材料的力学性能课件01_拉伸

对于有形变强化特性的材料，可用双线性 模型近似拟合材料的应力应变曲线
在塑性变形阶段，材料的真应力－真应变 曲线可用Hollomon方程来表示
Hollomon方程曲线示意图
材料
n K / MPa
材料 n
K / MPa
纯铜(退火)
0.443 448.3
40钢(调质)
0.229 920.7
黄铜(退火)
0.423 745.8
材料在断裂时的应力称为断裂强度。采用工程 应力表示时称为名义断裂强度：
采用真应力表示时称为实际断裂强度：
实际断裂强度表征材料对拉伸断裂破坏的抗力。
几种典型的塑料拉伸曲线
单向静拉伸-拉伸性能指标
8、断后延伸率和断面收缩率
断后伸长率指试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比：
断后伸长△Lu由宏观均匀伸长△Lb和局部集中伸长△Ln两
单向静拉伸-拉伸曲线
图号
力学行为特点
(a) 纯弹性变形，无塑性变形
(b) 弹性变形—屈服—均匀变形—局部变形
(c) 弹性变形—均匀变形—局部变形
(d) 弹性变形—均匀变形
(e) 弹性变形—局部变形
(f) 弹性变形—局部变形—均匀变形
材料类别
脆性材料 不连续塑性变形
高塑性材料 连续塑性变形 高塑性材料 低塑性材料
单向静拉伸-拉伸性能指标
σp
σr
σt
5、规定延伸强度（规定伸长应力）
εp
εr
εt
(a)规定塑性延伸强度Rp （规定非比例伸长应力σp ） (a)
(b)
(c)
试样在加载过程中，标距部分的非比例伸长达到规定原始标距的某一百分比时的应力
称为规定非比例伸长应力σp，常用的例如σp0.01、σp0.05、σp0.2等。
各种规定延伸强度与材料强度指标的关系
单向静拉伸-拉伸性能指标
6、抗拉强度
材料在拉伸断裂前所能承受的最大工程应力称为抗拉强度：
考虑到材料屈服之后的塑性变形一般不再是小变形，需要采用真应力计算抗拉强度：
抗拉强度表征材料对均匀拉伸塑性变形的抗力，但并不一定代表材料的断裂抗力。若材料 发生缩颈现象，尽管工程应力将减小，但真应力仍在增大，直至达到断裂。
曲线下的面积：
韧度是与强度和塑性相关
的综合力学性能指标。
静力韧度的单位为J/m3，这与强度单位Pa的量纲是一致的。
对于塑性材料，韧度主要取决于塑性，近似为：
对于脆性材料，韧度主要取决于弹性，近似等于弹性变形能， 与弹性比功一致。
对于韧性材料，工程中一般按强塑积近似计算其静力韧度：
单向静拉伸-拉伸性能指标
材料在线弹性变形阶段，应力与应变服从胡克（Hooke）定律，即应力与应变成正比：
比例系数E称为弹性模量（Elastic Modulus）,其量纲与应力的量纲一致，单位通 常取GPa。弹性模量是度量材料刚度的系数，表征材料对弹性变形的抗力。
泊松比也是材料的一个重要 弹性常数，即径向或横向应 变与轴向应变之比：
单向静拉伸-拉伸性能指标
9、最大力总延伸率和极限应变
当施加在材料上的应力达到抗拉强度，试样的 总延伸（包括弹性延伸和塑性延伸）与原始标 距之比的百分率称为最大力总延伸率Agt，这时 相应的塑性延伸与原始标距之比的百分率称为 最大力塑性延伸率Ag。 最大力总延伸率实际上是材料拉伸时能够产生的最大均匀塑性变形（忽略微小的弹性 变形），这是以工程应变形式表示的，它对应的真应变称为极限应变：
零点调整 线性拟合
理想线性
切线模量
割线模量
单向静拉伸-拉伸性能指标
2、比例极限
应力和应变成严格正比关系的上限应力值，即在应力 应变曲线上开始偏离直线时的应力，称为比例极限， 表征材料对非线性变形的抗力。
通过比较过某一点切线的斜率来测定比例极限。一般规定切线 和纵坐标夹角的正切值增加50%时，该点对应的应力即为规定
断后伸长率和断面收缩率表征了材料最大塑性变形的能力，最大力总延伸率和极限应 变表征了材料均匀塑性变形的能力。 工程设计中不但要考虑材料的强度，同时还要考虑材料的塑性。
单向静拉伸-拉伸性能指标
10、弹性比功
单位体积材料所吸收的最大弹性变形功称为弹性比功：
弹性比功反映了材料吸收变形功而不发生永久变形的能力。
弹性极限定义的是由纯弹性变形过渡到塑性变形的应力 的下限值，当应力超过弹性极限后开始发生塑性变形， 但弹性变形并不停止。弹性极限不是材料对最大弹性变 形的抗力。
一般采用规定延伸强度来表示弹性极限，称为条件弹性 极限。
单向静拉伸-拉伸性能指标
4、屈服强度
有的材料在拉伸时会表现出明显的典型的屈服现象。 在光滑的标准拉伸试件上可观察到与拉伸方向成45° 的滑移带，即Lüders带。屈服现象在拉伸曲线上表 现为一段锯齿状水平台阶，称为屈服平台。对应于 上屈服点A的应力称为上屈服强度ReH；对应于下屈 服点C的应力称为下屈服强度ReL。BC段长度对应的 延伸率称为屈服点延伸率Ae。由于上屈服强度对试 验条件变化敏感，试验结果相当分散，而下屈服强 度再现性较好，因此，通常取下屈服强度ReL作为材 料的屈服强度，记作σs或σy，也称屈服极限。
材料在单向静拉伸下的力学性能测试
1.1 单向拉伸试样及应力场分析 1.2 拉伸曲线 1.3 拉伸性能指标 1.4 拉伸断口与断裂方式 1.5 单向静拉伸试验的特点
单向静拉伸-单向拉伸试样及应力场分析
材料的拉伸分为单向拉伸、三向等拉伸、 三向不等拉伸，通常若不特殊指出，一般指 单向拉伸。
标准圆柱试样
比例极限σp50（简写为σp）。若要求精确时，也可采用σp25或 σp10，显然σp50>σp25>σp10。
还可采用规定延伸强度来表示比例极限，称为条件比例极限。
单向静拉伸-拉伸性能指标
3、弹性极限
材料发生可逆弹性变形的上限应力值，称为弹性 极限，表征材料对极微量塑性变形的抗力。
理论上弹性极限的测定应该是通过不断加载与卸载，直 到能使变形完全恢复的临界极限载荷。
2、屈服阶段
在外载不变或有微小波动的情况下仍将继 续产生变形，拉伸曲线出现平台或锯齿。
3、均匀变形阶段（形变强化阶段）
随塑性变形增大变形抗力不断增加。塑性 变形是宏观均匀分布的。若在这一阶段卸载， 然后重新加载，材料的屈服强度将提高。
4、局部变形阶段
产生不均匀变形，出现颈缩现象(某一局部 变形显著，截面收缩直至断裂)。由于拉伸曲 线用工程应力—工程应变曲线表示，曲线呈 下降段。
断面收缩率也由两部分组成，即均匀变形阶段的断面收缩率和局部集中变形阶段的 断面收缩率，但与断后伸长率不同，断面收缩率与试样尺寸无关，只决定于材料的 性质。因此断面收缩率较断后伸长率能更真实的反映材料的塑性变形。
低塑性材料，试样只有均匀变形而未发生缩颈 高塑性材料，且Zu与Au之差越大，缩颈越严重
一般认为断面收缩率小 于5%时为脆性断裂，大 于5%时为韧性断裂。
为了尽可能的消除试件尺寸规格在试验中对 材料力学性能的影响，国家对材料的拉伸、压缩 等试验都制定了相应的试样标准 。
标准板状试样
单向静拉伸-单向拉伸试样及应力场分析
单向静拉伸-拉伸曲线
拉伸过程中材料的力学行为分四个阶段：
1、弹性变形阶段
变形在外载卸除后可恢复。大多近似为直 线，表现为线弹性，符合胡克定律。
规定延伸率较小的强度值更适合表征材料抵抗弹性变形的能力，与材料的弹性极限 性质类似；而规定延伸率较大的强度值更适合表征材料抵抗塑性变形的能力，与材 料的屈服强度性质类似。在实际材料的拉伸曲线上往往很难精确测定材料的比例极 限、弹性极限、屈服强度等指标，这时可用相应的规定延伸强度来近似描述。条件 弹性极限通常取R0.01或R0.05，条件屈服强度通常取R0.2或Rt0.5。
单向静拉伸-拉伸性能指标
4、屈服强度
有些塑性材料在拉伸时没有明显的屈服现象，在这种情 况下，一般采用规定延伸强度，即人为规定出现一定微 量变形时的应力作为屈服强度，称条件屈服强度。
屈服强度表征材料对起始塑性变形的抗力，是工程 技术上最为重要的力学性能指标。塑性材料用于产 品设计时，其许用应力是以屈服强度为依据的。
部分组成
宏观均匀伸长率Ab主要取决于材料特性，局部集中伸长率An 除了受材料特性的影响外，还与试样的几何形状有关
试件几何尺寸对断后伸长率的影响
单向静拉伸-拉伸性能指标
8、断后延伸率和断面收缩率
单向静拉伸-拉伸性能指标
8、断后延伸率和断面收缩率
断面收缩率指试样拉断后断口处横截面面积与原始横截面面积的百分比：
塑性材料
塑性材料
典型材料举例 玻璃、陶瓷、岩石、低温下的金属、淬火态 高碳钢、普通灰铸铁 低碳钢、半导体硅、金属锗
中碳钢、有色金属
高锰钢、青铜
铝合金
尼龙、聚氯乙烯
单向静拉伸-拉伸曲线
真应力σ 和工程应力R 的关系 真应变ε 和工程应变e 的关系
单向静拉伸-拉伸曲线
在弹性变形阶段，应力与应变成正比， 满足胡克（Hooke）定律
欲提高材料的弹性比功，途径有二： ➢ 提高σe ➢ 降低E
由于σe是二次方，而且弹性极限σe与材料的组织结构密切相 关，所以提高σe是提高材料弹性比功的有效途径。
单向静拉伸-拉伸性能指标
11、静力韧度（强塑积）
单位体积材料在断裂前所吸收的能量，也就是外力使材料断裂所做的功，称为材料的静力韧度或断
裂应变能密度。它包括三部分能量，即弹性变形能、塑性变形能和断裂能。反映在拉伸曲线上，即
材料在单向静拉伸下的力学性能测试
模拟并研究材料在常温静载下的力学行为，这是材料力学性能 研究的基础内容。
基于不同的外载形式，可将材料的力学行为分为拉伸、压缩、 扭转、弯曲、剪切等情况，不同的加载形式表现出不同的特点， 反映了材料某一方面的力学性能。
这种划分只是一种研究手段，实际上材料所受的外载往往很 复杂，有时可以简化为上述的某种形式，有时则是上述某几种形 式的组合。
单向静拉伸-拉伸性能指标
5、规定延伸强度
由于非比例变形阶段的复杂性，衡量材料对非比例变形的抗力也较复杂。在工程应用 中，通常使用规定延伸强度来描述。因为采用延伸率一般可以保障更高的精度，而且 更加易于实施及标准化。其测定方法在相应试验标准中都有详尽规定。
规定塑性延伸强度
规定残余延伸强度
规定总延伸强度
单向静拉伸-拉伸性能指标
5、规定延伸强度
(a) 第一次的交点
(b) 重复多次后的交点
用逐步逼近法来确定规定塑性延伸强度
单向静拉伸-拉伸性能指标
5、规定延伸强度
(a) 滞后环在右侧
(b) 滞后环在左侧包络线下
(c) 滞后环在左侧包络线上
用滞后环法来确定规定塑性延伸强度
单向静拉伸Βιβλιοθήκη Baidu拉伸性能指标
5、规定延伸强度
抗拉强度易于测定，重现性好，且与疲劳极限、硬度等其他力学性能指标存在一定经验关 系，又是一种组织敏感的力学性能指标，所以是工程技术上一个重要的力学性能指标。
在材料不发生缩颈局部变形时，抗拉强度代表了断裂抗力。脆性材料用于产品设计时，其 许用应力是以抗拉强度为依据的。
单向静拉伸-拉伸性能指标
7、断裂强度
(b)规定残余延伸强度Rr （规定残余伸长应力σr ）
试样在卸载后，标距部分的残余伸长达到规定原始标距的某一百分比时的应力称为规 定残余伸长应力σr，常用的例如σr0.2等。
(c)规定总延伸强度Rt （规定总伸长应力σt ）
试样在加载过程中，标距部分的总伸长达到规定原始标距的某一百分比时的应力称为 规定总伸长应力σt，常用的如σt0.5、σt0.6、σt0.7等。
材料的力学性能
Mechanical Properties of Materials
材料力学性能的试验评测
硬度试验
静载试验 拉伸 压缩 扭转 弯曲 剪切
常温
光滑试样
缺口试样
非常温 环境影响
摩擦磨损
动载试验 振动 冲击 疲劳
材料力学性能的试验评测
• 第1章 材料在单向静拉伸下的力学性能测试（2学时） • 第2章 材料在其他静载下的力学性能测试（2学时） • 第3章 材料的硬度（1学时） • 第4章 材料的振动与疲劳（3学时） • 第5章 材料的冲击破坏（2学时） • 第6章 缺口试样的力学性能（2学时） • 第7章 材料在特殊环境下的力学性能（1学时） • 第8章 材料的摩擦磨损（1学时）
40钢(正火)
0.221 1043.5
纯铝(退火)
0.250 157.5
T8钢(调质)
0.209 1018.0
纯铁(退火)
0.237 575.3
T8钢(退火)
0.204 996.4
T12钢(退火)
0.170 1103.3
60钢(淬火
+500℃回火)
0.100 157.0
单向静拉伸-拉伸性能指标
1、弹性模量和泊松比