材料力学性能1

磁性性能，等；
化学性能：耐腐蚀性、高温抗氧化性、抗老化 性、降解性，等； 力学性能：弹性、塑性、硬度、韧性，等； 工艺性能：铸造性、可锻性、可焊性、切削加
工性，等；
生物性能：生物反应性、生物相容性，等。
三、材料的力学性能
1、定义
材料在外加载荷作用下，或者在载荷与环境
因素的联合作用下表现出的力学行为。宏观上
如果金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重分 布，则在随后反向加载时，包申格应变等于零。 用处： （1）.包申格效应对于承受应变疲劳载荷作用的机件在应变疲劳 过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑 性变形抗力(规定残余伸长应力)降低，显示循环软化现象。 （2）.对于预先经受冷塑性变形的材料，如服役时受反向力作用， 就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子在 受压状态下使用就是这种情况。 （3）.利用包申格效应，如薄板反向弯曲成型。拉拨的钢棒经过 轧辊压制变直等。 消除包申格效应的方法是:预先进行较大的塑性变形，或在第二 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℃以上，铜合金在250～270℃以上退火。
因弹性模量E是对组织不敏感的常数指标，故需提高 材料的弹性极限ζe才能提高弹性比功Ae
§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
五、弹性不完整性： 1）包申格效应:
对于产生了少量塑性变形 （残余应变约为
1%～4%）的材料，若再同向加载则规定残余
伸长应力（弹性极限或屈服强度）升高；若再
吸引力：原子核中质子(正离子)与其它原子的电子 云之间的作用力：F1∝1/r²
相斥力：离子之间及电子之间的作用力：F2∝-1/r4
则有： F = F1+ F2 = A/r² r0²r4 -A /
其中： F1= A/r² 为引力项， F2=-Ar0²r4 为斥力项 /
r＞r0时F＞ 0，为引力，两原子间有拉进的趋势； r＜r0时F＜ 0，为斥力，两原子间有推远的趋势； r=r0时F=0，为平衡状态，两原子间保持平衡距离。
3、影响材料力学性能的主要因素
内部因素————材质因素。 (1) 成 分：化学元素种类及含量。 (2) 组织结构：各元素原子组成的方式； 内部的缺陷、残余应力等 外部因素 ————（载荷与环境因素）： (1) 加载速度（静、冲击、交变……） (2) 加载方式即应力状态(拉、压、弯、扭等) (3) 温度 (4) 环境介质
一、弹性变形的定义及特点：
1、弹性变形的特点：
①应力-应变保持直线关系 ②变形可逆 ③变形总量较小
§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
2、弹性变形产生的机理：—原子间作用力 原子间具有一定间距——原子间距（2r0），也即是原 子半径（r0）的两倍（指同类原子）
原子间作用力：吸引力、相斥力；且二者均与原子间 的相互距离（2r）有关
可以在较低应力下滑移较大距离，宏观上表现为
规定残余伸长应力较低的现象。
度量包申格效应的基本 定量指标是包申格应变， 它是指在给定应力下，正 向加载与反向加载两应力 －应变曲线之间的应变差 (图1-8)。
在图1-8中，b点为拉伸 应力－应变曲线上给定的 流变应力， ＝bc即为包 申格应变。
包申格效应的意义
值为规定比例极限ζp , 记为:ζp25或ζp10
弹性极限:

定义残余变形为0.01%时为规定弹性极限ζe
§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
四、弹性比功：
定义:


Ae =ζe×εe/2 =ζe² /2E
物理意义--表征材料吸收弹性变形能的能力，可作为储能、 减震材料的力学指标。
第九章：聚合物子材料的力学性能 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
参考书
1. 高建明 材料力学性能，武汉理工大版 2004 2. 郑修麟 材料的力学性能，西北工大版 2001 3. 匡震邦 材料的力学行为，高教版 1998 4. 冯端 金属物理学（第三卷 金属力学性能），科 学版 1999 5. 张清纯 陶瓷材料的力学性能，科学版 1987 6. 吴人洁 复合材料，天津大版 2000 7. Courtney, Thomas H. Mechanical Behavior of Materials,机工版 2004
§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
二、弹性模量：
2、弹性模量的特点:
①单晶体各向异性； ②与合金元素含量关系不大; ③与组织元素含量关系不大; ④随ToC的增加而下降, 但在室温范围内变化不大; ⑤弹性变形的产生和扩展速度为声速，一般的加载速 度对弹性模量影响不大，但爆破加载方式将使其增加; ⑥软硬钢材的弹性模量相当.
硬度、疲劳、蠕变 等力学性能指标的物理含义、
微观机理（结构与状态）；
2、影响材料力学性能的主要因素，以及提高
其性能所采取的措施；
3、材料力学性能的测试技术
§0.3 学习本课程的目的
1、掌握材料的力学性能及其变化规律； 2、了解材料力学性能的微观机理； 3、能正确地选用材料； 4、具有研究开发新型结构材料的能力。
1) Fmax一般远大于Fp、Fe（三个数量级）；

实际金属在外力远低于Fmax时就产生了塑性 变形甚至断裂。

Fp ------ 比例极限时（ζp）对应的试验力； Fe ------ 弹性极限时（ζe）对应的试验力；

§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
3、说明：
2) F与Δr =r - rO并非正比关系; 然而，实际金属拉伸时其Fe 、Fp均较小(远小 于Fmax)，此时F与Δr近似直线; 故弹性强度指标有比例极限σp (Fp/Ao)与弹性 极限σe (Fe/Ao )之分，且σp ＜σe .
一般表现为材料的变形和断裂。
2、力学性能的指标
弹性、塑性、强度、硬度、寿命、韧性等。
(1) 弹性:是指材料在外力作用下保持和恢复固有形 状和尺寸的能力。 (2) 塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变 形的能力．
(3) 强度:是材料对变形和断裂的抗力。
(4) 寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗 损伤和失效的能力。
2. 规定比例极限与规定弹性极限：
为了便于实际测量和应用，中国的国家标准规定，当 载荷和伸长之间的线性关系发生偏离时，若该点的切线 与载荷轴间夹角的正切值已较其弹性直线部分之值增加
50％，则该点所对应的应力便称为“规定比例极限”。
实际上，“规定比例极限”是产生极微量塑性变形(0.001 ～0.01％)时的应力值。
3、说明：
3) 弹性变形随应力的变化速度为声速。
§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
二、弹性模量：
表征材料(在弹性变形阶段)对弹性变形的抗力，即材 料的刚度。 拉：ζ= Eε E：弹性模量（杨氐） 扭：剪切应力τ= Gγ G：切变模量
1、定义:


E、G越大，则材料的抗力越大，或变形越小。 弹性模量是组织不敏感因素指标，仅与原子间作用力有关.
ζ= F/A0
ε=ΔL/L0=(L-L0)/L0
将拉伸力-伸长曲线的横、纵坐标分别用 拉伸试样的原始标距长度L0 和原始截面 积A0 去除，则得到应力—应变曲线，称 为 工程应力 — 应变曲线 。由此可建立金 属材料在静拉伸条件下的力学性能指标。
低碳钢的拉伸力-伸长曲线
低碳钢的应力-应变曲线
§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
三、比例极限与弹性极限：

1. 定义： 注意：ζp ，ζe 只是一个理论上的物理定义， 因为对于实际使用的工程材料，用普通的测 试方法很难测出准确而唯一的比例极限和弹 性极限。
§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
三、比例极限与弹性极限：
§0.5 本课程学习注意问题
预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。
理论联系实际:是实用性很强的一门课程。某些力学性
指能标根据理论考虑定义,而更多指标则 按工程实用要求定义。
重视实验: 通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又
可掌握测试技术，了解测试设备，进一步理 解所测力学性能指标的物理与实用意义。
§0.4 教材内容及参考书
教学内容
第一章：金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 第二章：金属在其它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：金属的断裂韧性 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：金属的磨损和接触疲劳
第八章：金属的高温力学性能
真实应力—应变曲线
在拉伸过程中，试样的截面积和长度随着拉 伸力的增大是不断变化的，工程应力-应变曲线 并不能反映实验过程中的真实情况。
真实应力：S= F/A （A-材料受力后的真实面积 ）
真实应变：e=ln[(L0+ΔL)/L0]=ln(1+ɛ)
§1- 2 弹性变形
§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
F~ r曲线上存在一个最大值Fmax，其对应的r=rM Fmax可视为材料的理论弹性极限或理论强度值。
即如材料承受的拉力F≥Fmax将产生原子移位，形成 不可逆变形即塑性变形或断裂。 而一般地拉应力F＜Fmax时： rM ≥ r ≥ rO
§1- 2 弹性变形
3、说明：
——弹性变形的力学性能指标
反向加载则规定残余伸长应力（弹性极限或屈 服强度）降低，该现象称为包申格效应。
包申格效应的解释
包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力
变化有关。金属受载产生少量塑性变形时，运动