工程力学基础第6章 工程材料的基本力学性能
工程材料力学性能6课件
1
掌握工程材料的力学性能基本概念、测试方法和评价指标。
理解材料的弹塑性行为、断裂力学、疲劳与损伤等基本理论。
能够运用所学知识对不同工程材料的力学性能进行评估和优化，提高工程结构的可靠性和安全性。
培养学生的实验技能和解决实际问题的能力，为未来的工程实践和研究工作打下坚实基础。
02
CHAPTER
工程材料的力学性能
材料在受到外力作用时发生形变，当外力去除后能恢复原状的性质。
弹性
材料在受到外力作用时发生形变，且在去除外力后不能恢复原状，但可以通过外力调整其形状的性质。
塑性
Байду номын сангаас
材料在循环应力作用下，经过一定周期后发生断裂的现象。疲劳断裂一般发生在应力集中的部位。
材料在受到外力作用时，因应力超过其承载极限而发生的断裂现象。断裂一般发生在材料的薄弱部位或缺陷处。
冲击试验
A
B
C
D
基于大量的实验数据，总结出一些经验公式来预测材料的力学性能参数，如弹性模量、泊松比等。
经验公式
通过建立材料的有限元模型，模拟材料的应力-应变行为，预测材料的力学性能参数。
有限元分析
基于原子或分子的动力学行为，模拟材料的力学性能参数，适用于微观尺度的材料性能预测。
分子动力学模拟
THANKS
断裂
疲劳
03
CHAPTER
材料的基本力学性能
常见的拉伸性能指标包括抗拉强度、屈服强度、伸长率和截面收缩率等。
拉伸性能的优劣对于材料的加工和使用具有重要意义，是评估材料力学性能的重要指标之一。
01
02
04
03
弯曲性能是指材料在弯曲力作用下抵抗变形和破坏的性能。
工程材料力学性能
工程材料力学性能引言工程材料的力学性能是指材料在受力作用下的力学行为和性质。
工程材料力学性能的研究对于工程设计、材料选择和结构安全等方面具有重要意义。
本文将对工程材料的力学性能进行详细阐述。
工程材料的力学性能指标弹性模量弹性模量是衡量材料抵抗变形的能力的一个重要指标。
它是在材料受压缩或拉伸力作用下，材料内部原子和分子之间的相对位移产生时所产生的应力与应变之比。
弹性模量越大，材料的刚度就越大，抵抗变形的能力越强。
屈服强度屈服强度是指材料在受力作用下开始变形的临界点。
当应力达到一定值时，材料开始发生塑性变形，无法恢复到原来的形状。
屈服强度常用于材料的强度设计和材料性能的比较。
抗拉强度抗拉强度是指材料在受拉力作用下的最大承载能力。
抗拉强度可以反映材料的抵抗拉断能力，是工程结构的安全性能的重要指标。
断裂韧性是指材料在断裂前能吸收的总能量。
它是衡量材料抵抗断裂能力的重要指标。
材料的断裂韧性越高，代表其在受外力作用下具有较好的耐久性和抗冲击性。
硬度硬度是指材料的抵抗划痕、穿刺和压入等形变的能力。
硬度可以反映材料的抗划痕和抗磨损能力。
常用的硬度测试方法包括洛氏硬度、布氏硬度和维氏硬度等。
蠕变性能蠕变性能是指材料在常温和高温下长期受持续载荷作用时的变形行为。
材料的蠕变性能对于结构的稳定性和耐久性具有重要影响。
工程材料力学性能的实验测试方法为了评估材料的力学性能，常常需要进行实验测试。
以下是几种常见的工程材料力学性能测试方法：拉伸测试拉伸测试是评估材料抗拉性能的常用方法。
通过施加恒定的拉力，测量材料的应变和应力，从而得到材料的拉伸强度、屈服强度和延伸率等力学性能参数。
压缩测试是评估材料抗压性能的常用方法。
通过施加恒定的压力，测量材料的应变和应力，从而得到材料的压缩强度和压缩模量等力学性能参数。
弯曲测试弯曲测试是评估材料耐弯曲性能的常用方法。
通过施加力矩，使材料发生弯曲变形，测量材料的应变和应力，从而得到材料的弯曲强度和弯曲模量等力学性能参数。
工程材料力学性能
工程材料力学性能1. 引言工程材料力学性能是指材料在外力作用下的力学行为和性能特征。
能够准确评估材料的力学性能对于工程设计和材料选择具有重要意义。
本文将介绍一些常见的工程材料力学性能参数及其测试方法。
2. 抗拉强度抗拉强度是衡量材料抗拉能力的指标，通常用Mpa（兆帕）表示。
该值表示材料能够承受的最大拉伸力。
一般情况下，抗拉强度越高，材料的抗拉性能越好。
抗拉强度的测试可以通过拉伸试验来完成。
在拉伸试验中，标准试样会受到均匀的拉力，直到发生材料破裂。
通过测量试样的最大载荷和横截面积，可以计算出抗拉强度。
3. 弹性模量弹性模量是衡量材料刚性和变形能力的指标，通常用Gpa （千兆帕）表示。
弹性模量越大，材料的刚性越好，变形能力越小，即材料在外力作用下不容易发生变形。
弹性模量的测试可以通过弹性试验来完成。
在弹性试验中，标准试样会受到一定的载荷，然后释放。
通过测量载荷-变形关系的斜率，即应力-应变的比值，可以计算出弹性模量。
4. 屈服强度屈服强度是材料在拉伸过程中突破弹性极限后的抗拉能力，通常用Mpa表示。
屈服强度代表了材料的韧性和延展性。
材料的屈服强度越高，其抗变形性能越好。
屈服强度的测试可以通过拉伸试验或压缩试验来完成。
在拉伸试验中，标准试样会受到逐渐增加的拉力，直到发生塑性变形。
通过测量试样的屈服点和横截面积，可以计算出屈服强度。
5. 硬度硬度是衡量材料抗外界划痕和压痕能力的指标。
常见的硬度测试方法包括布氏硬度（HB）、维氏硬度（HV）、洛氏硬度（HRC）等。
硬度测试方法根据材料的硬度特性进行选择。
例如，布氏硬度适用于较软的金属材料，而维氏硬度适用于硬度较高的金属材料。
硬度的测试结果通常以单位压力下形成的压痕直径或者硬度值表示。
6. 断裂韧性断裂韧性是衡量材料抵抗破裂扩展的能力以及吸收塑性能力的指标。
常用的断裂韧性测试包括冲击试验和拉伸试验。
冲击试验通常用于低温下材料的断裂韧性测试。
在冲击试验中，冲击试样受到快速施加的冲击载荷，通过测量试样的断裂能量和断口形貌，可以评估材料的断裂韧性。
工程材料的力学性能
工程材料的力学性能
目录
contents
引言 弹性性能 塑性性能 强度性能 韧性性能 工程材料的实际应用
01
引言
力学性能是指材料在受到外力作用时表现出来的性质，包括强度、硬度、塑性、韧性等。
定义
工程材料的力学性能是决定其承载能力和耐久性的关键因素，对于工程安全和经济效益具有重要意义。
重要性
定义与重要性
提高材料的疲劳强度可以通过优化材料成分、改变加工工艺、强化表面处理等方法实现。
06
工程材料的实际应用
机械制造
钢铁材料是机械制造行业的基础材料，用于制造各种机械设备、交通工具和零部件，其耐磨、耐压、耐腐蚀的特性保证了设备的稳定性和可靠性。
建筑结构
钢铁材料广泛应用于桥梁、高层建筑、工业厂房等建筑结构中，以其高强度、高韧性、可塑性强的特点满足各种建筑需求。
韧性性能
冲击韧性是指材料在受到冲击载荷时抵抗破坏的能力。
材料的冲击韧性与其内部结构、温度、杂质等因素有关。
冲击韧性通常用冲击功、冲击强度等参数来衡量。
冲击韧性对于材料的抗冲击性能和安全使用具有重要的意义。
冲击韧性
断裂韧性是指材料抵抗裂纹扩展的能力，是评价材料抵抗脆性断裂的重要指标。
材料的断裂韧性与其内部结构、温度、加载速率等因素有关。
详细描述
剪切模量是指在剪切应力作用下，材料抵抗剪切变形的能力。它是材料剪切刚度的度量。剪切模量越大，材料抵抗剪切变形的能力越强。
应用场景
在工程设计中，剪切模量是重要的设计参数，用于计算结构件的剪切强度和稳定性，以及预测材料在受力条件下的变形行为。
03
塑性性能
总结词
屈服强度是工程材料在受到外力作用时，开始发生屈服现象的应力极限。
工程力学C 第6章 材料拉伸和压缩时的力学性能
应力集中： 因截面尺寸的突然变化而引起局部 应力急剧增大的现象。
第六章 材料拉伸和压缩时的力学性能 Mechanical Properties of Materials
材料力学
如开有圆孔的板条
F
F
第六章 材料拉伸和压缩时的力学性能 Mechanical Properties of Materials
f
(6.1)
b a
c
弹性极限 比例极限
e
p
O
第六章 材料拉伸和压缩时的力学性能 Mechanical Properties of Materials
材料力学
2）屈服阶段 bc： 应力微小波动,产生显著的塑性变形， 此现象称为屈服。
上屈服极限
下屈服极限 =屈服极限σs
s
b a
e
c
屈服极限σs
第六章 材料拉伸和压缩时的力学性能 Mechanical Properties of Materials
材料力学
对低碳钢： 20 30%； 60%
当 ≥ 5％时，为塑性（延性）材料；
当 ＜ 5％时，为脆性材料。
第六章 材料拉伸和压缩时的力学性能 Mechanical Properties of Materials
,
第六章 材料拉伸和压缩时的力学性能 Mechanical Properties of Materials
材料力学
延伸率δ:
l l1 l0 100% 100% l0 l0
(6.2)
截面收缩率 :
受力前
A0 A1 100% A0
d0
(6.3)
l0
断裂后
d1
材料的力学性能
材料的力学性能
1.刚度---材料抵抗弹性变形的能力
2.强度---材料对塑性变形的抗力
1）屈服强度σs ，材料抵抗塑性变形的能力。
2）抗拉强度σb ，材料抵抗断裂的能力。
3）条件屈服强度σ0.2，有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2。
4）屈强比σs/σb，钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。
屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。
3.塑性---材料塑性变形的能力
1）延伸率δ，试样拉伸断裂后标距段的总变形ΔL与原标距长度L之比的百分数。
2）断面收缩率ψ，试样拉断时颈缩部位的截面积与原始截面积之差，与原始截面积之比的百分数。
4.硬度---材料表面上，局部体积内对塑性变形的抗力
1）布氏硬度 HB，测量有色金属、铸铁等软材料。
2）洛氏硬度 HRC，测量淬火钢等硬材料（当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量）。
3）维氏硬度 HV，测量硬质合金等高硬度材料。
6.疲劳强度 -1 ---材料承受N次应力循环而不断裂的最大应力
疲劳机理：应力集中、表面状态、内部缺陷等导致显微裂纹>裂纹扩张>零件有效截面减小>
断裂。
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。
工程材料力学性能
工程材料力学性能引言工程材料的力学性能是指材料在外力作用下的响应和变形能力的表现。
这些性能包括材料的强度、刚度、韧性、硬度以及疲劳和蠕变等。
强度强度是一个材料抵抗外力破坏的能力。
在工程中，强度常被用来评估材料在受力状态下是否能够承受所需的应力水平。
强度可以分为静力学强度和动力学强度两种。
静力学强度静力学强度是指材料在静态载荷下的最大承载能力。
常见的静态强度指标包括抗拉强度、屈服强度、压缩强度和剪切强度等。
•抗拉强度：材料在拉伸载荷下发生破坏前所能承受的最大应力。
•屈服强度：材料开始发生塑性变形时所能承受的最大应力。
•压缩强度：材料在受到压缩载荷时所能承受的最大应力。
•剪切强度：材料在受到剪切力时所能承受的最大应力。
动力学强度动力学强度是指材料在动态载荷下的最大承载能力。
由于动态载荷的应变速率较高，会对材料的力学性能产生影响，因此需要进行动态强度测试。
刚度刚度是指材料对外力的抵抗程度，即材料的变形程度对应的受力程度。
刚度描述了材料的弹性特性，常表示为杨氏模量。
•杨氏模量：材料在线性弹性阶段的比例系数，表示材料在受力时的刚度。
刚度越大，材料的变形越小。
韧性韧性是指材料能够吸收外界能量时的能力，是材料抵抗断裂的能力。
韧性常用弯曲、拉伸和冲击等试验来进行评估。
硬度硬度是材料抵抗本质穿透的能力，反映了材料的抗刮、抗压和抗磨损的能力。
硬度测试可以根据不同材料的特性选择不同的测量方法，常用的有洛氏硬度、维氏硬度和布氏硬度等。
疲劳和蠕变疲劳是指材料在循环载荷下逐渐失效的现象。
循环载荷会导致材料内部微观缺陷的扩展和蠕变。
蠕变是指材料在长期持续受力下发生的时间依赖性变形。
这种变形是渐进性的，会导致材料的强度和刚度下降。
结论工程材料力学性能是评估材料在工程应用中是否安全可靠的重要指标。
通过对材料的强度、刚度、韧性、硬度以及疲劳和蠕变等性能进行评估，可以选择合适的材料，确保工程的可靠性和耐久性。
工程材料的力学性能
弹性后效
总结词
弹性后效是指材料在卸载后，弹性变形部分不能完全恢复的现象。
详细描述
当材料在弹性范围内受到外力作用时，会发生弹性变形。当外力卸载后，材料 的弹性变形部分不能完全恢复，这种现象称为弹性后效。弹性后效的程度取决 于材料的种类和加载条件。
03
塑性性能
屈服强度
定义
屈服强度是材料在受到外力作用时，开始发生屈服现 象的应力极限。
工程材料的力学性能
目录
• 引言 • 弹性性能 • 塑性性能 • 强度性能 • 韧性性能 • 工程材料的选用01引言定义与重要性定义
工程材料的力学性能是指材料在 受到外力作用时表现出的性质， 如强度、硬度、韧性、弹性等。
重要性
力学性能是评价材料性能的重要 指标，对于工程结构的稳定性、 安全性和使用寿命具有至关重要 的作用。
影响因素
材料的延伸率与材料的成分、组织结构和温度等因素有关。
弯曲强度
定义
01
弯曲强度是材料在受到弯曲应力作用时，发生弯曲破坏的应力
极限。
意义
02
弯曲强度是衡量材料抵抗弯曲变形和破坏的能力，对于材料的
弯曲性能有重要意义。
影响因素
03
材料的弯曲强度与材料的成分、组织结构、温度和受力状态等
因素有关。
04
材料选择的原则
适用性原则
材料应满足工程要求，具有所需的力学性能、 耐久性和稳定性。
可行性原则
材料应易于加工、制造和安装，能够实现工 程结构的制造和施工。
经济性原则
在满足性能要求的前提下，优先选择价格低 廉、易于加工和采购的材料。
环保性原则
优先选择可再生、可回收、低污染的材料， 减少对环境的负面影响。
工程材料的基本性质—材料的力学性质(土木工程材料)
图1.2 材料受力示意图 (a)拉力；(b)压力；(c)剪切；(d)弯曲
–材料的强度主隙率越大，强度越低，另外不同 的受力形式或不同的受力方向，强度也不相同 。
材料的力学性质
强度
–材料在外力(荷载)作用下抵抗破坏的能力，称为强 度。
–当材料承受外力作用时，内部就产生应力。随着外 力逐渐增加，应力也相应增大。直至材料内部质点 间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料即破坏， 此时的极限应力值就是材料的强度。
–根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗 压、抗剪和抗弯(抗折)强度等(图)。
–在试验室采用破坏试验法测试材料的强度。
–按照国家标准规定的试验方法，将制作好的试件 安放在材料试验机上，施加外力(荷载)，直至破 坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料 的强度。
材料的抗拉、抗压和抗剪强度
– 计算式为：
材料的抗弯强度
–与试件受力情况、截面形状以及支承条件有关。通 常是将矩形截面的条形试件放在两个支点上，中间 作用一集中荷载。
工程力学基础第6章 工程材料的基本力学性能
3 强化阶段：cd段 该段曲线又开始上升，说明经过屈服阶 段以后，材料又恢复了抵抗变形的能力，必须增大载荷才能使 它继续变形，这种现象称为材料的强化，也称为应变强化。在 d点载荷达到最大值，相应的名义应力σb=Fmax/A称为强度极限 (低碳钢的σb约为400MPa)。强化阶段试样的轴向尺寸明显增大， 同时横向尺寸有明显的缩小，这是大变形的表现。
第二节
ε=Δl l(6-5) 式中，ε称为工程应变，即标距段内各点在轴向的平均线应变。 这样，就得到反映材料力学性能的应力-应变曲线，即σ-ε曲线， 其形状与拉伸(压缩)图相似。 对于不同的材料，由试验得到的应力-应变曲线差别很大。
第二节
图6-3
第二节
图6-4
第二节
图6-5
第二节
图6-6
第二节
第一节 材料力学的基本概念
图6-1
第一节 材料力学的基本概念
在受力构件中任一点处取一个微元体，通常为正六面体，其棱 边沿三个坐标轴方向，长度分别为Δx、Δy和Δz。构件受载后， 该微元体将发生变形，由于微元体各棱边很小，故可认为变形 后各棱边均保持为直线段，各表面也保持为平面。因此，微元 体的变形只表现为各棱边长度的改变和各棱边之间夹角(原为直 角)的改变。不失一般性，下面分别考察两种最简单的情形，如 图6-2a、b所示。由图6-2a可知，在正应力σx的方向微线段将伸 长(或缩短)，同时在垂直于σx的方向(横向)微线段将缩短(或伸 长)，这种变形称为线变形。现用线应变ε来描述一点处沿某一 方向线变形的程度，如εx=limΔx→0ΔuΔx=dudx(6-2)
第一节 材料力学的基本概念
式中，Δu为沿x方向的变形。同样，可以定义沿其他方向的线 应变。规定线应变的正负号为“伸长为正，缩短为负”。在切 应力作用下，微元体将发生剪切变形，如图6-2b所示，剪切变
工程材料力学性能
工程材料力学性能工程材料力学性能是指材料在外部力作用下的表现和性质。
材料的力学性能直接影响着工程结构的安全性、稳定性和使用寿命。
因此，对工程材料力学性能的研究和了解至关重要。
首先，工程材料的力学性能包括抗拉强度、抗压强度、弹性模量、屈服强度等指标。
抗拉强度是指材料在拉伸状态下所能承受的最大拉力，抗压强度则是指材料在受到压缩力时所能承受的最大压力。
而弹性模量则是衡量材料在受力时的变形程度，屈服强度则是材料开始产生塑性变形的临界点。
这些指标直接反映了材料在外部力作用下的表现，是评价材料力学性能的重要依据。
其次，工程材料的力学性能还包括疲劳性能、冲击性能、塑性性能等。
疲劳性能是指材料在长期交变载荷下所表现出的抗疲劳能力，冲击性能则是材料在受到瞬间冲击载荷时的抗冲击能力。
而塑性性能则是衡量材料在受力时的塑性变形能力。
这些指标在工程实践中同样具有重要的意义，特别是在复杂的工程环境下，材料的疲劳性能和冲击性能往往是决定工程结构安全性的关键。
此外，工程材料的力学性能还受到温度、湿度、环境腐蚀等因素的影响。
在不同的环境条件下，材料的力学性能可能会发生变化，因此在工程设计和使用中需要考虑这些因素对材料性能的影响。
同时，对于一些特殊工程要求，如航空航天、核工程等，对材料力学性能的要求更加严格，需要材料具有更高的耐高温、耐腐蚀等特殊性能。
综上所述，工程材料力学性能是工程实践中不可忽视的重要内容。
通过对材料力学性能的研究和了解，可以更好地选择合适的材料，设计合理的工程结构，确保工程的安全可靠性。
因此，对于工程材料力学性能的研究和评价，需要全面、准确地了解材料的各项力学性能指标，以及其在不同环境条件下的表现，为工程实践提供可靠的材料支撑。