材料的力学行为
材料的力学行为
2、孪生
孪晶(带):发生切变的晶体部分。
每层原子面相对于相邻原子面的移动量相同,移动距离和离
孪生面的距离成正比,且不是原子间距的整数倍。
孪生变形部分晶体与未变形部分晶体在孪生面两侧呈镜面对
称。
产生孪生所需要的切应力一般高于滑移所需,即是否
产生孪生与晶体是否产生滑移有关。
孪生变形会引起晶格畸变,因此产生的塑性变形量不
迥线包围的面积表示输入的能量,即单位体积的材料在每一周期所 消耗的能量(消耗于加热材料和周围的环境)。
原子移动消耗部分机械能为热能而消散
滞弹性对振动过程起阻尼作用
四、高弹性
一般弹性变形不能超过某一个范围。
如:结晶态物质
弹性体:可逆弹性变形范围大的材料。
如:橡胶→100%以上
特点:弹性变形大,弹性模量小,且弹模随温度升高
流动:材料内部质点调换其相邻质点的切变过程
固体材料的塑性变形→晶体的塑性流动
原子面按照晶体学规律相互滑动
(一)单晶体的塑性流动
1、滑移(主要原因)
晶体的一部分沿着一定晶面(滑移面)的一定方向
(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生滑动。
结果:在晶体表面造成相对位移,形成滑移台阶
滑移带 滑移台阶 滑移线
塑性和脆性随温度、含水率、加荷速度而改变
沥青:低温脆性,高温塑性
塑性变形
屈服强度
材料由弹性行为转变为塑性行为时所承受的应力。
σ 屈服强度 σb 弹性变形 ε 塑性变形 破坏
a’— 比例极限
a — 弹性极限 b — 屈服上限 c — 屈服下限 e — 极限强度
二、塑性变形机理
亚微观和微观看,永久变形是结构发生了流动
材料的力学行为和性能
(2)钢的淬透性 1)淬透性的概念 淬透性是在规定条件下,决定钢材有效淬硬层深度 和硬度分布的特性,它是钢材本身固有的属性,也 是钢重要的热处理工艺性能之一。钢的淬透性主要 取决于马氏体的临界冷却速度。凡是增加过冷奥氏 体的稳定性,减小马氏体临界冷却速度的因素,都 可以提高钢的淬透性。
钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性, 它主要决定于M的碳含量。
3.钢的淬火 (1)淬火工艺 将钢加热到相变温度以上(亚共析钢为Ac3 以上30 ℃~50 ℃;共析钢和过共析钢为Ac1 以上30 ℃~50 ℃),保温一定时间后快速 冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬 火。 常用的冷却介质是水和油。 常用的淬火方法有单介质淬火,双介质淬火, 分级淬火和等温淬火等。
洛氏硬度
硬度标尺:HRA、HRB、HRC。其中 C标尺最常 用 。 在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用.
维氏硬度 表示方法: 如:640HV30/20 测量精度高、范围广, 但比较麻烦,主要用于 研究工作。
注: 各硬度值之间大致有以下关系: 布氏硬度值在200-600范围内, HBW≈10HRC; 布氏硬度值小于450HBS, HBW≈HV
二、材料的静态力学性能
1、拉伸试验及材料的强度与塑性
左图为拉伸试验机
下图为拉伸试验过 程中试样的变形及 断裂。
由上图可知:在拉伸载荷作用下,试样的变形 分为三个阶段:弹性变形阶段;塑性变形阶段; 断裂阶段。在拉伸试验过程中,可测定的主要 力学性能指标有: 屈服强度σ s,抗拉强度σb ,弹性模量E, 断后伸长率δ 和断面收缩率Ψ 。
2、硬
度
硬度是指材料抵抗其他硬物体压入其表面 的能力。 布什硬度(HBW)
F 2F HBW S D(D D 2 d 2)
工程材料第二章 (材料的力学行为)
20
材料规定应力循环基数
钢铁材料:应力循环次数 为:107 有色金属:应力循环次数 为:108
21
2.1.4 冲击韧度(韧性) 1)概念
材料在冲击载荷的作用下,抵 抗破坏的能力。
2)试验方法
一次冲击弯曲实验,或称一次 性摆锤弯曲冲击试验。
3)冲击韧度指标
以材料受冲击断裂时单位面积 上所消耗的能量来表示的。 (J/mm2 ) Ak-冲击功,F-缺口处截面积
51
(3)残余应力的危害 降低工件的承载能力 当残余应力与工作应力一致时可能会使工件 产生宏观或微观的破坏。 使工件尺寸及形状发生变化 ; 在其平衡状态受到破坏,工件的应力状态将 发生变化,从而引起工件形状和尺寸的变 化,丧失精度。 降低工件的耐蚀性 残余应力的存在,使金属晶体处于高的能量 状态下,金属易与周围介质发生化学反应, 而导致金属耐蚀性降低 (4)消除残余应力主要方法:
ak =Ak /F
22
一般情况下: a 值越小,表明材料的韧性越 低, 脆性越大。 一般把韧性值a 高的材料称作 韧性材料, a 值低的材料称为 脆件材料。
k k k
23
Titanic沉没原因
Titanic ——含硫高的钢 板,韧性很差,特别是在 低温呈脆性。所以,冲击 试样是典型的脆性断口。 近代船用钢板的冲击试样 则具有相当好的韧性。
37
3) 孪生
(1) 孪生变形 在切应力作用下,晶体的 一部分对应于一定的晶面 (孪晶面)产生一定角度 的切变。 (2) 特点 原子移动的距离与原子离 开孪晶面的距离成正比; 相邻原子间的位移只有一 个原子间距的几分之一。
38
2.2.2 多晶体的塑性变形
1) 晶界和晶粒位向的影响
(1) 晶界的影响 两晶粒试样拉伸变形特点 远离晶界的地方变形量较 大,而晶界附近变形量较小 (“竹节”现象)。
材料科学中的力学行为研究
材料科学中的力学行为研究材料科学是研究材料的性能、结构和制备方法的学科。
力学行为研究是材料科学中的一个重要方向,旨在理解材料在受力条件下的行为和性能,从而为材料设计和应用提供基础支持。
本文将探讨材料科学中力学行为研究的基本原理、实验手段和应用前景。
力学行为是指材料在外力作用下的变形和破坏行为。
材料的力学行为常常受到多种因素的影响,如材料的组成、晶体结构、缺陷和微观结构等。
为了研究材料的力学行为,科学家们通常使用一系列实验手段和数值模拟方法。
首先,材料科学家可以通过拉伸试验来研究材料的力学行为。
在这种试验中,科学家们将一个试样在一对夹具之间拉伸,以施加外力。
通过对试样受力和变形的测量,可以得到材料的力学性能参数,如杨氏模量、屈服强度和断裂韧性等。
此外,压缩试验也是研究材料力学行为的常用方法之一。
在压缩试验中,材料试样受到垂直于其表面的外力,从而产生压缩应变。
通过测量试样的受力和变形,可以获得材料的抗压强度、抗压模量等重要参数。
除了拉伸和压缩试验,扭转、弯曲和剪切等试验方法也可以用于研究材料的力学行为。
这些试验方法可以提供有关材料在不同加载条件下的性能参数,从而更全面地了解材料的力学行为。
在材料力学行为研究中,数值模拟方法也占据重要地位。
有限元分析是一种常用的数值模拟方法,它可以模拟材料在受力条件下的变形和应力分布。
通过有限元分析,科学家们可以预测材料在不同加载条件下的力学行为,为材料设计和优化提供指导。
材料科学中力学行为研究的应用前景广阔。
首先,对材料力学行为的深入了解可以为新材料的设计和合成提供指导。
通过研究材料的力学行为,科学家们可以优化材料的结构和组成,以满足不同应用需求。
其次,力学行为研究还可以为材料的工程应用提供支持。
例如,在航空航天领域,研究材料在复杂载荷下的力学行为对于设计更轻、更耐用的飞机零件和发动机部件至关重要。
类似地,在汽车工业中,对材料的力学行为进行深入研究可以帮助优化车身结构和提高汽车的安全性能。
若干材料的力学行为的理论和实际应用
若干材料的力学行为的理论和实际应用材料力学行为的理论和实际应用引言:材料力学行为是研究材料在外力作用下的变形和破坏规律的学科,它对于工程设计和材料应用具有重要意义。
本文将从理论和实际应用两个方面探讨若干材料的力学行为。
一、金属材料的力学行为金属材料是最常见的工程材料之一,它具有良好的可塑性和导电性。
在外力作用下,金属材料会发生塑性变形,这是由于金属晶体的滑移和重结晶引起的。
金属材料的力学行为可以通过应力-应变曲线来描述,其中包括弹性阶段、屈服阶段、塑性阶段和断裂阶段。
金属材料的力学行为理论为工程设计提供了重要的参考依据,并广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑等领域。
二、陶瓷材料的力学行为陶瓷材料具有高硬度、高熔点和良好的耐磨性,但其脆性和低韧性限制了其应用范围。
陶瓷材料的力学行为主要表现为弹性变形和断裂破坏。
由于陶瓷材料的结构复杂,其力学行为的理论研究相对较少。
然而,通过对陶瓷材料的微观结构和力学性能的研究,可以改善其力学性能,提高其应用价值。
例如,添加适量的增韧相可以增加陶瓷材料的韧性,提高其抗断裂性能。
三、聚合物材料的力学行为聚合物材料是一类重要的工程材料,其力学行为受到分子链的运动和相互作用的影响。
聚合物材料的力学行为可以通过应力松弛和蠕变等试验来研究。
聚合物材料的力学行为理论为塑料加工和复合材料设计提供了重要的依据。
例如,在塑料加工中,需要考虑聚合物材料的流变性能,以确保产品的成型质量。
在复合材料设计中,需要研究聚合物基体和增强相之间的相互作用,以提高复合材料的力学性能。
四、纳米材料的力学行为纳米材料是一类尺寸在纳米尺度范围内的材料,具有与传统材料不同的力学行为。
纳米材料的力学行为主要受到表面效应和尺寸效应的影响。
由于纳米材料的尺寸较小,其表面积相对较大,因此表面效应对其力学性能有显著影响。
同时,纳米材料的尺寸效应使其力学行为呈现出与体材料不同的特点,例如弹性模量和屈服强度随粒径的变化规律。
材料的力学行为与变形
材料在断裂时吸收的能量。 材料中的缺陷或几何形状会导致应力集中。 材料在循环加载下失效的时间。
力学性能的测定
材料试验机
材料试验机是用于测定材料力 学性能的常用实验设备之一。
应变计
显微镜分析
应变计是测量材料应变的设备。 可以通过它来计算材料的应力。
使用显微镜可以观察材料的微 观结构和研究材料的性质。
材料的力学行为与变形
材料力学行为和变形是材料科学中的基本概念。本课程将介绍有关材料力学 性质、应力和应变关系、杨氏模量和泊松比、拉伸、压缩和剪切、塑性变形 和弹性回复,以及破坏性行为和断裂力学的内应力和应变?
应力和应变是描述材料强度和变形的基本概念。
2
什么是杨氏模量和泊松比?
杨氏模量和泊松比是常用的描述弹性行为的参数。
3
拉伸、压缩和剪切
拉伸、压缩和剪切是常见的材料变形形式。
塑性变形与弹性回复
塑性变形
塑性变形是材料变形的一种类型,在材料受力后会发生永久性形变。
弹性回复
弹性回复是材料变形的另一种类型,形变后可以恢复原来的外形和尺寸。
破坏性行为和断裂力学
断裂韧性 应力集中 疲劳寿命
• 同时考虑材料成本和 制造工艺。
模拟和分析
• 使用计算机辅助设计 和仿真软件进行模拟 和分析。
总结
材料力学行为和变形
了解材料的力学行为和变形, 可以帮助我们选择合适的材料 进行设计和制造。
测试和分析
应用和设计
使用实验测试和计算机仿真可 以更好地了解材料的力学特性。
合理地选择材料和进行设计, 可以满足不同应用场景的需要。
力学行为的影响因素
1 材料的形状和尺寸 2 加工历史和处理
3 温度和环境条件
材料力学行为和破坏机理概述
材料力学行为和破坏机理概述材料力学是研究物质在外力作用下的行为和性能的一个重要分支学科。
在工程领域中,材料力学的研究对于材料的设计和应用具有重要意义。
本文将概述材料力学的基本概念以及与之相关的破坏机理。
材料力学行为是指材料在外力作用下的变形、应力和应变的规律。
材料的力学行为通常可以用应力-应变曲线来描述。
应力-应变曲线是一种反映材料力学性能的重要图像。
根据应力-应变曲线的形状,材料的力学性质可以分为弹性行为、塑性行为和粘弹行为。
弹性行为指材料在外力作用下发生变形后,当外力消失时恢复原状的性质。
在弹性阶段,应力-应变关系呈线性关系,即应力和应变成正比。
在这个阶段,材料的应变是完全可逆的,没有能量损失。
弹性行为在工程设计中非常重要,因为它决定了结构在受力后会不会出现永久变形。
塑性行为是指材料在外力作用下会发生永久变形的性质。
如果材料的应力-应变曲线呈现出一段完全可逆的弹性阶段后,随着应力的增加逐渐出现非线性关系,那么我们就可以认为材料是塑性的。
塑性行为是由于材料内部的晶体结构的滑移和位错运动引起的。
塑性行为的发生会导致材料的形状和尺寸发生永久改变,所以在工程设计中需要考虑材料的塑性行为。
粘弹行为是介于弹性行为和塑性行为之间的一种特殊力学行为。
粘弹行为表现为在应力施加后,材料会有一定的弹性变形和粘流变形。
粘弹性是许多聚合物材料的典型性质。
这种粘弹性行为是由于材料内部分子或聚合物链的断裂和位移引起的,它表现为材料在应力施加后会持续变化并会随时间逐渐恢复。
除了力学行为之外,材料破坏机理也是材料力学研究的重要内容。
材料的破坏可以是由不同的因素引起的,例如应力集中、缺陷存在、材料的微观结构等。
常见的破坏机理包括断裂、疲劳、蠕变和失效等。
断裂是指材料在受到较高的应力作用下发生断裂。
断裂可以是韧性断裂、脆性断裂或疲劳断裂。
韧性断裂是指材料在受到高应力时发生的大面积塑性变形,通常伴随着明显的能量吸收。
脆性断裂是指材料在受到高应力时几乎没有塑性变形,往往会发生迅速而剧烈的断裂,伴随着较少的能量吸收。
材料力学行为
材料力学行为引言材料力学行为是指材料在受到外部力或加载下的变形和破坏过程。
研究材料力学行为对于设计和优化材料及结构具有重要意义。
本文将介绍材料力学行为的基本概念、应力应变关系、材料的弹性和塑性行为以及材料破坏机制。
基本概念材料力学行为的基本概念包括应力、应变、弹性模量、屈服强度、断裂强度等。
1.应力:应力是单位面积上的力,通常用符号σ表示。
根据受力方式的不同,应力可以分为拉应力、压应力、剪应力等。
2.应变:应变是物体长度相对于初始长度的变化比例,通常用符号ε表示。
根据变形模式的不同,应变可以分为线性应变、剪切应变等。
3.弹性模量:弹性模量是材料在弹性变形时的应力和应变之间的比例关系,通常用符号E表示。
弹性模量越大,材料的刚度越大。
4.屈服强度:屈服强度是材料开始发生塑性变形的应力值。
超过屈服强度后,材料会发生不可逆的变形。
5.断裂强度:断裂强度是材料在拉伸过程中断裂前的最大应力值,也称为极限强度。
应力应变关系材料的应力应变关系描述了材料在外部加载下的行为。
根据材料的性质和加载条件的不同,应力应变关系可以分为线性弹性、非线性弹性和塑性三种情况。
1.线性弹性:在线性弹性阶段,材料的应力和应变之间存在着线性关系。
根据胡克定律,线性弹性材料的应力与应变成正比,即σ = Eε,其中E为杨氏模量。
2.非线性弹性:当材料受到更大的应力时,应力应变关系可能不再是线性的,而是存在一定的非线性变化。
通常在应力达到屈服强度范围时出现非线性变化。
3.塑性:当材料受到超过屈服强度的应力时,材料开始发生塑性变形,并且在应力解除后仍然保持一定的塑性变形。
塑性变形通常伴随着材料微观结构的变化。
材料的弹性和塑性行为材料的弹性行为是指在加载后能够恢复到初始状态的能力。
材料的塑性行为是指材料在受力过程中发生可持续的形变。
1.弹性行为:材料在弹性阶段内,其应力-应变关系呈线性关系。
当外加载荷作用移除后,材料能够恢复到原始形态,无永久塑性变形。
机械工程材料—材料的力学行为
1. 拉伸试验 按国家标准GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》制作标准拉伸试 样,在拉伸试验机上缓慢地进行拉伸,使试样承受轴向拉力F,并引起试样沿轴 向伸长ΔL=Lu-Lo,直至试样断裂。将拉力F除以试样原始截面积So,即得拉应 力R,即R=F/So,单位为N/mm2;将伸长量ΔL除以试样原始长度Lo,即得应变ε。 以R为纵坐标,ε为横坐标,则可画出应力应变图,如图2.1所示。此图已消除试 样尺寸的影响,从而能直接反映材料的性能。
3) 塑性
Rm
Fm So
N/mm2
材料在外力作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力称为塑性。塑性大小用
断后伸长率A和断面收缩率Z来表示。即
A Lu Lo 100% Lo
Z So Su 100% So
A、Z越大,材料塑性越好。由于伸长率值与试样尺寸有关,因此,比较伸
长率时要注意试样规格的统一。
第2章 材料的力学行为
第2章 材料的力学行为
1.1
第2章 材料的力学行为
本章内容
•材料的性能 •金属的塑性变形与再结晶 •金属的热加工 •材料的超塑性 •高聚物的力学状态 •习题
1.2
第2章 材料的力学行为
教学提示: 一、学习方法 对于材料的力学性能,只要掌握和理解基本内容即可,着重理解力学性能指标及 名词、术语的物理意义。 对金属的塑变,首先应理解单晶体金属塑性变形的主要方式——晶面间的滑移, 进而了解位错对塑性变形的贡献;在此基础上,了解晶界和晶粒位向对滑移的影响, 即可理解多晶体的塑性变形;结合地毯模型理解位错的作用和位错密度增加对性能的 影响。 理解了大分子链的运动方式,有利于高聚物的三种力学状态等方面知识的掌握。 二、重点和难点 力学性能的重点是金属材料力学性能的物理意义,有关材料的物理性能、化学性 能和工艺性能只要求做一般了解。 金属塑变的重点是塑性变形的实质、位错滑移机理、冷变形强化和细晶强化,难 点是多晶体的塑性变形过程。 高聚物的力学状态的重点是大分子链的运动方式及3种力学状态,难点是结晶和交 联的影响。
材料力学行为
材料力学行为材料力学行为是指材料在外部力作用下产生的形变、应力分布、力学性能和断裂行为等方面的表现。
以下是一些常见的材料力学行为:1.弹性行为:弹性是指材料在外力作用下发生形变,但在去除外力后能够完全恢复原状的性质。
在弹性区域内,材料的应力和应变呈线性关系。
弹性行为可以根据材料的组织结构,如晶体结构和分子排列而变化。
2.塑性行为:塑性是指材料在外力作用下发生形变后,即使去除外力,也无法完全恢复原状的性质。
在塑性区域内,材料经历塑性变形,产生塑性应变和残余应力。
塑性行为通常与材料的应力屈服点(屈服强度)相关。
3.强韧性:强韧性是指材料在受到应力作用时能够承受高强度载荷,并且在发生破坏之前具有较大的能量吸收能力的性质。
具有良好强韧性的材料在遭受外力作用时能够延长断裂,从而允许更多的形变发生。
4.脆性行为:脆性是指材料在受到应力作用时很快发生破坏而不发生明显的塑性变形,通常伴随着断裂的形成。
脆性材料在承受载荷后不能吸收多余的应变能量,容易发生突然失效。
5.粘弹性行为:粘弹性是介于弹性和塑性之间的一种行为,具有时间依赖性。
材料呈现出类似于弹性材料的应变率依赖性以及类似于粘性材料的延展性。
6.疲劳行为:疲劳是指材料在反复加载下产生的失效现象。
疲劳与材料的强度、韧性、断裂性能以及外部载荷的幅值和频率等因素有关。
7.断裂行为:断裂是指材料在受到应力作用后突然失效的现象。
断裂行为与材料的强度、韧性、裂纹敏感性等因素有关。
不同材料在这些力学行为方面表现出不同的特性,理解和研究材料的力学行为对于材料的设计、选择和应用具有重要意义。
材料力学行为和破坏机理概述
材料力学行为和破坏机理概述材料力学行为和破坏机理是材料科学与工程领域中的重要研究方向。
通过对材料力学行为的研究,可以深入了解材料在受力下的表现,从而为材料设计和工程应用提供基础理论支持。
同时,破坏机理的研究有助于掌握材料的失效原因,提高材料的强度和耐久性。
材料力学行为主要包括弹性、塑性、粘弹性和蠕变等方面的研究。
弹性是指材料在受力后可以恢复原状的性质。
弹性密度矩阵是一个重要的参数,它描述了材料在受力下的变形行为。
当材料受到外力作用时,其原子和分子会发生位移和变形,形成应力和应变。
弹性力学模型可以通过应力和应变之间的关系来描述材料的弹性行为。
塑性是指材料在受力下会发生持久性变形的性质。
当材料的应力超过其弹性范围时,会产生塑性变形。
通常,材料的塑性行为可以通过屈服强度和塑性应变来描述。
屈服强度是材料在受力下开始发生塑性变形时的应力值,而塑性应变则是材料发生塑性变形的量度。
塑性变形一般会导致材料的断裂或失效,因此塑性行为的研究对于材料设计和使用至关重要。
粘弹性是一种介于弹性和流变之间的材料行为。
粘弹性材料在受力下会同时表现出弹性和流变的特点。
粘弹性行为主要由粘弹性模量和粘弹性系数来描述。
粘弹性模量表示材料在受到外力作用时所表现出的回弹性质,而粘弹性系数则表示材料在变形过程中的粘滞程度。
蠕变是材料在长时间高温下发生的持续性变形现象。
蠕变行为的研究对于高温环境下工程结构的设计具有重要的意义。
蠕变主要由蠕变速率和蠕变寿命来描述。
蠕变速率表示材料在长时间受力下的变形速度,而蠕变寿命则是材料能够承受蠕变变形的时间。
在材料的使用过程中,破坏机理是一个至关重要的研究领域。
破坏机理的研究可以帮助我们了解材料的强度和耐久性,从而对材料的使用和维护提供指导。
常见的破坏机理包括断裂、疲劳和腐蚀等。
断裂是指材料在受到外力作用下破碎或失效的现象。
断裂行为可以通过断裂韧性来描述。
断裂韧性是材料抵抗断裂的能力,通常通过拉伸试验中的断裂应变和断裂应力来评估。
材料力学行为
材料力学行为材料力学行为是指材料在外力作用下所表现出的特性和性能。
材料力学行为的研究对于材料的设计、加工和应用具有重要意义。
在工程实践中,我们常常需要对材料的力学行为进行分析和评估,以确保材料在使用过程中能够满足设计要求并具有良好的性能。
首先,材料的力学行为受到其组成和结构的影响。
不同的材料具有不同的组成和结构,因此它们的力学行为也会有所不同。
例如,金属材料通常具有良好的塑性和韧性,而陶瓷材料则具有较高的硬度和脆性。
这些不同的力学行为特性使得不同材料在不同的工程应用中具有各自的优势和局限性。
其次,材料的力学行为还受到外部加载条件的影响。
材料在不同的加载条件下会表现出不同的力学行为特性。
例如,在拉伸加载下,金属材料通常会表现出良好的延展性和塑性变形,而在压缩加载下则会表现出较高的强度和刚度。
因此,对于不同的工程应用,我们需要根据材料的力学行为特性选择合适的加载条件,以确保材料能够发挥最佳的性能。
此外,材料的力学行为还受到温度、湿度等环境因素的影响。
在不同的环境条件下,材料的力学行为可能会发生变化。
例如,高温会降低金属材料的强度和硬度,从而影响其使用性能;而潮湿的环境则会加速某些材料的腐蚀和疲劳破坏。
因此,在工程实践中,我们需要充分考虑环境因素对材料力学行为的影响,以确保材料能够在特定的环境条件下具有良好的稳定性和可靠性。
综上所述,材料力学行为是材料科学和工程领域中的重要研究内容。
通过对材料的力学行为进行深入的研究和分析,我们能够更好地理解材料的性能和特性,为材料的设计、加工和应用提供科学依据和技术支持。
同时,我们也能够更好地利用材料的特性和优势,开发出更加先进和具有竞争力的工程材料,推动材料科学和工程技术的发展。
第2章-材料的力学行为
拉伸试验机
拉伸试样的颈缩现象
6
拉伸曲线
F (σ)
op段:比例弹性变形阶段
pe段:非比例弹性变形阶段
s段(平台或锯齿):屈服阶段
es p
sb段:均匀塑性变形阶段,是 强化阶段
b点:形成了“缩颈”
bk段:非均匀变形阶段,承载
下降,到k点断裂
o
b k
ΔL(ε)
低碳钢的拉伸曲线
(外力F-变形量ΔL曲线 及应力σ -应变ε曲线)
29
1、滑移变形的特点 : ⑴ 滑移只能在切应力的作用下 发生。产生滑移的最小切应力 称临界切应力。
30
F
⑵ 滑移常沿晶体中原
子密度最大的晶面和
滑
移
晶向发生。因原子密
方 向
度最大的晶面和晶向
之间原子间距最大,
滑
结合力最弱,产生滑
移 面
移所需切应力最小。
9
2.1.2 材料的硬度
硬度:是指材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕 或划痕的能力,它是衡量材料软硬程度的指样、不损坏工件,因此在生产和 科研中得到广泛应用。 分类:测定硬度的方法很多,压入法测定的硬度值表征 材料表面抵抗硬物侵入的能力,常用的有布氏硬度、洛
2
材料的性能
使用性能
力学性能 物理性能 化学性能
工程材料的性能 工艺性能
铸造性能 可锻性能 可焊性能 切削加工性能 热处理性工艺性
3
使用性能:为保证机械零件或工具正常工作,材料 应具备的性能,它包括物理性能(如导电性、导热 性、热膨胀性等)、化学性能(如抗腐蚀性、抗氧 化性等)和力学性能。 工艺性能:在制造机械零件或工具的过程中,材料 适应各种冷、热加工和热处理的性能,它包括铸造、 锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺 性等。 力学性能:材料在外力作用下所显示的性能,又称 机械性能,如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性 等。
材料的力学行为及性能
低温会导致材料收缩,因为原子或分子的振动幅度减小。
腐蚀环境下的力学性能
腐蚀疲劳
在腐蚀环境中,材料会经历周期性的腐 蚀和损伤,导致材料的疲劳性能下降。
腐蚀速率
腐蚀环境会影响材料的腐蚀速率,导 致材料的力学性能随时间发生变化。
应力腐蚀开裂
在腐蚀和应力的共同作用下,材料可 能发生应力腐蚀开裂,即材料在较低 的应力下发生脆性断裂。
人工智能预测
总结词
人工智能预测是一种基于数据和算法的预测 方法,通过机器学习等技术对材料性能进行 预测。
详细描述
随着大数据和机器学习技术的发展,人工智 能在材料科学领域的应用越来越广泛。通过 训练机器学习模型,输入材料的成分、结构 等信息,可以预测材料的力学性能、热学性 能等。这种方法具有快速、准确、可预测性 高等优点,为材料设计和优化提供了新的思 路和方法。
跨学科研究的融合
材料科学与生物医学
将材料科学应用于生物医学领域,如组织工程和药物传递,实现 个性化医疗和精准治疗。
材料科学与环境科学
研究材料的环境适应性,发展环保型材料,降低生产过程中的能 耗和排放。
材料科学与信息科学
探索新型电子材料和光子材料,推动信息技术的发展和革新。
智能化与自动化的应用
材料性能模拟与预测
蠕变
在高温下,材料会经历蠕变,即随着 时间的推移发生缓慢的塑性变形。
热膨胀
高温会导致材料膨胀,因为原子或分 子的振动幅度增大。
低温下的力学性能
弹性模量 屈服强度
脆化 热收缩
随着温度降低,材料的弹性模量通常会增加,导致材料变得更 加刚硬。
低温下,材料的屈服强度通常会增加,因为原子或分子的振动 幅度减小,增强了原子间的相互作用力。
材料力学行为
材料力学行为
材料力学行为是材料科学中的一个重要概念,它描述了材料在外力作用下的变
形和破坏过程。
材料力学行为的研究对于材料的设计、制备和应用具有重要意义。
在材料科学领域,人们常常关注材料的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能,这些性能直接关系到材料在工程领域中的应用。
材料的力学行为受到多种因素的影响,包括材料的组织结构、化学成分、晶体
结构等。
不同种类的材料具有不同的力学行为,例如金属材料通常具有良好的塑性和韧性,而陶瓷材料则具有较高的硬度和脆性。
因此,了解材料的力学行为对于选择合适的材料以及预测材料在实际工程中的表现具有重要意义。
材料的力学行为可以通过实验和理论模型来研究。
实验是了解材料力学行为的
直接途径,通过施加外力并观察材料的变形和破坏过程,可以得到材料的应力-应
变曲线等重要数据。
同时,理论模型也是研究材料力学行为的重要手段,通过建立数学模型和计算方法,可以预测材料在不同条件下的力学性能。
材料的力学行为还受到温度、湿度、应变速率等外部条件的影响。
在高温、高
湿或高速加载条件下,材料的力学行为可能发生显著变化,甚至导致材料的失效。
因此,在工程实践中,需要考虑材料的力学行为在不同环境条件下的表现,以确保材料的可靠性和安全性。
总之,材料力学行为是材料科学中的重要内容,它描述了材料在外力作用下的
变形和破坏过程。
了解材料的力学行为对于材料的设计、制备和应用具有重要意义,需要通过实验和理论模型来研究材料的力学性能,并考虑外部条件对材料力学行为的影响。
只有深入了解材料的力学行为,才能更好地利用材料的优势,并避免材料在工程实践中出现意外失效的情况。
材料的性能与力学行为
32
33
二、再结晶温度
再结晶不是一个恒温过程,它是自某一温度 开始,在一个温度范围内连续进行的过程, 发生再结晶的最低温度称再结晶温度。
纯金属的再结晶温度与其熔点之间的近似关 系:
T再≈0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度. 金属熔点越高, T再也越高.
维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬 度的优点。
硬度试验是材料机械性能是最简单的一种试验方法,材料 的强度与硬度之间具有近似的对应关系。
2.2 材料的物理和化学性能
物理性能:密度、熔点、热膨胀性、导热性 、导电性、磁性
化学性能:耐腐蚀性、抗氧化性
2.3 金属材料的工艺性能
一、铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力。
构可提高硅钢片的导磁率。
27
二、塑性变形对金属力学性能的影响 随冷塑性变形量增加,金属的强度、硬度提高,
塑性、韧性下降的现象称加工硬化。 产生加工硬化的原因是随变形量增加, 位错密度
增加,由于位错之间的交互作用,使变形抗力增 加。
28
三、残余内应力
内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时, 内 部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的 功只有10%转化为内应力残留于金属中.
36
疲劳应力示意图
疲劳曲线示意图
五、硬度
利用F、D按实测的 d查表得出硬度值
材料抵抗表面局部塑性变形的能力。DD
布氏硬度HB
d
HB 0.102
2P
D( D D2 d 2 )
压头为钢球时,布氏硬度用符号HBS表示,适 用于布氏硬度值在450以下的材料。
材料变形的本质和力学行为
材料变形的本质和力学行为材料工程是一个广泛而又重要的领域,在这个领域中,材料的变形是最常见的现象。
在生活中,我们经常会见到各种各样的变形现象。
比如,塑料椅子上的凹陷和钢筋混凝土中的裂缝,都是材料变形的结果。
材料变形的本质是什么?它有哪些力学行为?下面,我们来深入探讨材料变形的本质和力学行为。
1.材料变形的本质在材料科学中,变形是指材料形状和体积的改变。
材料变形有三种类型,分别是弹性变形、塑性变形和断裂变形。
弹性变形是指材料受力后仅产生临时性变形,去除外力后能恢复原来的形状和大小。
塑性变形是指材料受力后,形状和大小发生了不可恢复的变化。
而断裂变形则是指材料无法承受受到的力量而发生破裂。
材料变形的本质源于牛顿第三定律:任何物体受到的力都会产生与之大小相等、方向相反的反作用力。
材料的变形其实是由于内部的原子和分子之间的相互作用互相抵消的结果。
材料的内部有着微观结构,其中原子和分子之间的相互作用力是相对稳定的。
当材料受到外部的力作用时,原子和分子之间的相互作用力受到破坏,使得材料中原子和分子之间的距离变化,从而引起材料的形状和大小发生变化。
2.材料力学行为材料在受力作用下的力学行为不同,可以分为弹性力学、塑性力学和断裂力学。
下面,我们来分别探讨它们的特点。
2.1.弹性力学弹性力学是研究材料在受小的外部力作用下,产生一定大小的弹性变形,并在去除外力后恢复原来形状和大小的一种力学。
在材料的弹性阈值之内,材料的应变与应力呈线性关系,这被称为胡克定律。
在弹性阈值之内,材料变形是可逆的。
2.2.塑性力学塑性力学是研究材料在受大的外部应力作用下,发生不可逆塑性变形的一种力学。
它的特点是在材料的应力超过一定的阈值之后,材料会出现沿着应力方向产生塑性变形的现象,而且在去除外力后不会完全恢复原来的大小和形状。
塑性变形可以被控制,利用此特性从而制造出各种极为广泛的塑性件。
2.3.断裂力学断裂力学是研究材料在受到超过其断裂强度时发生破坏现象的力学。
材料力学行为
材料力学行为材料力学行为是指材料在外力作用下所表现出的力学性质和行为。
材料力学行为的研究对于材料的设计、制备和应用具有重要的意义。
在材料科学与工程领域中,对材料力学行为的研究已经成为一个重要的研究方向,它涉及到材料的强度、韧性、硬度、塑性等多个方面。
首先,材料的强度是材料力学行为中的重要指标之一。
材料的强度是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
不同材料的强度差异很大,比如金属材料通常具有较高的强度,而塑料材料则具有较低的强度。
材料的强度与其内部晶体结构、晶界、缺陷等微观结构密切相关,通过对材料的微观结构进行分析,可以更好地理解材料的强度表现。
其次,材料的韧性也是材料力学行为中的重要性能之一。
材料的韧性是指材料在受到外力作用下能够抵抗破坏并具有一定的变形能力。
韧性高的材料具有良好的抗冲击性和抗疲劳性,能够在外部应力作用下保持稳定的性能。
材料的韧性与其断裂机制、晶粒大小、晶界性质等因素密切相关,通过对材料的断裂表面进行观察和分析,可以揭示材料的韧性表现。
此外,材料的硬度也是材料力学行为中的重要指标之一。
材料的硬度是指材料在受到外力作用下抵抗划痕和变形的能力。
硬度高的材料具有较好的耐磨性和耐磨损性能,能够在恶劣环境下保持稳定的性能。
材料的硬度与其晶体结构、晶粒取向、位错密度等因素密切相关,通过对材料的硬度测试和显微组织分析,可以揭示材料的硬度表现。
最后,材料的塑性也是材料力学行为中的重要性能之一。
材料的塑性是指材料在受到外力作用下能够发生可逆的形变。
塑性好的材料具有良好的加工性能和成形性能,能够通过加工工艺得到复杂的形状和结构。
材料的塑性与其晶体结构、位错运动、晶粒取向等因素密切相关,通过对材料的塑性变形进行观察和分析,可以揭示材料的塑性表现。
综上所述,材料力学行为涉及到材料的强度、韧性、硬度、塑性等多个方面,这些方面的性能表现与材料的微观结构、断裂机制、晶粒取向、位错密度等因素密切相关。
通过对材料力学行为的研究,可以更好地理解材料的性能表现,为材料的设计、制备和应用提供科学依据。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
2、孪生
➢ 孪晶(带):发生切变的晶体部分。
每层原子面相对于相邻原子面的移动量相同,移动距离和离 孪生面的距离成正比,且不是原子间距的整数倍。
孪生变形部分晶体与未变形部分晶体在孪生面两侧呈镜面对 称。
➢ 产生孪生所需要的切应力一般高于滑移所需,即是否 产生孪生与晶体是否产生滑移有关。
➢ 孪生变形会引起晶格畸变,因此产生的塑性变形量不 大(≤10%),但速度很快(接近于声速) 。
2
一、弹性和弹性变形
▪ 弹性:材料在外力作用下产生变形,当外 力除去后,变形随即消失,材料恢复至原 来的形状。
▪ 弹性变形(瞬时变形、可恢复变形):即 刻恢复的变形。
3
虎克固体模型
l σ
E
Hooke定律 =E·
4
二、弹性模量
弹性变形的 力学特点: 小形变、可回复
5
二、弹性模量
▪ 拉应力或压应力:
➢ 流动:材料内部质点调换其相邻质点的切变过程 ➢ 固体材料的塑性变形→晶体的塑性流动
原子面按照晶体学规律相互滑动
17
(一)单晶体的塑性流动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
▪ 1、滑移(主要原因)
➢ 晶体的一部分沿着一定晶面(滑移面)的一定方向 (滑移方向)相对于晶体的另一部分发生滑动。
➢ 结果:在晶体表面造成相对位移,形成滑移台阶
E
▪ 剪切应力:
G
▪ 静水压应力:
m KV
σ-垂直应力; ε-垂直应变; E -弹性模量(杨氏模量或纵向弹性模量) τ -剪切应力; γ -剪切应变; G -剪切模量(刚性模量或横向弹性模量) σm-静水压应力; εV-体积应变; K -体积弹性模量(压缩模量)
6
二、弹性模量
▪ E、G、K关系:
8
混凝土的弹性模量
9
三、滞弹性
——无机固体和金属的与时间有关的弹性
▪ 理想的弹性固体→弹性变形→马上恢复 ▪ 实际材料,尽管弹性变形可逆且呈线性关系,
但存在变形和回复在时间上的滞后。这种与时 间有关的弹性行为称为滞弹性。 ▪ 滞弹性本质:交变应力导致原子不断换位,而 位移的往返需要一定的时间。
10
在外力超过材料质点间的相互作用力后,引起材料部 分结构或构造的破坏,造成不可恢复的永久变形。
13
圣维南固体模型
σ
下屈服点
τ
上屈服点 静摩擦
动摩擦 ε
A
B
塑性变形曲线
O
b
变形
14
塑性变形
▪ 脆性材料:破坏前无显著变形而突然破坏
➢ 砖瓦、生铁
▪ 塑性材料:破坏前有显著塑性变形
➢ 沥青、低碳钢
▪ 混凝土、钢筋混凝土:一种弹、塑、粘性混合 的材料
滑移系数量=滑移面数×滑移方向数 滑移系越多,滑移的可能性越大,塑性越好。 温度影响:温度较高时,滑移系增加。
➢ 滑移与位错运动密切相关
位错使屈服强度降低很多。位错运动的结果产生了滑移变形 19
单晶体的塑性流动
▪ 2、孪生
➢ 晶体的一部分沿着一定晶面(孪生面)沿一定方向 (孪生方向)发生切变。
➢ 特点:弹性变形大,弹性模量小,且弹模随温度升高 而增大
▪ 橡胶弹性:
➢ 可耐非常大的变形而不被破坏
➢ 除去外力后可恢复到原来长度
➢ 要求分子链长,易于变形,具有交联点
12
第二节 材料的塑性
▪ 一、塑性变形
➢ 塑性:材料在外力作用下产生变形,当外力除去后不 能完全恢复原有形状。
➢ 塑性变形(永久变形、残余变形):不可恢复的变形 ➢ 与弹性变形不同:外力所做的功没有全部变成内功,
21
孪生与滑移的主要区别
▪ 1、孪生使晶格位向改变,造成变形晶体与未变 形晶体的对称分布;滑移不引起晶格变化。
▪ 2、孪生时原子沿孪生方向的相对位移是原子间 距的分数;滑移时原子在滑移方向的相对位移 是原子间距的整数倍。
▪ 3、孪生变形所需切应力比滑移大。
➢ 孪生一般在不易滑移的条件下发生。
▪ 4、孪生产生的塑性变形量比滑移小得多。
第三章 材料的力学行为
材料在外力作用下所产生的变形、 抵抗力(即强度)及破坏等,又称
为力学性能。
1
第一节 材料的弹性
▪ 一、弹性和弹性变形
➢ 材料变形的实质:内部质点在外力作用下,偏 离或改变了原来的平衡位置,产生了相对位移。
➢ 应力:单位面积上材料内部产生的平衡外力的 抵抗力。
➢ 应变:材料相对变形的大小。
▪ 塑性和脆性随温度、含水率、加荷速度而改变
➢ 沥青:低温脆性,高温塑性
15
塑性变形
▪ 屈服强度
➢ 材料由弹性行为转变为塑性行为时所承受的应力。
σ 塑性变形
屈服强度 σb
破坏
弹性变形 ε
a’— 比例极限
a— 弹性极限 b— 屈服上限 c— 屈服下限 e— 极限强度
16
二、塑性变形机理
▪ 亚微观和微观看,永久变形是结构发生了流动
滑移带 滑移台阶 滑移线
对滑移线的观察也表明了晶体塑性变 形的不均匀性,滑移只是集中发生在 一些晶面上,而滑移带或滑移线之间 的晶体层片则未产生变形,只是彼此 之间作相对位移而已。
18
单晶体的塑性流动
▪ 滑移总是沿着晶体中原子排列密度最大的晶面 进行
➢ 最密排晶面间距最大,结合力最弱,滑移阻力最小 ➢ 发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向 ➢ 一个滑移面和这个面上的一个滑移方向组成滑移系
结合力,而材料的成分和组织对它的影响不大。改变 材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉 强度)有显著影响,但对材料的刚度影响不大。共价键 结合的材料弹性模量最高,而主要依靠分子键结合的 高分子,由于键力弱其弹性模量最低。弹性模量是和 材料的熔点成正比的,越是难熔的材料弹性模量也越 高。 ▪ 温度的升高导致晶格热运动增强,原子键合刚度下降 →弹性模量随温度上升而稍有降低。
滞性迥线(滞 后迥线)
迥线包围的面积表示输入的能量,即单位体积的材料在每一周期所 消耗的能量(消耗于加热材料和周围的环境)。
原子移动消耗部分机械能为热能而消散
滞弹性对振动过程起阻尼作用
11
四、高弹性
▪ 一般弹性变形不能超过某一个范围。
➢ 如:结晶态物质
▪ 弹性体:可逆弹性变形范围大的材料。
➢ 如:橡胶→100%以上
E 2 G (1 ) 3 K (1 )
泊松比 E2G3KE
2G 6K
横向收缩系数,固体弹性伸长一定量时其横截面的减少量, 为缩短应变与伸长应变的比值。 上述公式适用于各向同性材料。
7
二、弹性模量
▪ E、G、K表示材料的弹性变形阻力,即材料的刚度。 ▪ 材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的