材料性能学(1)
材料性能学名词解释
一、名词解释第一章力学1.真实应变一根长度为L 的杆，在单向拉应力作用下被拉长到L ,则ε= ，为真实应变。
2.名义应变一根长度为L 的杆，在单向拉应力作用下被拉长到L ,则ε=L –L /L =△L/L ,ε为名义应变。
3.弹性模量材料在弹性变形阶段，其应力和应变成线性关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。
对各向同性体为一常数。
是原子间结合强度的一个标志。
4.弹性柔顺系数弹性体在单位应力下所发生的应变，是弹性体柔性的千种量度。
S =-μ/E ,其下标十位数为应变方向，个位数为所受应力的方向。
5.材料的蠕变对粘弹性体施加恒定应力σ时，其应变随时间而增加。
6.材料的弛豫对粘弹性体施加恒定应变ε时，则应力将随时间而减小。
7.位错增殖系数n个位错通过试样边界时引起位错增殖，使通过边界的位错数增加到nc个，c即为位错增殖系数。
8.滞弹性一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性。
9.粘弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性，即弹性形变的产生与消除需要有限时间。
10.粘性系数(粘度) 单位接触面积、单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力。
单位Pa·S. 是流体抵抗流动的量度。
11.脆性断裂构件未经明显的变形而发生的断裂。
断裂时材料几乎没有发生过塑性变形。
在外力作用下，任意一个结构单元上主应力面的拉应力足够大超过材料的临界拉应力值时，会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。
与此同时，外力引起的平均剪应力尚小于临界值，不足以产生明显的塑性变形或粘性流动。
12.裂纹亚临界生长裂纹在使用应力下，随时间的推移而缓慢扩展。
其结果是裂纹尺寸逐渐加大，一旦达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。
13.材料的理论结合强度根据Orowan提出的原子间约束力随原子间的距离x的变化曲线（正弦曲线），得到σ=σ×sin2πx/λ，σ为理论结合强度。
单位面积的原子平面分开所作的功应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能，材料才能断裂，根据公式得出σ= Eγ/a 。
材料性能学1PPT课件
真实应力
SF PF P o F A o 1
真应变e
e
l
d e
d llnl
lnl ()
l l0
l0
假定变形过程体积不变，真应力和真应变之间 存在如下关系：
S(1)
e1 ,1 ee
材料性能学
均匀塑性变形阶段的真应力-真应变曲线—— 流变曲线，
S ken
n值越大，变形时的强 化效果越明显
材料性能学
按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将 材料分为脆性材料和塑性材料两大类。脆性材 料在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹性 变形；塑性材料在拉伸断裂前会发生不可逆塑 性变形。
高塑性材料拉伸特征：
（1）拉伸断裂前产生均匀的伸长，
（2）发生颈缩现象，且塑性变形量大。
材料性能学
低塑性材料拉伸特征：
在拉伸断裂前只发生均匀伸长，不发生颈缩， 且塑性变形量较小。
概况一
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概况二
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概况三
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材料性能学
三、本章内容 实验条件：
光滑试件，室温大气介质，单向单调拉伸 载荷 研究内容：
测定不同变形和硬化特性的材料的应力应变曲线和拉伸性能参数。了解不同材料的性 质。
三 影响弹性模量的因素 1 键合方式和原子结构 结合力强的弹性模量较大。 化学键>物理键
共价键、金属键、离子键>分子键、氢键 E也呈现周期性
材料性能学
2 晶体结构的影响
单晶体呈现各向异性；多晶体呈现各向同性— 伪等向性
单晶：呈现各向异性；最大值与最小值相差可 达四倍。（钨除外，皆为384600MPa）
材料性能学课后习题与解答
绪论1、简答题什么是材料的性能？包括哪些方面？[提示]材料的性能定量地反映了材料在给定外界条件下的行为；解：材料的性能是指材料在给定外界条件下所表现出的可定量测量的行为表现。
包括力学性能（拉、压、、扭、弯、硬、磨、韧、疲）物理性能（热、光、电、磁）化学性能（老化、腐蚀）。
第一章单向静载下力学性能1、名词解释：弹性变形塑性变形弹性极限弹性比功包申格效应弹性模量滞弹性内耗韧性超塑性韧窝解：弹性变形：材料受载后产生变形，卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质。
塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。
弹性极限：弹性变形过度到弹-塑性变形(屈服变形)时的应力。
弹性比功：弹性变形过程中吸收变形功的能力。
包申格效应：材料预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低的现象。
弹性模量：工程上被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。
实质是产生100%弹性变形所需的应力。
滞弹性：快速加载或卸载后，材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。
内耗：加载时材料吸收的变形功大于卸载是材料释放的变形功，即有部分变形功倍材料吸收，这部分被吸收的功称为材料的内耗。
韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
超塑性：在一定条件下，呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。
韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断口。
2、简答(1)材料的弹性模量有那些影响因素？为什么说它是结构不敏感指标？解：键合方式和原子结构，共价键、金属键、离子键E高，分子键E低原子半径大，E小，反之亦然。
晶体结构，单晶材料在弹性模量在不同取向上呈各向异性，沿密排面E大，多晶材料为各晶粒的统计平均值；非晶材料各向E同性。
化学成分，微观组织温度，温度升高，E下降加载条件、负载时间。
对金属、陶瓷类材料的E没有影响。
高聚物的E随负载时间延长而降低，发生松弛。
付华-材料性能学-部分习题答案1
第一章材料的弹性变形一、填空题：1.金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形或断裂的能力。
2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。
3. 线性无定形高聚物的三种力学状态是玻璃态、高弹态、粘流态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、大分子链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使用状态。
二、名词解释1.弹性变形：去除外力，物体恢复原形状。
弹性变形是可逆的2.弹性模量：拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨氏模数）切变时τ=GγG：切变模量3.虎克定律：在弹性变形阶段，应力和应变间的关系为线性关系。
4.弹性比功定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。
三、简答：1．金属材料、陶瓷、高分子弹性变形的本质。
答：金属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小的位移，这部分位移在撤除外力后可以恢复为0。
对高分子材料弹性变形在玻璃态时主要是指键角键长的微小变化，而在高弹态则是由于分子链的构型发生变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很大。
2．非理想弹性的概念及种类。
答：非理想弹性是应力、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。
表现为应力应变不同步，应力和应变的关系不是单值关系。
种类主要包括滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。
3．什么是高分子材料强度和模数的时-温等效原理?答：高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。
加载速率一定时，随温度的升高，高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；而在温度一定时，玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。
时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时=温等效原理。
四、计算题：气孔率对陶瓷弹性模量的影响用下式表示：E=E0 (1—1.9P+0.9P2)E0为无气孔时的弹性模量；P为气孔率，适用于P≤50 %。
材料性能学1
材料性能学1第一章1、P 点以下: F 和Δl 为线性关系e 点以内（F<="">A 点（F=FA ）: 出现塑性变形A 点到C 点：不均匀的屈服塑性变形C 点到B 点（FB 为Fmax ）：均匀塑性变形B 点后：不均匀塑性变形，局部区域产生颈缩k 点：试样断裂拉伸过程变形包括弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形和不均匀集中变形等4个阶段。
2、工程应力ζ：载荷F 除以试样的原始截面积A0工程应变δ：伸长量Δl 除以原始标距长度l0σ(纵坐标)—δ (横坐标)曲线即为应力—应变曲线3、ζP —比例极限ζe —弹性极限ζs —屈服点ζb —抗拉强度4、按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。
脆性材料：曲线特征，在拉伸断裂前，只发生弹性变形，不发生塑性变形，在最高载荷点处断裂。
弹性模量E 应力—应变曲线与横轴夹角α的大小表示材料对弹性变形的抗力E=tan α 虎克(Hooke)定律在弹性变形阶段，应力与应变成正比ζ= E δ E 为弹性模量。
刚度：在弹性变形范围内，材料在外载荷下抵抗变形的能力称为刚度。
构件刚度不足，会造成过量弹性变形而失效。
刚度的定义：0/(11)σ= -F A 0δ/(12)=? -l l对于一定材料的制件，刚度只与其截面积成正比。
可见要增加零(构)件的刚度，要么选用正弹性模量E高的材料，要么增大零(构)件的截面积A 。
但对于空间受严格限制的场合，往往既要求刚度高，又要求质量轻，因此加大截面积是不可取的，只有选用高弹性模量的材料才可以提高其刚度。
即比弹性模量(弹性模量/密度)要高。
弹性比功是指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，它标志着材料开始塑性变形前单位体积材料所吸收的最大弹性变形功，是一个韧度指标（影线面积）式中，ζe为弹性极限，εe为与弹性极限对应的弹性应变。
欲提高材料的弹性比功，途径有二：提高ζe或者降低E。
由于ζe 是二次方，所以提高ζe 对提高弹性比功的作用更显著。
材料性能学答案-最新整理版(1)
共 4 页 第 页1. 通过静载拉伸实验可以测定材料的 弹性极限、屈服极限、 抗拉强度、断裂强度、比例极限等（答对3个即可）强度指标，及 延伸率 、 断面收缩率 等塑性指标。
2.按照断裂中材料的宏观塑性变形程度，断裂可分为脆性断裂和韧性断裂；按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径（断裂方式），可分为穿晶断裂和沿晶断裂；按照微观断裂机理，可分为解理断裂和剪切断裂3. 单向拉伸条件下的应力状态系数为 0.5 ；而扭转和单向压缩下的应力状态系数分别为 0.8 和 2.0 。
应力状态系数越大，材料越容易产生 (塑性) 断裂。
为测量脆性材料的塑性，长采用压缩的试验方法4.在扭转试验中，塑性材料的断裂面与试样轴线 垂直 ；脆性材料的断裂面与试样轴线 成450角。
5. 低温脆性常发生在具有 体心立方或密排六方 结构的金属及合金中，而在 面心立方 结构的金属及合金中很少发现。
6. 材料截面上缺口的存在，使得缺口根部产生 应力集中 和 双（三）向应力或应力状态改变 ，试样的屈服强度 不变，塑性 降低 。
7.根据磨损面损伤和破坏形式（磨损机理），磨损可分为4类：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损和麻点疲劳磨损（接触疲劳）8.典型的疲劳断口有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬断区。
疲劳裂纹扩展区最典型的特征是贝纹线9. 在典型金属与陶瓷材料的蠕变曲线上，蠕变过程常由 减速蠕变 ，恒速蠕变 和 加速蠕变 三个阶段组成。
10.根据材料磁化后对磁场所产生的影响，可以把材料分为3类：抗磁性材料、顺磁性材料和铁磁性材料11.一般情况下，温度升高，金属材料的屈服强度下降；应变速率越大，金属材料的屈服应力越高。
12.温度对金属材料的力学性能影响很大，在高温下材料易发生沿晶断裂。
13. 拉伸试样的直径一定，标距越长则测出的断后伸长率会越小14.宏观断口一般呈杯锥装，由纤维区、放射区和剪切唇3个区域组成。
材料强度越高，塑性降低，则放射区比例增大。
材料性能学作业 (1)
1.简述硬度测试的类型、原理和优缺点？[至少回答三种]（一）、布氏硬度优点：压痕面积较大，其硬度值能反应材料在较大区域内各组成相的平均性能，因此，布氏硬度检验最适合测定灰铸铁、轴承合金等材料的硬度（具有粗大晶粒或者粗大组成相）。
压痕大的另一优点是实验数据稳定，重复性高。
缺点：因压痕直径较大，一般不宜在成品件上直接进行检验，不宜于薄件试验；硬度不同的材料需要更换压头直径D和载荷F，同时压痕直径的测量也比较麻烦。
（二）、洛氏硬度优点：操作简便迅速，压痕小，可对工件直接进行检验；采用不用标尺，可测定各种软硬不用和薄厚不一试样的硬度。
缺点：因压痕较小，代表性差；尤其是材料中的偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性查、分散度大；用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换。
（三）、维氏硬度优点：由于角锥压痕清晰，采用对角线长度计量，精确可靠；压头为四棱锥体，当载荷改变时，压入角恒定不变，因此可以任意选择载荷，而不存在布氏硬度那种载荷F与压球直径D之间的关系约束，也不存在洛氏硬度那种不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度所测试件厚度更薄。
缺点：测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，所以不宜用于成批生产的常规检验。
2.说明布氏硬度与维氏硬度测出的硬度值相差不大的原因。
布氏硬度是用钢球或硬质合金球作为压头，维氏硬度是用两相对面夹角为136°的金刚石四棱锥作为压头，两个硬度都是采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。
3.简述扭转实验、弯曲实验的特点？渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是什么？（一）、扭转试验特点扭转的应力状态软性系数（α=0.8）较拉伸的应力状态软性系数（α=0.5）高，故可τσ=的强度和塑性。
用来测定那些在拉伸时呈现脆性断裂的材料(/0.50.8)s c扭转试验时试样截面的应力分布为表面最大，愈往心部愈小，故此法对材料表面及表面缺陷的反应十分敏感。
【材料性能学】1-材料性能学课程简介
料各种性能研究领域的整体，促进积极思维和创造精神
课堂讲授部分主要内容
• 材料的力学性能：材料在静载条件下的力学性能、冲击韧性、 断裂韧性、疲劳性能、磨损性能，以及高温力学性能等；
• 材料的物理性能：材料的热学性能、磁学性能、电学性能、光 学性能、压电及铁电性能等；
• 裂纹扩展的能量判据
• 裂纹顶端的应力场。三种断裂类型；I型裂纹顶端的应力 场；应力强度因子KI；
• 裂纹顶端的塑性区。
• 应力强度因子的塑性区修正。
• 影响断裂韧性的因素。内部因素；外部因素；
• 断裂韧性的工程应用。
第六章 固体电子理论简介
• 电子的波动性。 • 2 原子结构。原子结构模型，量子力学的基本原理，原子中的电子
• 目前，国内外许多有条件的高校和实验室都把实验技术 及仪器水平提高当作占领材料学科发展制高点的首要问 题来解决。
• 纵观国内外材料学科水平最高和发展最快的地方无不与 其拥有一流的仪器设备和硬件设施有关。
教学目的与要求
• 本课程是“材料科学与工程”一级学科的专业课 程之一（其它有材料物理学、材料分析测试） • 目的在于使学生了解材料常见力学性能和物理性 能的本质及其变化规律 • 初步熟悉有关力学性能和物理性能的测试方法和 在材料科学研究中的运用 • 掌握材料韧性、脆性、疲劳性能、热性、电性、 磁性、弹性、内耗等的本质、基本变化规律、以 及与组织结构的关系 • 掌握测试的基本原理和分析方法 • 了解在材料研究及实际工业生产中的运用
• 材料科学领域涵盖：金属材料、无机非金属材料、高分 子材料、复合材料、纳米材料，工程材料等各种材料在 制备、加工、处理、服役和使用过程中的组织、性能演 变与失效，以及材料微结构表征和性能测试技术等内容。
1-材料性能学(1-3,4)
准解理断裂
解理刻面：以晶粒大小为单位的解理面 解理刻面：
硬质点阻碍粒纹沿晶面扩展 准解Fra bibliotek与解理的区别： 准解理与解理的区别：
解理刻面是否为晶体学解理面
裂纹起源：晶界 解理； 裂纹起源： 解理； 晶内硬质点 准解理
常见于淬火回火钢： 常见于淬火回火钢：
从晶内某点发源， 从晶内某点发源，放射状河流花样
抗拉强度
拉伸试验中材料拉断过程中最大试验力所对 应的应力。 σb
塑性
材料断裂前产生塑性变形的能力。
为什么材料需要具有一定的塑性？ 为什么材料需要具有一定的塑性？
抗偶然过载， 抗偶然过载，避免突然损坏 削减应力高峰， 削减应力高峰，避免应力集中 塑性加工与修复 评定材料冶金质量
塑性指标
伸长率： 伸长率：
金属：金属键没有方向性， 金属：金属键没有方向性 滑移系统多。 多晶体材料 。 ，滑移系统多。所以易于滑 移而产生塑性形变。 移而产生塑性形变
晶粒变形不同时性和不均匀性 无机材料：离子键和共价键具有明显的方向性， 无机材料：离子键和共价键具有明显的方向性，同号 晶粒位向、组织的均匀性 离子相遇，斥力极大。 离子相遇，斥力极大。只有个别滑移系统才能满足几 何条件与静电作用条件。晶体结构愈复杂， 何条件与静电作用条件。晶体结构愈复杂，满足这种 各晶粒变形的相互协调性 条件就愈困难。所以不易产生滑移。 条件就愈困难。所以不易产生滑移。 多系滑移 （如：hcp滑移系少，塑性差） （如：hcp滑移系少，塑性差）
断裂
一、断裂类型与断口特征：“裂纹” 断裂类型与断口特征： 裂纹”
1. 宏观塑性变形的程度
韧性断裂与 韧性断裂与脆性断裂
暗灰色、 低碳钢、塑料） 暗灰色、纤维状 （低碳钢、塑料） 齐平光亮、 齐平光亮、放射状或结晶状
材料性能学
变的性能。 加载时应变落后于应力而与时间有关的滞弹性称为正弹性后效
或弹性蠕变。 卸载时应变落后于应力的现象称为反弹性后效。 滞弹性在金属材料和高分子材料中表现得比较明显，弹性后效
速率和滞弹性应变量与材料成分、组织有关，也与实验条件有关。 组织越不均匀，温度越高，切应力分量越大，滞弹性就越明显。
1、键合方式和原子结构 共价键 、离子键、金属键、分子键 金属元素的弹性模数还与元素在周期表中的位置有关。 2、晶体结构 单晶体材料 各向异性 多晶体材料 伪各向同性 非晶态材料 各向同性 3、化学成分
材料化学成分的变化将引起原子间距或键合方式的变化，因此 也将影响材料的弹性模数。
4、微观组织 金属材料 组织不敏感
其平衡位置仅作微小的热振动，是受离子之间的相互作 用力控制的结果。
二、弹性模数
σ=Eε
τ=Gγ 在应力应变关系的意义上，当应变为一个单位时， 弹性模数在数值上等于弹性应力。 在工程上弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力， 即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性 变形就越小。 比弹性模数
三、影响弹性模数的因素
工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷的相的种类、粒度、分布、比 例及气孔率有关。
高分子聚合物的弹性模数可通过添加增强性填料而提高。
复合材料为特殊的多相材料，对于增强相为粒状的复合材料，其弹 性模数随增强相体积分数的增高而增大。
5、温度 随温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力
减弱，使材料的弹性模数降低。
4。第二相 弥散型：不可变形质点，可变形质点。 不可变形质点 当位错线绕过不可变形的质点时，必须克服弯曲
内耗是材料的一种重要的力学和物理性能。在力学性能上，内 耗也称为材料的循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变形 功的能力，故又称为消震性。
材料性能学(1)
4、微观组织 金属的弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标，热处理 （显微组织）、冷塑性变形对E值影响不大；而陶瓷与高 分子材料的弹性模量对结构与组织很敏感。 工程陶瓷弹性模量的大小与构成陶瓷的相的种类、粒度、分 布、比例及气孔率有关。 高分子聚合物的弹性模数可通过添加增强性填料而提高。 复合材料为特殊的多相材料，对于增强相为粒状的复合材料， 其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大。 5、温度 随温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增 大，结合力减弱，使材料的弹性模量降低。 对金属材料而言，弹性模量E还与金属材料的熔点成正比， 越是难熔的金属材料其E越高。 6、加载条件和负荷持续时间 对金属、陶瓷几乎无影响， 高分子聚合物随着负荷时间的延长，E逐渐降低。
二、伪弹性
定义： 伪弹性是指在一定的温度条件下，当 应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱 发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度弹 性变形的现象。——形状记忆合金的原理
三、包申格效应 定义：包申格效应是指，金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残 余应变小于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。 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，运动位错遇林位错而弯曲受阻，并形成位错 缠结或胞状组织。 实际意义： ⑴理论上：由于它是金属变形时长程内应力的度量（长程内应力的大 小可用X 光方法测量），包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制。 ⑵工程应用上：首先是材料加工成型工艺需要考虑包申格效应。其次， 包申格效应大的材料，内应力较大。 (3)因包申格效应是一种材料微观组织结构变化的结果，所以可通过热 处理加以消除。方法是对材料进行较大的塑性变形进行再结晶退火。
《材料性能(1-力学性能)》课程教学大纲 - 上海交通大学- 材料科学与 ...
《材料性能（1-力学性能）》课程教学大纲第四章材料的疲劳1、疲劳概述2、疲劳的宏观表征3、疲劳的微观过程4、非金属材料的疲劳5、特种条件下的疲劳5h课堂讲授+讨论3-5道习题掌握材料疲劳的基本概念、宏观理论、微观机制、影响因素；了解各类型材料的疲劳特征以及各种特殊条件下的疲劳行为。
作业+课堂提问+课堂小测验第五章材料在不同工程环境下的力学性能1、高温强度2、冲击强度3、环境强度4、磨损强度5、材料在极端环境下的行为8h课堂讲授+讨论3-5道习题了解并掌握材料在高温、高速加载、带轻微腐蚀介质、相互接触运动、以及某些特殊环境下的力学行为和性能。
作业+课堂提问+课堂小测验*考核方式(Grading)采用“平时成绩”（课堂讨论、课堂小测验及作业）和“期末考试成绩”相结合的考核及评定方式，两者的比例为：70%（期末成绩）+30%（平时成绩）*教材或参考资料(Textbooks&Other Materials)教材：《材料性能学（第二版）》张帆,郭益平、周伟敏.上海交通大学出版社(2009)参考书：（1）《材料的力学行为》匡震邦,顾海澄,李中华.高等教育出版社(1998)；（2）《Mechanical Behavior of Materials》T.H.Couttney，McGraw Hill（2000）其它（More）备注（Notes）备注说明：1．带*内容为必填项。
2．课程简介字数为300-500字；课程大纲以表述清楚教学安排为宜，字数不限。
材料性能学1绪论概要
材料性能的研究—— 既是材料开发的出发点，也是其重要归属
23
二、材料性能的定义
材料性能是一种用于表征材料在给定 的外界条件下的行为。
材料性能是表征材料相应行为发生程度 的参数或指标。
24
三、材料性能的宏观表征
外参量
内参量
4 ）《材料科学基础》胡赓祥主编 上海交通大学
40
15 6.3-6.5 第十章 材料的耐环境性能
16
6.10 复习总结
课时数 2 6 4 4 4 6 4 4 4 4 4 2
39
参考书
１）《材料力学实验》程中易，高建和主编，北京：高 等教育出版社
２）《材料物理性能》邱成军，王元化主编，哈尔滨工 业大学出版社
３） 《材料性能学》，张帆，周伟敏编，上海交通大学
宏观行为 性能
内在 因素
外在 因素
中心任务！
29
现象与本质
不同行为——现象，材料的内部结构——本质
–材料机械性能——晶体缺陷理论 –材料的电、磁、光、热现象的物理性能——电子论下
得到物理本质的统一。 –固体材料的各种性能——固体物理和固体化学 –腐蚀和氧化、摩擦和磨损、晶体外延生长与离子注入、
催化和表面反应等——与材料的表面层原子有关
35
A组元性能(X/Y) B组元性能(Y/Z) AB复合材料性能(X/Z)
压电性 磁致伸缩
场致发光 压阻性
压力发光 磁阻效应
磁致伸缩 热胀变形
压电性 形敏电阻
磁电效应 热阻控制效应
36
c) 性能的发展与改造
“工艺─→结构─→性能”这条路线去控制或改造性 能，即工艺决定结构，结构决定性能。
材料性能学课件第一章 材料单向静拉伸的力学性能1
第二节 弹性变形及其性能指标
图1-6 金属弹性模数的周期变化
Longyan University
第二节 弹性变形及其性能指标
2晶体结构 单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上呈各向异性，
即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。如 α-Fe晶体沿〈111〉晶向，E=2.7×105MPa，而沿〈100〉 方向，E=1.25×105MPa。MgO晶体在室温下沿〈111〉晶 向，E=3.48×105MPa，而〈100〉晶向， E=2.48×105MPa。 多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统 计平均值，表现为各向同性，但这种各向同性称为伪各向 同性。非晶体材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性模量是 各向同性的。
4．微观组织 对于金属材料，在合金成分不变的情况下，显微组织对
弹性模数的影响较小，晶粒大小对E值无影响。钢经过淬火 后E值虽有所下降，但回火后E值又恢复到退火状态的数值。 第二相对E值的影响视其体积比例和分布状态而定，大致可 按两相混合物体积比例的平均值计算，对铝合金的研究表明， 具有高E值的第二相粒子可以提高合金的弹性模数，铍青铜 时效后E值可提高20％以上，但对于作为结构材料使用的大 多数金属材料，其中第二相所占比例较小的情况下，可以忽 略其对E值的影响。冷加工可降低金属及合金的弹性模数， 但一般改变量在5％以下，只有在形成强的织构时才有明显 的影响，并出现弹性各向异性。因此，作为金属材料刚度代 表的弹性模数，是一个组织不敏感的力学性能指标。
Longyan University
第二节 弹性变形及其性能指标
工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷的相的种类、粒度、 分布、比例及气孔率有关。因此作为复杂多相体的陶瓷材料 其弹性模数的理论计算非常困难，一般是通过实际测量而获 得。气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致可用下式表示：
《材料性能学》第一章1
例如一个悬臂结构，在梁长度和截面尺 寸相同的情况下，选用钢、铝合金和聚 苯乙烯进行比较。设外加载荷98N 钢梁弹性挠曲变形为1cm 铝合金3cm 聚苯乙烯60cm
23
弹性模量
构件刚度定义：EA
σ P EA = A = ε ε
刚度表征构件对弹性变形的抗力，值越大，相同应 力条件下变形越小。 要增加零件的刚度，选用弹性模量E较大的材料，或 者增加材料的横截面积A。
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拉伸曲线种类——塑性材料
(3)不出现缩颈的应力 应变曲线（低塑性）: 不出现缩颈的应力-应变曲线 低塑性） 不出现缩颈的应力 应变曲线（ 只有弹性变形Oa和均匀塑性变形ak阶段，图（c） 典型材料：铝青铜和高锰钢 (4)不稳定型材料的应力 应变曲线： 不稳定型材料的应力-应变曲线 不稳定型材料的应力 应变曲线： 锯齿状塑性变形，图（d） 某些低溶质固溶体铝合金及含杂质铁合金。 15
29
2、比例极限和弹性极限
比例极限σ 比例极限 P：能保持应力与应变成正比关系的 最大应力，即在应力应变曲线上刚开始偏离直 线时的应力。
σP＝PP / A0
PP——拉伸曲线上开始偏离直线时所对应的载荷； A0——试样原始截面积 对一些需要严格保持线性关系的零件，比例极限很重 要，如测力弹簧等。
3051.1Fra bibliotek1 单向静拉伸试验
在拉伸过程中，随着载荷的不断增加， 圆柱试样的长度将不断的增加，这些量 的变化可由试验机上安装的自动绘图机 构连续描绘出，拉伸力F和绝对伸长量 ∆L的关系曲线，直至试样断裂．如图1－ 1所示。
6
7
工程应力—工程应变 工程应力 工程应变
应力
σ =
F A0
单位：MPa（MN/m2）或Pa（N/m2） P——载荷 A0——试样的原始横截面积
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4、微观组织 金属的弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标，热处理
（显微组织）、冷塑性变形对E值影响不大；而陶瓷与高 分子材料的弹性模量对结构与组织很敏感。
工程陶瓷弹性模量的大小与构成陶瓷的相的种类、粒度、分 布、比例及气孔率有关。
高分子聚合物的弹性模数可通过添加增强性填料而提高。
第一章 材料单向静拉伸的力学性能
第一节 力－伸长曲线和应力－应变曲线 一、力－伸长曲线
例如：GB6397-86规定《金属拉伸试样》 有： 圆形、矩形、异型及全截面． 常用标准圆截面试样。 长试样：L0=10d0; 短试样：L0=5d0
F
eA s p
Fe Fs
b k
Fb
Fp
o
g
Δl u Δl b
f
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
低碳钢拉伸过程变化的四个阶段：
弹性变形阶段 屈服变形阶段 塑性变形阶段 颈缩现象至断裂
二、应力－应变曲线
图1－3 低碳钢的应力－应变曲线
(1)应力σ ( MPa ) ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的
载荷( F )除以试样的原始横截面积A 0 ( mm2)表示:
子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反应。 双原子模型 在正常状态下，晶格中的离子能保持在
其平衡位置仅作微小的热振动，是受离子之间的相互作 用力控制的结果。
二、弹性模量与比弹性模量
拉：σ=Eε 扭：τ=Gγ 在应力应变关系的意义上，当应变为一个单位时， 弹性模量（数）在数值上等于弹性应力。 在工程上弹性模量是表征材料对弹性变形的抗力， 即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性 变形就越小。(?) 弹性模量的物理意义：表示材料在外载荷下抵抗弹性变 形的能力 比弹性模量=弹性模量/单位体积质量 （*空间材料）
例2: 玻璃态高聚物的应力-应变曲线
例3: 高分子材料的应力-应变曲线
高分子材料的应力-应变曲线呈现 出多种多样的变异。若按在拉伸过 程中屈服点的变化、伸长率大小及 断裂状况，大致分为5中类型。
第二节 弹性变形 及其性能指标
一、弹性变形的本质 金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物 线性关系 变
形量小(一般小于0.5-1%，相当于原子间距的几分之一) 橡胶态的高分子聚合物 非线性关系 变形量大 材料产生弹性变形的本质都是构成材料的原子（离
降到零，m点对应的应变om `为总应变量，在卸载后回复的部分m `n为弹性应变量，残留部分no为塑性应变量。
图（b）为具有明显屈服点材料的应力应变曲线，与图（a）相比，不同之处在于出现了明显的屈服点aa `， 有明显的齿状屈服平台，其相应的应变量在1%-3%范围 图（c）为拉伸不出现颈缩的应力应变曲线，只有弹性变形的oa和均匀塑性变形的ak段。某些塑性较低的金 属如铝青铜，或变形强化能力特别强的金属如高锰钢 图（d）为拉伸不稳定型材料的应力应变曲线，其变形特点是在变形强化过程中出现多次局部失稳，原因是 孪生变形机制的参与。当孪生应变速率超过试验运动速率时，导致局部应力松弛，相应的在应力应变曲线 上出现齿形特征。如某些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金具有此类应力应变行为。
Δl
op段：比例弹性变形阶段； pe段：非比例弹性变形阶段； 平台或锯齿（s段）：屈服阶段； sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 b点：形成了“缩颈”。 bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点 断裂。
断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断 后测得的伸长)，弹性伸长gf。
Δl
图1-2 拉伸曲线
思考
决定材料性能的关键因素？ 研究材料性能的目的在于？ 如何理解材料性能失效的问题？ 材料性能学所阐述内容的意义在于？
教学的主要内容及学时安排
材料单向静拉伸的力学性能（5学时） 材料在其它静载荷下的力学性能（3学时） 材料的冲击韧性与低温脆性（2学时） 材料的断裂韧性（5学时） 材料的疲劳性能（4学时） 材料的磨损性能（3学时） 材料的高温力学性能（2学时）
F
A0
(2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原
始长度(mm )表示: l
l0
例1: 塑性材料应力-应变曲线
图（a）为最常见的金属材料应力应变曲线。Oa为弹性变形阶段，开始发生塑性变形，过程沿着abk进行。开始 发生塑性变形的点就是屈服点，屈服以后的变形包括弹性变形和塑性变形，如在点m处卸载，应力会沿着mn下
复合材料为特殊的多相材料，对于增强相为粒状的复合材料， 其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大。
5、温度 随温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增
大，结合力减弱，使材料的弹性模量降低。 对金属材料而言，弹性模量E还与金属材料的熔点成正比，
越是难熔的金属材料其E越高。 6、加载条件和负荷持续时间 对金属、陶瓷几乎无影响， 高分子聚合物随着负荷时间的延长，E逐渐降低。
三、影响弹性模量的因素—主要取决于结合键的本质和原子间的结合力
（键合强度）
1、键合方式和原子结构 共价键 、离子键、金属键、分子键 金属元素的弹性模量还与元素在周期表中的位置有关（R↑E↓）。
2、晶体结构 单晶体材料 各向异性——密排晶向上E最大 多晶体材料 伪各向同性 非晶态材料 各向同性
3、化学成分 材料化学成分的变化将引起原子间距或键合方式的变化，因此也
材料性能学
周晓龙
绪论
课程简介
材料性能
力学性能：主要研究材料在受载过程中 的变形（2）和断裂的规律；力 学性能指标的本质、物理概念、 实用意义和影响因素。
物理性能：含义广泛，包括声、光、电、 磁、热等，（例如电脑芯片与基 座） 。
材料力学性能学习目的及教学内容及学时安排
学习目的
学习材料力学性能就是通过掌握材料各种主要性能 的基本概念，物质本质、变化规律与性能指标的工 程意义，理解影响材料性能的主要因素，以便寻找 改善或提高材料性能的途径与方法，或分析材料在 使用过程中发生失效的原因等；同时让同学们了解 材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备，以培 养同学们在工程应用中选材、开发新材料的基本技 能。使得同学们能够将所学材料基础理论与工程实 际能够很好的结合起来，并提高同学们在工程实际 中解决材料问题的能力。