材料的力学性能
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所表现出的性能，主要包括强度、韧性、硬度、塑性等指标。
这些性能对于材料的选择、设计和应用具有重要意义。
下面将分别对材料的强度、韧性、硬度和塑性进行介绍。
首先，强度是材料抵抗破坏的能力，通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等
指标来表示。
强度高的材料具有较好的抗破坏能力，适用于承受大外力的场合。
例如，建筑结构中常使用高强度钢材，以保证结构的安全稳定。
其次，韧性是材料抵抗断裂的能力，也可以理解为材料的延展性。
韧性高的材
料在受到外力作用时能够延展变形而不断裂，具有较好的抗震抗冲击能力。
例如，汽车碰撞安全设计中常使用高韧性的材料，以保护乘车人员的安全。
再次，硬度是材料抵抗划伤和压痕的能力，通常用洛氏硬度、巴氏硬度等指标
来表示。
硬度高的材料具有较好的耐磨损性能，适用于制造耐磨损零部件。
例如，机械设备中常使用高硬度的合金材料来制造齿轮、轴承等零部件。
最后，塑性是材料在受力作用下发生塑性变形的能力，通常用延伸率、收缩率
等指标来表示。
具有良好塑性的材料能够在加工过程中较容易地进行成型和加工，适用于复杂零部件的制造。
例如，塑料制品的生产常使用具有良好塑性的材料，以满足复杂形状的加工需求。
综上所述，材料的力学性能是材料工程领域中的重要指标，对于材料的选择、
设计和应用具有重要意义。
强度、韧性、硬度和塑性是衡量材料力学性能的重要指标，不同的应用场合需要选择具有不同力学性能的材料，以满足工程需求。
因此，深入了解和掌握材料的力学性能，对于材料工程师和设计师来说是非常重要的。
材料力学性能
§2 材料力学性能材料的力学性能，又称机械性能，是材料抵抗外力作用引起变形和断裂的能力。
包括强度、韧性、硬度、塑性、耐磨性、高温力学性能等。
材料的力学性能不仅与材料的成分、显微结构有关，还和承受的载荷大小、种类、加载速度、环境温度、介质等有关。
2.1 强度2.1.1 拉伸试验材料的强度可以通过光滑圆柱试样静拉伸试验确定。
按照一定的标准加工的光滑圆柱试样，在拉伸载荷作用下发生变形，记录载荷大小和伸长量之间的关系，将其转变为应力应变曲线，即可获得材料的强度力学行为。
典型的应力应变曲线包括：弹性变形阶段(Oe段)，屈服阶段(sd段)，变形强化阶段(db段)，缩颈阶段(bk段)，每个阶段反映了材料在不同载荷水平下不同的力学行为。
图3.7 典型的静拉伸应力应变曲线2.1.2 弹性变形在弹性变形阶段，材料中的原子在平衡位置附近作微量位移，载荷消失后微量位移消失，材料宏观外形完全恢复，此时的应力应变曲线满足胡克定律：σ = Eε式中，σ为应力，ε为应变，E为弹性模量。
弹性极限σe：材料由弹性变形过渡到塑性变形时的应力，一般规定产生0.01％塑性变形时的应力为弹性极限值，记为σ0.01 。
弹性模量主要取决于材料的成分，受组织结构影响不大，是个组织不敏感参量。
另外，弹性模量反映了材料中原子间作用力的大小，而材料的熔点也反映了原子间作用力的大小，应此一般地，材料的熔点越高，弹性模量越大。
表3.3 一些材料的弹性模量E(GPa)2.1.3 塑性变形当材料承受的载荷超过弹性极限时，材料将发生不可逆转的永久性变形，称为塑性变形。
在塑性变形阶段，应力应变曲线变成非线性，材料的变形是通过原子价键的断开、重排来实现的。
在晶体材料中，塑性变形主要是通过位错在密排面上沿密排方向的滑移来实现的，因此，晶体结构中位错越容易滑移，则材料的塑性变形越容易。
屈服强度σs：材料出现一定塑性变形时的应力，S为屈服点，多数材料的S 点不明显。
材料力学性能
材料⼒学性能第⼀章：绪论⼀、需要掌握的概念材料⼒学性能的定义、弹性变形、线弹性、滞弹性、弹性后效、弹性模量、泊松⽐、弹性⽐功、体弹性模量⼆、需要重点掌握的内容 1、弹性模量的物理本质以及影响弹性模量的因素； 2、掌握根据原⼦间势能函数推倒简单结构材料弹性模量的⽅法； 3、弹性⽐功的计算，已知材料的应⼒应变曲线能求出材料卸载前和卸载后的弹性⽐功。
材料⼒学性能的定义 是指材料（⾦属和⾮⾦属等）及由其所加⼯成的⼯件在外⼒（拉、压、弯曲、扭转、剪切、切削等）作⽤下⾬加⼯、成型、使役、实效等过程中表现出来的性能（弹塑性、强韧性、疲劳、断裂及寿命等）。
这些性能通常受到的环境（湿度、温度、压⼒、⽓氛等）的影响。
强度和塑性和结构材料永恒的主题！弹性变形 是指材料的形状和尺⼨在外⼒去除后完全恢复原样的⾏为。
线弹性 是指材料的应⼒和应变成正⽐例关系。
就是上图中弹性变形⾥前⾯的⼀段直线部分。
杨⽒模量（拉伸模量、弹性模量） 我们刚刚谈到了线弹性，在单轴拉伸的条件下，其斜率就是杨⽒模量（E）。
它是⽤来衡量材料刚度的材料系数（显然杨⽒模量越⼤，那么刚度越⼤）。
杨⽒模量的物理本质 样式模量在给定环境（如温度）和测试条件下（如应变速率）下，晶体材料的杨⽒模量通常是常数。
杨⽒模量是原⼦价键强度的直接反应。
共价键结合的材料杨⽒模量最⾼，分⼦键最低，⾦属居中。
对同⼀晶体，其杨⽒模量可能随着晶体⽅向的不同⽽不同，俗称各向异性。
模量和熔点成正⽐例关系。
影响杨⽒模量的因素内部因素 --- 原⼦半径 过渡⾦属的弹性模量较⼤，并且当d层电⼦数为6时模量最⼤。
外部因素1. 温度：温度升⾼、原⼦间距增⼤，原⼦间的结合⼒减弱。
因此，通常来说，杨⽒模量随着温度的上升⽽下降。
2. 加载速率：⼯程技术中的加载速率⼀般不会影响⾦属的弹性模量。
3. 冷变形：冷变形通常会稍稍降低⾦属的弹性模量，如钢在冷变形之后，其表观样式模量会下降4% - 6%。
泊松⽐简单来说，泊松⽐就是单轴拉伸或压缩时材料横向应变和轴向应变⽐值的负数。
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在外力的作用下所表现出来的力学特性和性能。
材料力学性能的评价是材料工程中非常重要的一个方面，它直接关系到材料的使用性能和安全性。
下面就常见的材料力学性能进行简要介绍。
1. 强度：材料的强度是指材料在外力作用下抗变形和断裂的能力。
强度是材料力学性能中最基本和重要的指标之一。
常见的强度指标有拉伸强度、屈服强度、抗压强度、剪切强度等。
2. 韧性：材料的韧性是指材料在受到外力作用下的抗冲击和抗断裂能力。
韧性可以通过材料的断裂韧性、冲击韧性等指标来评价。
高韧性的材料具有良好的抗冲击和抗断裂性能。
3. 塑性：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。
材料的塑性可以通过塑性应变、塑性延伸率、塑性饱和应变等指标来描述。
常见的塑性材料有金属材料和塑料材料。
4. 刚性：材料的刚性是指材料在受到外力作用下不易发生形变的能力。
刚性材料具有较高的弹性模量和抗弯刚度。
常见的刚性材料有钢材和铝合金等。
5. 弹性：材料的弹性是指材料在受到外力作用后能自行恢复原状的能力。
弹性材料具有较高的弹性模量和较小的应变率。
常见的弹性材料有弹簧钢和橡胶等。
6. 硬度：材料的硬度是指材料抵抗外部物体对其表面的压入的能力。
硬度指标可以通过洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度等来表示。
硬度高的材料具有较好的抗划伤和抗磨损性能。
7. 耐磨性：材料的耐磨性是指材料在长时间摩擦和磨损作用下的抗磨损能力。
耐磨性可以通过磨损试验来评价。
高耐磨性的材料具有较长的使用寿命。
总的来说，材料力学性能是评价材料使用性能的重要指标，不同材料的力学性能差异很大，选择合适的材料可以提高产品的使用寿命和安全性。
在材料工程中，需要根据具体应用要求和工作环境选择合适的材料，并通过力学性能的评价来保证材料的质量和可靠性。
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
材料的力学性能在一定的温度条件和外力作用下，材料的抗变形和抗断裂能力称为材料的力学性能。
锅炉和压力容器材料的常规力学性能主要包括强度、硬度、塑性和韧性。
(1)强度强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形或断裂的能力。
强度指标是设计中确定许用应力的重要依据。
常用的强度指标为:屈服强度为s，或强度为0.2，抗拉强度为b。
高温工作时，应考虑蠕变极限为N，断裂强度为D。
(2)塑性是指金属材料在断裂前产生塑性变形的能力。
塑性指标包括:断裂伸长率，断裂后试样的相对伸长率;面积圆的减少，断裂点上横截面积的相对减少;和冷弯(角)α,即角测量标本时第一个裂纹在拉伸弯曲表面。
(3)韧性是指金属材料抵抗冲击载荷的能力。
韧性通常表达的冲击能量AK和冲击韧性值αk . k值或αk值不仅反映了材料的耐冲击,但也有些敏感材料的缺陷,可以敏感地反映材质的细微变化,宏观缺陷和微观结构。
而且AK对材料的脆性转变非常敏感，可以通过低温冲击试验来测试钢的冷脆性。
断裂韧度是衡量材料韧性的一个新的指标，它反映了材料的抗裂纹扩展能力。
(4)硬度，硬度是衡量材料硬度和柔软度的性能指标。
硬度测试的方法很多，原理不一样，硬度值和意义也不完全相同。
最常用的是静载荷压痕硬度试验，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、维氏硬度(HV)，其值代表材料表面抵抗坚硬物体冲击的能力。
肖氏硬度(HS)属于回弹硬度试验，其值代表金属的弹性变形功。
因此，硬度不是一个简单的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性的综合性能指标。
力学性能是钢材最重要的使用性能，包括抗拉性能、塑性、韧性及硬度等。
(1)抗拉性能。
表示钢材抗拉性能的指标有屈服强度、抗拉强度、屈强比、伸长率、断面收缩率。
屈服是指钢材试样在拉伸过程中，负荷不再增加，而试样仍继续发生变形的现象。
发生屈服现象时的最小应力，称为屈服点或屈服极限，在结构设计时，一般以屈服强度作为设计依据。
抗拉强度是指试样拉伸时，在拉断前所承受的最大荷载与试样原横截面面积之比。
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。
材料的力学性能
材料的力学性能材料是机械产品制造所必须的物质基础，材料的力学性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能：是指材料在使用过程中表现出来的性能，它包括力学性能和物理、化学性能等。
工艺性能：是指材料对各种加工工艺适应的能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。
切削加工的过程一般在常温下，在不改变材料物理、化学性能的前提下，去除材料上多余金属，使之成为成品的过程。
材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现的抵抗能力。
材料的力学性能是确定材料切削加工方案的主要依据。
1.1材料的强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。
工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。
屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs 表示。
抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。
对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。
低碳钢拉伸试验铸铁拉伸试验结论一：在切削加工中，假定其他条件不变，则随着被加工材料强度极限（或弹性模量）的增大，切削力也随之增大，机床负荷增加。
而且在工件安装方面，注意要有足够的夹紧力。
2材料的塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。
(1)伸长率AA= （L1-L0）/L0 ×100%式中： L0—试样原标距的长度（mm）L1—试样拉断后的标距长度（mm）(2) 断面收缩率φ断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。
φ= （A0-A1）/A0 ×100%式中：A0—试样的原始截面积（mm2）A1—试样断面处的最小截面积（mm2）伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。
材料的力学性能报告
材料的力学性能读书报告一、材料的力学性能材料的力学性能是材料的宏观性能，可以定义为材料抵抗力与外形所呈现的性能。
一般指材料在不同温度下承受各种外加载荷时所表现出的力学特征，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性等。
研究材料的力学性能是材料取得实际应用的基础。
二、应力与应变当材料在外力作用下不能产生位移时，其几何形状和尺寸将发生变化，即形变，其原子、分子、离子间的相对位置和距离会发生变化，在材料的内部会产生原子、分子或离子间的附加内力来抵抗外力，并试图恢复到原来的状态，当达到平衡时，这种附加内力与外力相等、方向相反。
材料单位面积上所受的附加内力，其值等于单位面积上所受的外力，即应力。
表达式F=σ／A ，式中σ为应力，F 为外力，A 为面积。
应变是用来表征材料受力时内部各质点间的相对位移。
晶体材料的应变分为拉伸应变ε、剪切应变γ、压缩应变Δ拉伸应变 剪切应变 压缩应变 0001l l l l l ∆=-=ε0010V V V V V ∆=-=∆γ=tanθ拉伸应变是指材料受到垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用在同一条直线上的两个拉伸应力时材料发生的形变。
剪切应变是指材料受到平行于截面积的大小相等、方向相反的两个剪切力时发生的形变。
压缩应变是指材料周围受到均匀应力P时，其体积从开始时的V0变化为V1=V0-V 的形变。
三、弹性形变及其性能指标1.对于理想的弹性材料，在应力的作用下会发生弹性形变其应力与应变关系2.服从Hook定律：σ=Eε比例系数E成为弹性模量（Elastic Modulus）,又称弹性刚度3.三种应变类型的弹性模量杨氏模量E、剪切模量G、体积模量B弹性模量的物理本质:原子间结合强度的标志之一弹性模量实际与曲线上受力点的曲线斜率成正比。
影响弹性模量的主要因素①原子结构和键合方式②晶体结构③化学成分④温度⑤微观结构4.泊松比μ:在拉伸试验中，材料横向单位面积的减少与纵向单位面积长度的增加之比值，即在E、G、B和μ四个参数中只有两个独立：E=2G(1+μ) =3B(1-2μ)四、材料的塑形、屈服与应变硬化1.塑性：材料在外力去除后仍保持部分应变的特性塑性形变在足够大的剪切应力 作用下或温度T较高时，材料中的晶体部分会沿着最易滑移的系统在晶粒内部发生位错滑移，宏观上表现为材料的塑性形变。
材料的力学性能有哪些
材料的力学性能有哪些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特点。
它是材料科学中的一个重要研究内容，对于材料的设计、选择和应用具有重要意义。
材料的力学性能包括强度、韧性、硬度、塑性、脆性等方面，下面将对这些方面逐一进行介绍。
首先，强度是材料抵抗外力破坏的能力。
强度可以分为拉伸强度、压缩强度、弯曲强度等。
拉伸强度是材料在拉伸状态下抵抗破坏的能力，而压缩强度是材料在受压状态下抵抗破坏的能力。
弯曲强度是材料在受弯曲力作用下抵抗破坏的能力。
强度是衡量材料抗破坏能力的重要指标，不同材料的强度差异很大，因此在工程实践中需要根据具体要求选择合适的材料。
其次，韧性是材料抵抗断裂的能力。
韧性是材料在受外力作用下能够吸收能量的能力，通常用断裂前的变形能量来衡量。
高韧性的材料具有良好的抗冲击性和韧性，适用于需要承受冲击或振动负荷的场合。
硬度是材料抵抗划痕或压痕的能力。
硬度是材料表面抵抗外力作用的能力，通常用洛氏硬度、巴氏硬度等来表示。
硬度高的材料具有较好的耐磨性和耐划伤性能，适用于需要耐磨的场合。
塑性是材料在受外力作用下发生塑性变形的能力。
塑性材料具有较好的延展性和变形能力，能够在受力作用下发生塑性变形而不断裂。
塑性材料适用于需要进行成形加工的场合。
脆性是材料在受外力作用下容易发生断裂的性质。
脆性材料在受到外力作用时往往会迅速发生断裂，具有较低的韧性和塑性。
脆性材料适用于需要高强度和刚性的场合。
总的来说，材料的力学性能是材料科学中的重要内容，不同的力学性能决定了材料在不同工程领域的应用范围。
在材料的选择和设计过程中，需要综合考虑材料的强度、韧性、硬度、塑性、脆性等性能指标，以满足工程实际需求。
同时，对于不同的工程应用，需要选择具有合适力学性能的材料，以确保工程的安全可靠性。
材料的力学性能
材料的失效(failure)：
如果材料抵抗变形与断裂的能力与服役条件不适应，则机件失 去预定效能（过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、磨损等）， 材料的力学性能又可以称为失效抗力。
0 绪论
影响力学性能的因素
内在因素 外在因素
化 学 成 分
显 微 组 织
冶 金 质 量
残 余 应 力
载 荷 性 质
应 力 状 态
拉伸曲线：载荷－伸长曲线（P-l） 弹性变形 塑性变形 屈 服 颈 缩
1 材料在静载荷下的力学性能
应力－应变(stress-strain)曲线
比例极限 弹性极限 屈服极限
强度极限
断裂强度
1 材料在静载荷下的力学性能
强度指标及其测定方法
（1）比例极限
p Pp/A0 (MPa) 当应力比较小时，试样的伸长随应力成正比 地增加，保持直线关系。当应力超过σp时， 曲线开始偏离直线，因此称σp为比例极限， 是应力与应变成直线关系的最大应力值。
弗里德曼统一考虑了不同应力状态下的强度极限与失效形式，用图解的方 法把它们的关系作了概括－－力学状态图 。
RAL 1 材料在静载荷下的力学性能
应力状态软性系数：
某一应力状态下的最大切 应力和最大正应力之比： 弹塑性变形区 正断区 切断区
max
max
弹性变形区 对于不同的材料，其力学性能指标τs,τK和σK也 各不相同，只有选择与应力状态相适应的试验 方法进行试验时，才能显示出不同材料性能上 的特点。
温 度
环 境
0 绪论
不同服役条件对材料的性能要求不同
1、材料在静载荷下的力学性能
1 材料在静载荷下的力学性能
材料力学性能指标是结构设计、材料选择、工艺评价以及材料检验的主要依 据。测定材料力学性能最常用的方法是静载荷方法，即在温度、应力状态和 加载速率都固定不变的状态下测定力学性能指标的一种方法。
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所表现出的力学特性，包括弹性模量、屈服强度、断裂强度等。
这些性能对于材料的工程应用具有重要意义，影响着材料的可靠性和安全性。
下面将从几个方面对材料的力学性能进行介绍。
首先，弹性模量是衡量材料刚度的重要指标。
弹性模量越大，材料的刚度越高，它能够反映材料在受力时的变形能力。
一般来说，金属材料的弹性模量较高，而塑料和橡胶等弹性体的弹性模量较低。
弹性模量的大小直接影响着材料的应力应变关系，对于材料的设计和选用具有重要的指导意义。
其次，屈服强度是材料在受力过程中发生塑性变形的临界点。
当材料受到外力作用时，首先会出现线性弹性变形，当达到一定应力值时，材料会发生塑性变形，这个应力值就是屈服强度。
屈服强度的大小决定了材料的抗塑性变形能力，也是衡量材料抗拉伸、抗压性能的重要参数。
另外，断裂强度是材料在受力过程中发生断裂的临界点。
当材料受到外力作用时，当应力达到一定值时，材料会发生断裂。
断裂强度是衡量材料抗断裂能力的重要参数，也是材料设计和选用的重要参考。
除了以上几个重要的力学性能参数外，材料的硬度、韧性、疲劳性能等也是影响材料力学性能的重要因素。
硬度是材料抵抗划痕和压痕的能力，韧性是材料抗冲击和断裂的能力，疲劳性能是材料在交变应力作用下的抗疲劳能力。
这些性能参数综合影响着材料在不同工程应用中的使用性能。
总的来说，材料的力学性能直接关系着材料的可靠性和安全性，对于材料的设计、选用和应用具有重要的指导意义。
因此，我们在工程实践中需要充分了解材料的力学性能参数，合理选择材料，确保工程的安全可靠。
同时，也需要不断开展材料力学性能的研究，提高材料的性能，推动工程材料的发展和应用。
材料的力学性能
第一章材料的力学性能一、名词解释1、力学性能：材料抵抗各种外加载荷的能力，称为材料的力学性能。
2、弹性极限：试样产生弹性变形所承受的最大外力，与试样原始横截面积的比值，称为弹性极限，用符号σe表示。
3、弹性变形：材料受到外加载荷作用产生变形，当载荷去除，变形消失，试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
4、刚度：材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值，称为刚度，用符号E表示。
5、塑性：材料在外加载荷作用下，产生永久变形而不破坏的性能，称为塑性。
6、塑性变形：材料受到外力作用产生变形，当外力去除，一部分变形消失，一部分变形没有消失，这部分没有消失的变形称为塑性变形。
7、强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力，称为强度。
8、抗拉强度：材料在断裂前所承受的最大外加拉力与试样原始横截面积的比值，称为抗拉强度，用符号σb表示。
9、屈服：材料受到外加载荷作用产生变形，当外力不增加而试样继续发生变形的现象，称为屈服。
10、屈服强度：表示材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力，用符号σs表示。
11、σ0.2：表示条件屈服强度，规定试样残留变形量为0.2％时所承受的应力值。
用于测定没有明显屈服现象的材料的屈服强度。
12、硬度：金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力，即材料抵抗局部塑性变形的能力，称为硬度。
13、冲击韧度：材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力，称为冲击韧度，用符号αk表示。
14、疲劳：在交变载荷作用下，材料所受的应力值虽然远远低于其屈服强度，但在较长时间的作用下，材料会产生裂纹或突然的断裂，这种现象称为疲劳。
15、疲劳强度：材料经无数次应力循环而不发生断裂，这一应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用符号σ-1表示。
16、蠕变：材料在高温长时间应力作用下，即使所加应力值小于该温度下的屈服极限，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂，这种现象称为蠕变。
17、磨损：由两种材料因摩擦而引起的表面材料的损伤现象称为磨损。
材料的力学性能
最大抗弯强度
在材料破裂前，所能承受的最大弯曲 力矩。
断裂延伸率
材料在破断前所承受的弯曲变形量。
材料的剪切性能
切应变曲线
材料受到剪切力时，会先经历 弹性变形，然后破裂。
最大抗剪强度
材料在破坏前，所能承受的最 大剪切力矩。
剪切模量
单位切应变下单位切应力增加 量。
材料的疲劳性能
疲劳曲线
材料在交替拉伸和压缩力 下，经历特有的曲线。
材料的力学性能
材料的力学性能指物质在受到外力作用下，所体现的各种性能指标。了解材 料的力学性能对于制造安全耐用产品非常重要。
材料的分类
金属材料
包括铜、铁、铝、锌等。
高分子材料
如塑料和橡胶。
陶瓷材料
如瓷器和花盆。
材料的拉伸性能
1
压应变曲线
材料在受到拉伸力时，会先加热和塑性变形，然后进入弹性状态，最后脆性破裂。
2
杨氏模量
单位应变下单位应力增加量。
3
抗拉强度
在材料破裂时，受到的最大拉伸力。
材料的压缩性能
变形曲线
材料在受到压缩力时，会 依次经历弹性变形、塑性 变形和破裂。
端面压缩强度
在材料破坏前所能承受的 压缩强度。
最大侧面延展率
在材料破坏前，材料的体 积压缩程度。
材料的弯曲性能
1
弹性模量
Hale Waihona Puke 2单位应力下单位应变增加量。
疲劳极限
材料在特定的周期循环下 所承受的最大力。
疲劳寿命
材料在特定循环下可以承 受的次数。
材料的韧性性能
韧性应力-应变曲线
延性
材料在断裂前所能吸收的能量。
材料在受到大变形时，能够继 续存在，而不会直接破裂。
材料的力学性能
第五章材料的力学性能§5.1 概述前一章讨论变形体静力学时，研究、分析与解决问题主要是利用了力的平衡条件、变形的几何协调条件和力与变形间的物理关系。
物体系统处于平衡状态，则系统中任一物体均应处于平衡状态，物体中的任一部分亦应处于平衡状态。
力的平衡问题，与作用在所选取研究对象上的力系有关；在弹性小变形条件下，变形对于力系中各力作用位置的影响可以不计，故力的平衡与材料无关；用第二章所讨论的平衡方程描述。
变形的几何协调条件，是在材料均匀连续的假设及结构不发生破坏的前题下，结构或构件变形后所应当满足的几何关系，主要是几何分析，也不涉及材料的性能。
因此，研究变形体静力学问题，主要是要研究力与变形间的物理关系。
力与变形间的物理关系显然是与材料有关的。
不同的材料，在不同的载荷、环境作用下，表现出不同的力学性能（或称材料的力学行为）。
前一章中，我们以最简单的线性弹性应力-应变关系—虎克定律，来描述力与变形间的物理关系，讨论了变形体力学问题的基本分析方法。
这一章将对材料的力学性能进行进一步的研究。
材料的力学性能，对于工程结构和构件的设计十分重要。
例如，所设计的构件必须足够“强”，而不至于在可能出现的载荷下发生破坏；还必须保持构件足够“刚硬”，不至于因变形过大而影响其正常工作。
因此需要了解材料在力的作用下变形的情况，了解什么条件下会发生破坏。
由力与变形直至破坏的行为研究中确定若干指标来控制设计，以保证结构和构件的安全和正常工作。
材料的力学性能是由试验确定的。
试验条件（温度、湿度、环境）、试件几何（形状和尺寸）、试验装置（试验机、夹具、测量装置等）、加载方式（拉、压、扭转、弯曲；加载速率、加载持续时间、重复加载等）、试验结果的分析和描述等，都应按照规定的标准规范进行，以保证试验结果的正确性、通用性和可比性。
113114本章主要讨论材料的一般力学性能及其描述。
§5.2 低碳钢拉伸应力—应变曲线常用拉伸试样如图5.1所示。
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材料的力学性能mechanical properties of materials主要是指材料的宏观性能，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。
它们是设计各种工程结构时选用材料的主要依据。
各种工程材料的力学性能是按照有关标准规定的方法和程序，用相应的试验设备和仪器测出的。
表征材料力学性能的各种参量同材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特性（静力、动力、冲击力等）、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。
材料的各种力学性能分述如下：弹性性能材料在外力作用下发生变形，如果外力不超过某个限度，在外力卸除后恢复原状。
材料的这种性能称为弹性。
外力卸除后即可消失的变形，称为弹性变形。
表示材料在静载荷、常温下弹性性能的一些主要参量可以通过拉伸试验进行测定。
拉伸试样常制成圆截面(图1之a)或矩形截面(图1之b)棒体,l为标距,d为圆形试样的直径,h和t分别为矩形截面试样的宽度和厚度,图中截面形状用阴影表示,面积记为A。
长度和横向尺寸的比例关系也有如下规定：对于圆形截面试样,规定l=10d或l=5d；对于矩形截面试样,按照面积换算规定或者。
试样两端的粗大部分用以和材料试验机的夹头相连接。
试验结果通常绘制成拉伸图或应力－应变图。
图2为低碳钢的拉伸图,横坐标表示试样的伸长量Δl(或应变ε=Δl/l)，纵坐标表示载荷P（或应力σ＝P/A）。
图中的曲线从原点到点p为直线，pe段为曲线，载荷不大于点e所对应的值时,卸载后试样可恢复原状。
反映材料弹性性质的参量有比例极限、弹性极限、弹性模量、剪切弹性模量和泊松比等。
比例极限应力和应变成正比例关系的最大应力称为比例极限，即图中点p所对应的应力,以σp表示。
在应力低于σp的情况下，应力和应变保持正比例关系的规律叫胡克定律。
载荷超过点p对应的值后,拉伸曲线开始偏离直线。
弹性极限试样卸载后能恢复原状的最大应力称为弹性极限，即图中点e所对应的应力,以σe表示。
若在应力超出σe后卸载，试样中将出现残余变形。
比例极限和弹性极限的测试值敏感地受测试精度的影响，并不易测准，所以在有关标准中规定，对于拉伸曲线的直线部分产生规定偏离量（用切线斜率的偏差表示）的应力作为"规定比例极限"。
对于弹性极限，规定以产生某一微量残余变形对应的应力作为"规定弹性极限"，例如，以产生0.01％残余变形所对应的应力为规定弹性极限,记为σ。
实际上，比例极限和弹性极限很接近。
弹性模量材料在弹性变形阶段内,应力和应变的比值称为弹性模量。
以E表示弹性模量，则E=σ/ε或σ＝Eε。
因英国的T.杨首先给出弹性模量的定义，所以弹性模量又称杨氏模量。
剪切弹性模量处在剪切弹性变形阶段的材料中剪应力τ和剪应变γ也存在正比例关系，其比值称为剪切弹性模量，简称剪切模量。
以G表示剪切弹性模量，则G＝τ/γ或τ＝Gγ。
泊松比材料沿载荷方向产生伸长（或缩短）变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短（或伸长）变形。
垂直方向上的应变ε1与载荷方向上的应变ε之比的负值称为材料的泊松比。
以v表示泊松比，则v＝-ε1/ε。
在材料弹性变形阶段内，v是一个常数。
理论上,材料的三个弹性常数E、G、v中，只有两个是独立的,因为它们之间存在如下关系：G＝E/2(1＋v)。
塑性性能载荷卸除后不能消失的变形称为残余变形。
材料保持残余变形的能力称为塑性，因而残余变形又称为塑性变形。
反映材料塑性性能的参量有屈服极限、延伸率和断面收缩率等。
此外，与塑性性能有关的现象有材料的强化现象和拉伸试样的颈缩现象。
若加载在材料中引起的应力超过σe，则卸载后有一部分变形不能消失，这种变形就是塑性变形。
屈服极限在拉伸试验中，若试样中的应力到达图2中y点所对应的值，即使载荷不再增大，试样仍继续伸长，因而在拉伸曲线上出现一水平段（ys段），这种现象称为屈服或流动。
屈服现象是由于金属中晶体的滑移造成的。
曲线上点y的应力值σy称为材料的屈服极限,也称流动极限。
对于无屈服现象的材料，工程上规定，用对应于0.2％塑性变形量的应力作为"规定屈服极限"，常称为屈服强度，记为σ0.2。
强化屈服阶段结束后，拉伸曲线又呈上升状，即要使试样继续变形，就须增大载荷，这种现象称为材料强化。
图2中sB段曲线为强化阶段。
在点B以前，试样的塑性变形是各处均匀的，点B对应于载荷最大值,其值Pb除以试样原横截面积A,所得的应力称为材料的强度极限，以σb表示，即σb=Pb/A。
颈缩应力到达强度极限后，试样的塑性变形开始集中于某一部位，该处的截面积逐渐缩小，这种现象称为颈缩（图3）。
由于局部截面积收缩，试样能承受的载荷也就不断下降，最后到达曲线上的点k时试样被拉断。
若考虑试样的颈缩，则应力应为瞬时载荷除以相应瞬时的实际最小面积，这样作出的应力－应变曲线如图2中虚线所示。
延伸率试样拉断后标距长度l1与原长l之差为总残余伸长量，它与原长的比值称为延伸率。
以δ表示延伸率，一般写成百分比的形式，即。
由于试样断裂前经历了局部塑性变形，所以延伸率的大小同试样原长和横截面积有关。
为了进行比较，规定对于长度是直径10倍的圆截面试样和的矩形截面试样,延伸率记为δ10；长度是直径5倍的圆截面试样和的矩形截面试样，延伸率记为δ10。
断面收缩率设试样拉断后断口处的最小面积为A1，则截面收缩量A－A1与原截面面积A之比值的百分数称为断面收缩率。
以ψ表示断面收缩率，则有：。
对圆形截面试样，规定用断口处的最小直径计算A1；矩形截面试样则用断口处的最大宽度h1与最小厚度t1的乘积表示A1,即A1=h1×t1（图4）。
工程上常将材料区分为两类，常温静载荷下破坏时塑性变形较大（一般为δ＞5％）的材料称为塑性材料；塑性变形较小的材料称为脆性材料。
低碳钢是典型的塑性材料，它在拉伸试验过程中表现出的各种力学性能最为复杂。
试验表明,低碳钢在压缩时的弹性模量E、屈服极限σy都与拉伸时相同。
屈服后试样越压越扁，横截面不断增大，所以低碳钢无压缩强度极限。
铸铁是典型的脆性材料，拉伸和压缩时均无屈服现象，破坏时塑性变形量很小。
铸铁试样在拉伸破坏时沿横截面断裂，强度极限较低,压缩时沿大约与轴线成45°角的斜面破坏,且压缩时的强度极限比拉伸时高4～5倍。
硬度固体对外界物体入侵的局部抵抗能力,是比较各种材料软硬的指标。
由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。
总的来看，可分为划痕硬度、压入硬度和回跳硬度。
各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。
划痕硬度主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒,将被测材料沿棒划过,根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。
定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。
压入硬度主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。
由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。
回跳硬度主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。
抗冲击性能许多机器或其构件如锻锤、冲床、凿岩机、铆钉枪和炮筒、装甲板等，在工作中要承受冲击载荷，它是以很大速度施加到结构或构件上的载荷。
由于加载速度很大，所以构件应变的速率也很大。
研究表明,若应变速率小于10-4～10-2秒-1,可看成静载问题；若大于10-2秒-1，就必须作为冲击问题。
受冲击时弹性变形是以声速在介质中传播的，所以大多数材料(尤其是金属)的弹性变形的变化可以跟上冲击载荷的变化；而塑性变形的变化难以跟上载荷的变化，所以在冲击载荷下原来塑性较好的材料也会出现脆化的趋向。
脆化显著地降低了材料抗冲击的能力。
一种材料能否承受冲击载荷，不仅要看所承受的瞬时载荷值，而且要看载荷在冲击延续时间内造成的材料变形量。
表示材料抵抗冲击载荷能力的参量有冲击功和冲击韧性，可由材料的冲击试验来确定。
冲击功使试样在冲击载荷下破断所必须的有效功，通常由冲击试验求得。
试验中所用的带缺口的标准冲击试样和冲击试验机如图5和图6所示。
试验中摆锤冲断试样过程中所作的功就是冲击功AK，其值为：A K =W(H 1-H 2)，式中W 为摆锤重量;H1为摆锤开始下落时的高度;H2为试样冲断后摆锤摆起的高度。
除了标准的冲击试样外,有时也用非标准试样，它们主要是缺口的形式有些不同。
对于某些脆性材料，常采用无缺口冲击试样。
在研究工作中，有时还采用拉伸冲击试验和扭转冲击试验。
冲击韧性记为αK ，它等于冲击功A K 除以试样缺口处在冲击前的截面积F，即αK ＝A K /F。
冲击韧性是评定材料冲击抗力的实用指标，它的大小不仅取决于材料的性能，而且还随试样的形状、尺寸、缺口形式等在很大范围内变化。
摆锤消耗的能量并不全为试样吸收，有一部分转化为其他形式的耗散功，所以并不能精确地表示材料在冲击载荷作用下破坏时所吸收的总冲击能量。
另外，被试样吸收的能量也主要为缺口附近材料的塑性变形所消耗。
因此，冲击韧性只能作为工程上比较材料抗冲击性能的相对标准；不同尺寸和缺口形状的试样的冲击韧性不能相互换算。
在使用非标准试样时，对试验条件须作说明。
值对材料的某些缺陷很敏感，能够反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小αK变化，因而在生产上常用来检验冶炼、热加工和热处理等的工艺质量。
温度与材料性能的关系工程中的许多结构处于高温或低温环境，如发动机、核反应堆、化工设备、火箭和高速飞机等。
温度对材料的各种力学性能都有影响。
就金属而言,温度升高往往使其弹性模量和硬度减小,延伸率加大，蠕变和松弛（见蠕变）现象更加明显；而温度降低则往往使材料脆化。
在选择工程材料时必须考虑到：每一种材料只是在一定的温度范围内具有较高的强度。
如某些普通塑料只能在40～50℃以下使用，超出此范围，强度会明显降低，甚至不能保持自身形状。
多数铝合金在200℃以上强度会明显下降；在低温下，抗拉、抗剪能力会显著下降而容易发生脆断。
对于各种在高温或低温下工作的结构材料，必须通过试验测定其力学性能，试验的加载方式与常温试验大体相同。
工程中所采用的材料日益广泛，材料所处的环境也日益复杂，因此还要从更多的方面研究材料的力学性能，如研究蠕变性能、断裂韧性以及冲击载荷下材料的力学性能。