1金属材料在静拉伸载荷下的力学性能4-精品文档
《材料性能学》课后答案.
《工程材料力学性能》（第二版）课后答案第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能一、解释下列名词滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。
静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。
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。
比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。
包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(σP)或屈服强度(σS)增加；反向加载时弹性极限(σP)或屈服强度(σS)降低的现象。
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。
解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。
韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。
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。
是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。
二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能?答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。
改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。
三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义?答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。
特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。
包辛格效应可以用位错理论解释。
第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。
束德林主编工程材料力学性能第三版 第1章
图1-21 冰糖状断口 （SEM）
（三） 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂
（1）剪切断裂 剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离
断裂，其中又分纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。
（2）解理断裂 解理断裂是金属材料在一定条件下(如低温)，当外加正应力达到--定数值后，
五、缩颈现象和抗拉强度
（一）缩颈的意义 （二）缩颈判据 （三）确定缩颈点及颈部应力的修正 （四）抗拉强度
（三）确定缩颈点及颈部应力的修正
' zh
(1
zh
2R ) ln(1
a
)
a
2R
' zh
' zh
——修正后的真实应力
zh ——颈部轴向真实应力
R ——颈部轮廓线曲率半径
a ——颈部最小截面半径
一、断裂的类型 （一） 韧性断裂与脆性断裂 （二） 穿晶断裂与沿晶断裂 （三） 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂与解理断裂
（一）韧性断裂与脆性断裂
韧性断裂是金属材料断裂前产 生明显宏观塑性变形的断裂，这种 断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂 纹扩展过程中不断地消耗能量。
中、低强度钢的光滑圆柱试样 在室温下的静拉伸断裂是典型的韧 性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由 纤维区、放射区和剪切唇三个区域 组成，即所谓的断口特征三要素。
冶金质量的好坏，故可用以评定材料质量。 金属材料的塑性常与其强度性能有关。
七、屈强比
材料屈强比值的大小，反映了材料均匀塑形变形的能力和应 变硬化性能，对材料冷成型加工具有重要意义。
八、静力韧度
韧度是度量材料韧性的力学性能指标，其中又分静力韧度、冲击韧度和断裂 韧度。
第01章 单向静拉伸力学性能
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经典弹性理论：变形完全回复；单值对应；线性关系。
滞弹性体的应力与应变关系仍然是 线性的。它与非弹性体有明显区别。
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弹性体与滞弹性体区别：
弹性体：每一 σ 值准确对应于一个 ε 值，即 σ 、ε 是 唯一的；
滞弹性体：每个 σ 值对应两个 ε 值，其中之一属加载， 另一则属卸载条件下的 ε 值。
真实应力-应变曲线：
定义式 ： σzh = F/S 定义式： εzh = ΔL/L
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（1）在Ⅰ区，为直线，真应力与真应变成直线关系。 （2）在Ⅱ区，为均匀塑性变形阶段，是向下弯曲的曲线，
遵循Hollomon关系式: σzh ＝K(εzh)n
K，n均为材料常数；n为形变强化指数；K为硬化系数 一般金属材料，1>n>0 σ= Eε
⑴ 金属原子的种类(非过渡族、过渡族） ⑵ 晶体结构 （单晶体和多晶体） (3) 冷变形（织构） ⑷ 显微组织（热处理后） （5）温度 （6）加载速率 （7）相变
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四、弹性比功
1、比例极限 2、弹性极限 3、弹性比功（弹性比能、应变比能）
物理意义：吸收弹性变形功的能力。 几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的 面积。 计算式：ae =σeεe/2 =σe2/2E 用途：弹簧
σ 和 ε 的关系表现为一个椭圆。
3、滞弹性的内耗
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（1）金属的内耗—金属材料在交变载荷下吸收 不可逆变形功的能力。
在机械振动过程中由于滞弹性造成震动能量 损耗，机械能散发为热能。
滞弹性回线中所包围的 面积代表振动一周所产生的 能量损耗，回线面积越大， 则能量损耗也越大。
40 （2）产生内耗的原因：
（1）最广泛使用的力学性能检测手段。 （2）试验的应力状态、加载速率、温度等都是
第一章 单向静拉伸载荷下的力学性能
2、弹性极限 、
由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。超过弹性极限，开 始发生塑性变形 σe=Fe / A0
实际意义？ σp、σe的实际意义？
对于要求在服役时其应力应变关系严格维持 直线关系的构件，如测力计弹簧，是依靠 变形的应力正比于应变的关系显示载荷大 小的，则选择这类构件的材料应以材料的 比例极限为依据； 若服役条件要求构件不允许产生微量塑性变 形，则应以弹性极限选材
------------------------------（1）
位错运动时，切应变速率与可动位错密度ρm及其运 动速率之间关系
------------------------------（2）
换算成拉伸应变速率
------------------------------（3）
位错总密度ρ随拉伸应变εp增加（ ρ0为塑性变形刚开 始时的总位错密度）
影响金属材料的力学性能的内在因素： 影响金属材料的力学性能的内在因素：材 料的化学成分、组织结构、冶金质量、 料的化学成分、组织结构、冶金质量、残 余应力及表面和内部缺陷等； 余应力及表面和内部缺陷等； 外因：载荷性质（静载荷、冲击载荷、 外因：载荷性质（静载荷、冲击载荷、交 变载荷）、载荷谱、应力状态（ ）、载荷谱 变载荷）、载荷谱、应力状态（拉、压、 弯曲、扭转、剪切、 弯曲、扭转、剪切、接触应力及各种复合 应力）、温度、环境介质等； ）、温度 应力）、温度、环境介质等； 金属力学性能的物理本质及宏观变化规律 与金属在变形和断裂过程中位错的运动、 与金属在变形和断裂过程中位错的运动、 增殖和交互作用（位错之间的交互作用、 增殖和交互作用（位错之间的交互作用、 位错与点缺陷的交互作用） 位错与点缺陷的交互作用）等微观过程有 关。
断面收缩率(ψ)：是拉伸试样断裂处截面的相对 收缩值，等于断裂处截面绝对收缩值(∆Ak=A0-Ak) 除以试样原始截面积(A0)，也用百分数表示： ψ=( A0-Ak)/ A0 ×100% A0 Ak 试样原始截面积 试样断裂后断裂处的最小截面积
材料力学性能重点总结
名词解释：1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。
2弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。
4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1%-4%），而后再同向加载，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塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
常见塑性变形方式：滑移和孪生6弹性极限：以规定某一少量的残留变形为标准，对应此残留变形的应力。
7比例极限：应力与应变保持正比关系的应力最高限。
8屈服强度：以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%的残留变形的应力作为屈服强度。
9韧性断裂是材料断裂前发生产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的断裂过程，在裂纹扩展过程中不断的消耗能量。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并于主应力成45度角。
10脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑形变形，没有明显征兆，危害性很大。
断裂面一般与主应力垂直，端口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
11剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿着滑移面分离而造成的断裂，又分滑断和微孔聚集性断裂。
12解理断裂：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，总是脆性断裂。
13缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化，产生所谓“缺口效应“①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。
②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。
8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度σbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值. NSR=σbn / σs NSR越大缺口敏感度越小9冲击韧性：Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性12 脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。
金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
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弹簧是典型的弹性零件，其重要作用是减震和 储能驱动。因此，弹簧材料应具有较高的弹性比功。
生 产 上 选 用 含 碳 较 高 的 钢 ， 加 入 Si 、 Mn 等 合 金元素以强化铁素体基体，并经淬火加中温回火获 得回火托氏体，以及冷变形强化等，可以有效地提 高弹性极限，使弹性比功增加。
1、拉伸曲线（力－伸长曲线）： F-纵坐标，ΔL－横坐标 如图所示。 从拉伸曲线上可以看出其变形和断裂的过程。
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2、拉伸过程
退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分 为四个阶段：如图所示
弹性变形阶段 → 不均匀屈服塑性变形阶段 → 均匀塑性变形阶段 → 不均匀集中塑性变形阶段 试样形状和尺寸的变化，如图所示
属材料吸收弹性变形功的能力。一般可用金属
开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形
功表示。金属拉伸时的弹性比功用应力应变曲
线下弹性变形部分的面积表示，且
ae
1 2
e
e
2 e
2E
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由上述公式可见，金属材料的弹性比功决定 于其弹性模量和弹性极限。由于弹性模量是组织 不敏感性能，因此，对于一般金属材料，只有用 提高弹性极限的方法才能提高弹性比功。
第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
⑴静载是相对于交变载荷和高速载荷而言的， 如：静拉伸时，其变形速度<8％L0/min。
⑵金属静载试验方法包括单向静拉伸试验、压 缩、弯曲、扭转、剪切、硬度试验等，是工业上应 用最广泛的金属力学性能试验方法。
⑶这些试验方法的特点是：温度、应力状态和 加载速率是确定的，并且常用标准试样进行试验 （硬度试验除外）。
第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1.解释下列名词：(1)弹性比功(2)滞弹性(3)循环韧性(4)包申格效应(5)解理面(6)解理台阶(7)穿晶断裂(8)沿晶断裂(9)刚度(10)强度(11)塑性(12)韧性(13)形变强化2.说明下列力学性能指标的意义：(1)E(2)σr、σ0.2、σs(3)σb(4)n(5)δ、δgt、ψ3.对拉伸试件有什么基本要求？为什么？4.为什么拉伸试验又称为静拉伸试验？拉伸试验可以测定哪些力学性能？5.试件的尺寸对测定材料的断面收缩率是否有影响？为什么？6.试画出示意图说明：脆性材料与塑性材料的应力-应变曲线有何区别？高塑性与低塑性材料的应力-应变曲线又有何区别？7.工程应力-应变曲线上b点的物理意思？说明b点前后试样变形和强化特点？8.脆性材料的力学性能用哪两个指标表征？脆性材料在工程中的使用原则是什么？9.何谓材料的弹性、强度、塑性和韧性？10.试画出连续塑性变形强化和非连续塑性变形强化材料的应力-应变曲线？两种情况下如何根据应力-应变曲线确定材料的屈服强度？11.何谓工程应力和工程应变？何谓真应力与真应变？两者之间有什么定量关系？12.拉伸图、工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线有什么区别？13.颈缩发生后如何计算真应力和真应变？如何根据材料的拉伸性能估算材料的断裂强度？14.现有d0=10mm的圆棒长试样和短试样各一根，测得其延伸率δ10与δ5均为25%，问长试件和短试件的塑性是否一样？15.金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？16.今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作机床床身？为什么?17.试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc金属及其合金与fcc 金属及其合金屈服行为不同的原因？18.试述断面收缩率和断后延伸率两种塑性指标评定金属材料塑性的优缺点？19.试述韧性断裂和脆性断裂的区别？为什么韧性断裂最危险？20.剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？21.在什么条件下易出现沿晶断裂？怎么样才能减小沿晶断裂的倾向？22.何谓拉伸断口特征三要素?影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？23.试证明，滑移面相交产生微裂纹的柯垂耳机理对fcc金属而言在能量是不利的。
金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
⾦属在单向静拉伸载荷下的⼒学性能⾦属在单向静拉伸载荷下的⼒学性能1.1拉伸曲线及应⼒－应变曲线1.1.1 引⾔（introduction）单向静载荷拉伸试验是试验温度、应⼒状态及形变速率不变的⼀种⽅法。
该⽅法具有设备简单、操作⽅便，并且试验精度⾼、重复性好、⽤途⼴，因此在⼯业中获得⼴泛应⽤。
该⽅法可以测出材料的屈服强度（ζs）、抗拉强度（ζb）、塑性（δ,ψ）、⽐例极限（ζp）等基本⼒学性能。
这些性能对于⼯业中的设计、选材、失效分析等都是⾄关重要的，也是学习⾦属材料在其他载荷作⽤下⼒学⾏为的基础。
1.1.2 拉伸曲线种类（kinds of tensile curves）拉伸曲线根据表达⽅式不同可分为三种：(1) 载荷（⼒）－伸长曲线（见图1.1）（F－ΔL）(2) (⼯程)应⼒－应变曲线（见图1.2）常简称为应⼒－应变曲线（ζ-ε）(3) 真应⼒－真应变曲线（见图1.3）(s－e)图 1.1低碳钢载荷（⼒）－伸长曲线图 1.2低碳钢应⼒－应变曲线图 1.3 真应⼒－真应变曲线三种曲线的关联：（1）载荷－伸长曲线与（⼯程）应⼒－应变曲线在形状是很相似的。
这是因为应⼒－应变曲线来源为：ζ=F/A0ε=ΔL/L0（1）式中：A0：拉伸试样原始横截⾯积（m2）L0：拉伸式样原始标距（m）由于A0、L0均为定值，因此应⼒-应变曲线是F－ΔL曲线在相应坐标缩放⼀定倍数。
（2）真应⼒－真应变曲线来源：S＝F(t)/A(t) de=dl/l(t) （2）式中：F（t）、A（t）、l（t）分别为t时刻载荷（⼒）、试样横截⾯积及长度。
de、dl分别为试样在t时刻的真应变和伸长量。
（3）真应⼒－真应变与应⼒－应变曲线之间关系在均匀塑变之前，有如下关系：S=F(t)/A(t)=F f/A f= (F f/A0)·(L f/L0)=ζ·(1+ε) （3）（A0 L0=A f L f L f/L0=( L f－L0+ L0)/ L0=1+Δl/L0）e=∫L0Lf de=∫L0Lf dl/l=㏑L f/L0=㏑(1+ε) （4）上两式中L f、A f、F f分别表⽰试样断裂后的长度、横截⾯积和载荷。
材料塑性变形在静拉伸载荷下的力学表现性能
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表现性能
• 位错速度的应力敏感性m也是一个重要 因素，m值越小，为使位错运动速度变 化所需的应力变化越大，屈服现象就 越明显，反之亦然。如体心立方金属， m<20，而面心立方金属m>100，因此， 前者屈服现象明显。
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材料塑性变形在静拉伸载荷下的力学
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表现性能
屈服强度σS
屈服标准
• 通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉 伸时的屈服强度。
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材料塑性变形在静拉伸载荷下的力学
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表现性能
σS的工程意义
在传统的强度设计方法中，对塑性材料， 以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σs/n， 安全系数n一般取2或更大；对脆性材料，以抗 拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n，安 全系数n一般取6。
1.3 金属材料的塑性变形
• 塑性变形方式
金属材料中常见的塑性变形方式为滑移 和孪生,是金属材料在切应力作用下,沿
滑移面和滑移方向进行的切变过程。
通常，滑移面是原子最密排的晶面，而滑移
方向是原子最密排的方向。
滑移面＋滑移方向= 滑移系越多,塑
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材料塑性变形在静拉伸载荷下的力学
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亚结构作用和晶界相同，上式也适合。
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表现性能
(3)固溶强化
把异类元素原子溶入基体金属得到固溶合金，可 以有效地提高屈服强度。这样的强化方法叫做固溶
强化。
固溶强化的效果决定于溶质原子的性质、浓度 以及与溶剂原子的直径差等。
间隙固溶体强化效果大；置换固溶体强化效果 较差。
易产生孪生变形。
第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能
由于弹性变形是原子间距在外力作用下可 逆变化的结果，应力与应变关系实际上是 原子间作用力与原子间距的关系，因而弹 性模量与原子间作用力有关，与原子间距 也有一定的关系。原子间作用力决定于金 属原子本性和晶格类型，故弹性模量也主 要决定于金属原子本性和晶格类型。
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2. 弹性比功
弹性比功又称弹性比能、 应变比能，表示金属材料吸收 弹性变形功的能力。一般用金 属在塑性变形开始前单位体积 材料吸收的最大弹性变形功表 示。金属拉伸时的弹性比功可 用右图所示的应力-应变曲线下 影线的面积表示，即 弹性比功示意图
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吕德斯带
• 定义：拉伸试样上与外力成一定角度(45°) 的变形条纹。 • 危害：拉伸和深冲过程中工件表面不平整。 • 解决：1) 应用应变时效原理将薄板在冲压 前进行一道微量冷轧工序。2) 钢中加入少 量的Ti、Al等与C、N形成化合物，以消除 屈服点，随后冷压成型。
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从材料方面考虑研究指出，屈服现象与下 述三个因素有关： ①材料变形前可动位错密度很小（或虽有 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有强烈依存关 系。
1
单向静拉伸：工业上应用最广泛的金属力学性能试 验方法之一。
特点：温度、应力状态和加载速率确定。 目的： 1) 揭示金属材料在静载荷作用下常见的 力学行为，即弹性变形、塑性变形和断裂； 2) 标定基本力学性能指标。 内容：1.1 拉伸力—伸长曲线和应力—应变曲线
1.2 弹性变形
1.3 塑性变形
1.4 金属的断裂
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• 弹簧零件要求其在弹性范围内(弹性极限以下)有 尽可能高的弹性比功。 • 理想的弹簧材料：应有高的σe和低的E。 • 成分和热处理对σe影响大，对E影响不大。 • 仪表弹簧因要求无磁性，常用铍青铜，磷青铜等 软弹簧材料制造，其σe较高，E较低，故ae较高。
金属在单向静拉伸下的力学性能
第一章金属在单向静拉伸下的力学性能单向静载拉伸是应用最广泛的力学性能实验之一，该实验的特点是温度、应力状态和加载速率是确定的，通过该实验可以给出金属材料最基本的力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率。
§1.1 拉伸曲线和应力应变曲线一、应力和应变1．复习应力、应变的定义，包括正应力、切应力、正应变、切应变。
2．给出在拉伸条件下工程应力、工程应变（又称为名义应力、名义应变）、真应力、真应变的定义。
3．应力状态软性系数二、拉伸曲线、应力应变曲线1．拉伸曲线：拉伸实验时所记录的载荷-伸长曲线。
2．将拉伸曲线的载荷-伸长坐标分别用试样原始截面积和原始标距长度去除，则得到应力应变曲线。
真应力应变曲线。
3．拉伸实验中金属材料的变形过程通常包括弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。
§1.2 弹性变形阶段的力学性能一、弹性变形及其实质1．弹性变形特点：32．微观实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。
二、弹性模量1．是材料弹性变形阶段应力与应变正比关系的比例系数，表征金属材料对弹性变形的抗力。
2．弹性模量与原子间作用力有关，主要决定于金属原子本性和晶格类型。
3．弹性模量是一个对组织不敏感的力学参数，合金中溶质原子及热处理工艺对其影响不大，冷塑性变形和升高温度可使其降低。
三、比例极限和弹性极限1．比例极限为拉伸过程中应力与应变成正比关系的最大应力。
2．弹性极限为材料在拉伸过程中由弹性变形过渡到塑性变形时的应力。
四、弹性比功材料开始塑性变形前单位体积所吸收的最大弹性变形功，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
弹性比功决定于材料的弹性模量和弹性极限。
五、弹性不完整性完全的弹性变形与载荷方向和加载时间无关，而实际的弹性变形与这些因素有关，产生了弹性不完整性：（1）包申格效应（Bauschinger）；（2）弹性后效；（3）弹性滞后。
§1.3 塑性变形阶段的力学性能一、金属的塑性变形方式及特点4．常见塑性变形方式有滑移和孪生。
金属材料静态拉伸试验
实验报告一姓名 班级学号成绩实验名称金属材料静态拉伸试验实验目的使学生进一步深入了解材料在静拉伸条件下拉伸曲线的测试，表征的主要力学性能指标，力学性能指标的计算方法、物理意义及其在工程应用中的应用。
掌握金属材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率的测试与计算方法，并了解这些指标在工程应用中的实际意义。
实验设备1、电子拉伸材料试验机一台，型号CSS-88100；2、位移传感器一个；3、刻线机一台；4、游标卡尺一把；试样示意图图1 圆柱形试样示意图试样宏观断口示意图1、 2、20#钢（正火态）宏观断口示意图 铝合金宏观断口图纤维区放射区剪切唇与轴线45度方向试验拉伸图图2 铝合金试样静拉伸断裂和断口图（断口为和试样中轴线大约成45°角的纤维状断口，没有颈缩，应该为为切应力达到极限，发生韧性断裂。
）图3 20#钢（正火态）静态拉伸断裂和断口图（20#钢试样在拉断之后，断口附近明显产生颈缩。
断口处可以看出有三个区域：1.试样中心的纤维区，表面有较大的起伏，有较大的塑性变形；2.放射区，表面较光亮平坦，有较细放射状条纹；3.剪切唇，轴线成45°角左右的倾斜断口。
）原始数据记录1、表1 试样的原始始直径测量数据左 中 右 平均值 铝合金8.70 8.72 8.68 8.69 8.68 8.70 8.70 8.64 8.72 8.7020#钢 9.90 10.00 10.00 9.97 9.92 10.00 10.00 10.00 10.00 9.92试样的原始标距 050 L mm2、表2 铝合金拉断后标距测量数据记录（单位：mm ）AB BC AB+2BC 平均12.32 23.16 58.64 58.7924.0217.4658.94铝合金拉断后的断面直径平均值 7.96mm3、 20#钢拉断后的平均标距为 uL =69.53 mm断口的直径平均值为ud =6.00 mm 。
数据处理1、20#钢（正火态）试样（有明显屈服平台的材料）20#钢正火材料试样的载荷-位移曲线见图4。
材料力学性能-第2版课后习题答案
第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
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。
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2、说明下列力学性能指标的意义。
答：E弹性模量G切变模量σ规定残余伸长应力2.0σ屈服强度gtδ金属材料拉伸时最r大应力下的总伸长率n 应变硬化指数【P15】3、金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。
合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。
组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。
【P4】4、现有45、40Cr、35 CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作为机床起身，为什么？实用文档选灰铸铁，因为其含碳量搞，有良好的吸震减震作用，并且机床床身一般结构简单，对精度要求不高，使用灰铸铁可降低成本，提高生产效率。
5、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。
为什么脆性断裂最危险？【P21】答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。
6、何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。
上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。
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卸载时应变落后于应力的现象，叫反弹性后效
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组织越不均匀，温度越高，切应力越大； 弹性后效越明显。 精密仪器不希望有弹性滞后现象。
原因：点缺陷的运动有关
（二）弹性滞后环和循环韧性
0
e
弹性滞后环：金属的内耗
循环韧性：金属在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力
2、拉伸性能指标
1） σe弹性极限
2）σs屈服强度 3) σb抗拉强度 4) σK断裂强度 5） δ 伸长率 6） E弹性模量
3、不同材料的拉伸曲线
图a
有明显的屈服现象 低碳钢
图b
图c
无屈服现象 无明显的塑性变形
铝合金、铜合金、 中碳合金钢
淬火高碳钢、铸铁
图d
无加工硬化
冷拔钢丝
4、真实应力-应变曲线
物理意义：产生单位应变所需的应力
技术意义： E，G称为材料的刚度
表征材料对弹性变形的抗力
E
相同的σ 下:E↑ ε↓
表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量
金属材料 铁 铜 铝 铁及低碳钢 铸铁 低合金钢 奥氏体不锈钢
E/105MPa 2.17 1.25 0.72 2.0 1.7-1.9 2.0-2.1 1.9-2.0
1、标准比例试样：圆形试样L0=5d0或L0=10d0
2、拉伸实验
动画
oe :弹性变形 力去除后能恢复原状的变形。
e点后:塑性变形 外力去除后不能恢复原 状的变形。
ek ： 弹-塑性变形阶段
e点后平台： 屈服
外力不增加或是上下波动而 试样继续产生塑性变形而伸 长的现象。 cB:均匀塑性变形阶段
B:点后局部缩颈现象
低碳钢在拉伸力作用下的变 形过程：
1、弹性变形 2、不均匀屈服塑性变形 3、均匀塑性变形 4、不均匀集中塑性变形
5、断裂
二、工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线
1、工程应力-应变曲线
拉伸曲线----应力应变曲线 工程应力――载荷除以试件的原
始截面积即得工程应力，σ=F ／A0 工程应变――伸长量除以原始标 距长度即得工程应变ε，ε=Δl ／l0
合金化（加入某种金属）对E影响很小
E = σ /ε 应力和应变的关系实质是 原子间作用力和原力间距的关系.
材料的弹性模量与原子间结合力和 原子间距有关. 首先决定于结合键： 共价键结合的材料弹性模量最高
SiC，Si3N4陶瓷材料有很高的弹性模量。
金属键有较强的键力 其弹性模量适中 金属的原子间作用力取决于原子本性和晶格类型 弹性模量取决于原子本性和晶格类型
合金化（加入某种金属）对其影响很小 热处理对E影响不明显 冷塑性变形对E影响不大E↓ 4~6% 残余应力 温度T：E↓ （3%~5%/100） 加载速度对E影响不大
三、弹性极限和比例极限
1、 弹性极限 σe
σe
材料只发生弹性变形所能承受的最大应力 σp
e p
应用：不允许产生微量塑性变形的机件
2、比例极限 σp 材料所受应力与应变成正比关系的最大应力
120000
磷青铜
101000
σ e/MPa 965 1380 1480 1420 1000 588 450
a e/MJ.m-3 0.228(2.21) 4.761 5.476 5.041 2.5 1.44 1.0
五:弹性不完善性
(一)、滞弹性(弹性后效)
在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间 延长而产生附加弹性应变的现象，滞弹性 加载时应变落后于应力的现象，叫正弹性后效
应用：应力与应变严格的直线关系的机件
注意： 多晶体材料，各晶粒变形不同时，很难测出准确和唯一的σe 和 σp
用规定的微量塑性变形(残余伸长)所需的应力来表征。
四、弹性比功
表征金属材料吸收弹性功的能力。 弹性比能 应变比能 应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功
弹性比功ae=σ eε e/2 =σ e2/2E
σe↑E↓
→a e ↑
理想的弹簧材料要求有高的弹性 比功
成分与热处理对弹性极限 影响大，对弹性模量影响 不大。 仪表弹簧因要求无磁性， 铍青铜，磷青铜等软弹簧 材料。
表1-2弹簧材料的弹性比功
材料
E/MPa
高碳弹簧钢 210000
65Mn
55Si2Mn 50CrVA
200000
不锈钢(冷轧)
铍青铜
第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
静载荷： 加载速率
1、应力增:长 . 率 d 在5~10MPa/s.
dt
2、变形速率
绝对变形速率：单位时间内试样长度的增长率。
V dl dt
1mm/s，5mm/S
相对变形速率：应变速率
.
d
dt
在10-4~10-2/s，
揭示三种失效方式：
过量弹性变形、 塑性变形 断裂
例如铁(钢)的弹性模量为210GPa， 是铝(铝合金)的三倍(EAl≈70GPa)， 弹性模量是和材料的熔点成正比的
钨的弹性模量又是铁的2倍，铁是铝的3倍。
与原子序数有周期性关系 E=K/γ m K，m>1特征常数
γ↑E↓
γ原子半径
单晶体金属弹性各向异性 多晶体金属弹性伪各向同性
金属材料的弹性模量是组织不敏感的力学性能指标：
消振性： （循环韧性）吸收不可逆变形功的能力
表1-3 一些金属材料的比循环韧性
拉伸杨氏模量： E = σ /ε
切变模量G =τ /γ
G E 2(1 v)
泊松比：υ = —ε X/ε Z
广义胡克定律
1
1 E
[ 1
v ( 2
3 )]
2
1 E
[
2
v ( 3 1 )]
Байду номын сангаас
3
1 E
[ 3 v ( 1 2 )]
对金属υ 值约为0.33（或1/3）
测出最基本的力学性能指标：
屈服强度、 抗拉强度、 断后伸长率 弹性模量 主要内容: 物理概念与实用意义 弹性变形、塑性变形及断裂的基本规律和原理 性能指标的影响因素 提高上述性能指标的方向和途径
第一节 拉伸力 –伸长曲线和应力应变曲线
一、拉伸试验 （附录A：GB/T228-2019：金属材料室温拉伸试验 GB/T228-87 ）
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S A d2
4
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l dl
e
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第二节 弹性变形
一、弹性变形的实质
金属材料弹性变形是其晶格中的原子自平衡位置产生可逆位移的反应。
双原子模型：
F
r
F
F=A/r2-A(r0)2/r4 Fmax:在弹性状态下的断裂载荷
二、弹性模量 1、胡克定律：
单向拉伸时 E