材料的拉伸性能

1.2 拉伸试验
材料的单 向静拉 伸试验通常是在室温、 大气环境下按常规的 试验标准，采用光滑 圆柱试样沿轴向缓慢 施加单向拉伸载荷， 使其伸长变形直到断 裂．试验方法和试样 尺寸在试验标准中有 明确规定。
WDW-200电子万能试验机
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静拉伸试样： 一般为光滑圆柱或者板状试样。试样工 作长度一般l0=5d0 或者l0=10d0. d0 为试样原 始直径。
力学性能
第三章 材料的断裂（4学时）
断裂：固体材料在力的作用下变形，超过其 塑性极限而呈现完全分开的状态称为断裂．
力学性能
第四章 材料的疲劳性能（4学时）
材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损 伤而引起的断裂现象，称为疲劳。
第五章 材料的磨损性能（4学时）
当两个工件相对运动(滑动、滚动)时,就产生 磨擦—磨损, 因磨损而降低机器效率、精度、甚至 失效事故。
橡胶：天然橡胶 合成橡胶 纤维：聚酰铵纤维 聚胺纤维 聚氯乙烯纤维
材料的分类
热塑性塑料：尼龙 热固性塑料：树脂
按材料成分：
聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯 …… 聚氨酯 …… 合成橡胶
2. 高分子材料：有机聚合物。
弹性材料：天然橡胶
材料的分类
按材料成分：
3. 陶瓷材料：一种或多种金属氧化物或其他化合物。 广义陶瓷(特种陶瓷)：金属与氧、碳、氮、硅等化 合物
齿 轮
轴 承
刀 具
材料的性能
第六章 材料的热学性能（4学时）
材料在使用过程中，将对环境温度作出响 应，表现出不同的热学性能，包括热容、热膨 胀、热传导、热稳定性等。
膨胀蛭石板材
膨胀珍珠岩板材
岩Hale Waihona Puke Baidu管
玻璃棉
矿物棉保温制品
材料的性能
第七章 材料的电学性能（6学时）
材料的电学性能是材料性能的重要组成部分。电子 技术﹑传感技术﹑自动控制﹑信息传输等许多新兴领域 的发展，对材料在电学性能方面提出了新的要求。
脆性材料的应力应变曲线
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拉伸曲线种类——塑性材料
(1) 最常见的金属材料应力-应变曲线（高塑性）： 由弹性变形直接过渡到塑性变形，塑性变形 时没有锯齿状屈服平台，如图（a）。 典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。
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拉伸曲线种类——塑性材料
(2) 具有明显屈服点的应力-应变曲线（高塑性）： 曲线有明显的屈服点aa’，屈服点呈屈服平台 或呈齿状，图（b）。 典型材料：退火低碳钢和某些有色金属。
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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）: 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： 锯齿状塑性变形，图（d） 41 某些低溶质固溶体铝合金及含杂质铁合金
拉伸曲线种类——高分子材料
〔注意〕: b
弹性变形阶段，由于试棒的伸长和截面收缩 都很小，真实屈服应力和工程屈服应力在数值 上非常接近 真实断裂强度Sk大于工程断裂强度σk 工程应用中金属材料的变形主要局限于弹性 变形，且工程应力应变容易测量，故一般采用 工程应力、工程应变作为依据。在金属材料的 塑性加工研究中，真应力与真应变将具有重要 意义．
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真实应变e 工程应变ε
0.01 0.01
0.10
0.20
0.50 0.65
1.0 1.72
4.0 53.6
0.105 0.22
真应变总是小于工程应变，且变形量越大，两者差距越大！
实际上真实断裂强 度是大于工程断裂 强度的 载荷达到最大后，试样发生颈 缩，使得断裂应力反而比抗拉 强度低。
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真应力－真应变曲线（S－e曲线）
能数据都必须是由试验测试得到的。

性能测试试验对所采用的试样﹑试验仪器﹑试验步
骤﹑试验结果处理等均应典型化﹑规范化。
第二节 材料的分类
按材料用途（性能）
工程材料：主要利用其力学性能制作结构件。
建筑材料 结构材料 工具材料
功能材料：主要利用其物理、化学性能或效 应制作具有特定功效的器件。
半导体材料 热电材料 磁性材料 光电材料 激光材料 声电材料
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1.3 单向静拉伸基本力学性能指标
一. 金属与陶瓷材料的弹性变形机理
双原子模型
晶格中的离子在平衡位置
做微小的热振动
引力：正离子和自由电子
间的库伦力
斥力：离子间因电子壳层 应变产生
离子间相互作用力
当F外>Fmax时，材料发生断裂 实际材料的弹性变形相当于起始 阶段，胡克定律近似正确
离子间相互作用力及势能与 离子间弹性位移的关系图
B
不均匀变形（颈缩阶段）
K
均匀塑性变形 微塑性变形 s e P 屈服现象
断裂阶段：试样在K点发生断裂。 因此，在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、塑性变 形及断裂三个基本阶段。 37
拉伸曲线种类——脆性材料
曲线特征：拉伸断裂 前，只发生弹性变形， 无塑性变形，在最高 载荷点处断裂。 典型材料：玻璃、多 种陶瓷、岩石、低温 下的金属材料
总评成绩=平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%）
1.1 引言
第一节 材料的性能
材料的性能是指材料的性质和功能。
性质是本身所具有的特质或本性；功能是 人们对材料的某种期待与要求可以承担功效， 以及承担该功效下的表现或能力。
1. 材料性能研究的意义
终极目标
应用
性能达到要求
经济性
2. 材料性能的划分
L L0 应变：
△L——试样长度方向上的伸长量 L0——试样原始标距长度
应力－应变曲线（工程应力－应变曲线）
工程应力一应变曲线对材料在工程中的应用是非常重要的， 根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的基本力学性能指标， 可提供给工程设计或选材应用时参考。
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塑性变形
e s
B
K
P
弹性变形
如何确定残余变形量多少？ 如在B点卸载，一部分弹性变形会恢复，剩下不会恢复 的则为残余变形量。从卸载点出发沿平行于弹性变形阶段 的方向画线（如图中虚线部分），则与x轴相交点所表示 的应变量即为残余变形量。 36 在K点卸载？
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真应力－真应变曲线（S－e曲线）

工程应力与真应力之间的关系是 A0 V / l0 P l S (1 ) A A V /l l0
真应力总是大于工程应力！


工程应变与真应变之间的关系
l0 l l e ln ln( ) ln(1 ) l0 l0
对于高分子聚合物材料，由于其在结构 c d a b 上的力学状态差异及对温度的敏感性，力－ c 伸长曲线可有多种形式．不同的材料或同一 a 材料在不同条件下可有不同形式的力一伸长 曲线．这主要是由材料的键合方式、化学成 分和组织状态等因素决定的． b a o
a 硬而脆 d 低塑性
b 高弹性低塑性 e 软而弱
c 较高塑性
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真应力－真应变曲线（S－e曲线）


实际上，在拉伸过程中，试棒的截面积和长度随着拉伸 力的增大是不断变化的，工程应力一应变曲线并不能反 映试验过程中的真实情况 ——真应力-应变曲线 如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力F，则可得到瞬时 的真应力S F
S
A

同样，当拉伸力F有一增量dF时，试样在瞬时长度 L的 基础上变为L＋dL，于是应变的微分增量应是 de＝dL／ L，则试棒自 L0伸长至L后， e L dL 总的应变量为 ： L e de ln 0 L) L L0
金属和陶瓷材料弹性变形的本质——构成材料的原 子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移
1、弹性模量
• 大部分金属在弹性变形阶段表现为主应力 ζ 与正应变ε 成正比
E ——胡克定律
E——弹性模量，又称杨氏模量 • 几何意义：弹性变形阶段的斜率 • 物理意义：产生100%弹性变形所需要的应力，单 位与应力单位相同
原子结构
电子结构和化 学键性质
内因
凝聚态结构 组织结构 温度 介质气氛
晶体或非晶体，晶 体点缺陷或线缺陷 多晶体晶界、 多相材料相 界、形态、 大小、分布、 组织缺陷和 裂纹
外因 载荷形式
试样尺寸和形状
5. 材料性能的测试

对材料性能的研究建立在实验的基础上，而所有在
产品设计或材料选择的实践活动中，所需参考的性
教材选择
21世纪全国高等院校材料类创 新型应用人才培养规划教材 专业面拓宽，成为适应新形势 需要的综合性教材 该教材的编排更加生动活泼， 体现时代性和新颖性
参考教材: 【1】张帆编著，材料性能学，上海交通大学出版社，2009
【2】王从曾编著，材料性能学，北京工业大学出版社，2007
课程考核与成绩评定
材料的分类
按材料成分：
1. 金属材料：纯金属及其合金。合金是由两种或两 种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组 成具有金属性的材料。金属性的关键特征是具有 正的电阻温度系数，这是由于它的导电是自由电 子的运动所决定的。 钢 钢铁材料(黑色金属) 铸铁
非铁金属材料(有色金属)
轻金属 Al Mg Ca Na … 贵金属 Ag Au Pb Rb Ir 稀土金属 Re(Y Nd …) 重金属 Cu Ni Pb Sn Zn … 稀有金属 Zr Ti Nb … 放射性金属 Ra U Th …
力学性能 热学性能 物理性能
磁学性能
电学性能 光学性能
材料的性能
力学性能
材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温 度、介质等)时，在外力或能量作用下表现出来的变 形和破坏的特征。 材料的主要力学性能有：
• 材料的拉伸
• 材料在其它静载下的力学性能
• 材料的疲劳性能
• 材料的磨损性能
• 材料的断裂
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载荷传 感器 位移传 感器
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Δ L的 关系曲线，直至试样断 裂．如图1－1所示。
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P 应力： 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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弹性模量
在工程上，弹性模量表 征材料对弹性变形的抗 力，即材料的刚度。 其值越大，表示在相同 的应力作用下，材料的 弹性变形量越小，使机 械零件和工程构建不易 发生塑性变形.

金属材料在常温下的弹性模量
E
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弹性模量
构件刚度定义：
激光晶体
LED
液晶显示屏
包括吸收﹑反射﹑折射﹑透射﹑漫反射﹑偏振
3.决定材料性能的实质

构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料 的元素种类以及各自占有的比例。
材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元 素自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工 过程有密切的关系。

4. 材料性能的影响因素
材料的分类
Periodic table of the elements with those elements that are inherently metallic in nature in color.
材料的分类
按材料成分：
2. 高分子材料：有机聚合物。
塑料：聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯 ……
力学性能
第一章 材料的拉伸性能（6学时）
•弹性变形—受力作用后产生变形，卸除载荷后，变形消失 •塑性变形--卸除载荷后，试样会保留一部分残余变形
•断裂
第二章 材料在其他静载下的力学性能 （4学时）

机器零件或建筑结构实际上往往承受不同形式和大小的外力， 其内部的应力状态一般也是十分复杂的，仅采用单向静拉伸那 样的力学性能试验，并不能完全反映材料在不同应力状态下所 表现的弹性变形、塑性变形以及断裂行为等性能特点． 扭转 压缩 剪切 弯曲
石 墨 炸 弹
材料的性能
第八章 材料的磁学性能（4学时）
磁性是物质的一种重要的属性。从微观粒子到 宏观物体，到宇宙天体，无不具有某种程度的磁性 。 磁悬浮列车 指南车
电磁炉
隐身飞机
材料的性能
第九章 材料的光学性能(4学时)
光学材料被人们广为利用，与材料的光学性能有关。 材料对可见光的不同吸收和反射性能使我们周围的世界 呈现五光十色。
材料的分类
按材料成分：
材料的分类
按材料成分：
4. 复合材料：两种或两种以上性质不同的材料组合 起来的一种固体材料。
第三节 学习目的


掌握一些性能的基本概念及影响各种物性的因素
熟悉其测试方法及其分析方法

初步具备有合理选择物性分析方法，设计其实验方
案的能力
开课前调查
1.
2.
3.
4.
你是否打算考研？是本专业方向还是其它 专业方向？ 到目前为止，你对大学所学的课程哪门最 感兴趣? 你喜欢所学的专业？喜欢哪种授课方式？ 你希望通过本课程的学习在哪方面有所提 高？