材料力学性能01.
材料的力学性能有哪些
材料的力学性能有哪些
1材料力学性能
材料力学性能是指材料受外力作用时产生的结构变形以及产生的变形所抵抗的力之间的相互关系。
材料力学性能决定着物体能够承受多大载荷，从而保证物体的安全和稳定性，也是应用工程材料的重要考量标准。
材料力学性能的分类：
1.1弹性性能
弹性性能是指材料受外力作用时能够承受的恢复力的大小，是衡量材料的强度的重要指标。
包括屈服强度、抗拉强度、抗压强度和断裂强度等级。
若外力作用则材料发生变形，材料结构恢复后变形越小，弹性性能越好。
1.2理论性能
理论性能是指材料在不受外力作用时产生的固有属性，一般包括形状、尺寸、密度、抗剪强度、压缩性能等。
这些性能判断材料的加工性能。
1.3定向性能
定向性能是指材料在特定方向受外力作用时，所产生的变形程度以及抵抗力的大小，一般包括抗断裂性能、抗拉伸性能、抗压缩性能以及特殊材料（如硅胶、聚氨酯）的韧性，用来测试其在特定应用场合时的表现。
1.4加工性能
加工性能是指材料加工时机械性能指标，一般包括热处理性能、热变形性能、焊接性能以及表面质量等。
1.5材料寿命性能
材料寿命性能是指材料受到温度、湿度、外力等作用时的抗老化性能，是材料用途的重要考量标准，一般包括热稳定性、导热性能、环境老化性能、化学稳定性等。
以上就是材料的力学性能的分类及指标，它们的测试可以反映出一种材料的强度、稳定性、耐久性及环境效应等状况。
选择合适的材料并使之满足应用要求，需要对材料力学性能做出合理评估。
材料力学性能课件
温度与环境因素
应变速率与加载路径
应变速率和加载路径对材料的力学响 应具有重要影响，特别是在动态加载 条件下。
温度、湿度、腐蚀等环境因素对材料 的强度和塑性也有影响。
03 材料的硬度与韧性
硬度定义与分类
硬度定义
硬度是指材料抵抗被压入或刻划的能力。它是材料表面局部区域抵抗变形或破裂 的能力。
硬度分类
塑性ห้องสมุดไป่ตู้类
根据塑性变形的性质，可分为延性、 展性、韧性等。
强度与塑性的关系
01
强度与塑性相互关联，塑性好的 材料通常强度也较高，但两者之 间并非完全正相关。
02
在一定条件下，材料的强度和塑 性可能存在此消彼长的关系。
强度与塑性的影响因素
材料成分与组织结构
材料的化学成分和微观组织结构对其 力学性能有显著影响。
冲击试验
通过冲击试样来测定材料的冲击韧性、断裂 韧性等参数，适用于评估材料的韧性和脆性 断裂行为。
D
02 材料的强度与塑性
强度定义与分类
强度定义
材料抵抗外力而不发生失效的能力。
强度分类
根据外力类型，可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
塑性定义与分类
塑性定义
材料在外力作用下发生不可逆变形的 能力。
材料力学性能的测试方法
A
拉伸试验
通过拉伸试样来测定材料的弹性模量、屈服强 度、抗拉强度等参数，是最常用的力学性能测 试方法之一。
压缩试验
通过压缩试样来测定材料的抗压强度、弹 性模量等参数，适用于脆性材料和塑性材 料的测试。
B
C
弯曲试验
通过弯曲试样来测定材料的抗弯强度、挠度 等参数，适用于评估材料的弯曲性能和稳定 性。
材料力学性能01-04
1.弹性模量：E 2.强度：p、e、s、b 3.塑性:k、k
塑性材料在拉伸时的力学性能： 对于没有明显屈 服阶段的塑性材料， 用名义屈服极限Rp0.2来 表示。
R p 0.2
o
0.2%
0
两个塑性指标: l1 l0 A 100% 断面收缩率: Z A0 A1 100% 伸长率: l0 A0
5.压缩性能试验
(MPa)
400
低碳钢压缩应 力应变曲线
E(b)
C(s上) (e) B 200 D(s下) A(p)
f1(f)
低碳钢拉伸应 力应变曲线
g
E=tg O O1 O2 0.1 0.2
b
灰铸铁的 压缩曲线
b
= 45o
剪应力引起 断裂
灰铸铁的 拉伸曲线O引起破坏的有关因素： 1) 塑性材料拉伸: 沿45°滑移线、屈服,
塑性材料和脆性材料力学性能比较:
塑性材料
延伸率
脆性材料
延伸率
δ > 5%
δ < 5%
断裂前有很大塑性变形 抗压能力与抗拉能力相近 可承受冲击载荷，适合于 锻压和冷加工
断裂前变形很小 抗压能力远大于抗拉能力 适合于做基础构件或外壳
材料力学性能
哈尔滨工业大学材料学院 朱景川
第一章 材料静载力学性能试验
表示一定应力状态下材料发生塑性变形的难易程度
3.扭转性能试验 (1)扭转试验方法：GB/T 10128-1988
试样：圆柱或圆管
扭转曲线
(2)扭转应力状态
扭转应力状态特点：
(3)扭转性能指标 T 切 力 应 ： W
切 变 应 ：
材料的力学性能
材料的力学性能
1.刚度---材料抵抗弹性变形的能力
2.强度---材料对塑性变形的抗力
1）屈服强度σs ，材料抵抗塑性变形的能力。
2）抗拉强度σb ，材料抵抗断裂的能力。
3）条件屈服强度σ0.2，有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2。
4）屈强比σs/σb，钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。
屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。
3.塑性---材料塑性变形的能力
1）延伸率δ，试样拉伸断裂后标距段的总变形ΔL与原标距长度L之比的百分数。
2）断面收缩率ψ，试样拉断时颈缩部位的截面积与原始截面积之差，与原始截面积之比的百分数。
4.硬度---材料表面上，局部体积内对塑性变形的抗力
1）布氏硬度 HB，测量有色金属、铸铁等软材料。
2）洛氏硬度 HRC，测量淬火钢等硬材料（当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量）。
3）维氏硬度 HV，测量硬质合金等高硬度材料。
6.疲劳强度 -1 ---材料承受N次应力循环而不断裂的最大应力
疲劳机理：应力集中、表面状态、内部缺陷等导致显微裂纹>裂纹扩张>零件有效截面减小>
断裂。
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.7硬度
1.7 硬度 硬度——用来衡量材料软硬程度的性能指标。 测试硬度的方法有多种，相应的也有多种硬
度指标。
第1章材料力学性能
1.布氏硬度 HB
1）试验原理
以压力F 将直径为D的 球形压头压入材料表面， 形成直径为d的压痕，以 压痕单位面积上承受的压 力大小来衡量材料的硬度。
L1L0 10% 0
L0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
2. 断面收缩率Ψ 断面收缩率是试样被拉断后，颈缩处的横截面积
收缩量（S0-S1）与原始横截面积S0之百分比：
S0 S1 100%
S0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
材料的δ、Ψ值越大，表明其塑性越好。 材料的塑性在工程上的实用意义： 1）塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好 的材料才可以进行变形加工。 2）塑性好的材料，不易脆断，应用时安全性比 较好。
能力。 衡量刚度大小的指标是弹性模量E。在拉伸曲线
上，E体现为oe 段的斜率。
第1章材料力学性能
铁 214000
材料的力学性能——1.5刚度
常用材料的弹性模量E/MPa
镍 210000
钛 118010
铝 72000
铜 132400
镁 45000
在一定的载荷作用下，弹性模量（E）大的材料 发生的弹性变形比较小。
1. 屈服强度σs ——材料受静载荷作用时，抵抗塑性 变形的能力。
s
FS S0
MPa
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.4强度
如果材料所受的载荷达到或超过其屈服强度，材 料就会发生塑性变形。
在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作 载荷低于零件材料的屈服强度（σ工作<σs），否则 零件就会发生塑性变形而失效。
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在受力作用下的表现，它是材料工程中最基本也是最重要的性能。
其特征可以通过材料的塑性、弹性、韧性、疲劳强度等描述。
一、塑性塑性是指材料在外力作用下，由于内部构造结构的变形而产生的变形能力。
材料受到足够大的外力时，会发生变形，并能保持变形状态。
当外力消失时，材料也可以恢复原来的形状。
塑性可以用弹性模量来衡量，单位为常用的GPa（千兆帕）或Mpa（兆帕）。
二、弹性弹性是指材料在外力作用下，由于内部构造结构的恢复能力而产生的恢复能力。
材料受到外力时，会发生变形，但当外力消失时，材料可以完全恢复原始形状。
弹性可以用弹性模量来衡量，单位为常用的GPa（千兆帕）或Mpa（兆帕）。
三、韧性韧性是指材料在受力作用下，由于内部构造结构的自我修复能力而产生的恢复能力。
当材料受到外力时，会发生变形，但当外力消失时，材料可以恢复部分原始形状。
韧性可以用韧性模量来衡量，单位为常用的GPa （千兆帕）或Mpa（兆帕）。
四、疲劳强度疲劳强度是指材料在受力作用下，由于内部构造结构的疲劳破坏而产生的抗疲劳能力。
当材料受到外力时，会逐渐发生疲劳破坏，最终导致破坏。
疲劳强度可以用抗疲劳模量来衡量，单位为常用的GPa（千兆帕）或Mpa（兆帕）。
五、吸能量吸能量是指材料在受力作用下，由于内部构造结构的吸收能力而产生的吸收能力。
当材料受到外力时，会吸收一定的能量，这就是材料的吸能量。
吸能量可以用吸能量模量来衡量，单位为J/m3。
材料力学性能是材料性能的基础，它可以直接反映出材料的物理性质，并且可以用来衡量材料的强度、硬度等性能。
正确理解材料力学性能，可以为材料工程应用提供重要参考。
材料的力学性能
材料的力学性能材料的力学性能是指材料在外力作用下的力学行为和性能表现。
力学性能是材料工程中非常重要的一个指标，它直接关系到材料的使用寿命、安全性和可靠性。
材料的力学性能主要包括强度、韧性、硬度、塑性、蠕变等指标。
首先，强度是材料抵抗外力破坏的能力。
常见的强度指标包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
抗拉强度是材料在拉伸状态下抵抗断裂的能力，抗压强度是材料在受压状态下抵抗破坏的能力，抗弯强度是材料在受弯曲状态下抵抗破坏的能力。
强度指标直接反映了材料的抗破坏能力，是衡量材料力学性能的重要参数。
其次，韧性是材料抵抗断裂的能力。
韧性是指材料在受外力作用下能够吸收大量的变形能量而不断裂的能力。
韧性好的材料具有良好的抗冲击性能和抗疲劳性能，能够在外力作用下保持良好的形状和结构完整性。
再次，硬度是材料抵抗划痕和穿刺的能力。
硬度是材料抵抗外界硬物划破或穿透的能力，是材料抵抗局部破坏的重要指标。
硬度高的材料通常具有较好的耐磨性和耐磨损性能，能够在恶劣环境下保持较长时间的使用寿命。
此外，塑性是材料在受力作用下发生形变的能力。
塑性好的材料能够在外力作用下产生较大的变形，具有良好的加工性能和成形性能。
材料的塑性直接影响到材料的加工工艺和成型工艺，是材料加工和成形的重要指标。
最后，蠕变是材料在长期受力作用下发生变形和破坏的现象。
蠕变是材料在高温、高压、长期受力作用下产生的一种渐进性变形和破坏，是材料在高温高应力环境下的重要性能指标。
综上所述，材料的力学性能是衡量材料质量和可靠性的重要指标，强度、韧性、硬度、塑性和蠕变是材料力学性能的重要方面。
在材料设计、选材和工程应用中，需要充分考虑材料的力学性能，选择合适的材料以满足工程需求。
同时，通过合理的材料处理和改性，可以改善材料的力学性能，提高材料的使用寿命和安全可靠性。
材料的力学性能强度、塑性
F
F
二、拉伸试验
0
拉伸试验是在静拉力的作用下，
1
对试样进行轴向拉伸，直至将试
样拉断，通过测量拉伸中力和试
样长之间的关系来判断材料的
性能。
0 2
实验仪器
0 3
万能材料试验机
2.拉伸原理
拉伸标准试样
标准试样直径为d，标 距长度为L。
标距L和直径d之间有 两种关系：L=5d或者 L=10d。
力-伸长曲线分析 力-伸长曲线 屈服 冷变形强化 颈缩 断裂
材料的力学性能指标：
强度、塑性、韧性、硬度、疲劳等。
一、强度和塑性
1. 强度：材料或构件在一定载荷下抵抗永久变形和断裂的能 力称为强度。（强度是材料整体抵抗变形和断裂的能力）
2. 弹性：物体受外力作用变形后，除去作用力时能恢复原来形 状的性质。
3. 塑性：在某种给定载荷下,材料产生永久变形的特性。一但 发生塑性形变则无法恢复。
202X
材料的力学性能
度
、
塑
性
202X
材料的力学性能:
材料在不同环境中，承受载荷（静载荷、动载荷、交变载荷）时 表现出的性能， 主要为变形、破坏。
研究材料的力学性能的目的：
确定材料在变形和破坏情况下的一些重要性能指标；作为选择、设计、制造机 械零件或工具的主要依据，也是评判材料质量好坏的重要判据。
2.拉伸试验中的强度指标
1)屈服强度：屈服现象是指试样在试样过程中，外载荷不变的情况下依然 继续变形。
σs=Fs/S0 其中：Fs是试样屈服时承受的拉伸力（N）；S0是试样原始横截面积（m2 ）。
2)规定残余伸长应力：很多材料没有明显的屈服现象。规定残余伸长应力 是指试样卸载拉伸力后，标距部分的伸长量达到规定的原始标距长度百分比 时产生的拉力与试样横截面比值。
材料力学性能 (2)
材料力学性能
材料力学性能是指材料在受力作用下的力学性能，包括以下几个方面：
1. 强度：材料的强度是指其抵抗外部力量破坏的能力。
常用的强度指标有抗拉强度、抗压强度、抗剪切强度等。
2. 韧性：材料的韧性是指其能够吸收外部作用力而发生塑性变形的能力。
韧性高的材料具有较大的塑性变形能力，可以在受到强力作用时不容易断裂。
3. 脆性：脆性是指材料在受力作用下发生断裂的倾向。
脆性材料在受到一定力量作用时容易发生断裂。
4. 硬度：材料的硬度是指其抵抗局部变形的能力。
硬度高的材料表面不容易发生划痕或凹陷。
5. 可塑性：可塑性是指材料在受力作用下发生塑性变形的能力。
材料的可塑性越高，其变形能力越大。
6. 弹性：弹性是指材料在受力作用下发生弹性变形的能力。
弹性材料在受力后能够恢复原状。
以上是材料力学性能的一些常见指标，不同材料具有不同
的力学性能特点。
材料的力学性能是衡量其适用性和使用
寿命的关键因素。
材料的力学性能和弹性模量
材料的力学性能和弹性模量材料的力学性能和弹性模量是材料科学中非常重要的参数，它们与材料的力学行为和性能密切相关。
本文将对材料的力学性能和弹性模量进行详细介绍和分析。
一、力学性能1. 强度：材料的强度是指材料在受力情况下能够承受的最大应力。
强度高的材料具有较高的抗拉、抗压等能力，常用来制造承重结构或需要抗外力作用的零部件。
2. 韧性：材料的韧性是指材料在受力情况下能够吸收能量的能力。
韧性高的材料能够在受到冲击或弯曲时发生塑性变形而不易断裂，常用于制造需要抗冲击或吸能的零部件。
3. 延展性：材料的延展性是指材料在受力情况下能够发生塑性变形的能力，即能够被拉长或压扁。
延展性高的材料具有较好的可加工性和适应性，常用于制造需要复杂形状或变形的零部件。
4. 脆性：材料的脆性是指材料在受力情况下发生断裂的倾向。
脆性高的材料容易发生断裂，常用于制造需要刚性和脆性的结构或零部件。
二、弹性模量弹性模量是材料在弹性阶段的应力和应变之间的比例关系。
常用的弹性模量包括杨氏模量、剪切模量和泊松比。
1. 杨氏模量：杨氏模量是指材料在拉伸或压缩过程中单位面积的应力与应变之间的比值。
杨氏模量越大，材料的刚度越高，即抵抗外力变形的能力越强。
2. 剪切模量：剪切模量是指材料在剪切过程中单位面积的剪应力与剪应变之间的比值。
剪切模量描述了材料在剪切应力作用下的变形特性。
3. 泊松比：泊松比是指材料在受力方向上的拉伸或压缩与垂直方向上的应力变形之间的比值。
泊松比描述了材料在受力作用下的变形特性，对材料的破坏和失效具有重要的影响。
三、材料选择和应用材料的力学性能和弹性模量是根据具体应用需求进行选择的。
不同的材料在力学性能和弹性模量上具有各自的优势和适用范围。
1. 金属材料：金属材料具有优异的强度和韧性，常用于制造机械零件、建筑结构和汽车零件等需要抗拉、抗压和抗冲击能力的领域。
2. 高分子材料：高分子材料具有良好的延展性和可加工性，常用于制造塑料制品、橡胶制品和纤维材料等需要复杂形状和变形能力的领域。
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在受力作用下所表现出来的性能，包括强度、刚度、韧性等指标。
材料力学性能的好坏直接影响到材料在工程应用中的可靠性和安全性。
本文将介绍材料力学性能的相关概念和测试方法，并分析其对材料应用的影响。
一、强度强度是指材料抵抗外力破坏的能力。
常见的强度指标包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
抗拉强度是指材料在拉伸力作用下，抗拉破坏的能力。
抗压强度是指材料在受压力作用下，抗压破坏的能力。
抗弯强度是指材料在受弯力作用下，抗弯曲破坏的能力。
强度的测试方法主要包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等。
材料的强度往往与其成分、结构和加工工艺有关。
例如，金属材料中添加合适的合金元素，可以提高其强度；陶瓷材料中控制晶粒尺寸和界面结合情况，可以提高其抗压强度；纤维增强复合材料中，纤维的分布和取向对抗弯强度有重要影响。
在工程设计中，需要根据具体应用情况选择合适的材料强度指标，并保证其符合设计要求，以确保结构的稳定性和安全性。
二、刚度刚度是指材料抵抗形变的能力，也可以理解为材料对外力作用下的变形程度。
常见的刚度指标包括弹性模量、切变模量等。
弹性模量是指材料在弹性变形范围内，单位应力下的应变，反映了材料的抗弹性变形能力。
刚度的测试方法主要包括拉伸试验、扭转试验等。
材料的刚度与其物理性质和结构密切相关。
高弹性模量的材料具有较高的刚度，其在受力下变形较小；而低弹性模量的材料具有较低的刚度，其在受力下变形较大。
在工程设计中，需要根据结构的刚度要求选择合适的材料，以确保结构的稳定性和正常运行。
三、韧性韧性是指材料抵抗断裂的能力，反映了材料在受力下的变形能力和吸能能力。
常见的韧性指标包括断裂韧性、冲击韧性等。
断裂韧性是指材料在断裂前所能吸收的能量。
冲击韧性是指材料在受冲击载荷下，能够抵抗破坏的能力。
韧性的测试方法主要包括冲击试验、拉伸试验等。
材料的韧性与其断裂机制和微观结构有关。
例如，金属材料中的晶界和位错可以有效地阻止裂纹扩展，提高韧性；聚合物材料中的交联结构和链段运动可以吸收能量，提高韧性。
材料力学性能名词解释
1.刚度：指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。
工程商，弹性模量被称为材料的刚度。
2.形变强化：随着塑性变形量的增加，金属流变强度也增加，这种现象称为形变强化或加工硬化。
3.弹性极限：材料有弹性形变过渡到弹-塑性变形时的应力。
4.滞弹性：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。
5.包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变为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）增加；反向加载，规定残余伸长应为降低（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到0）的现象。
6.弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。
这种可恢复的变形称为弹性变形。
7.弹性比功：表示单位体积金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比应变能。
8.抗拉强度：韧性金属式样拉断过程中最大力所对应的应力，称为抗拉强度。
9.韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
10.脆性断裂：是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆。
11.磨损：机件表面相接触并做相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，造成表面损伤的现象。
12.冲击韧性：在冲击载荷作用下，金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
13.应力腐蚀开裂：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。
14.等温强度：晶粒强度与晶界强度相等的温度。
15.缺口效应：绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为“缺口”，由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的缺口效应。
16.腐蚀疲劳：化工设备中许多金属材料构件都工作在腐蚀的环境中，同时还承受着交变载荷的作用。
材料力学性能重点总结
材料力学性能重点总结1.强度：材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。
常用于评估材料抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
强度与材料内部结构关系紧密，常用措施是通过原子间结合力和晶粒结构的稳定性提高强度。
2.韧性：材料的韧性是指承受冲击负载时材料能够发生塑性变形而不发生断裂的能力。
韧性与材料断裂韧度有关，断裂韧度越高，材料的韧性越好。
韧性的提高可以通过增加材料的塑性变形能力来实现，例如降低材料的晶界和相界的应力集中。
3.硬度：材料的硬度是指材料抵抗外部划痕或压痕的能力。
硬度可以用于评价材料的耐磨性和抗划伤性能。
通常，硬度较高的材料具有较好的耐磨性和较高的抗划伤能力。
硬度可以通过提高材料的晶粒尺寸和强化材料的位错密度来改善。
4.塑性：材料的塑性是指材料在受力后能够发生可逆性的非弹性形变的能力。
塑性变形是材料在受力过程中重要的变形方式，可以提高材料的韧性和变形能力。
材料的塑性与材料的熔点、晶粒尺寸和晶粒形态等因素有关。
5.疲劳寿命：材料的疲劳寿命是指材料在循环加载下能够承受的应力循环次数。
疲劳寿命是材料设计和选择的重要指标，特别是在机械和航空领域中。
疲劳寿命与材料中的微观缺陷、动态应力等因素密切相关。
6.脆性：材料的脆性是指材料在受力时容易发生断裂的性质。
脆性材料在受力作用下会发生紧急的破坏，通常不会发生明显的可逆塑性变形。
与韧性材料相比，脆性材料更容易发生断裂。
材料的脆性取决于材料中的缺陷结构和应力分布。
总的来说，材料力学性能是评价材料质量的重要指标。
强度、韧性、硬度、塑性、疲劳寿命和脆性是材料力学性能的关键指标。
合理设计和选择材料可以改善材料力学性能，提高材料的耐久性和可靠性。
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哈尔滨工业大学材料学院 朱景川
一、课程内涵与意义
材料科学与工程的四要素
成分/组织结构
制备合成/加工工艺
材料性能 使用性能
1 基本概念 ——组织与结构
晶粒形貌
Al-Si合金
纯铝锭组织
高分辩电镜观察硅晶体原子排列
注意：结构的尺度！
不同尺度的材料组织结构
一、课程内涵与意义
1 基本概念 —— 理论力学
力
物体
力学 响应
力的平衡 运动
平动
转动
质点系
刚体
一、课程内涵与意义
1 基本概念 —— 材料力学
力
物体
力学 响应
变形 断裂
变形体 应力-应变
(连续介质)
关系
一、课程内涵与意义
1 基本概念 —— 材料力学性能
力
材料
力学 响应
变形 断裂
非连续 介质
应力 应变 关系
微观 过程或
机制
一、课程内涵与意义
1 基本概念 —— 应力与应变
1986年1月28日：第二架航天飞机 “挑战者”号发射升空中爆炸失 事
2003年2月1日： “哥伦比亚”号 航天飞机降落时爆炸解体
二、教学目的
(1)熟悉材料在各种应力状态和不同环境 因素下的变形断裂行为及其微观机制；
(2)掌握各种力学性能指标的物理本质、 测试方法与应用，并进一步理解材料力学 性能与微观组织结构之间的相互关系；
压电极化强度 Pi=dijksjk ③各向异性介质中如果两个二阶张量存在线性关系，其比 例系数为四阶张量。
sij=cijklkl
一、课程内涵与意义
1 基本概念 —— 力学行为
不同材料的应力-应变关系
材料基本力学行为：弹性变形、塑性变形、断裂
一、课程内涵与意义
1 基本概念 —— 力学性能指标
力学行为变化 临界点
(3)了解正确评价与改善材料力学性能的 方法与途径。
三、先修课程
(1)材料力学： 应力应变状态、弹性变形与本构关系、 强度理论等。 (2)材料科学基础： 晶体学、晶体缺陷、位错理论、变形与 再结晶等。
四、教学内容及要求
材料 力学 性能
力学行 为与物 理本质
基本力学行为(简单加载)：弹性变形、塑性变形、断裂 与环境相关的力学行为：疲劳、蠕变、磨损、应力腐蚀等
物理量的种类及其张量表示
T (bold) or Tijkl （下标——阶数）
张量符号
T Scalar
Ti Vector
阶数m 0(标量) 1(矢量)
分量数 3m 30=1 31=3
Tij 2阶张量量
3
33=27
物理量示例 T1
r
T2
Ei , Pi
T3
T11 T12 T13
数学描述
任意给定一组基后，可以用坐标描述截面位置（方向余弦 列向量）及截面应力（应力分量列向量）。在这组基下， 存在一个线性变换，将截面位置映射到截面应力。
同一点的应力张量是相似矩阵，并且可以对角化。
应力张量代表一个线性变换！
张量与材料物理性质
①各向异性介质中两个相互作用的矢量之间的线性比例系 数为二阶张量，如介电常数、电导率、热导率等； ②各向异性介质中如果一个矢量与一个二阶张量存在线性 关系，其比例系数为三阶张量,如压电系数：
力学性能指标 与应用
强度：变形抗力 韧性：断裂抗力
弹性： 塑性：
变形能力
强度设计、刚度设计、断裂设计、寿命评估、失效判据等
五、教学与学习方法
(1)理论与实验相结合：
宏观强度 理论
应力 状态
微观强度 理论
材料构件
断裂力学 理论
力学 响应
变形行为 变形判据
微观机制
断裂行为 断裂判据
(2)宏观与微观相结合：
sij T21 T22 T23
T31 T32 T33
dijk
Tijkl 4阶张量 4
34=81
Cijkl
应力张量（Tensor）
sxx xy xz sij = yx syy yx
zx zy szz
法向应力s导致材料的伸长或缩短 切向应力引起材料的切向畸变
根据剪切应力互等的原理可知：xy=yx，
材料与状态
sb（MPa） ss（MPa） （%） （%） sb(MPa%)
新工艺1
2059
1804
9.6
27
20022
30CrMnSi 新工艺2
1736
1707
12.4
39
21521
传统工艺
1137
930
10
45
11363
新工艺1
2259
1897
6.2
9
14119
60Si2Mn 新工艺2
1721
1649 10.6
纯钛多晶体拉伸变形过程晶体塑性有限元模拟
(3)静态与动态相结合：
准静载
动载
材料构件
力学响应
准静载 力学行为
动载 力学行为
注意力学行为的发展、演化、历程！
(4)教学与科研相结合：
例1：静力韧度与材料的强韧性配合
A:高强度、低塑性、低韧性 B:低强度、高塑性、低韧性 C:中强度、中塑性、高韧性
低合金超高强度钢不同热处理状态的强韧性配合
31
18360
传统工艺
1655
1570
7.9
—
13075
新工艺1
2394
1950
7.2
25
40SiMnCr NiMoV
新工艺2
1892
1517
19
22
传统工艺
1890
1587
8
20
17237 35494 15687
30CrMnSi Ni2A
新工艺1 新工艺2 传统工艺
1948 1644 1520
1773 12.2 43.0
一、课程内涵与意义
1 基本概念 —— 材料与构件的失效
力
材料
力学 响应
变形 断裂
失效
非连续 介质
失效判据
零件失效形式
2.材料力学性能的重要性
沉淀硬化不锈钢锻件 存放过程中开裂
沉淀硬化不锈钢锻件 存放过程中开裂
(参见“应力腐蚀”动画)
美航天飞机的失事与新一代空天飞机计划
1981年4月12日：第一架航天飞机 “哥伦比亚”号首发成功
某点的应力状态由6个应力分量来决定
应变张量
xx ij = yx
zx
xy xz yy yx zy zz
其中xy=yx，应变也由6个独立分量决定
受力体一点的应力状态 主平面与主应力状态：s1>s2>s3
应力张量的本质 力学描述
用任意相互垂直的三个平面截取P点，以截面法向为正方 向建立笛卡尔坐标系，得到三个截面上的应力分布的组合 ——应力张量。以此为基础，可以求得这个坐标系下任意 其他截面上的应力分布。
1546 17.4 42.8
1268
8.2
—
23766 28626 12464
例2：多晶体塑性变形行为
多晶体塑性变形机制：位错晶界塞积应力集中促使相邻晶粒 位错开动，塑性变形得以传播。
例：双相多晶钛合金微观塑性变形机制之一 晶粒取向变化
试样II：拉伸变形4.2%
晶体取向：部分晶体取向发生演化。