材料力学行为及性能

绪论§0.1 工程材料

工程材料分类（按其应用分）

➢结构材料

依靠其力学性能得以发展和应用的材料。

➢功能材料

利用物质的声、光、电、磁、化学乃至生物性能得以发展和应用的材料。

（本课程所研究和讲述的重点在第一种，尤其是结构材料中的金属材料）

§0.2 力学性能

材料抵抗外加载荷（不仅指外力和能量的作用，而且还包括环境因素例如温度、介质、加载速率等的影响）所引起的变形和断裂的能力。

§0.3 研究内容

研究材料在外力作用下的变形、断裂和寿命。

➢弹性

材料在外力作用下保持固有形状和尺寸的能力；以及在外力去除后恢复固有形状和尺寸的能力。

➢塑性

材料在外力作用下发生永久不可逆变形的能力。

➢强度

材料对塑性变形和断裂的抗力。

➢寿命

材料在外力的长期和重复作用下，或在外力和环境因素的复合作用下，抵抗失效的能力（时间长短）。

（以上只是定性地说明这些力学性能，如果要定量地说明它就必须用一些力学参量（应力、应变、应力场强度因子等）来表示这些力学性能。

如果我们说某材料的力学性能好，就是指这些力学参量的值高或低，所以人们通常将力学参量的临界值或规定值称为材料的力学性能指标。声学材料：隔音层光学材料：玻璃，镜片

电学材料：金属导线，电子元器件

磁学材料：磁头、磁卡

化学材料：高分子材料催化剂

生物材料：人工关节、人工骨骼

生活中常指后者

如：强度指标、塑性指标、韧性指标）

具体研究涉及的内容：

➢材料（包括金属材料和非金属材料）在不同形式外力作用下，或者外力、温度、环境等因素的共同作用下，发生变

形、损伤和断裂的过程、机理和力学模型；

➢评定力学性能的各项指标的意义（物理意义和工程实用意义）、各指标间的相互关系以及具体的测试技术；

➢研究力学性能指标机理、影响因素以及改善或提高这些力学性能指标的方法和途径。

（注：材料力学性能的影响因素

内因：化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力、表面和内部缺陷。

外因：载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等。）

§0.4学习和研究材料力学性能的目的和意义

机械和工程结构的设计，应当达到所要求的性能，并且在规定的服役期内安全可靠地运行，同时也要具有经济性，即低的设计、制造和维修费用。

①达到使用要求；②安全性；③经济性

然而，各种机械和结构零部件的使用条件各不相同，因而要选用不同的的材料制成零件，也需要采用不同的工艺手段来完成零件的实际制作。而材料的力学性能及其评定指标，是结构设计时选用材料、制订加工工艺的主要依据，也是评价结构质量的主要依据。

➢在零部件使用中，要求材料具有高的变形和断裂抗力，使零部件在受外力作用时能保持设计所要求的外形和尺寸，

并保证在服役期内安全地运行；

➢在零部件的生产过程中，则要求材料具有优良的可加工性。

（例如，在金属的塑性成形中，要求材料具有优良的塑性和低的塑性变形抗力）

对于学生，必须具有材料力学性能方面的知识，以便在研究新材料和改善材料的过程中，能根据材料的使用要求，选用合适的现有材料或研制新材料，制订合适的加工工艺。

§0.5研究方法

➢理论分析

➢试验测定

➢数值模拟

§0.6课程的内容安排

➢第一部分

材料在一次静加载条件下的形变和断裂过程、机制和基本理论；试样有光滑、缺口和含裂纹的；

➢第二部分

论述材料的疲劳、蠕变、环境效应和磨损；

➢第三部分

简要介绍复合材料、高分子材料和陶瓷材料的力学性能。

§0.7学习要求

➢注重温故而知新（和其他课程的关系）

➢掌握基本概念和基本理论（对公式做理解性记忆）

➢注重理论和试验相结合（试验原理，方法，设备以及结果分析等）

➢做练习

第一章材料在静拉伸条件下的力学性能

拉伸试验是最简单，但却是最重要的力学性能试验方法，可测定材料的弹性、强度、塑性、应变硬化和韧性等许多重要的力学性能指标。（拉伸性能）

§1.1 拉伸试验

室温大气中，在缓慢施加（1～10MPa/s）的单向拉伸载荷作用下，用光滑试件测定材料力学性能的方法。

标准圆棒形拉伸标准板状拉伸试样

原国标：

GB/T 228-87 GB 6397-86 现国标：

GB/T 228-02 GB/T 228-2010 <20MPa/s

<0.0025/s

<10mm/min

退火低碳钢的拉伸图

①弹性变形②屈服③均匀塑性变形④局集塑性变形⑤断裂 工程应力：0P A

σ=；工程应变：0e l l =∆

工程应力－应变曲线

真应力：S P A =； 真应变：()00

ln ln 1l

l dl l

d e l l εε====+⎰⎰

由于材料具有不同的化学成份和微观组织，在相同的试验条件

00005.6511.3l A l A ==

比例试样

下，也会显示出不同的应力应变响应。

脆性材料铸铁、玻璃等不存在屈服平台，有色金

属（铝合金），焊接接头

无颈缩、局集的塑变

高锰钢，铝青铜

无均匀塑性变形，冷拔钢丝存在非线性弹性变形

聚氯乙烯

工程实践中，常按材料在拉伸断裂前有无塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料。

§1.2 弹性变形

变形：材料在外力作用下发生尺寸或形状的变化，称为变形；

弹性变形：若外力除去后，变形随之消失（恢复原形状、尺寸，变形可逆），称为弹性变形。

一、物理本质

原子间的相互作用力

当原子偏离其平衡位置较小时，

原子间的相互作用力与原子间

的距离近似成正比。