材料力学性能_
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拉伸试样一般为经机加工的试样和不经机加工的全截 面试样,其横截面通常为圆形、矩形、异形以及不经加工的 全截面形状。
4
拉伸试样
1) 圆形试样
d0 l0
5
2) 矩形试样 3）异型试样
t b
l0
6
四、拉伸试验设备
WEW-100D微机屏显液压万能试验机
7
1.1 拉伸力－伸长曲线和应力－应变曲线
弹性变形(Oe) 不均匀屈服塑性变形(eC) 均匀塑性变形(CB) 不均匀集中塑性变形(Bk)
裂）； 4.可测最基本力学性能指标：强度（σ）、塑性（δ、ψ）、
应变硬化、韧性等。
2
二、试验标准
《金属拉伸试验方法 》 老标准GB228-76 、GB228-87
《金属材料室温拉伸试验方法 》 新标准GB/T228-2002； 试验是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定相应
的力学性能。除非另有规定，试验一般在室温10℃－ 35℃范围内进行，对温度要求严格的试验，试验温度应 为23℃±5℃。
19
➢ 微观组织 对于金属材料，在合金成分不变的情况下，微观组织对弹 性模数的影响较小，晶粒大小对E值无影响。故热处理对 弹性模量的影响不大。 对一般的固溶体合金（弹簧材料除外），在溶解度较小的 情况下一般影响不大。如对于常用钢铁材料，合金元素对 弹性模量影响不大。
总结：金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性 能指标。
24
（5）滞弹性
正弹性后效(direct elastic aftereffect) 加载时，应变落后于应力，而和时间有关的现象称正
弹性后效，亦称弹性蠕变或冷蠕变。 反弹性后效(reverse elastic aftereffect)
卸载时，应变落后于应力的现象称反弹性后效。 弹性蠕变和弹性后效统称为滞弹性，即在弹性范围内快速 加载或卸载后，随时间延长而产生的附加弹性应变现象。
22
ae
1 2
e
e
2 e
2E
➢ 金属材料的弹性比功决定于弹性模量E和弹性极限σe。 ➢ 弹性模量对组织不敏感，只有用提高弹性极限σe的方法提
高弹性比功。
23
弹簧是典型的弹性零件，应具有较高的弹性比功和良好的 弹性。弹簧钢含碳量高，并加入Si、Mn、Cr、V等合金元 素以强化铁素体基体和提高钢的淬透性，经淬火加中温回 火以及冷变形强化可有效提高弹性极限，使弹性比功和弹 性增加。
25
应力循环 OA—AB—Be—eO 应变循环 Oa—ab—bc—cd
26
弹性滞后环 金属在弹性区内单向快速加载、卸载时，由于应变落后应 力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，即弹性 滞后环。
交变载荷中最大应力低于宏 观弹性极限→弹性滞后环； 交变载荷中最大应力超过宏 观弹性极限→塑性滞后环
20
➢ 温度 温度升高，E值降低。但在室温附近，E值变化不大，可以 不考虑温度的影响。
➢ 冷塑性变形 使E值稍有降低
➢ 加载条件和负荷持续时间 对E值影响不大
21
（4）弹性比功（弹性比能）
定义：材料吸收弹性变形功的能力。 可用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功 表示。
材料拉伸时的弹性比功可用图示应力－应变曲线弹 性变形阶段的下影线面积表示。
0.5％～1％。 ④ 弹性变形过程中材料的体积不变。
13
（2）胡克定律
简单应力状态的胡克定律 单向拉伸
泊松比 材料横向应变与纵向应变的比值的绝对值，也叫横向 变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。
14
剪切和扭转
E、G和ν的关系
弹性模量（又称杨氏模量） 理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。
18
弹性模量的影响因素
➢ 键合方式和原子结构 共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模量；分子键结 合力较弱，弹性模量较低。
➢ 晶体结构 单晶体 - 弹性各向异性；多晶体 - 弹性伪各向同性; 非晶态 - 各向同性。
➢ 化学成分 材料化学成分变化将引起原子间距和键合方式的变化，因 此也将影响材料的弹性模量。
切变模量G
材料在弹性变形阶段内，剪切应力与对应剪切应变的比值
15
广义胡克定律（复杂应力状态）
σx=-20MPa；σy=30MPa； τxy=20MPa
16
（3）弹性模量
弹性模量的理论定义：
当应变为一个单位时的弹性应力，即产生 100%弹性变形所需的应力。
材料的刚度E 工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材
主要内容
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
1
拉伸试验
一、单向静拉伸试验特点:
1.最广泛使用的力学性能检测手段; 2.实验的应力状态、加载速率、试样尺寸、温度等都有规定；
（通常均匀施加拉伸力，直至试样断裂） 3.揭示金属材料常见的Βιβλιοθήκη Baidu学行为（弹性变形、塑性变形、断
3
三、拉伸试样
1、金属拉伸试验试样标准： GB/T228-2002 2、与拉伸试样相关的几个概念： 标 距：测量伸长用的试样圆柱和棱柱部分的长度；
原始标距 L0：施力前的试样标距； 断后标距Lu：试样断裂后的标距。 平行长度Lc ：试样两头部或两夹持部分之间平行部分的长度；
伸 长：试验期间任一时刻原始标距的增量。
料对弹性变形的抗力，其值的大小反映金属弹性变形 的难易程度。 E越大变形越困难。
17
构件的刚度AE
机器零件或构件的刚度与材料的刚度不同，既与材料 刚度有关，还与截面形状、尺寸、载荷方式有关。反映构 件产生弹性变形的难易程度。
欲提高机器零件的刚度，在不能增大截面积的情况下， 应选用E值比较高的材料，如钢铁材料。
断裂(k)
8
应力－应变曲线
9
1.2 弹性变形
(1)弹性变形及其实质
定义：当外力去除后， 能恢复到原来形状或尺 寸的变形，叫弹性变形。
它是金属晶格中原子自 平衡位置产生可逆位移 的反映。
10
考虑右图的双原子模型
平衡时，引力＝斥力
引
引力来源于静电引力
斥力来源于正离子和电子
r0
r
间的斥力，及电子离心力 斥
rm
引力：
引＝
A r2
11
斥力：
斥＝－
B r4
其中A，B为常数，且r＝r0时，
引力＝斥力。A，B决定于原 引
子类型和晶体结构。
r0
r
总的作用力：
A－B r2 r4
斥
rm
见图中红色曲线。
r=rm时σ＝σm
12
金属弹性变形的特点 ① 可逆性； ② 弹性变形过程中材料处处连续，应力应变——单
值线性关系； ③ 弹性变形量与物体的尺寸相比很小，一般不超过
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拉伸试样
1) 圆形试样
d0 l0
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2) 矩形试样 3）异型试样
t b
l0
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四、拉伸试验设备
WEW-100D微机屏显液压万能试验机
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1.1 拉伸力－伸长曲线和应力－应变曲线
弹性变形(Oe) 不均匀屈服塑性变形(eC) 均匀塑性变形(CB) 不均匀集中塑性变形(Bk)
裂）； 4.可测最基本力学性能指标：强度（σ）、塑性（δ、ψ）、
应变硬化、韧性等。
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二、试验标准
《金属拉伸试验方法 》 老标准GB228-76 、GB228-87
《金属材料室温拉伸试验方法 》 新标准GB/T228-2002； 试验是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定相应
的力学性能。除非另有规定，试验一般在室温10℃－ 35℃范围内进行，对温度要求严格的试验，试验温度应 为23℃±5℃。
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➢ 微观组织 对于金属材料，在合金成分不变的情况下，微观组织对弹 性模数的影响较小，晶粒大小对E值无影响。故热处理对 弹性模量的影响不大。 对一般的固溶体合金（弹簧材料除外），在溶解度较小的 情况下一般影响不大。如对于常用钢铁材料，合金元素对 弹性模量影响不大。
总结：金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性 能指标。
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（5）滞弹性
正弹性后效(direct elastic aftereffect) 加载时，应变落后于应力，而和时间有关的现象称正
弹性后效，亦称弹性蠕变或冷蠕变。 反弹性后效(reverse elastic aftereffect)
卸载时，应变落后于应力的现象称反弹性后效。 弹性蠕变和弹性后效统称为滞弹性，即在弹性范围内快速 加载或卸载后，随时间延长而产生的附加弹性应变现象。
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ae
1 2
e
e
2 e
2E
➢ 金属材料的弹性比功决定于弹性模量E和弹性极限σe。 ➢ 弹性模量对组织不敏感，只有用提高弹性极限σe的方法提
高弹性比功。
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弹簧是典型的弹性零件，应具有较高的弹性比功和良好的 弹性。弹簧钢含碳量高，并加入Si、Mn、Cr、V等合金元 素以强化铁素体基体和提高钢的淬透性，经淬火加中温回 火以及冷变形强化可有效提高弹性极限，使弹性比功和弹 性增加。
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应力循环 OA—AB—Be—eO 应变循环 Oa—ab—bc—cd
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弹性滞后环 金属在弹性区内单向快速加载、卸载时，由于应变落后应 力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，即弹性 滞后环。
交变载荷中最大应力低于宏 观弹性极限→弹性滞后环； 交变载荷中最大应力超过宏 观弹性极限→塑性滞后环
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➢ 温度 温度升高，E值降低。但在室温附近，E值变化不大，可以 不考虑温度的影响。
➢ 冷塑性变形 使E值稍有降低
➢ 加载条件和负荷持续时间 对E值影响不大
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（4）弹性比功（弹性比能）
定义：材料吸收弹性变形功的能力。 可用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功 表示。
材料拉伸时的弹性比功可用图示应力－应变曲线弹 性变形阶段的下影线面积表示。
0.5％～1％。 ④ 弹性变形过程中材料的体积不变。
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（2）胡克定律
简单应力状态的胡克定律 单向拉伸
泊松比 材料横向应变与纵向应变的比值的绝对值，也叫横向 变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。
14
剪切和扭转
E、G和ν的关系
弹性模量（又称杨氏模量） 理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。
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弹性模量的影响因素
➢ 键合方式和原子结构 共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模量；分子键结 合力较弱，弹性模量较低。
➢ 晶体结构 单晶体 - 弹性各向异性；多晶体 - 弹性伪各向同性; 非晶态 - 各向同性。
➢ 化学成分 材料化学成分变化将引起原子间距和键合方式的变化，因 此也将影响材料的弹性模量。
切变模量G
材料在弹性变形阶段内，剪切应力与对应剪切应变的比值
15
广义胡克定律（复杂应力状态）
σx=-20MPa；σy=30MPa； τxy=20MPa
16
（3）弹性模量
弹性模量的理论定义：
当应变为一个单位时的弹性应力，即产生 100%弹性变形所需的应力。
材料的刚度E 工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材
主要内容
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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拉伸试验
一、单向静拉伸试验特点:
1.最广泛使用的力学性能检测手段; 2.实验的应力状态、加载速率、试样尺寸、温度等都有规定；
（通常均匀施加拉伸力，直至试样断裂） 3.揭示金属材料常见的Βιβλιοθήκη Baidu学行为（弹性变形、塑性变形、断
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三、拉伸试样
1、金属拉伸试验试样标准： GB/T228-2002 2、与拉伸试样相关的几个概念： 标 距：测量伸长用的试样圆柱和棱柱部分的长度；
原始标距 L0：施力前的试样标距； 断后标距Lu：试样断裂后的标距。 平行长度Lc ：试样两头部或两夹持部分之间平行部分的长度；
伸 长：试验期间任一时刻原始标距的增量。
料对弹性变形的抗力，其值的大小反映金属弹性变形 的难易程度。 E越大变形越困难。
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构件的刚度AE
机器零件或构件的刚度与材料的刚度不同，既与材料 刚度有关，还与截面形状、尺寸、载荷方式有关。反映构 件产生弹性变形的难易程度。
欲提高机器零件的刚度，在不能增大截面积的情况下， 应选用E值比较高的材料，如钢铁材料。
断裂(k)
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应力－应变曲线
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1.2 弹性变形
(1)弹性变形及其实质
定义：当外力去除后， 能恢复到原来形状或尺 寸的变形，叫弹性变形。
它是金属晶格中原子自 平衡位置产生可逆位移 的反映。
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考虑右图的双原子模型
平衡时，引力＝斥力
引
引力来源于静电引力
斥力来源于正离子和电子
r0
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间的斥力，及电子离心力 斥
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引力：
引＝
A r2
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斥力：
斥＝－
B r4
其中A，B为常数，且r＝r0时，
引力＝斥力。A，B决定于原 引
子类型和晶体结构。
r0
r
总的作用力：
A－B r2 r4
斥
rm
见图中红色曲线。
r=rm时σ＝σm
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金属弹性变形的特点 ① 可逆性； ② 弹性变形过程中材料处处连续，应力应变——单
值线性关系； ③ 弹性变形量与物体的尺寸相比很小，一般不超过