环韧性对于降低机械噪声，抑制高速机械振 动，防止共振导致疲劳断裂是非常重要的。飞 机螺旋桨、气轮机叶片需要高δ；而追求音响效 果的元件如音叉、簧片等要低δ；灰铸铁的δ 大，常用来作机床的床身、发动机的缸体和支 架等。
p和t是在试样加载时直接从应力-应 变曲线上测量的，而r则要求卸载测量。由
于卸载法测定比较困难，而且效率低，而 加载中测试半径效率高，而且易于实现测 量的自动化，所以在材料屈服抗力评定中
更趋于采用p和t。而t在测试上比p方便， 所以，在大规模工业生产中，一般采用t的
测定方法提高效率。
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
在仪表和精密机械中，选用重要传 感元件的材料时，需要考虑滞弹性问 题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感 件等，如选用的材料滞弹性比较明显， 会使仪表精度不足甚至无法使用。还有 经过较直的工件放置一段时间以后又会 弯曲，就是由于滞弹性造成的。
静载试验方案
静载试验方案1. 引言静载试验是一种常用的工程试验方法，目的是评估结构或材料在静态加载下的力学性能。
本文档将介绍一种常见的静载试验方案，包括试验目的、试验准备、试验步骤以及数据处理方法等内容。
2. 试验目的静载试验的主要目的是评估结构或材料的承载能力、变形性能以及失效模式。
通过该试验，可以确定结构或材料的极限负荷、试验中的应力应变关系以及可能出现的破坏模式，为工程设计和结构安全评估提供依据。
3. 试验准备在进行静载试验之前，需要进行以下准备工作：3.1 试样制备根据试验对象的特点和试验要求，制备适当的试样。
试样的尺寸和形状应符合相关标准或设计要求，并保证试样表面光滑，无明显裂纹或损伤。
3.2 试验设备确保试验设备的可靠性和准确性。
选择合适的加载装置和测量设备，并进行必要的校准。
3.3 试验环境选择合适的试验环境，包括温度、湿度等条件。
确保试验环境的稳定性，并记录试验期间的环境参数。
3.4 数据采集系统准备数据采集系统，确保能够准确记录试验中产生的数据。
数据采集系统应具备足够的采样率和分辨率，以确保数据的真实性和可靠性。
4. 试验步骤4.1 试验装置安装根据试验要求，将试样安装到相应的加载装置上。
确保试样与加载装置之间的接触良好，并避免试样受到偏斜或扭曲。
4.2 载荷施加根据试验要求，逐步施加载荷，并记录相应的载荷值。
载荷施加的速率应符合试验标准或设计要求。
4.3 载荷保持在达到目标载荷后，保持载荷稳定并记录相应的时间。
载荷保持的时间可以根据试验要求设定。
4.4 卸载完成试验后，逐步卸载载荷并记录相应的载荷值。
卸载的速率应与加载速率一致，避免试样受到过大应力的影响。
5. 数据处理在试验完成后，对试验数据进行处理和分析，以获取有关结构或材料性能的信息。
常用的数据处理方法包括：5.1 极限负荷根据试验结果，确定结构或材料的极限负荷。
极限负荷可表示为最大承载力或破坏载荷。
5.2 应力应变关系根据试验数据绘制应力应变曲线。
材料力学性能01-04
1.弹性模量：E 2.强度：p、e、s、b 3.塑性:k、k
塑性材料在拉伸时的力学性能： 对于没有明显屈 服阶段的塑性材料， 用名义屈服极限Rp0.2来 表示。
R p 0.2
o
0.2%
0
两个塑性指标: l1 l0 A 100% 断面收缩率: Z A0 A1 100% 伸长率: l0 A0
5.压缩性能试验
(MPa)
400
低碳钢压缩应 力应变曲线
E(b)
C(s上) (e) B 200 D(s下) A(p)
f1(f)
低碳钢拉伸应 力应变曲线
g
E=tg O O1 O2 0.1 0.2
b
灰铸铁的 压缩曲线
b
= 45o
剪应力引起 断裂
灰铸铁的 拉伸曲线O引起破坏的有关因素： 1) 塑性材料拉伸: 沿45°滑移线、屈服,
塑性材料和脆性材料力学性能比较:
塑性材料
延伸率
脆性材料
延伸率
δ > 5%
δ < 5%
断裂前有很大塑性变形 抗压能力与抗拉能力相近 可承受冲击载荷，适合于 锻压和冷加工
断裂前变形很小 抗压能力远大于抗拉能力 适合于做基础构件或外壳
材料力学性能
哈尔滨工业大学材料学院 朱景川
第一章 材料静载力学性能试验
表示一定应力状态下材料发生塑性变形的难易程度
3.扭转性能试验 (1)扭转试验方法：GB/T 10128-1988
试样：圆柱或圆管
扭转曲线
(2)扭转应力状态
扭转应力状态特点：
(3)扭转性能指标 T 切 力 应 ： W
切 变 应 ：
使用性能是指料在使用条件下表现出来的性能如力学性能
工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指材料在使用条件下表现出来的性能如力学性能、物理性能和化学性能；工艺性能是指材料在加工过程中反映出的性能如切削加工性能、铸造性能、塑性加工性能、焊接性能和热处理性能等。
其具体的分类如下：一、强度、刚度、塑性、硬度材料在静载荷的作用下所表现出的各种性能称为静态力学性能。
材料的静态力学性能可以通过静载试验确定，该试验可以确定材料在静载荷作用下的变形（弹性变形、塑性变形）和断裂行为，这些数据广泛应用于结构载荷机件的强度和刚度设计中，也是材料加工工艺有关材料变形行为的重要资料。
在生产金属材料的工厂，静载试验是检验材料质量的基本手段之一。
此外，科学工作者也能够从材料的变形和断裂行为的分析中得到很多有关材料性能的重要资料，这些资料对于研究和改善材料的组织与性能十分必要。
一、拉伸试验拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法之一。
这种试验方法的特点是温度、应力状态和加载速率是确定的，并且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。
通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即弹性变形、塑性变形和断裂。
还可以标定出材料最基本的力学性能指标，如屈服强度σ、抗拉强度σb、断后伸长率δ和断面收材料的性能使用性能工艺性能强度、硬度、塑性和韧性等室温下抵抗各种化学作用的性能高温下抵抗各种化学作用的性能密度、熔点、磁性、导电导热性、热膨胀性等缩率ψ。
1、拉伸试验曲线拉伸试验曲线有以下几种表示方法：（1）载荷－伸长曲线（P-ΔL）这是拉伸试验机的记录器在试验过程中直接描画出的曲线。
P是载荷的大小，ΔL指试样标距长度L0受力后的伸长量。
（2）工程应力－应变曲线（σ－ε曲线）令F0为试样原有的横截面面积，则拉伸应力σ＝P / F0，拉伸应变ε＝ΔL / L0。
以σ－ε为坐标作图得到的曲线就是工程应力－应变曲线，它和P-ΔL曲线形状相似，仅在尺寸比例上有一些差异。
图2－1为低碳钢的拉伸曲线。
变形与断裂总结
第一章：单向静拉伸试验：是应用最广泛的力学性能试验方法之一。
1）可揭示材料在静载下的力学行为（三种失效形式）：即：过量弹性变形、塑性变形、断裂。
2）可标定出材料最基本力学性能指标：如：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率等。
拉伸力－伸长曲线拉伸曲线：拉伸力F －绝对伸长△L 的关系曲线。
在拉伸力的作用下，退火低碳钢的变形过程四个阶段：1）弹性变形：O ～e2）不均匀屈服塑性变形：A ～C3）均匀塑性变形：C ～B4）不均匀集中塑性变形：B ～k5）最后发生断裂。
k ～第二章：弹性变形：当外力去除后，能恢复到原形状或尺寸的变形。
特点：可逆性、单值线性、同相位、变形量小本质：都是构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。
弹性模量E ：是表征材料对弹性变形的抗力，工程称材料的刚度.E 值越大，在相同应力下产生的弹性变形就越小。
弹性模量是结构材料的重要力学性能指标之一。
影响因素：1、键合方式 2、原子结构 3、晶体结构 4、化学成分 5.微观组织 6.温度 弹性模量 E 与切变模量 G 关系：(其中： ν－泊松比。
)比例极限σp ：是材料弹性变形按正比关系变化的最大应力，即拉伸应力一应变曲线上开始偏离直线时的应力值。
弹性极限：材料由弹性变形过渡到弹－塑性变形时的应力，当应力超过弹性极限σe 后，便开始产生塑性变形。
（比例极限σp 和弹性极限σe 与屈服强度的概念基本相同，都表示材料对微量塑性变形的抗力，影响因素也基本相同。
）弹性比功ae ：（弹性比能、应变比能）表示材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。
一般用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
物理意义：吸收弹性变形功的能力。
几何意义：应力σ -应变ε曲线上弹性阶段下的面积。
欲提高材料的弹性比功：提高σe ，或降低 E2E G ν=（1＋）弹簧钢：含碳较高并添加Si 、Mn 等合金元素强化基体，经淬火＋中温回火获得回火托氏体组织及冷变形强化，以提高其弹性极限，使弹性比功ae 和弹性提高。
材料性能学名词解释
材料性能学名词解释第⼀章（单向静载下⼒学性能）弹性变形：材料受载后产⽣变形，卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质。
塑性变形：微观结构的相邻部分产⽣永久性位移，并不引起材料破裂的现象弹性极限：弹性变形过度到弹-塑性变形(屈服变形)时的应⼒。
弹性⽐功：弹性变形过程中吸收变形功的能⼒。
包申格效应：材料预先加载产⽣少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余应⼒（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应⼒降低的现象。
弹性模量：⼯程上被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗⼒。
实质是产⽣100%弹性变形所需的应⼒。
滞弹性：快速加载或卸载后，材料随时间的延长⽽产⽣的附加弹性应变的性能。
内耗：加载时材料吸收的变形功⼤于卸载是材料释放的变形功，即有部分变形功倍材料吸收，这部分被吸收的功称为材料的内耗。
韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能⼒。
超塑性：在⼀定条件下，呈现⾮常⼤的伸长率（约1000%）⽽不发⽣缩颈和断裂的现象。
韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断⼝。
第⼆章（其他静载下⼒学性能）应⼒状态软性系数：不同加载条件下材料中最⼤切应⼒与正应⼒的⽐值。
剪切弹性模量：材料在扭转过程中，扭矩与切应变的⽐值。
缺⼝敏感度：常⽤试样的抗拉强度与缺⼝试样的抗拉强度的⽐值。
NSR硬度：表征材料软硬程度的⼀种性能。
⼀般认为⼀定体积内材料表⾯抵抗变形或破裂的能⼒。
抗弯强度:指材料抵抗弯曲不断裂的能⼒，主要⽤于考察陶瓷等脆性材料的强度。
第三章（冲击韧性低温脆性）冲击韧度：⼀次冲断时，冲击功与缺⼝处截⾯积的⽐值。
冲击吸收功：冲击弯曲试验中，试样变形和断裂所吸收的功。
低温脆性：当试验温度低于某⼀温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态。
韧脆转变温度：材料在某⼀温度t下由韧变脆，冲击功明显下降。
该温度即韧脆转变温度。
迟屈服：⽤⾼于材料屈服极限的载荷以⾼加载速度作⽤于体⼼⽴⽅结构材料时，瞬间并不屈服，需在该应⼒下保持⼀段时间后才屈服的现象。
工程材料的力学性能
练习题二
某工厂买回一批材料（要求： бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%； ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ 0=10mm）拉伸试验，结果如下： Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm； d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？
时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球 在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏 硬度值为120。
布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。
适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
2．洛氏硬度：
延伸率 延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10 (L0=5d,10d)
思考:同一材料δ5 ＞ δ10？
断面收缩率
> 时，无颈缩，为脆性材料表征；
拉
< 时，有颈缩，为塑性材料表征。
伸 试
样
的
颈
缩
现
象
断裂后
练习题一
拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试 验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为 71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率 和断面收缩率的值？
介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出 的力学特征。
指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧
性 、断裂韧度和疲劳强度等。
材料力学性能复习
材料⼒学性能复习第⼆章材料在静载荷下的⼒学性能1.连续塑性变形强化材料和⾮连续塑性形变强化材料曲线、变形过程、屈服强度。
2.指出以下应⼒应变曲线与哪些典型材料相对应，并对其经历的变形过程做出说明。
3.拉伸断裂前，发⽣少量塑性变形，⽆颈缩，在最⾼载荷点处断裂；4.断裂前先发⽣弹性变形，然后进⼊屈服阶段，之后发⽣形变强化+均匀塑性变形，有颈缩现象，再发⽣⾮均匀塑性变形直⾄断裂；5.应⼒状态软性系数的定义及其意义、应⼒状态图的应⽤。
6.画出低碳钢的应⼒应变曲线，并说明获得该材料的强度和塑性指标？⽐例极限弹性极限屈服极限强度极限断裂强度延伸率断⾯收缩率7.⼯程应⼒、⼯程应变、真应⼒和真应变之间有什么关系?8.为什么灰⼝铸铁的拉伸断⼝与拉伸轴垂直，⽽压缩断⼝却与压缩⼒轴成45o⾓？9.材料为灰铸铁，其试样直径d=30mm，原标距长度h。
=45mm。
在压缩试验时，当试样承受到485kN压⼒时发⽣破坏，试验后长度h=40mm。
试求其抗压强度和相对收缩率。
10.布⽒、洛⽒、维⽒硬度的试验原理、特点、应⽤。
11.现有如下⼯件需测定硬度，选⽤何种硬度试验⽅法为宜? (1) 渗碳层的硬度分布；(2)灰铸铁；(3)淬⽕钢件；(4)氮化层；(5)双相钢中的铁素体和马⽒体；(6)⾼速钢⼑具；(7)硬质合⾦；(8)退⽕态下的软钢。
第三章材料的变形12.⾦属的弹性模量主要取决于什么?材料的弹性模量可以通过材料热处理等⽅式进⾏有效改变的吗？为什么说它是⼀个对结构不敏感的⼒学性能？弹性也称之为刚度，都是表征材料变形的能⼒？特点：单值性，可逆性，变形量⼩；物理本质：克服原⼦间⼒（双原⼦模型）组织不敏感：E主要取决于材料的本性，与晶格类型和原⼦间距有关，合⾦中固溶原⼦、热处理⼯艺、冷塑性变形，温度、加载⽅式等都对弹性模量影响不⼤；刚度：弹性与刚度是不同的，弹性表征材料弹性变形的能⼒，刚度表征材料弹性变形的抗⼒。
13.弹性变形的不完整性？灰⼝铸铁可以⽤作机床机⾝，为什么？对理想弹性体，在应⼒作⽤下产⽣的应变，与应⼒间存在三个关系：线性、瞬时和唯⼀性。
第二章 材料的静载拉伸力学性能
σys= Py/A0
(2-5)
式中，Py为物理屈服时的载荷或下屈服点对应的载荷。
屈服强度是工程技术上最为重要的力学性能指标之一。
机械设计中，许用应力的设计为，σ＜σys/n, n =1.2 ~ 1.7。
2.1.2.2 抗拉强度 抗拉强度表示材料的极限承载能力。在拉伸应力-应变曲线
上，与最高载荷Pb对应的应力值σb即为抗拉强度
对形成颈缩的材料，[塑性变形 = 均匀塑性变形 + 集中塑性 变形]，于是有：
lk l0 l0 A0
k
lk l0 l0
A0 l0
式中β、γ为常数。
为了使同一材料制成的不同尺寸试样的结果具 有可比性，要求
l0 / A0 K 对于圆形截面拉伸试样，通常取K=11.3
力）。
复习思考题
作业： 设有一原始长度为l的试样，拉伸伸长3次，每 次工程应变为0.1。求：总应变，分别用工程 应变及真应变表示。
Project
Project 1 材料的常规力学性能与工程构件设计 （第 3 章结束后） Project 2 断裂力学原理与材料容陷设计（第 6 章结束后） Project 3 特殊工况下的力学性能与材料强韧化设计（第 8 章结束后） Project 4 先进材料的力学性能与新材料设计（课程结束后）
SK= PK/AK
(2-7)
需要注意，在这里采用的是试样断裂时的真实截面积，是
真实应力，其意义是表征材料对断裂的抗力。
2.1.3 塑性指标及其意义
1. 延伸率δk 拉伸试验之前测定试件的标距l0；拉伸断裂后测得的标距为
lk，然后按下式计算出延伸率：
k
lk
材料力学性能大连理工大学课后思考题答案
第一章 单向静拉伸力学性能 一、 解释下列名词。
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，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。
2．滞弹性：金属材料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称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．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称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过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的现象。
5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b 的台阶。
8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变12.弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。
13.比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。
14.解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。
晶体学平面－－解理面，一般是低指数、表面能低的晶面。
15.解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。
16.静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。
混凝土静载实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在通过混凝土静载实验，了解混凝土在静力作用下的力学性能，包括抗压强度、抗折强度和弹性模量等。
通过实验，加深对混凝土结构力学性能的认识，为实际工程应用提供理论依据。
二、实验原理混凝土静载实验是通过在混凝土试件上施加静力荷载，测量其应力、应变和变形等参数，从而得出混凝土的力学性能指标。
实验中，通常采用单轴压缩实验和抗折实验两种方法。
三、实验材料与设备1. 实验材料：- 混凝土试件：标准立方体试件（150mm×150mm×150mm）和标准棱柱体试件（150mm×150mm×300mm）。
- 水泥：符合国家标准的普通硅酸盐水泥。
- 砂：中粗砂，符合国家标准的级配要求。
- 石子：碎石，符合国家标准的级配要求。
- 水：符合国家标准的自来水。
2. 实验设备：- 混凝土静载实验机：用于施加静力荷载。
- 应变仪：用于测量混凝土试件的应变。
- 荷载传感器：用于测量混凝土试件所受荷载。
- 千分表：用于测量混凝土试件的变形。
- 秒表：用于记录实验时间。
四、实验步骤1. 准备试件：将混凝土试件加工成标准尺寸，并确保表面平整。
2. 涂抹凡士林：在试件表面涂抹一层凡士林，以防止试件在实验过程中发生滑移。
3. 安装试件：将试件放置在实验机上，确保试件中心与实验机中心对齐。
4. 施加荷载：按照实验要求，缓慢施加静力荷载，直至试件破坏。
5. 测量数据：在实验过程中，记录荷载、应变和变形等参数。
6. 计算结果：根据实验数据，计算混凝土的抗压强度、抗折强度和弹性模量等指标。
五、实验结果与分析1. 抗压强度：本次实验测得混凝土的抗压强度为30.2MPa，符合设计要求。
2. 抗折强度：本次实验测得混凝土的抗折强度为4.8MPa，符合设计要求。
3. 弹性模量：本次实验测得混凝土的弹性模量为3.2×10^4MPa，符合设计要求。
通过实验结果分析，可以看出，本次实验所制备的混凝土试件力学性能良好，满足设计要求。
材料的力学性能
第三章 材料的力学性能第一节 拉伸或压缩时材料的力学性能一、概述分析构件的强度时，除计算应力外，还应了解材料的力学性质（Mechanicaiproperty ），材料的力学性质也称为机械性质，是指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性。
它要由实验来测定。
在室温下，以缓慢平稳的方式进行试验，称为常温静载试验，是测定材料力学性质的基本试验。
为了便于比较不同材料的试验结果，对试件的形状、加工精度、加载速度、试验环境等，国家标准规定了相应变形形式下的试验规范。
本章只研究材料的宏观力学性质，不涉及材料成分及组织结构对材料力学性质的影响，并且由于工程中常用的材料品种很多，主要以低碳钢和铸铁为代表，介绍材料拉伸、压缩以及纯剪切时的力学性质。
二、低碳钢拉伸时的力学性质低碳钢是工程中使用最广泛的金属材料，同时它在常温静载条件下表现出来的力学性质也最具代表性。
低碳钢的拉伸试验按《金属拉伸试验方法》（GB/T228—2002）国家标准在万能材料试验机上进行。
标准试件（Standard specimen ）有圆形和矩形两种类型，如图3-1所示。
试件上标记A 、B 两点之间的距离称为标距，记作l 0。
圆形试件标距l 0与直径d 0有两种比例，即l 0=10d 0和l 0=5d 0。
矩形试件也有两种标准，即00l l ==其中A 0为矩形试件的截面面积。
试件装在试验机上，对试件缓慢加拉力F P ，对应着每一个拉力F P ，试件标距l 0有一个伸长量Δl o 表示F P 和Δl 的关系曲线，称为拉伸图或F P —Δl 曲线。
如图3-2a ，由于F P —Δl 曲线与试件的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，把拉力F P 除以试件横截面的原始面积A 0，得出正应力0P F A σ=为纵坐标；把伸长量Δl 除以标距的原始长度l 0，得出应变0l l ε∆=为横坐标，做图表示σ与ε的关系（图3-2b ）称为应力——应变图或σ—ε曲线（Stress-strain curve ）。
工程材料与机械制造基础-第2章
图 低碳钢的σ-ε曲线
图 低碳钢的σ-ε曲线 图 铸铁的σ-ε曲线
第一阶段oe：弹性阶段。弹性极限：σe 第二阶段es：屈服阶段。屈服极限：σs 第三阶段sb：强化阶段。强度极限：σb 第四阶段bz：缩颈阶段(截面积减小,载荷下降) 。z：试样断裂。
(1)延伸率（伸长率）
L L1 L0 100%
屈服强度：
s
Ps F0
(MPa)
抗拉强度：
b
Pb F0
(MPa)
s /b
叫屈强比，一般为0.65-0.75。 屈强比越小，可靠性越高。 屈强比越大，强度利用率越高，可靠性降低。
金属材料的强度与其化学成分和工艺过程 ，尤其是热处理工艺有密切的关系。
如: (1)纯金属的抗拉强度低
纯铁为200MPa，铜为60MPa,铝为40MPa (2)铁碳合金：退火状态下
σ-1 —— 疲劳强度, MPa
δ —— 伸长率、延伸率 αK —— 冲击韧性,J/cm2
7.比较45HRC 650HBW 800HV 240HBS的大小。 答：800HV >650HBW>45HRC>240HBS
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20. 10.2420 .10.24Saturday , October 24, 2020 人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。1 7:50:38 17:50:3 817:50 10/24/2 020 5:50:38 PM 安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20. 10.2417 :50:381 7:50Oc t-2024- Oct-20 加强交通建设管理，确保工程建设质 量。17:50:3817 :50:381 7:50Saturday , October 24, 2020 安全在于心细，事故出在麻痹。20.10. 2420.1 0.2417:50:3817 :50:38 October 24, 2020 踏实肯干，努力奋斗。2020年10月24 日下午5 时50分 20.10.2 420.10. 24 追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2 020年1 0月24 日星期 六下午5 时50分 38秒17 :50:382 0.10.24 严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年10月 下午5时 50分20 .10.241 7:50Oc tober 24, 2020 作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2 020年1 0月24 日星期 六5时50 分38秒 17:50:3 824 October 2020 好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午5时50 分38秒 下午5 时50分1 7:50:38 20.10.2 4 专注今天，好好努力，剩下的交给时 间。20. 10.2420 .10.241 7:5017:50:381 7:50:38 Oct-20 牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。202 0年10 月24日 星期六5 时50分 38秒Sa turday , October 24, 2020 相信相信得力量。20.10.242020年10月 24日星 期六5 时50分3 8秒20. 10.24
精品 课后习题及参考答案-材料性能学课后习题与解答
材料性能学课后习题与解答绪论1、简答题什么是材料的性能？包括哪些方面？[提示] 材料的性能定量地反映了材料在给定外界条件下的行为；解：材料的性能是指材料在给定外界条件下所表现出的可定量测量的行为表现。
包括○1力学性能（拉、压、、扭、弯、硬、磨、韧、疲）○2物理性能（热、光、电、磁）○3化学性能（老化、腐蚀）。
第一章单向静载下力学性能1、名词解释：弹性变形塑性变形弹性极限弹性比功包申格效应弹性模量滞弹性内耗韧性超塑性韧窝解：弹性变形：材料受载后产生变形，卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质。
塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。
弹性极限：弹性变形过度到弹-塑性变形(屈服变形)时的应力。
弹性比功：弹性变形过程中吸收变形功的能力。
包申格效应：材料预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低的现象。
弹性模量：工程上被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。
实质是产生100%弹性变形所需的应力。
滞弹性：快速加载或卸载后，材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。
内耗：加载时材料吸收的变形功大于卸载是材料释放的变形功，即有部分变形功倍材料吸收，这部分被吸收的功称为材料的内耗。
韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
超塑性：在一定条件下，呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。
韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断口。
2、简答(1) 材料的弹性模量有那些影响因素？为什么说它是结构不敏感指标？解：○1键合方式和原子结构，共价键、金属键、离子键E高，分子键E低原子半径大，E小，反之亦然。
○2晶体结构，单晶材料在弹性模量在不同取向上呈各向异性，沿密排面E大，多晶材料为各晶粒的统计平均值；非晶材料各向E同性。
○3化学成分，○4微观组织○5温度，温度升高，E下降○6加载条件、负载时间。
对金属、陶瓷类材料的E没有影响。
材料力学性能A和Z
材料力学性能A和Z
材料力学性能是指材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。
是确定各种工程设计参数的主要依据。
这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力-应变曲线。
对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。
弹性阶段的力学性能有：
①比例极限。
应力与应变保持成正比关系的应力最高限。
当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。
②弹性极限。
弹性阶段的应力最高限。
在弹性阶段内，载荷除去后，变形全部消失。
这一阶段内的变形称为弹性变形。
绝大多数工程材料的比例极限与弹性极限极为接近，因而可近似认为在全部弹性阶段内应力和应变均满足胡克定律。
③弹性模量。
弹性阶段内，法应力与线应变的比例常数（A）。
④剪切弹性模量。
弹性阶段内，剪应力与剪应变的比例常数（Z）。
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图2－9 缺口试样应力集中现象
2020/5/4
缺口顶端的最大应力取决于缺口的几何参数— —形状、深度、角度及根部的曲率半径，以曲率半 径影响最大，缺口越尖锐，应力集中越严重。 应力集中程度可以用理论应力集中系数Kt表示：Kt
＝max/，max—最大应力，—平均应力。
Kt值与材料无关，只决定于缺口的几何形状，可从 手册查到。 比如，若缺口为椭圆形， Kt＝1＋2a/b，a、b分别 为椭圆的长短轴；若缺口为圆形，则Kt＝3。
行为。
2020/5/4
Z
σz
复杂应力状态用 受力点单元六面体 的六个应力分量表 示。正应力导致脆 断，切应力导致韧
τyx
τxy
σx σy
X
断。
Y
单元六面体上的应力分量
2020/5/4
第一节、应力状态软性系数
材料在不同应力状态下，所表现出来的力学性能是不同的。 根据材料力学知识，任何复杂的应力状态可分为三个主应 力σ1、σ2、σ3来表示。而最大应力可以由主应力表示。
曲力，按弹性弯曲公式计算的最大弯曲应力。 ●从弯曲力—挠度曲线上B点上读取相应的弯
曲力Fbb（或从测力盘上直接读取），按前面 公式计算出最大弯曲力矩Mbb，然后算出试 样抗弯截面系数W，继而计算出抗弯强度σbb
2020/5/4
淬火温度对合金工具钢抗抗弯强度的影响
840℃ 855℃870℃
2020/5/4
2020/5/4
1.弹性状态下的应力分布
图2－10 薄板缺口拉伸时弹 性状态下的应力分布
轴向应力σy在缺口根部最大，并
y
随着离开根部的距离加大而降低。
在根部产生应力应变集中效应。
第一缺口效应：应力应变集中
2020/5/4
图2-10 薄板缺口拉伸弹性状态下 的应力分布
•薄板受拉伸后，在X方向上也出现应力σx ， 它是由于纵向拉伸的过程中出现了横向收缩而 引起的。
呈螺旋状，这是正应力作用下产生
的正断（b）。
图2－8
2020/5/4
第五节 缺口试样静载力学性能8
前述均为光滑、且横截面均匀的试样，但实际 机件不可能是完全光滑的，往往存在着截面的 急剧变化，如健槽、油孔、螺纹等，这种截面 变化的部位可视为缺口。
由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面 上的应力状态将发生变化，即产生所谓“缺口
● 塑性较差的材料应在α值较大的状态下试验，以观察其塑性性 能。
2020/5/4
第二节、 压缩及其性能指标
1． 压缩试验测定的力学性能 指标
要求h0/d0≤1-2
抗压强度
bc
Fbc A0
相对压缩率
c
h0
h0
h
f
100%
相对断面扩展率
c
Af
A0 A0
100%
2020/5/4
图2－1 压环强度试验
根据屈雷斯加判据
y
z x
max y x s
根部σx＝0,所以σy＝σs 当缺口内侧截面上局部区域产生 塑性变形后，最大应力已不在缺
口根部，而在其内侧一定距离ry
处。该处σx最大，所以σy、σz也 最大。
2020/5/4
图2-12 缺口内侧截面上 局部区域屈服后的应力
分布
显然，随着塑性变形的内移，各应力峰值越来越大， 局部是屈服强度的3倍。位置也移向中心。 ●越过交界处，σx、 σy、σz呈连续下降状态。
材料在静载下的力学性能
Ø 金属材料在常温静载荷条件下，除单向静拉伸外，还有压缩、弯曲、扭 转或缺口试样拉伸等不同的测试方法。
Ø 其目的在于： Ø 一、尽量接近材料真实的服役环境。测定材料在相应条件下的力学性能
指标，从而在应用中作为设计和选材的依据。 Ø 二、不同的加载方式将产生不同的应力环境，材料将表现出不同的力学
•y方向上的拉应x 力 ，产y 生了纵向应变εy，引起
横向应变εx，由于薄板的连续性，不允许板材 自由收缩，因此，产生了横向应力σx。 •由于使用的是薄板，z方向可以自由变形，因 此σz为零。
2020/5/4
在缺口自由表面，因 不存在x方向的约束，可以
自由收缩，故x＝0，在离 缺口不远处，x有一极大
值，这是由于在缺口附近
y的应力梯度很大，相应
的微单元的横向收缩差也 很大，所以在很小的x距离
内，x便升高到最大值。
2020/5/4
y x
图2－10薄板缺口拉伸弹性状态 下的应力分布
●厚板弹性状态下的应力 分布如图2-11；
●缺口根部为两向拉伸应 力状态，而内侧为三向 拉伸的平面应变状态。 这种两向或者三向应力 状态，就是缺口的第二 效应。
●（3）可用来精确评定那些拉伸时出现颈缩的高塑 性材料的形变能力和形变抗力。
●（4）扭转试样是测定材料切断强度的最可靠方法。
2020/5/4
● 塑性材料的断裂面与试样轴线 垂直，断口平整，有回旋状塑性变 形痕迹，为切应力造成的切断断口 （a）。
●
脆 性 材 料 断 裂 面 与 轴 线 成 4 5 º，
图2－4几种合金工具钢的淬火温度对抗
弯强度及挠度的影响（150 ℃回火）
●2． 弯曲试验的特点及应用
● （1） 弯曲加载时受拉的一侧应力状态基本上 与静拉伸时相同，可用于测定那些太硬难于加工 成拉伸试样的脆性材料的断裂强度；
● （2） 截面上应力分布也是表面最大，可以用 于比较和评定材料表面处理层的质量
效应 2020/5/4 ”。从而影响材料的力学性能。
•一、缺口处的应力分布特点及缺口效应
缺口试样如图2－9所示。 图(a)为力线分布，在载荷 作用下，远离缺口处力线是 均匀分布的，但在缺口附近 由于截面积减小使力线密集， 应力加大，缺口顶端应力最 大，如图(b)所示，向内部 逐渐减小，产生了应力集中 现象。
2020/5/4
（1）规定非比例弯曲应力
过C点作弹性直线段的平
行线CA交曲线于A点，A点
所对应的力值为所测得的
规定非比例弯曲力Fpb然后
计算出最大弯矩M，然后求
出试样抗弯系数W，继而
图2－3
求出规定非比例弯曲应力
σpb。
2020/5/4
●（2）抗弯强度σbb ●抗弯强度：试样弯曲至断裂前达到的最大弯
●厚板Z向变形受到约束 εz＝0
● z ( x y )
●且σy＞ σz ＞ σx。
2020/5/4
y z y
x z
x
图2-11 厚板缺口拉伸弹 性状态下的应力分布
2．塑性状态下的应力分布
对于塑性好的材料，若根部产生 塑性变形，应力将重新分布，并 随载荷的增加塑性区逐渐扩大， 直至整个截面上都产生塑性变形。
2020/5/4
图2－5
1、 扭转实验测定的力学性能指标
扭转试验试样：扭转试样有直径d0=10mm、 长度L0分别为50mm或100mm两种。
试验过程：对试样施加扭矩T，随着扭矩的 增加，试样标距l0间的两个横截面不断产生 相对转动，其相对扭角以 （单位为rad） 表示。
扭转是测得扭矩－扭角（T－ ）曲线表示。
图2－14
2020/5/4
图2－15
缺 口 纤维 区
放射 区
最终 破断 区 裂纹 扩展 方向
缺口试样轴向拉伸断口形貌如上图所示。裂纹源位 于缺口处，然后由表面向内部扩展，如果缺口比较 钝或材料塑性好，裂纹源也可能在试样心部形成， 但由于试样受表面缺口约束，一般不存在剪切唇。
99%烧结
265
Al2O3
202烧0/5结/4 B4C
300
抗压强度 /MPa
400-600 850-1000 250-400 200
1350
1900
2990
3000
抗压强度/抗 拉强度
4 3.3-3.4 8.3-10 4
10.8
14
11.3
10
第三节 弯曲及其性能指标
1． 弯曲试验测定的力学性能指标
剪切弹性模数
图2－6
2020/5/4
图2－7
●2、 扭转实验的特点及应用
●（1）扭转的应力状态软性系数（α＝0.8）较拉伸 的应力状态软性系数（α＝0.5）髙，故可用来测定 脆性材料的强度和韧性。
●（2）扭转试样截面的应力分布为表面最大，心部 最小，可对各种表面强化工艺进行研究和对机件的 热处理表面质量进行检验。
2020/5/4
图2－13
➢ ω＝45－60° ➢ ρ＝0.1-0.2m ➢ dN=7-8.5m ➢ dN/d0=0.7-0
缺口敏感度NSR—notch sensitivity ratio
NSR bN
b
NSR 大者缺口敏感性低。还与应力状态、缺口形状、尺寸、实验温度等有 关。
脆性材料的NSR总是小于1，表明缺口根部尚未发生明显的塑性变形时就已 脆断。
验，使试验条件更接近实际服役条件。 ● 对于脆性材料施加多向不等压缩载荷，由于α＞2，更易表现其塑性。 ● （3）压缩不能使塑性材料断裂
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材料
抗拉强度 /MPa
HT100
HT250 化工陶瓷 透明石英玻
璃 多铝红柱石
100-150 250-300 30-40 50
125
烧结尖晶石 134
● （3） 较软的塑性材料难以发生断裂，最好采 用拉伸试验。
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第四节 扭转的力学性能
圆柱试样承受扭矩M进行扭转时，试样表面的应力状态如图2-5，在与试样
轴 轴
线 线
呈 的
45°的两个截面上承受最大 截面上承受最大切应力τ。
与
最
小
正
应
力
σ
1
及
σ
3，