材料力学性能绪论及第一章

第一章
金属在单向静拉伸载荷下 的力学性能
• 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
1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
拉伸力-伸长曲线是拉 伸实验中记录的力对伸长的 关系曲线。
图1-1为我们熟知的退 火态低碳钢拉伸力-伸长曲 线。 Oe:弹性变形阶段； AC：不均匀变形阶段； CB：均匀塑性变形阶段； Bk：不均匀塑性变形阶段 K：断裂
2. 实际金属材料的滞后环： 单向加载的弹性滞后环 交变加载的弹性滞后环 交变加载的塑性滞后环
3.滞弹性产生原因 产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动有关。
4.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，大小等于滞后环的面积。 （消震性、内耗）
5. 滞弹性工程应用 机床床身、发动机缸体、底座等需高吸震能力：选材？ 在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，
§0.5 本课程学习注意问题
预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。 理论联系实际:是实用性很强的一门课程。某些力学性
指能标根据理论考虑定义,而更多指标则 按工程实用要求定义。 重视实验: 通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又 可掌握测试技术，了解测试设备，进一步理 解所测力学性能指标的物理与实用意义。 做些练习: 加深理解――巩固所学的知识。
图1-7为20号钢包申格效应的拉伸、 压缩应力-应变曲线，压缩 应力应变曲线和拉伸曲线画在同一象限 内。由图可见，室稳下预先拉伸（应变 2％)，屈服强度约为380MPa；再反向 压缩加载，压缩屈服 强度仅为100MPa 左右。
2.包申格效应的解释
（1）对某些钢和钛合金，因包 申格效应可使规定残余伸长应力降 低15%～20%，所有退火状态和高 温回火的金属与合金都有包申格效 应，因此，包申格效应是多晶体金 属所具有的普遍现象。
2、力学性能的指标 弹性、塑性、强度、硬度、寿命、韧性等。
(1) 弹性:是指材料在外力作用下保持和恢复固有形 状和尺寸的能力。
(2) 塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变 形的能力．
(3) 强度:是材料对变形和断裂的抗力。 (4) 寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗
损伤和失效的能力。
——最大弹性应变。
• 增加材料弹性比功ae的方法：由于弹性模 量对组织不敏感，所以只能提高材料的弹 性极限
• 应用举例：弹簧钢具有高弹性比功和弹性， 选择高碳弹簧钢、合金化、提高淬透性， 中温回火获得回火托氏体组织
五、滞弹性
1.滞弹性现象
纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载 方向和加载时间无关。但对实际金属材料而言，其弹性 变形不仅是应力的函数,而且还是时间的函数。
一、塑性变形方式及特点
金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生。
滑移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。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。 (bcc金属的滑移系多于fcc金属，但其晶格阻力高，所有塑性低于fcc)
如果用真应力S和真应变e( e )绘制曲线，则得到真
实应力-应变曲线，如图1-3中的OBK曲线。
1.2 弹性变形
一、弹性变形及其实质 二、胡克定律 三、弹性模量 四、弹性比功 五、滞弹性 六、包申格（Bauschinger）效应
一、弹性变形及其实质
1.弹性变形表现：可逆性变形。不论 是在加载期还是卸载期内，应力与应变 之间都保持单值线性关系，且弹性变形 量比较小，一般不超过0.5%～1%。
§0.1 材料的性能与材料的力学性能
一、材料的种类 按物理化学属性分：金属材料；无机非金属材
料；有机高分子出来；复合材料。 按用途分：结构材料；功能材料。 结构材料是以力学性能为基础，制造受力构
件所用的材料。功能材料主要是利用物质独特 的物理、化学性质或生物功能等形成的一类材 料。
二、材料的性能 物理性能：热学性能、光学性能、电学性能、
2.实质：晶格中原子自平衡位置产生 可逆位移的反映。（原子间作用力）
3. 解释：双原子模型。如下图1－4。
原子间相互作用功 F 与原子间距 r 的关系为
F A
Ar02
r2
r4
式中 常数。
A r2
——与原子本性或晶体、晶格类型有关的
原子的位移总和在宏观上就表现为变形。外力去除 后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来的平衡位 置，位移消失，宏观上变形也就消失。这就是弹性变 形的可逆性。
磁性性能，等； 化学性能：耐腐蚀性、高温抗氧化性、抗老化
性、降解性，等； 力学性能：弹性、塑性、硬度、韧性，等； 工艺性能：铸造性、可锻性、可焊性、切削加
工性，等； 生物性能：生物反应性、生物相容性，等。
三、材料的力学性能
1、定义 材料在外加载荷作用下，或者在载荷与环境 因素的联合作用下表现出的力学行为。宏观上 一般表现为材料的变形和断裂。
2、影响材料力学性能的主要因素，以及提高 其性能所采取的措施；
3、材料力学性能的测试技术
§0.3 学习本课程的目的
1、掌握材料的力学性能及其变化规律； 2、了解材料力学性能的微观机理； 3、能正确地选用材料； 4、具有研究开发新型结构材料的能力。
§0.4 教材内容及参考书
教学内容
• 第一章：金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 • 第二章：金属在其它静载荷下的力学性能 • 第三章：金属在冲击载荷下的力学性能 • 第四章：金属的断裂韧性 • 第五章：金属的疲劳 • 第六章：金属的应力腐蚀和氢脆断裂 • 第七章：金属的磨损和接触疲劳 • 第八章：金属的高温力学性能 • 第九章：聚合物子材料的力学性能 • 第十章：陶瓷材料的力学性能 • 第十一章：复合材料的力学性能
表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量
金属材料
E/105MPa
铁
2.17
铜
1.25
铝 铁及低碳钢
铸铁 低合金钢 奥氏体不锈钢
0.72 2.0 1.7~1.9 2.0~2.1 1.9~2.0
• 合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响 不大，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，外在因素的变化对它的影响也
向的。在复杂应力状态下，用广义胡克定律描述应力与应变的
关系：
1Leabharlann Baidu
1 E
[
1
( 2
3 )]
2
1 E
[
2
( 3
1)]
3
1 E
[
3
( 1
2 )]
式中 1
、 2
、 3
——主应力；
如果主应力中有压应力时，其前
方应冠以负号。求得的应变为正
、 、
1
23
——主应变。 号时表示伸长，负号则为缩短。
工程材料力学性能
课 时：48 （含 6 学时实验） 授课对象：金属材料工程专业 教 材：工程材料力学性能, 束德林，
机械工业出版社，2007.05 授课学院：机械工程学院 授课教师：王 松 林
§0 绪 言
§0.1 材料的性能与材料的力学性能 §0.2 本课程的研究内容 §0.3 学习本课程的目的 §0.4 教材内容及参考书 §0.5 本课程学习注意问题
参考书
1. 高建明 材料力学性能，武汉理工大版 2004 2. 郑修麟 材料的力学性能，西北工大版 2001 3. 匡震邦 材料的力学行为，高教版 1998 4. 冯端 金属物理学（第三卷 金属力学性能），科 学版 1999 5. 张清纯 陶瓷材料的力学性能，科学版 1987 6. 吴人洁 复合材料，天津大版 2000 7. Courtney, Thomas H. Mechanical Behavior of Materials,机工版 2004
三、弹性模量
1. 弹性模量——工程上被称为材料的刚度， 表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大， 则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。
与零件刚度相区别！ 2. 单晶体金属刚度的各向异性，多晶体金属 刚度的各向同性； 3. 本质和特性：弹性模量与原子作用力有关 （决定于原子本性和晶格类型），所以金属 材料的弹性模量对组织、温度、加载速率等 不敏感。
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§0.2 本课程的研究内容
主要研究在力或力和其它外界因素（温度、介 质和加载速率）的共同作用下材料发生变形和断 裂的本质及其基本规律 ，即：
① 力学过程的微观本质和宏观规律； ② 研究各种力学性能指标的物理技术意义以及 内在因素和外在条件对它们的影响及变化规律。
具体：
1、材料的弹性、塑性、屈服与硬化、断裂、 硬度、疲劳、蠕变 等力学性能指标的物理含义、 微观机理（结构与状态）；
（2）原因：包申格效应与金属 材料中位错运动所受的阻力变化有 关。
（3）度量：包申格效应的基本 定量指标是包申格应变，它是指在 给定应力下，正向加载与反向加载 两应力－应变曲线之间的应变差(图 1-8)。
在图1-8中，b点为拉伸应力－
应变曲线上给定的流变应力， ＝
bc即为包申格应变。
3. 包申格效应的意义（工程应用）
比较小。
四、弹性比功
弹性比功——表示金属材料吸收弹性变形功的能力，又 称弹性比功应变比能。一般用金属开始塑性变形前体积吸收 的最大弹性变形功表示。金属拉伸时的弹性比功用图1-2应 力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积表示，即
e
1 2
e
e
2 e
2E
（1-5）
式中
——弹性比功； e
e
——弹性极限；
e
需要考虑弹性后效问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜 传感件等。如选用的材料弹性后效较明显，会使仪表精 度不足甚至无法使用。
六、包申格(Bauschinger)效应
1.包申格现象
金属材料经过预先加载产生少 量塑性变形（残余应变约为1%～ 4%），卸载后再同向加载，规定 残余伸长应力（弹性极限或屈服强 度，下同）增加；反向加载规定残 余伸长应力降低（特别是弹性极限 在反向加载时几乎降低到零）的现 象，称为包申格效应。
二、胡克定律（弹性变形过程中应力与应变保持单值线性关系）
(一) 简单应力状态的胡克定律
1．单向拉伸
纵向拉伸应变：
y
y
E
（1-1）
横向收缩应变： x
z
y
y
E
2．剪切和扭转
G
（1-2）
3．E（弹性模量）、G（切变模量）的关系
G E
2(1 )
（1-3）
(二) 广义胡克定律
实际上机件的受力状态都比较复杂，应力往往是两向或三
实验发现，当突然施加一低于弹性极限的应力 0 于拉伸试验时，试样立即沿OA线（图1－5）产生瞬时 应变)Oa，它只是材料总弹性应变OH中的一部分，而应
变aH是在0 长期保持下逐渐产生的。这样就产生应变落
后于应力的现象。快速卸载时也有类似现象。 这种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。
注意：并非所有的金属材料单向静拉伸曲线均呈现以上 的变形特点，例如灰铸铁、淬火高碳钢等脆性材料。
将图1-1拉伸力-伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试 样的原始截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到应力应变曲线(图1-2)。因均系以一常数相除，故曲线形状不 变。这样的曲线称为工程应力－应变曲线。根据该曲线 便可建立金属材料在静拉伸条件下的力学性能指标。
3、影响材料力学性能的主要因素
内部因素————材质因素。 (1) 成 分：化学元素种类及含量。 (2) 组织结构：各元素原子组成的方式；
内部的缺陷、残余应力等
外部因素 ————（载荷与环境因素）：
(1) 加载速度（静、冲击、交变……）
(2) 加载方式即应力状态(拉、压、弯、扭等)
(3) 温度
(4) 环境介质
（3）.利用包申格效应，如薄板反向弯曲成型。拉拨的钢棒经过 轧辊压制变直等。
消除包申格效应的方法是:预先进行较大的塑性变形，或在第 二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火，如钢在 400～500℃以上，铜合金在250～270℃以上退火。
1.3 塑性变形
一、塑性变形方式及特点 二、屈服现象和屈服点(屈服强度) 三、影响屈服强度的因素 四、应变硬化(形变强化) 五、缩颈现象和抗拉强度 六、塑性 七、静力韧度
如果金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重 分布，则在随后反向加载时，包申格应变等于零。
用处：
（1）.包申格效应对于承受应变疲劳载荷作用的机件在应变疲劳 过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑 性变形抗力(规定残余伸长应力)降低，显示循环软化现象。
（2）.对于预先经受冷塑性变形的材料，如服役时受反向力作用， 就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子在 受压状态下使用就是这种情况。