第四章 材料的力学性能

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材料力学性能

材料力学性能

材料力学性能材料力学性能是指材料在外力作用下所表现出的力学特性,包括强度、韧性、硬度、塑性等。

这些性能参数对于材料的选择、设计和应用具有重要的指导意义。

在工程实践中,我们需要对材料的力学性能进行全面的了解和评估,以确保材料能够满足工程要求并具有良好的可靠性和安全性。

首先,强度是材料力学性能的重要指标之一。

材料的强度表现了其抵抗外部载荷的能力,通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等参数来描述。

强度高的材料在承受外部载荷时不易发生变形和破坏,因此在工程结构和设备中得到广泛应用。

此外,韧性是衡量材料抗破坏能力的重要指标,它反映了材料在受到冲击或挤压时的变形和吸能能力。

韧性高的材料能够在受到冲击载荷时发生一定程度的塑性变形而不破坏,因此在制造高应力、高载荷的零部件和结构中具有重要意义。

此外,材料的硬度也是其力学性能的重要指标之一。

硬度反映了材料抵抗划痕和穿刺的能力,通常通过洛氏硬度、巴氏硬度、维氏硬度等参数来描述。

硬度高的材料具有较高的耐磨性和耐划痕性,适用于制造刀具、轴承、齿轮等零部件。

此外,材料的塑性也是其力学性能的重要指标之一。

塑性反映了材料在受到外部载荷作用下发生变形的能力,通常通过延伸率、收缩率、冷弯性等参数来描述。

塑性好的材料能够在受到外部载荷时发生较大的变形而不破坏,适用于制造成形性零部件和结构。

总之,材料力学性能是材料工程中的重要内容,对于材料的选择、设计和应用具有重要的指导意义。

在工程实践中,我们需要全面了解和评估材料的强度、韧性、硬度、塑性等性能参数,以确保材料能够满足工程要求并具有良好的可靠性和安全性。

希望本文能够对材料力学性能的研究和应用提供一定的参考和帮助。

材料力学性能

材料力学性能

材料力学性能材料力学性能是指材料在外力作用下所表现出的力学特性,包括材料的强度、韧性、硬度、塑性等。

这些性能直接影响着材料在工程领域的应用,因此对材料力学性能的研究和评价显得尤为重要。

首先,强度是材料力学性能中的重要指标之一。

材料的强度是指材料抵抗外力破坏的能力,通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等来表示。

不同材料的强度差异很大,例如金属材料的强度通常较高,而塑料和橡胶等材料的强度相对较低。

材料的强度直接影响着材料在工程中的承载能力和使用寿命。

其次,韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。

韧性高的材料在受到外力作用时能够延展变形而不易断裂,这对于一些需要承受冲击或振动载荷的工程结构来说尤为重要。

例如,航空航天领域对材料的韧性要求较高,以确保飞行器在受到外部冲击时能够保持结构完整。

此外,硬度是材料力学性能中的重要参数之一。

材料的硬度是指材料抵抗划痕和压痕的能力,通常用洛氏硬度、巴氏硬度等来表示。

硬度高的材料通常具有较好的耐磨性和耐腐蚀性,适用于一些对材料表面要求较高的工程领域,例如汽车制造、船舶建造等。

最后,塑性是材料力学性能中的重要特性之一。

材料的塑性是指材料在受到外力作用时能够发生塑性变形而不断裂,这对于一些需要进行成形加工的工程材料来说尤为重要。

例如,金属材料的塑性使其能够通过锻造、轧制等工艺进行成形,从而制备出各种复杂的零部件。

综上所述,材料力学性能是材料工程领域中的重要研究内容,不同的材料力学性能对材料的应用具有重要的影响。

因此,对材料力学性能的研究和评价具有重要的意义,可以为工程领域的材料选择和设计提供重要的参考依据。

材料的力学性能第4章 材料的断裂

材料的力学性能第4章 材料的断裂
77-9
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形,由纤维区、放射区 和剪切唇三个区域组成,这就是断口特征的三要素。
77-10
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域,而脆性断口纤维区 很小,几乎没有剪切唇。
根据裂纹扩展路径进行的一种分类。 穿晶断裂裂纹穿过晶内,沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。
77-4
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类 ✓ 穿晶断裂与沿晶断裂
从宏观上看,穿晶断裂可以是韧性断裂(如室温下的穿晶断裂),也 可以是脆性断裂(低温下的穿晶断裂),而沿晶断裂则多数是脆性断裂。
2 )C0
2
c - 扩展的临界应力 ;
c - 碳化物的表面能 ;
E - 弹性模量;
- 泊松系数;
C0 - 碳化物厚度
77-32
RAL
4.3 脆性断裂
4.3.2 脆性断裂的微观特征 (1)解理断裂
解理断裂 准解理 沿晶断裂
解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂,其微观特征应该是 极平坦的镜面。实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解 理面集合而成的,这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数 情况下,裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面,从而 在同一刻面内部出现解理台阶和河流花样。
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。通常,脆断前也产生微量塑性变形。一般规定 光滑拉伸试样的断面收缩率小于5%者为脆性断裂,该材料即称为脆性材料; 反之,大于5%者则为韧性材料。

材料力学性能第四章—金属的断裂韧度

材料力学性能第四章—金属的断裂韧度
z 0(平面应力) KI表示应力场的强弱程度, KI 3 xy sin cos cos 2 2 2 2 r 称为应力场强度因子
K Ⅰ 、 K Ⅱ 、K Ⅲ
表4-1 几种裂纹的KI表达式
K I Y a
a:1/2裂纹长度 Y——裂纹形状系数(无量纲量)
裂尖应力分量除了决定其 KI 3 x cos (1 sin sin ) 位置外,还与KI有关。 2 2 2 2 r
对于某确定的点,其应力 y K I cos (1 sin sin 3 ) 2 2 2 2 r 分量由KI决定,KI↑,则 z ( x y )(平面应变) 应力场各应力分量也↑。
对应的力学性能指标——断裂韧度
断裂强度 1922,Griffith,首先在强度与裂纹尺度建立关系
格雷菲斯断裂强度(从吸收能量的角度考虑)
弹性能降低足以满足裂纹表面能的增加和塑性变形能从
而导致材料脆性断裂。
断裂韧度(从阻止裂纹扩展的角度考虑) 得到相应的K判据。
用应力应变分析方法,考虑裂纹尖端附近的应力场强度,
超高强度钢, D6AC,1400MPa
断裂力学
低应力脆断与断裂力学
机件设计,σ<σs/n,不考虑裂纹 出现低应力脆断 → 宏观裂纹存在→应力集中 断裂——裂纹扩展引起,研究裂纹体的扩展
主要内容
线弹性条件下的金属断裂韧度☆ 金属断裂韧度的测试 影响断裂韧度的因素
断裂K判据应用案例☆
弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念
2
x y
2
(
x y
2
3 ( 1 2 )
裂纹尖端附近任一点P(r,θ)的主应力:
1 2

材料力学性能_第四章

材料力学性能_第四章

4.2 裂纹体的应力分析
线弹性断裂力学研究对象是带有裂纹的线弹性体。严格 讲,只有玻璃和陶瓷这样的脆性材料才算理想的弹性体。 为使线弹性断裂力学能够用于金属,必须符合金属材料 裂纹尖端的塑性区尺寸与裂纹长度相比是一很小的数值条 件。 在此条件下,裂纹尖端塑性区尺寸很小,可近似看成理 想弹性体。 在线弹性断裂力学中有以Griffith-Orowan为基础的能量 理论和Irwin为应力强度因子理论。
小,消耗的变形 功也最小,所以
平面应力
裂纹就容易沿x方
向扩展。
4.5 裂纹尖端的塑性区
为了说明塑性区对裂纹在x方向扩展的影响。
当 =0(在裂纹面上),其塑性区宽度为:
r0 (r ) 0
1 KI 2 ( ) 2 s
K1 y r ,0 2r
4.5 裂纹尖端的塑性区
由各应力分量公式也可直接求出在裂纹线上的
切应力平行于裂纹 面,而且与裂纹线 垂直,裂纹沿裂纹 面平行滑开扩展。
III型(撕开型)断裂
切应力平行作用于 裂纹面,而且与裂 纹线平行,裂纹沿 裂纹面撕开扩展。
4.2 裂纹体的应力分析
4.2.2 I型裂纹尖端的应力场
裂纹扩展是从其尖端开始向前进行的,所以应该分析裂纹 尖端的应力、应变状态,建立裂纹扩展的力学条件。
4.2 裂纹体的应力分析
4.2.1 裂纹体的基本断裂类型
在断裂力学分析中,为了研究上的方便,通常 把复杂的断裂形式看成是三种基本裂纹体断裂的组 合。 I 型(张开型)断裂 (最常见 )
拉应力垂直于裂纹面扩展面,裂纹沿作用力方向 张开,沿裂纹面扩展。
4.2 裂纹体的应力分析
II 型(滑开型)断裂
根据应力强度因子和断裂韧性的相对大小,可以建 立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据,平面应变断裂最 危险,通常以KIC为标准建立,即: 应用:用以估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂 纹尺寸,以及材料的选择、工艺优化等。

第四章材料力学性能

第四章材料力学性能


K C / H a

H E
0.4
0.129 c a
3 2
第四章 金属的断裂韧度 §3影响断裂韧性KIC的因素 一、内因(材料因素) 1)晶粒尺寸 晶粒愈细,晶界总面积愈大, 裂纹顶端附近从产生一定尺寸 的塑性区到裂纹扩展所消耗 的 能量也愈大,因此KIC 也愈高。 2)合金化 固溶使得KIC 降低; 弥散分布的第二相数量越多, 其间距越小, KIC 越低; 第二相沿晶界网状分布,晶界 损伤, KIC 降低;
KⅠ越大,则应力场各应力分量 也越大。 Ⅰ型裂纹应力场强度因子的一般 表达式为:
KⅠ Y a
§1线弹性条件下的金属断裂韧度 对于Ⅱ、Ⅲ型裂纹
KⅡ Y a
KⅢ Y a
Y 裂纹形状系数, 一般Y =l-2
当σ和a单独或共同增大时,KI 和裂纹尖端的各应力分量随之增 大,当KI增大到临界值时,也就是 说裂纹尖端足够大的范围内应力 达到了材料的断裂强度,裂纹便 失稳扩展而导致断裂。
1 2 3 2 5 2
W
2 7
W
9 2
§2断裂韧性KⅠC的测试 H、E、a、c分别是材料的维氏硬 度、弹性模量、压痕对角线与裂 纹 的长度; 在正方形压痕的四角,沿辐射方 Ф为约束因子( Ф ≈3)。 通过压痕法求一系列的c,a值, 向出现 裂纹。 按上式的通式 若选用荷载适当,在压痕对角线 0.4 V K / H a H E u c a C 方向的抛面接近半圆形。一般要 求c≥2.5a。 以lna和lnc为变量进行拟合,求 根据压痕断裂力学理论,处于平 得u、V值; 衡状态的压痕裂纹尖端的残余应 应用所得u、V值于待测的同类材 力强度因子在数值上等于材料的 料上,再测a、c值,并利用已知 断裂韧性。 的H、E,可求得KIC 。

材料的力学性能第四章-断裂与断口分析

材料的力学性能第四章-断裂与断口分析



解理台阶的形成

河流花样是判断解理断裂的微观依据。 “河流”的流向与裂纹扩展方向一致,根据“ 河流”流向确定在微观范围内解理裂纹的扩 展方向,而按“河流”反方向去寻找断裂源。

解理台阶的形成(二次解理或撕裂):
解理裂纹沿两个相互平行的解理面扩展,当解理面间 距较小时变产生解理台阶。图a 若两个解理面的间距远大于一个原子间距,解理裂纹 之间的金属会产生较大塑性变形,一旦产生塑性撕裂则会 形成台阶。也称为撕裂棱晶界,它使解理断口呈现更复杂 的形态。图b


微孔聚合

微孔多萌生于夹杂物和第二相处。 纯金属或单相合金变形后期也产生许多微孔。 微孔可产生于晶界、孪晶带等处,只是相对 地说微孔萌生较迟。

微孔的萌生有时并不单纯取决于拉应力,要 看具体的微观组织而定。
微孔聚合

由于应力状态或加载方式不同,微孔聚合型断裂 所形成的韧窝可分成三种类型:
可将晶体内的解理裂纹假设为刃型位错AB,裂纹扩 展方向上有螺型位错CD。 裂纹继续向前扩展,与很多螺型位错相交截便形成 为数众多的台阶。它们沿裂纹前端滑动而相互汇合。
AB为刃型位错,沿箭 头方向运动,CD为螺 型位错;AB与CD相遇 后形成台阶b。
解理台阶的形成

同号台阶相互汇合长大; 异号台阶汇合互相抵消。 当汇合台阶高度足够大时,便形成在电镜 下可观察的河流花样。

材料在塑性变形过程中,会产生微孔损伤。 产生的微孔会发展,即损伤形成累积,导致 材料中微裂纹的形成与加大,即连续性的不 断丧失。

损伤达到临界状态时,裂纹失稳扩展,实现 最终的断裂。

按断裂前有无宏观塑性变形,工程上将断裂 分为韧性断裂和脆性断裂两大类。

材料的力学性能

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。

材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(1)

材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(1)

二、应力场强度因子KI和断裂韧度KIC 1、裂纹尖端附近的应力-应变场
由于裂纹扩展是从其尖端开 始进行的,所以首先应该分析裂 纹尖端的应力和应变状态,建立 裂纹扩展的力学条件。如图4-1 所示,假设一有无限大板,其中 有2a长的Ⅰ型裂纹,在无限远处
作用有均匀的拉应力。
图4-1 具有I 型裂纹无限 大板的应力分析
cos
2
1
sin
2
sin
3
2
xy
a
1
2r
cos
2
sin
2
cos3
2
z (x y() 平面应变, 为泊松比)
z 0(平面应力)
2021年12月10日 星期五
第四章 金属的断裂韧度
x方向的位移分量:u
1
E
KI
2r
cos
2
1
2
s in 2
2
y方向的位移分量:
1
E
KI
2r
sin
2
2021年12月10日 星期五
第四章 金属的断裂韧度
应用线弹性力学 y
来分析裂纹尖端附近
的应力、位移场。用
极坐标表示,则各点(r,
裂纹
)的应力、位移分量
可以用下式表示:
y xy x
x
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第四章 金属的断裂韧度
x
a
1
2r
cos 2
1
sin
2
sin
3
2
y
a
1
2r
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第四章 金属的断裂韧度
断裂力学还证明:上述各式不仅适用于图

材料力学性能 (4)

材料力学性能 (4)

3、KI 裂纹扩展的动力,、a都是加剧应力场的因素
4、 K Y a
2 E a 2 E a
材料本质属性

裂纹扩展的抗力 ?
4.4.4 断裂判据
随着应力
或裂纹尺寸a的增大,KI因子不断增大。当KI因子增大到临界
KI = KIC
值KIC时,裂纹开始失稳扩展,用KIC表示材料对裂纹扩展的阻力,称为平 面应变断裂韧度(性)。因此,裂纹体断裂判据可表示为:

/2
0
m sin

dx
m
= 2
m 2 /
a0为平衡状态时原子间距


材料在低应力作用下应该是弹性的,在这一条件下sinx≈x ;同时,曲线开始部分近似 为直线,服从虎克定律,有 Ex / a
m sin
2x

=
2x m

Ex a0
2 m
ij
当 r<<a, θ →0 时,
KI f ij ( ) 1/ 2 (2r )
f ij ( ) 1
ij 0
根据弹性力学,裂纹尖端O点的应力
0
= 2
a/
裂纹尖端的曲率
K I 0 2r 2 a
2r Y
a
裂纹形状系数,与裂纹形式、试件几何形状有关
K I a K IC
可用测定的断裂韧性求断裂应力和临界裂纹尺寸:
c
K IC
a
ac
K 2 IC
2
、G、 K
容易理解 容易测量
G1 G1C
K1 K1C
(能量平衡观点讨论断裂) (裂纹尖端应力场讨论断裂) (应力-屈服强度比较讨论断裂)

材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(3)

材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(3)
1-活动横梁 2-夹式引伸仪 3-支座 4-试样 5-载荷传感器 6-动态应变仪 7-X-Y函数记录仪
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
由于材料性能及试样尺寸不同,F-V曲线有三
种类型,如图4-9所示。
F Fmax
Fmax
Fmax
Ⅰ-材料韧性较好或 试样尺寸较小;
Ⅱ-材料韧性或试样 尺寸居中;
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
若材料韧性居中或试样厚度中等时,可能出现
Ⅱ型曲线。此类曲线有明显的迸发平台,这时由于
在加载过程中,处于平面应变状态的中心层先行扩
展,而处于平面应力状态的表面层还未扩展,因此
中心层裂纹迸发式的扩展被表面层阻碍。迸发时常
伴有清脆的爆裂声,这时的迸发载荷就可以作为FQ, 由于材料显微组织可能不均匀,有时在F-V曲线上会
之减小。
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
实测的临界应力场强度因子KC与试样 厚度的关系如图4-11所示。
由图可见,当试样 厚度增加到某一个值Bc 后,KC也趋向一个恒定 值,此值即为材料的平 面应变断裂韧性KIC。
KC/MPa·m1/2
KIC
B/mm
图4-11 临界应力场强度因子 与试样厚度的关系
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
大量试验表明,Bc值也大致等于2.5(KIC/ys)2,
因此,试样厚度的要求也是:
B
2.5
KIC
ys
2
但在实际检验中,KIC值未知,须用KQ代替,
并利用试验标准中的某些规定,使最后的判断条
件被简化为:
B

材料的力学性能重点总结

材料的力学性能重点总结

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:表示金属材料吸收塑性变形功的能力。

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来塑性变形,卸载后再同向加载,规定参与伸长应力增加;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应力状态软性系数:最大切应力最大正应力应力状态软性系数α越大,最大切应力分量越大,表示应力状态越软,材料越易产生塑性变形α越小,表示应力状态越硬,则材料越容易产生脆性断裂7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拜年话,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ζbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度ζb的比值. NSR=ζbn / ζs 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。

材料屈服强度急剧升高的温度,或断后延伸率,断后收缩率,冲击吸收功急剧减小的温度就是韧脆转变温度tk,tk是一个温度区间13疲劳贝纹线:以疲劳源为中心的近于平行的一簇同心圆.是疲劳源裂纹扩展时前沿的痕迹14疲劳条带:具有略显弯曲并相互平行的沟槽花样,是疲劳断口最典型的微观特征15驻留滑移带:金属在循环应力长期作用下,形成永久留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带,具有持久驻留性.16应力场强度因子KI :表示应力场的强弱程度,对于某一确定的点的大小直接影响应力场的大小,KI 越大,则应力场各应力分量也越大17应力腐蚀:金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下,经过一段时间后产生的低应力脆断现象18氢致延滞断裂:高强度钢或α+β钛合金中,含有适量的处于固溶状态的氢,在低于屈服强度的应力持续作用下经过一段时间的孕育期后在金属内部,特别是在三向拉应力区形成裂纹,裂纹的逐步扩展,最后突然发生脆性断裂,这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂第一章2.力学性能指标的意义(1)δ0.2 对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料,塑性变形硬化过程是连续的,产生0.2%残余伸长应力时刻的屈服强度。

材料的力学性能和弹性模量

材料的力学性能和弹性模量

材料的力学性能和弹性模量材料的力学性能和弹性模量是材料科学中非常重要的参数,它们与材料的力学行为和性能密切相关。

本文将对材料的力学性能和弹性模量进行详细介绍和分析。

一、力学性能1. 强度:材料的强度是指材料在受力情况下能够承受的最大应力。

强度高的材料具有较高的抗拉、抗压等能力,常用来制造承重结构或需要抗外力作用的零部件。

2. 韧性:材料的韧性是指材料在受力情况下能够吸收能量的能力。

韧性高的材料能够在受到冲击或弯曲时发生塑性变形而不易断裂,常用于制造需要抗冲击或吸能的零部件。

3. 延展性:材料的延展性是指材料在受力情况下能够发生塑性变形的能力,即能够被拉长或压扁。

延展性高的材料具有较好的可加工性和适应性,常用于制造需要复杂形状或变形的零部件。

4. 脆性:材料的脆性是指材料在受力情况下发生断裂的倾向。

脆性高的材料容易发生断裂,常用于制造需要刚性和脆性的结构或零部件。

二、弹性模量弹性模量是材料在弹性阶段的应力和应变之间的比例关系。

常用的弹性模量包括杨氏模量、剪切模量和泊松比。

1. 杨氏模量:杨氏模量是指材料在拉伸或压缩过程中单位面积的应力与应变之间的比值。

杨氏模量越大,材料的刚度越高,即抵抗外力变形的能力越强。

2. 剪切模量:剪切模量是指材料在剪切过程中单位面积的剪应力与剪应变之间的比值。

剪切模量描述了材料在剪切应力作用下的变形特性。

3. 泊松比:泊松比是指材料在受力方向上的拉伸或压缩与垂直方向上的应力变形之间的比值。

泊松比描述了材料在受力作用下的变形特性,对材料的破坏和失效具有重要的影响。

三、材料选择和应用材料的力学性能和弹性模量是根据具体应用需求进行选择的。

不同的材料在力学性能和弹性模量上具有各自的优势和适用范围。

1. 金属材料:金属材料具有优异的强度和韧性,常用于制造机械零件、建筑结构和汽车零件等需要抗拉、抗压和抗冲击能力的领域。

2. 高分子材料:高分子材料具有良好的延展性和可加工性,常用于制造塑料制品、橡胶制品和纤维材料等需要复杂形状和变形能力的领域。

材料力学性能

材料力学性能

材料力学性能材料力学性能是指材料在受力作用下所表现出来的性能,包括强度、刚度、韧性等指标。

材料力学性能的好坏直接影响到材料在工程应用中的可靠性和安全性。

本文将介绍材料力学性能的相关概念和测试方法,并分析其对材料应用的影响。

一、强度强度是指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。

抗拉强度是指材料在拉伸力作用下,抗拉破坏的能力。

抗压强度是指材料在受压力作用下,抗压破坏的能力。

抗弯强度是指材料在受弯力作用下,抗弯曲破坏的能力。

强度的测试方法主要包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等。

材料的强度往往与其成分、结构和加工工艺有关。

例如,金属材料中添加合适的合金元素,可以提高其强度;陶瓷材料中控制晶粒尺寸和界面结合情况,可以提高其抗压强度;纤维增强复合材料中,纤维的分布和取向对抗弯强度有重要影响。

在工程设计中,需要根据具体应用情况选择合适的材料强度指标,并保证其符合设计要求,以确保结构的稳定性和安全性。

二、刚度刚度是指材料抵抗形变的能力,也可以理解为材料对外力作用下的变形程度。

常见的刚度指标包括弹性模量、切变模量等。

弹性模量是指材料在弹性变形范围内,单位应力下的应变,反映了材料的抗弹性变形能力。

刚度的测试方法主要包括拉伸试验、扭转试验等。

材料的刚度与其物理性质和结构密切相关。

高弹性模量的材料具有较高的刚度,其在受力下变形较小;而低弹性模量的材料具有较低的刚度,其在受力下变形较大。

在工程设计中,需要根据结构的刚度要求选择合适的材料,以确保结构的稳定性和正常运行。

三、韧性韧性是指材料抵抗断裂的能力,反映了材料在受力下的变形能力和吸能能力。

常见的韧性指标包括断裂韧性、冲击韧性等。

断裂韧性是指材料在断裂前所能吸收的能量。

冲击韧性是指材料在受冲击载荷下,能够抵抗破坏的能力。

韧性的测试方法主要包括冲击试验、拉伸试验等。

材料的韧性与其断裂机制和微观结构有关。

例如,金属材料中的晶界和位错可以有效地阻止裂纹扩展,提高韧性;聚合物材料中的交联结构和链段运动可以吸收能量,提高韧性。

材料的力学性能

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所表现出的力学特性,包括弹性模量、屈服强度、断裂强度等。

这些性能对于材料的工程应用具有重要意义,影响着材料的可靠性和安全性。

下面将从几个方面对材料的力学性能进行介绍。

首先,弹性模量是衡量材料刚度的重要指标。

弹性模量越大,材料的刚度越高,它能够反映材料在受力时的变形能力。

一般来说,金属材料的弹性模量较高,而塑料和橡胶等弹性体的弹性模量较低。

弹性模量的大小直接影响着材料的应力应变关系,对于材料的设计和选用具有重要的指导意义。

其次,屈服强度是材料在受力过程中发生塑性变形的临界点。

当材料受到外力作用时,首先会出现线性弹性变形,当达到一定应力值时,材料会发生塑性变形,这个应力值就是屈服强度。

屈服强度的大小决定了材料的抗塑性变形能力,也是衡量材料抗拉伸、抗压性能的重要参数。

另外,断裂强度是材料在受力过程中发生断裂的临界点。

当材料受到外力作用时,当应力达到一定值时,材料会发生断裂。

断裂强度是衡量材料抗断裂能力的重要参数,也是材料设计和选用的重要参考。

除了以上几个重要的力学性能参数外,材料的硬度、韧性、疲劳性能等也是影响材料力学性能的重要因素。

硬度是材料抵抗划痕和压痕的能力,韧性是材料抗冲击和断裂的能力,疲劳性能是材料在交变应力作用下的抗疲劳能力。

这些性能参数综合影响着材料在不同工程应用中的使用性能。

总的来说,材料的力学性能直接关系着材料的可靠性和安全性,对于材料的设计、选用和应用具有重要的指导意义。

因此,我们在工程实践中需要充分了解材料的力学性能参数,合理选择材料,确保工程的安全可靠。

同时,也需要不断开展材料力学性能的研究,提高材料的性能,推动工程材料的发展和应用。

第四章 材料力学性能(材料科学基础)

第四章 材料力学性能(材料科学基础)
σ y= K1/Y(2x)1/2 Y:与裂纹形状、加载方式及试样尺寸有关的量, 可查表得到; K1:为应力场强度因子,可以表示应力场的强弱 程度
对于某一确定的点,其应力由K1决定,K1越 大,则应力场各点的应力也越大。
按线弹性断裂力学的分析,裂纹尖端应力场强度因子K1的一般表达式为: K1 = Yσa1/2(MN/m3/2)
• δ=ΔL/L0=[(L-L0)/L0]×100% (是塑性“伸长”的度量) • 式中L0为试样原始标距长度;L为试样断裂后标距的长度。 •
ψ=ΔAf/A0=[(A0-Af)/A0] ×100% (是塑性“收缩”的度量) • 式中A0为试样原始截面积;Af为试样断裂处的截面积。
• 材料的延伸率和断面收缩率数值越大,表示材料的塑性越好。 塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不被破坏,这样当受力 过大时,由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂,比较安 全。
材料的刚度和零件的刚度不是一回事,零件刚度的大小取决于零件的 几何形状和材料的弹性模量。
(2)弹性行为 • 弹性变形的特点是当载荷卸除后,试样的尺寸形状完全回复到原始状态。 • 根据材料的不同,其变形行为可分为三类:线弹性、非线弹性以及滞弹性。
理想的线弹性行为,应力 非线性弹性行为,如橡胶
和应变之间满足虎克定律。 之类的变形能力极好的弹
反映,用焦耳(J)来表示 • 在强度相等的情况下,延性材料断裂时所需要的能量比脆
性材料多,因此它的韧性也比脆性材料高。 • 评定材料韧性高低的方法,最常用的有两种: ➢ 一是用冲击试验所得的冲击韧性; ➢ 二是用断裂力学方法与试验测得的断裂韧性。
冲击韧性
一只重摆锤从高度h开始,沿着弧形轨迹向下摆动,冲击到试样上并把试 样打断,最后达到一个比较低的高度h` 。知道摆锤的初始高度h和最终高 度h`,就能算出势能差别。这一差别就是试样在断裂过程中所吸收的冲击 能Ak(冲击总功),如果除以缺口处试样的截面积,即得材料的冲击韧 性,用αk表示,单位为J/cm2。

材料material的性能property

材料material的性能property
• If a load is static or changes relatively slowly with a time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress-strain test. These are mostly commonly conducted for materials at room temperature.
D 聚合物分子量很大,T m <
T f ,则在T m 与T f 之间将出现 高弹态。
E 分子量较低,T m > T f , 则熔融之后即转变成粘流态,
玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度 是橡胶使用的下限温度 熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度
4-1-2 应力和应变 stress-strain
压缩应变 V
F:周围压力p V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0
(4)扭转 Torsional deformation
切应力 切应变 =M / W
实心 W=.d 0 3/16 空心 W=.d 0 3(1- d 1 4 /d 0 4)/16
=tg= d 0 / (2l 0 ) 100%
简单剪切
均匀压缩 还有扭转和弯曲形变。
tension shear compression
(1)简单拉伸(tensile)
= ( l – l 0) / l 0 = l/ l 0 =F / S 0
F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上
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面心立方金属在所有(110)方向上相邻原子组成 线性键, 拉伸引起键的变化,可能会比[100]方向拉 伸更困难一些,各向异性因子A>1。
离子化合物
相邻键在【100】 方向排成直线, 【100】方向上弹性 系数大,【110】方 向上的弹性系数小, A通常小于1
a
【010】
b
c
【110】
金刚石、闪锌矿、萤石结构中,沿<111> 方向成键,组成不连续的键,沿[111]方向拉伸 合涉及到键的弯曲和拉伸,使得A=1。
挖取一个体积为V0溶剂原子的球,再填人V溶质原子。由于两者体积差

v,为了保持介质的连续性,必须克服位错的应力场作功,溶质原子与
位错的交互作用能在数值上等子位错应力场作功的负值。 溶质原子呈球形对称时,只有正应力分量作功。 ∆U=- (σxx +σyy +σzz) ∆V/3
= A sinθ/r * ∆V
弹性刚度系数,简称为弹性系数。
ε12为(001)面的切变,C44与 (001)面内
的形变有关,如果晶体的成键方向在(001) 面内,晶体的弹性系数就高,使晶体发 生切变所要求的应力也就越高。
在只有ε
11
≠0
其余ε
ij
=0条件下
C12 表征与正应力垂直方向的正应变 难易的一个弹性系数。
对称性高的 立方晶体,在只有ε 11≠0,作坐 0 标轴绕Z轴旋转45 ,弹性系数非零的独立分量C11、 C12、C44 作以下矩阵变换
(2)沉淀强化
沉淀强化是强化合金的一种重要方 法,效率高,稳定性好。材料的屈服应 力的提高主要取决于沉淀物的强度、结 构、尺寸、间距、形状、分布以及与基 体的共格程度。这些因素对屈服应力的 影响是通过沉淀与位错之可的互相作用 而达到的。
1.增加新的界面; 2.质点与基体晶体点阵不同,位错切过引起 滑移面上原子错排,增加位错运动阻力; 3.若 质点有序,位错破坏有序排列 4.质点滑移面与基体滑移面不重合,位错与 质点交界面上产生割阶,增大位错运动阻 力;
溶质原子直径比溶剂原子小得多的话,溶质原
子占据间隙位置而不产生较大的点阵畸变,形成
间隙式因溶体。相差很小,它们形成替代式因溶
体。由于溶质、溶剂原子大小的不同,当晶体中
存在缺陷时,它们与缺陷的相互作用引起合金的
强化。
正刃型位错使晶体上半部相对于下半 部多出半个原子面,如果令位错位于x— z平面上,多余的半原子面为y— o —z平 面,则刃型位错的应力场由下列方程:
如果硅氧四面体组成三维网络,便形成 骨架状硅酸盐,如石英。由于成键接近于 各向同性,因此硬度和弹性系数的各向异 性很小,也不存在解理面。
多晶材料的弹性
单晶材料的弹性由原子间的结合特 性、晶体的对称性等因数所决定,同类 完整晶体有相类似的弹性,保持了同一 性。 多晶材料由大量晶粒组成,除了晶 界结构对材料性能的影响之外,材料中 每个晶粒的应变不仅受该晶粒本身的取 向影响,也受到相邻晶粒取向的制约。 形变中每个晶粒必须与周围晶粒协调一 致,从面使多晶材料的弹性性能成为每 个单晶性能的某种平均,可以用近似方 法求解。
静电作用
刃型位错附近产生晶格畸变,引起费 米能改变,导致电子从受压缩区流向膨胀 区,在多余半原子面方向上产生电偶极现 象。电子重新分布产生一电势,使电子势 能发生改变,以抵消费米能的改变,使晶 体各处的费米能恢复一致,位错的电荷也 达到平衡,使膨胀了的位错核心带负电荷, 与溶质原于存在静电相互作用,产生静电 钉扎。
同理:
σ ́ 12 = -1/2 σ11+1/2σ22=-1/2c11ε
σ ́ 12 = 2c44 ε ́12 = -c44ε
σ
′12
11
11
+1/2c12ε
11
= (C11- C12)ε
′12
各向同性介质的立方晶体的3个弹性系数满足下面的关 系式:
A称各向异性的量度。A=1时,晶体是各向同性的; A≠1时,各向异性晶体,偏离1越大,各向异性也越大。
子密度大,每个表面原于由3个键所固定,因而
硬度最高,{110 }面次之。
通常将维氏硬度超过40GPa的材料叫做超硬材料。
超硬材料:金刚石、立方氮化硼、C3N4等。 结构特点:强共价键、离子性低;熔点、熔合能高;配位数高、 原子密度高。 性能特征:高体模量、高杨氏模量,低泊松比,高导热系数, 低膨胀系数,高熔点等优点。
金刚石是天然材料中最硬,原子密度、热
导率、杨氏模量最高的材料。
金刚石对红外到紫外光都是透明的,电子
在金刚石中导带的能量高于真空中电子的能量, 电子在很小以至不加电场的情况下就可离开金 刚石表面,因此,金刚石是非常好的冷阴极材 料。
石墨在结构转变 中,六角环上的部分原 子朝一个方向移动,形 成“船形”结构,石墨 就转变成了六角金刚石 (纤锌矿型),六角金刚 石与石墨间存在下列取 向关系:
在极端情况下得到多晶材料的弹性:
§ 4.2 硬 度
硬 度:材料抵抗局部外来机械作用, 定量判断材料的硬度,普遍采用压痕 测试法,将特定材料、特定形状的压头 在一定载荷下压入待测试祥,测定。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
布氏硬度
120HBS10/1000 /30表示直径为 10mm的钢球在 1000kgf (9.807kN)载 荷作用下保持 30s测得的布氏 硬度值为120
√2 √2 2 2 0
由张量的定义可知
[T] = -√2 √2
2 2
0
0 0 1 ε ́12 = a11a21 ε11 + a12a21 ε21 + a13a 21ε31 + a11a 22ε 12+ a12a22 ε22 + a13a22 ε32 + a11a23 ε13 + a12a23 ε23 + a13a23 ε33 ε ́12 = a11a21 ε11=-1/2ε11
洛氏硬度
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
h1-h0
维氏硬度
超硬材料
晶体的硬度由组成原子间的结合强度所决定。结合键越 强,硬度也就越高。共价键晶体有固定的键长和键角,键的
强度很高,因此,共价键晶体的硬度很高。
金刚石是典型的纯共价链晶体,每个链有相同的强度, 结构中没有薄弱环节,因此十分坚硬。碳化物、硼化物、氯 化物具有强烈的共价键性质,立方氮化硼、碳化硼和碳化硅 硬度都很高。
铃木气团
合金的层错能较低时,位错将分解成层错 和不全位错。 溶质原子在层错、基体两部分的浓度不同, 改变了局部成分,改变层错的宽度,溶质原子 的这种不均匀分布也阻碍位错的运动,称作化 学钉扎,溶质原子与层错的这种组态又叫做铃 木气团。 铃木气团与温度关,在高温下,其作用更 加明显,对材料的蠕变性能有较大的影响。
§ 4.3 位错对材料力学性能的影响
位错引起晶体局部原子的排列发生畸变, 在晶体中产生应力场。这种应力场与位错类 型、位错线的形状等因素有关。位错应力场 与其他因素产生的应力场,比如溶质原子、 其他位错、杂质原子或原子集团等产生的应 力场相互作用,对材料的力学性能产生作用。
位错与溶质原子的相互作用
硅酸盐材料中含SiO4四面体,硅、氧 原子可以形成不同的单体,也可由硅氧 四面体连接各种不同类型的结构。硅氮 四面体采用共顶点联结,可以形成包含 SiO3单键(辉石)、SiO11双键(闪石)、SiO 5 双键、Si 20 5双键、Si6019双键。由Si3O 9、 Si6018组成的环或层状硅酸盐,
ρ ∝ 1/d σ =σ 0 +α μ b ρ -
1/2
霍尔-皮奇关系
合金强化机理
(1)固溶强化 金属中加入其他元素,通过形成固溶 体来提高合金的强度 溶质原子聚集在静止位错附近, 对位 错钉扎和位错运动的摩擦力阻止位错运 动,引起明显的抵抗材料屈服。 这种钉扎作用除科垂耳气团、斯诺克 气团外,还存在铃木气团、静电作用。
除了低的离子性、高配位数的影响外,硬度 与键长的3.5次方成反比,是影响硬度的一个主要 因素。强共价晶体存在于B—C—N体系,因此, 超硬材料只存在子B—C—N体系中。由于金刚石 具有超硬材料的典型特征,因此把其他超硬材料 又叫做类金刚石材料。
同一晶体,不同晶面上的原子密度和排列方式 不同,硬度也不相同,一般说来,原子密度高的 面,硬度也高,金刚石八面体的晶面{111}上碳原
体心立方金属 [111]方向键成直线排列, [111]方向的弹性最强。 [100]方向,相邻键成Z形排列,沿[100]方向拉伸时, 键在拉长的同时发生旋转,使[100]方向的弹性系数 要比[111]方向小。 [110]方向相邻键也成Z形排列。但[110]方向上相邻键 之间的夹角大于 [001]方向上相邻键之间的夹角, [100]方向上原子结合力强, [110]方向上的弹性系数 小于[100]方向上的弹性系数,各向异性因子A>1。
第四章 材料的力学性能
材料的力学性能是结构材料应用的主 要方面。 弹性模量、密度、热容量等对材料 内部缺陷不敏感,是非结构敏感性能。 强度、韧性等力学性能是结构敏感性 能。 同一材料,也会因其缺陷程度上的差 异而具有不同的强度和韧性。
§4.1 弹 性
所有固体材料在外加应力的作用下都会发生形 状的改变,当应力不够大时,应力和应变满足虎 克定律: σij = Cijklεkl σij 、ε kl为二阶对称张量 σij = σji ε kl =ε lk σi = Cijε j Cij :
链状硅酸盐中,平行于链的方向上成键较强, 此方向的弹性模量也较大,垂直于链的方向的模量
相对较弱。
由硅氧四面体共顶点,可以组成多种不同的环,
在环所在的平面内弹性系数较大,垂直于环的方向
上则弹性系数较小。
如果硅氧环彼此联结,形成硅氧四面 体层,便构成层状硅酸盐,弹性各向异性 和解理就变得十分明显,晶体很容易沿平 行于四面体层所在的面解理,典型例于就 是云母,白云母Al[A1Si3010]OH8的四面体。
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