材料力学性能材料科学基础
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一、 材料的力学性能
材料的力学性能是指在外加载荷(外力)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和 加载速率）联合作用下所表现的行为。 强度、硬度、塑性、韧性等都属于材料的力学性能。 材料的力学性能决定于材料的化学成分、组织结构、冶金质量等内在因素，但 外在因素，如载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）、应力状态（拉、压、 弯曲、剪切、扭转等）、温度、环境介质等对材料的力学性能也有很大影响。 例如低碳钢试样在静拉伸载荷和交变载荷作用下的不同力学行为。
• 塑性：断裂前材料发生塑性变形的能力。 • 衡量材料塑性的指标有延伸率（δ）和断面收缩率（ ψ ）。 • δ=ΔL/L0=[(L-L0)/L0]×100% （是塑性“伸长”的度量） • 式中L0为试样原始标距长度；L为试样断裂后标距的长度。 • ψ=ΔAf/A0=[(A0-Af)/A0] ×100% （是塑性“收缩”的度量） • 式中A0为试样原始截面积；Af为试样断裂处的截面积。
（2）弹性行为 • 弹性变形的特点是当载荷卸除后，试样的尺寸形状完全回复到原始状态。 • 根据材料的不同，其变形行为可分为三类：线弹性、非线弹性以及滞弹性。
理想的线弹性行为，应力 和应变之间满足虎克定律。 斜率即弹性模量E。曲线 下的阴影面积为单位体积 试样在弹性变形过程中所 吸收的弹性功。卸载时沿 直线可逆回到原点。
3. 强度与塑性
•Байду номын сангаас（1）强度
• 强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。工程上衡量材料强度的指标有： 弹性极限ζ e：材料发生弹性变形的最大应力，高于此值，材料开始发生塑性 变形。弹性极限虽然有明确的物理意义，但实际却难以精确测定，工程上定 义发生0.01％残留塑性变形时的应力值为条件弹性极限，表示为ζ 0.01。 屈服强度ζ s：在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为 屈服，材料开始屈服时所对应的应力为屈服应力（或称屈服强度）。屈服强 度表征材料发生明显塑性变形时的抗力。 抗拉强度ζ b：材料开始发生“颈缩”（试样的直径发生局部收缩）的应力， 相当于应力-应变曲线的极大值，也是作用力达到最大值时得到的应力，对于 不发生颈缩的材料，就相当于断裂时的应力。 断裂强度ζ f：试样发生断裂的应力值。对于不发生颈缩的材料，ζ f与ζ b相 等。
• 材料的延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。 塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不被破坏，这样当受力 过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，比较安 全。
三、硬度
• 硬度是材料表面局部抵抗变形的能力。硬度实验方法最常 用的有布氏实验法、洛氏实验法和维氏实验法。 布氏硬度：以淬火钢球为压头，硬度值等于载荷值除以压 痕的总面积。在试验中用刻度放大镜测出压痕直径，然后 对照有关附录查出相应的布氏硬度值。 洛氏硬度：依据压痕的深度而不是压痕的直径。以锥角为 1200的金刚石圆锥作为压头，加载卸载后压头压入材料表 面的深度，经过转换为洛氏硬度值。 维氏硬度：以锥角为1360的金刚石棱锥体为压头，其值等 于载荷值除以压痕的总面积。在实际测定时，只要量出压 痕的对角线长度，就可查表得到它们的硬度值。
二、 强度与塑性
• 1. 应力-应变曲线 拉伸试验：将圆柱形或板状光滑试样装夹在拉伸试验 机上，沿试样轴向以一定速度施加载荷，使其发生拉 伸变形直至断裂。 拉伸曲线：通过力与位移传感器可获得载荷（P）与 试样伸长量（△L）之间的关系曲线，称为拉伸曲线 或P- △L曲线。 应力：ζ=P/A0, A0为试样原始截面积 应变：ε=ΔL/L0，L0为试样标距 应力-应变曲线：纵坐标以ζ，横坐标以ε表示，则这 时的曲线与试样的尺寸无关。 通过拉伸试验可揭示材料在静载荷作用下的力学行为， 即弹性变形、塑性变形、断裂三个基本过程，还可确 定材料的最基本的力学性能指标－强度与塑性。
布氏硬度的优点是具有 较高的测量精度，因其 压痕面积大，比较真实 地反映出材料的平均性 能，但不能测定高硬度 材料。
维氏硬度法由于所加压力 小，压入深度较浅，故可 测定较薄材料和各种表面 渗层，且准确度高。但试 验时需要测量压痕对角线 的长度，测试手续较繁， 不如洛氏硬度法简单。
洛氏硬度试验的优点是 操作迅速、简便，可由 表盘直接读出硬度值， 由于其压痕小，可测量 较薄工件的硬度，其缺 点是精度较差，硬度值 波动较大。
非线性弹性行为，如橡胶 之类的变形能力极好的弹 性材料。其应力－应变行 为完全偏离了线性关系， 但仍然保持弹性的基本性 质，卸载时仍沿同样的途 径退回到原点。
聚合物及某些软金属表现出 明显的弹性滞后现象，即加 载和卸载曲线都稍稍偏离直 线，且两者不重合，形成一 个封闭的环形，说明变形过 程中应变跟不上应力，称为 滞弹性行为。一部分弹性功 以热的形式向环境散失。
（2）塑性
• 工程材料根据断裂前是否发生塑性变形，可将它们分成两大类：脆性材料 和塑性材料。 • 脆性材料：如陶瓷、玻璃、石头及普通灰铸铁；它们在破断前只发生弹性 变形。 • 塑性材料：大多数金属及聚合物，如退火纯铜的拉伸曲线。
加工硬化或加工强化： 每增加一个小的应变 量∆ε ，就必须增加 应力∆ζ 才能重新开 始塑性变形。 随着塑性变形的进行， 材料的加工硬化能力 逐渐减小，曲线趋于 平坦，达到极大值的 位置，试样开始发生 颈缩，随后颈缩快速 发展，直至断裂
退火低碳钢的ζ －ε 曲线
2. 弹性模量与弹性行为
• （1）弹性变形：材料在外力作用下产生变形，若外力去除后变形完 全消失，材料恢复原状，则这种可逆的变形就叫弹性变形。
• 弹性模量：材料在弹性变形阶段，应力与应变成正比关系，两者的比 值称为弹性模量，记为E，且 E =ζ/ε • E 表征材料对弹性变形的抗力，其值越大，材料产生一定量的弹性变 形所需要的应力越大，故工程上也称E为材料的刚度。 • E 主要取决于材料的本性，反映了材料内部原子间结合键的强弱，而 材料的组织变化对弹性模量无明显影响。 材料的刚度和零件的刚度不是一回事，零件刚度的大小取决于零件的 几何形状和材料的弹性模量。
一、 材料的力学性能
材料的力学性能是指在外加载荷(外力)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和 加载速率）联合作用下所表现的行为。 强度、硬度、塑性、韧性等都属于材料的力学性能。 材料的力学性能决定于材料的化学成分、组织结构、冶金质量等内在因素，但 外在因素，如载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）、应力状态（拉、压、 弯曲、剪切、扭转等）、温度、环境介质等对材料的力学性能也有很大影响。 例如低碳钢试样在静拉伸载荷和交变载荷作用下的不同力学行为。
• 塑性：断裂前材料发生塑性变形的能力。 • 衡量材料塑性的指标有延伸率（δ）和断面收缩率（ ψ ）。 • δ=ΔL/L0=[(L-L0)/L0]×100% （是塑性“伸长”的度量） • 式中L0为试样原始标距长度；L为试样断裂后标距的长度。 • ψ=ΔAf/A0=[(A0-Af)/A0] ×100% （是塑性“收缩”的度量） • 式中A0为试样原始截面积；Af为试样断裂处的截面积。
（2）弹性行为 • 弹性变形的特点是当载荷卸除后，试样的尺寸形状完全回复到原始状态。 • 根据材料的不同，其变形行为可分为三类：线弹性、非线弹性以及滞弹性。
理想的线弹性行为，应力 和应变之间满足虎克定律。 斜率即弹性模量E。曲线 下的阴影面积为单位体积 试样在弹性变形过程中所 吸收的弹性功。卸载时沿 直线可逆回到原点。
3. 强度与塑性
•Байду номын сангаас（1）强度
• 强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。工程上衡量材料强度的指标有： 弹性极限ζ e：材料发生弹性变形的最大应力，高于此值，材料开始发生塑性 变形。弹性极限虽然有明确的物理意义，但实际却难以精确测定，工程上定 义发生0.01％残留塑性变形时的应力值为条件弹性极限，表示为ζ 0.01。 屈服强度ζ s：在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为 屈服，材料开始屈服时所对应的应力为屈服应力（或称屈服强度）。屈服强 度表征材料发生明显塑性变形时的抗力。 抗拉强度ζ b：材料开始发生“颈缩”（试样的直径发生局部收缩）的应力， 相当于应力-应变曲线的极大值，也是作用力达到最大值时得到的应力，对于 不发生颈缩的材料，就相当于断裂时的应力。 断裂强度ζ f：试样发生断裂的应力值。对于不发生颈缩的材料，ζ f与ζ b相 等。
• 材料的延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。 塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不被破坏，这样当受力 过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，比较安 全。
三、硬度
• 硬度是材料表面局部抵抗变形的能力。硬度实验方法最常 用的有布氏实验法、洛氏实验法和维氏实验法。 布氏硬度：以淬火钢球为压头，硬度值等于载荷值除以压 痕的总面积。在试验中用刻度放大镜测出压痕直径，然后 对照有关附录查出相应的布氏硬度值。 洛氏硬度：依据压痕的深度而不是压痕的直径。以锥角为 1200的金刚石圆锥作为压头，加载卸载后压头压入材料表 面的深度，经过转换为洛氏硬度值。 维氏硬度：以锥角为1360的金刚石棱锥体为压头，其值等 于载荷值除以压痕的总面积。在实际测定时，只要量出压 痕的对角线长度，就可查表得到它们的硬度值。
二、 强度与塑性
• 1. 应力-应变曲线 拉伸试验：将圆柱形或板状光滑试样装夹在拉伸试验 机上，沿试样轴向以一定速度施加载荷，使其发生拉 伸变形直至断裂。 拉伸曲线：通过力与位移传感器可获得载荷（P）与 试样伸长量（△L）之间的关系曲线，称为拉伸曲线 或P- △L曲线。 应力：ζ=P/A0, A0为试样原始截面积 应变：ε=ΔL/L0，L0为试样标距 应力-应变曲线：纵坐标以ζ，横坐标以ε表示，则这 时的曲线与试样的尺寸无关。 通过拉伸试验可揭示材料在静载荷作用下的力学行为， 即弹性变形、塑性变形、断裂三个基本过程，还可确 定材料的最基本的力学性能指标－强度与塑性。
布氏硬度的优点是具有 较高的测量精度，因其 压痕面积大，比较真实 地反映出材料的平均性 能，但不能测定高硬度 材料。
维氏硬度法由于所加压力 小，压入深度较浅，故可 测定较薄材料和各种表面 渗层，且准确度高。但试 验时需要测量压痕对角线 的长度，测试手续较繁， 不如洛氏硬度法简单。
洛氏硬度试验的优点是 操作迅速、简便，可由 表盘直接读出硬度值， 由于其压痕小，可测量 较薄工件的硬度，其缺 点是精度较差，硬度值 波动较大。
非线性弹性行为，如橡胶 之类的变形能力极好的弹 性材料。其应力－应变行 为完全偏离了线性关系， 但仍然保持弹性的基本性 质，卸载时仍沿同样的途 径退回到原点。
聚合物及某些软金属表现出 明显的弹性滞后现象，即加 载和卸载曲线都稍稍偏离直 线，且两者不重合，形成一 个封闭的环形，说明变形过 程中应变跟不上应力，称为 滞弹性行为。一部分弹性功 以热的形式向环境散失。
（2）塑性
• 工程材料根据断裂前是否发生塑性变形，可将它们分成两大类：脆性材料 和塑性材料。 • 脆性材料：如陶瓷、玻璃、石头及普通灰铸铁；它们在破断前只发生弹性 变形。 • 塑性材料：大多数金属及聚合物，如退火纯铜的拉伸曲线。
加工硬化或加工强化： 每增加一个小的应变 量∆ε ，就必须增加 应力∆ζ 才能重新开 始塑性变形。 随着塑性变形的进行， 材料的加工硬化能力 逐渐减小，曲线趋于 平坦，达到极大值的 位置，试样开始发生 颈缩，随后颈缩快速 发展，直至断裂
退火低碳钢的ζ －ε 曲线
2. 弹性模量与弹性行为
• （1）弹性变形：材料在外力作用下产生变形，若外力去除后变形完 全消失，材料恢复原状，则这种可逆的变形就叫弹性变形。
• 弹性模量：材料在弹性变形阶段，应力与应变成正比关系，两者的比 值称为弹性模量，记为E，且 E =ζ/ε • E 表征材料对弹性变形的抗力，其值越大，材料产生一定量的弹性变 形所需要的应力越大，故工程上也称E为材料的刚度。 • E 主要取决于材料的本性，反映了材料内部原子间结合键的强弱，而 材料的组织变化对弹性模量无明显影响。 材料的刚度和零件的刚度不是一回事，零件刚度的大小取决于零件的 几何形状和材料的弹性模量。