材料力学性能绪论和PPT教案
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(2) 各晶粒变形的相互协调性
多晶体作为一个连续的整体，不允许各个晶 粒在任一滑移系中的自由变形，否则必将造 成晶界开裂，这就要求各晶粒之间能够协调 变形。
所以每个晶粒必须能够同时沿几个滑移系进 行滑移，即能进行多系滑移，或在滑移同时 进行孪生变形。
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所以就将表征材料的力学参数的临界值或规 定值称为材料的力学性能指标或判据。
材料力学性能指标具体数值的高低表示材料 抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质 量的主要依据。
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材料的力学性能主要由材料的内在因素决定 内在因素：材料的化学成分、组织结构、残余应力、
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。
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六、包申格效应（Bauschinger）
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包申格效应的定义：
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残余 应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余伸长 应力（弹性极限或屈服强度）增加；
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(1) 规定非比例伸长应力（σp）试样在加 载过程中，标距部分的非比例伸长达到 规定的原始标距百分比时的应力，例如 σp0.01、 σp0.05、 σp0.2等
(2) 规定残余伸长应力（σr）试样卸除拉 伸力后，其标距部分的残余伸长达到规 定的原始标距百分比时的应力，常用的 是 应σ力r0.2，表示规定残余伸长率为0.2%时的
机器零件或构件的刚度与材料刚度不同，前者用其截面积A与所 用材料的刚度E的乘积，即AE表示
所以要提高机件的刚度，在横截面积相同时，应该选择E值大的 材料，如钢铁、陶瓷材料等
单晶体金属的弹性模量在不同晶体学方向上不一致，原子间距较 小的晶体学方向上的弹性模量较大，反之则较小，所以单晶金属 表现为弹性各向异性
材料力学性能绪论和
会计学
1
不同的材料具有不同的使用性能，在工业、 社会生活等各个方面得到了广泛应用
研究材料的根本目的是改善和提高其使用性 能
使用性能包括物理性能、化学性能、力学性 能（也是物性的一种）
对于金属、无机非金属等结构材料来讲，力 学性能是最重要的使用性能
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反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
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包申格效应是多晶金属具有的普遍现象，与金属材料 中位错运动所受的阻力变化有关
位错：是晶体中的一维缺陷，缺陷区是细长的管状区 域，管内的原子排列混乱，破坏了点阵的周期性
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位错的TEM图像
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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.
变形方式： (1) 滑移 (2) 孪生
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是滑金移属面材是料原在子切排应列力最作密用排下的位晶(1错面) 沿，滑滑而移移滑面移和方滑向移是方原向子运最动 密而排进的行方的向切变过程
滑移面和滑移方向的组合称为滑移系，滑移系越多，金属的塑性越好，但滑 移系的数目不是决定金属塑性的唯一因素
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消除包申格效应的方法：
(1) 预先进行较大的塑性变形； (2) 在第二次反向受力前先使金属材料于回复或
再结晶温度下退火，如钢在400-500℃，铜合金在 250-270℃退火。
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第三节 塑性变形
一、塑性变形方式和特点
(1) 各晶粒变形的不同时性和不均匀性 (2) 各晶粒变形的相互协调性
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(1) 各晶粒变形的不同时性和不均匀性
多晶体由于各晶粒取向不同，在受外力时，某些取向有利的晶 粒先开始滑移变形，而那些取向不利的晶粒可能仍处于弹性变 形状态，只有继续增加外力，才能使滑移从某些晶粒传播到另 外一些晶粒，并不断传播下去，从而产生宏观塑性变形。
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三、弹性模量
定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹性应力，即产生100%弹 性变形时所需要的应力。
这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是因为金属材料所能产生 的弹性变形量是很小的。
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工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的 抵抗力
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材料力学性能的定义:
材料在外加载荷（外力）作用下，或载荷与 环境因素（如温度、介质和加载速率）联合 作用下所表现的行为，又称为力学行为。
宏观上一般表现为材料的变形或断裂。
材料的力学性能包括：强度、硬度、塑性、 韧性、耐磨性等
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机器零件（简称机件）的承载条件一般用各 种力学参数（如应力、断裂韧度等），
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上屈服点 下屈服点
屈服伸长
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与屈服现象相关的三个因素：
(1) 材料变形前可动位错密度很小，或虽然有大量位 错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质 点所钉扎
(2) 随塑性变形发生，位错能快速增殖 (3) 位错运动速率与外加应力密切相关
弹簧是典型的弹性零件，其重要作用是减振和储能驱动，所 以弹簧材料应具有较高的弹性比功，如高碳钢
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五、滞弹性
纯弹性体的弹性变形只与载 荷大小有关，而与加载方向 和加载时间无关
但对于实际的金属材料来讲 ，其弹性变形不仅是应力的 函数，而且是时间的函数
本章主要介绍静拉伸载荷下力学性能指标的物理概念 及实用意义，并分析金属弹性变形、塑性变形及断裂 的基本规律与原理
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第一节 力-伸长曲线和应力-应变曲线
力-伸长曲线：是拉伸试验中拉伸力与伸长的 关系曲线
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而滑移形变度可达300%。
孪生变形可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动，间接对塑 性变形有贡献。
孪生变形也是沿特定的晶面和特定晶向进行。
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多晶金属中每一晶粒滑移变形的规律与 单晶金属相同，但是多晶金属中存在晶 界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑 性变形有如下特点：
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） 。
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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。
[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.
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第一章 金属在单向静 拉伸载荷下的力学性能
单向静拉伸实验的特点：温度、应力状态和加载速率 一定，通常用标准的光滑圆柱试样来实验，通过单向 静拉伸实验可以揭示金属材料在静载荷作用下常见的 力学行为：弹性变形、塑性变形及断裂
面心立方fcc金属（如Cu、Al）的滑移系比体心立方bcc金属（α-Fe)的少，但 由于前者晶格阻力低，位错容易运动，所以塑性比后者好。
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也孪是生金本属身材提料供在的切变应形力量作很(2用小) 下，孪的例生一如种Cd塑孪性生变变形形方只式有7.4%的变形量，
表面及内部缺陷 外部因素： 载荷性质，如静载荷、冲击载荷、交变载荷 应力状态，如拉、压、弯曲、扭转、剪切、温度、环
境介质等 因此，分析内、外因素对材料力学性能的影响，掌握
材料力学性能的变化规律，对于正确选择材料，明确 提高材料力学性能的方向和途径具有重要意义
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材料作为一门大型基础学科，内容涉及广泛， 我们无机非金属材料专业的学生不仅要了解、 掌握无机非金属材料，还需要了解金属材料 的力学性能，
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。
滞弹性应变量与材料成分、 组织有关，也与试验条件有 关
材料组织越不均匀，滞弹性 越明显。
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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）。
多晶金属的弹性模量为各晶粒弹性模量的统计平均值，呈现各向 同性
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四、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
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因为弹性比功是用单位面积材料吸收的最大弹性变形功表示， 所以机件的体积越大，则吸收的弹性功越大，可储备的弹性 能越大。
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对于连续屈服特征的金属材料， 在拉伸试验时看不到屈服现象
对于这一类材料，可用规定微 量塑性伸长应力表征材料材料 对微量塑性变形的抗力
规定微量塑性伸长应力是人为 规定的拉伸试样标距部分产生 一定的微量塑性伸长率（如 0.01%、0.05%、0.2%等）时的 应力。
根据测定方法不同，可分为三 种指标
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二、屈服现象和屈服点（屈服强度）
屈服现象是材料产生宏观塑性变形的一种标志。 金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡明显，
表明外力保持恒定时试样仍继续伸长，或者外力增加 到一定数值时突然下降，然后外力几乎不变时，试样 仍继续伸长变形，这就是屈服现象。 呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外力保持 恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点，又称屈服强度。 屈服现象在退火、正火处理的中、低碳钢和低合金钢 中最为常见
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第二节 弹性变形
一、弹性变形及其实质
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二、虎克定律
（一）简单应力状态的虎克定律
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（二）广义虎克定律
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这对以后大家的学习、就业和工作等方面都 是大有益处的。
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第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 第四章 金属的断裂韧度 第五章 金属的疲劳 第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂 第七章 金属磨损和接触疲劳 第八章 金属高温力学性能 第十章 陶瓷材料的力学性能 第十一章 复合材料的力学性能 普通混凝土的力学性能
金属组织越不均匀，则起始塑性变形不同时性就越显著。 金属材料塑性变形的不同时性实际反映了塑性变形的局部性，
即塑性变形量的不均匀性。这种不均匀性不仅存在于各晶粒之 间，基体金属晶粒与第二相晶粒之间，即使同一晶粒内部，各 处的塑性变形量也不同。 所以当宏观塑性变形量还不大时，个别晶粒或晶粒局部区域的 塑性变形量可能已达到极限。由于塑性耗竭，加上变形不均匀 产生较大的内应力，就有可能在这些晶粒中形成裂纹，从而导 致金属材料的早期断裂。
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屈服强度的表示方法：
用应力表示的屈服点（σs）或下屈服点(σs 1)就是表 征材料对微量塑性变形的抗力，即为屈服强度
由于正常条件下，σs 1再现性较好，所以下屈服强度 也选作材料屈服强度指标之一。
s
Fs A0
s1
Fs1 A0
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(2) 各晶粒变形的相互协调性
多晶体作为一个连续的整体，不允许各个晶 粒在任一滑移系中的自由变形，否则必将造 成晶界开裂，这就要求各晶粒之间能够协调 变形。
所以每个晶粒必须能够同时沿几个滑移系进 行滑移，即能进行多系滑移，或在滑移同时 进行孪生变形。
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所以就将表征材料的力学参数的临界值或规 定值称为材料的力学性能指标或判据。
材料力学性能指标具体数值的高低表示材料 抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质 量的主要依据。
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材料的力学性能主要由材料的内在因素决定 内在因素：材料的化学成分、组织结构、残余应力、
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。
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六、包申格效应（Bauschinger）
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包申格效应的定义：
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残余 应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余伸长 应力（弹性极限或屈服强度）增加；
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(1) 规定非比例伸长应力（σp）试样在加 载过程中，标距部分的非比例伸长达到 规定的原始标距百分比时的应力，例如 σp0.01、 σp0.05、 σp0.2等
(2) 规定残余伸长应力（σr）试样卸除拉 伸力后，其标距部分的残余伸长达到规 定的原始标距百分比时的应力，常用的 是 应σ力r0.2，表示规定残余伸长率为0.2%时的
机器零件或构件的刚度与材料刚度不同，前者用其截面积A与所 用材料的刚度E的乘积，即AE表示
所以要提高机件的刚度，在横截面积相同时，应该选择E值大的 材料，如钢铁、陶瓷材料等
单晶体金属的弹性模量在不同晶体学方向上不一致，原子间距较 小的晶体学方向上的弹性模量较大，反之则较小，所以单晶金属 表现为弹性各向异性
材料力学性能绪论和
会计学
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不同的材料具有不同的使用性能，在工业、 社会生活等各个方面得到了广泛应用
研究材料的根本目的是改善和提高其使用性 能
使用性能包括物理性能、化学性能、力学性 能（也是物性的一种）
对于金属、无机非金属等结构材料来讲，力 学性能是最重要的使用性能
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反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
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包申格效应是多晶金属具有的普遍现象，与金属材料 中位错运动所受的阻力变化有关
位错：是晶体中的一维缺陷，缺陷区是细长的管状区 域，管内的原子排列混乱，破坏了点阵的周期性
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位错的TEM图像
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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.
变形方式： (1) 滑移 (2) 孪生
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是滑金移属面材是料原在子切排应列力最作密用排下的位晶(1错面) 沿，滑滑而移移滑面移和方滑向移是方原向子运最动 密而排进的行方的向切变过程
滑移面和滑移方向的组合称为滑移系，滑移系越多，金属的塑性越好，但滑 移系的数目不是决定金属塑性的唯一因素
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消除包申格效应的方法：
(1) 预先进行较大的塑性变形； (2) 在第二次反向受力前先使金属材料于回复或
再结晶温度下退火，如钢在400-500℃，铜合金在 250-270℃退火。
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第三节 塑性变形
一、塑性变形方式和特点
(1) 各晶粒变形的不同时性和不均匀性 (2) 各晶粒变形的相互协调性
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(1) 各晶粒变形的不同时性和不均匀性
多晶体由于各晶粒取向不同，在受外力时，某些取向有利的晶 粒先开始滑移变形，而那些取向不利的晶粒可能仍处于弹性变 形状态，只有继续增加外力，才能使滑移从某些晶粒传播到另 外一些晶粒，并不断传播下去，从而产生宏观塑性变形。
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三、弹性模量
定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹性应力，即产生100%弹 性变形时所需要的应力。
这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是因为金属材料所能产生 的弹性变形量是很小的。
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工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的 抵抗力
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材料力学性能的定义:
材料在外加载荷（外力）作用下，或载荷与 环境因素（如温度、介质和加载速率）联合 作用下所表现的行为，又称为力学行为。
宏观上一般表现为材料的变形或断裂。
材料的力学性能包括：强度、硬度、塑性、 韧性、耐磨性等
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机器零件（简称机件）的承载条件一般用各 种力学参数（如应力、断裂韧度等），
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上屈服点 下屈服点
屈服伸长
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与屈服现象相关的三个因素：
(1) 材料变形前可动位错密度很小，或虽然有大量位 错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质 点所钉扎
(2) 随塑性变形发生，位错能快速增殖 (3) 位错运动速率与外加应力密切相关
弹簧是典型的弹性零件，其重要作用是减振和储能驱动，所 以弹簧材料应具有较高的弹性比功，如高碳钢
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五、滞弹性
纯弹性体的弹性变形只与载 荷大小有关，而与加载方向 和加载时间无关
但对于实际的金属材料来讲 ，其弹性变形不仅是应力的 函数，而且是时间的函数
本章主要介绍静拉伸载荷下力学性能指标的物理概念 及实用意义，并分析金属弹性变形、塑性变形及断裂 的基本规律与原理
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第一节 力-伸长曲线和应力-应变曲线
力-伸长曲线：是拉伸试验中拉伸力与伸长的 关系曲线
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而滑移形变度可达300%。
孪生变形可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动，间接对塑 性变形有贡献。
孪生变形也是沿特定的晶面和特定晶向进行。
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多晶金属中每一晶粒滑移变形的规律与 单晶金属相同，但是多晶金属中存在晶 界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑 性变形有如下特点：
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） 。
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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。
[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.
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第一章 金属在单向静 拉伸载荷下的力学性能
单向静拉伸实验的特点：温度、应力状态和加载速率 一定，通常用标准的光滑圆柱试样来实验，通过单向 静拉伸实验可以揭示金属材料在静载荷作用下常见的 力学行为：弹性变形、塑性变形及断裂
面心立方fcc金属（如Cu、Al）的滑移系比体心立方bcc金属（α-Fe)的少，但 由于前者晶格阻力低，位错容易运动，所以塑性比后者好。
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也孪是生金本属身材提料供在的切变应形力量作很(2用小) 下，孪的例生一如种Cd塑孪性生变变形形方只式有7.4%的变形量，
表面及内部缺陷 外部因素： 载荷性质，如静载荷、冲击载荷、交变载荷 应力状态，如拉、压、弯曲、扭转、剪切、温度、环
境介质等 因此，分析内、外因素对材料力学性能的影响，掌握
材料力学性能的变化规律，对于正确选择材料，明确 提高材料力学性能的方向和途径具有重要意义
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材料作为一门大型基础学科，内容涉及广泛， 我们无机非金属材料专业的学生不仅要了解、 掌握无机非金属材料，还需要了解金属材料 的力学性能，
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。
滞弹性应变量与材料成分、 组织有关，也与试验条件有 关
材料组织越不均匀，滞弹性 越明显。
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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）。
多晶金属的弹性模量为各晶粒弹性模量的统计平均值，呈现各向 同性
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四、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
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因为弹性比功是用单位面积材料吸收的最大弹性变形功表示， 所以机件的体积越大，则吸收的弹性功越大，可储备的弹性 能越大。
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对于连续屈服特征的金属材料， 在拉伸试验时看不到屈服现象
对于这一类材料，可用规定微 量塑性伸长应力表征材料材料 对微量塑性变形的抗力
规定微量塑性伸长应力是人为 规定的拉伸试样标距部分产生 一定的微量塑性伸长率（如 0.01%、0.05%、0.2%等）时的 应力。
根据测定方法不同，可分为三 种指标
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二、屈服现象和屈服点（屈服强度）
屈服现象是材料产生宏观塑性变形的一种标志。 金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡明显，
表明外力保持恒定时试样仍继续伸长，或者外力增加 到一定数值时突然下降，然后外力几乎不变时，试样 仍继续伸长变形，这就是屈服现象。 呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外力保持 恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点，又称屈服强度。 屈服现象在退火、正火处理的中、低碳钢和低合金钢 中最为常见
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第二节 弹性变形
一、弹性变形及其实质
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二、虎克定律
（一）简单应力状态的虎克定律
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（二）广义虎克定律
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这对以后大家的学习、就业和工作等方面都 是大有益处的。
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第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 第四章 金属的断裂韧度 第五章 金属的疲劳 第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂 第七章 金属磨损和接触疲劳 第八章 金属高温力学性能 第十章 陶瓷材料的力学性能 第十一章 复合材料的力学性能 普通混凝土的力学性能
金属组织越不均匀，则起始塑性变形不同时性就越显著。 金属材料塑性变形的不同时性实际反映了塑性变形的局部性，
即塑性变形量的不均匀性。这种不均匀性不仅存在于各晶粒之 间，基体金属晶粒与第二相晶粒之间，即使同一晶粒内部，各 处的塑性变形量也不同。 所以当宏观塑性变形量还不大时，个别晶粒或晶粒局部区域的 塑性变形量可能已达到极限。由于塑性耗竭，加上变形不均匀 产生较大的内应力，就有可能在这些晶粒中形成裂纹，从而导 致金属材料的早期断裂。
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屈服强度的表示方法：
用应力表示的屈服点（σs）或下屈服点(σs 1)就是表 征材料对微量塑性变形的抗力，即为屈服强度
由于正常条件下，σs 1再现性较好，所以下屈服强度 也选作材料屈服强度指标之一。
s
Fs A0
s1
Fs1 A0
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