材料力学性能01.
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材料力学性能
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
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；
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，
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
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
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
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：
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
2
32=9
Tijk 3阶张量
3
33=27
物理量示例 T1
r
T2
Ei , Pi
T3
T11 T12 T13
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：
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。
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
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。
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
Biblioteka Baidu
10
45
11363
新工艺1
2259
1897
6.2
9
14119
60Si2Mn 新工艺2
1721
1649 10.6
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
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
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；
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，
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
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
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
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：
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
2
32=9
Tijk 3阶张量
3
33=27
物理量示例 T1
r
T2
Ei , Pi
T3
T11 T12 T13
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：
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。
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传统工艺
1655
1570
7.9
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新工艺1
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40SiMnCr NiMoV
新工艺2
1892
1517
19
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传统工艺
1890
1587
8
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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
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。
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
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传统工艺
1137
930
Biblioteka Baidu
10
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新工艺1
2259
1897
6.2
9
14119
60Si2Mn 新工艺2
1721
1649 10.6
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