材料力学性能 第三章1--2
结构材料的力学性能资料
三、钢筋与混凝土相互作用
（一）. 粘结力
胶合力
钢
筋
摩擦力
机械咬合力
主要作用
带肋钢筋的机械咬合力 > 光圆钢筋的机械咬合力 注意：钢筋表面的轻微锈蚀也增加它与混凝土的粘结力
（2）粘结应力分析 (以拉拔试验为例)
由试验可知： （1）最大粘结应力在离开端 部的某一位置出现，且随拔 出力的大小而变化，粘结应 力沿钢筋长度是曲线分布； d P （2）钢筋的埋入长度越长， 拔出力越大，但埋入长度过 大时，则其尾部的粘结应力 很小，基本不起作用； （3）粘结强度随混凝土强度 等级的提高而增大； （4）带肋钢筋的粘结强度高 于光圆钢筋，而在光圆钢筋 末端做弯钩大大提高拔出力
P
土的应变随时间继续增
长的现象被称为徐变。
二、混 凝 土
2. 混凝土的变形
长期荷载作用下混凝土的变形性能----影响徐变的因素
•应力： c<0.5fc，徐变变形与应力成正比----线性徐变 0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变 c>0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定 •加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大 •水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大 •骨料越硬，徐变越小
解：1、直径为28mm>25mm,锚固长度需乘以修正系数取1.1；
2、 钢筋在锚固区的混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍且配 有箍筋，锚固长度需乘以修正系数取0.8；
3、实配钢筋较多，需乘以1/1.05
故：
la lab 1.1 0.8
fy ft
d
1 360 0.14 32 663m m 1.05 2.04
纵向受力钢筋为HRB400级，直径为28mm，求纵 向受拉钢筋的锚固长度。
第三章 材料在冲击载荷下的力学性能-2
落锤样坯
落锤试验过程
落锤样坯断裂形貌
3.3.6 影响韧脆转变温度的因素
（1）晶格类型的影响
（2）ky-------位错被第二相等钉扎的常数。对于BCC金属， Fe、Mo的 ky 高；Ni、Ti的 ky 低。在-Fe中，含N低碳 钢ky比C高。 ky随温度增加不明显。
（3）d-----晶粒直径/位错滑移距离。细晶冷脆转变温度。
（4）-----与应力有关的常数。对于扭转， =1；拉伸时 =0.5；缺口拉伸， 1/3。
•氮、碳等原子被吸收到Ni、Mn所造成的局部畸变 区中去，减少了它们对位错运动的钉扎作用。
•在钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等， 是通过细化晶粒和形成第二相质点来响韧脆转变 温度的，它和热处理后的组织密切相关。Biblioteka （3）晶粒大小对TK的影响
• 晶界前塞积的位错数目较 少，有利于减少应力集中；
晶界对裂纹扩展有阻碍 作用。晶粒越细，则晶 界越多，阻碍作用越大。
晶界总面积增加，使晶界上杂质浓 度减少，避免产生沿晶脆性断裂又 提高了它的塑性和韧性。
形变强化、固溶强化、弥散强化(沉淀强化)等方法，在 提高材料强度的同时，总要降低一些塑性和韧性。
• 面心立方晶格金属塑性、韧性好，体心立方和密排六 方金属的塑性、韧性较差。
• 面心立方晶格的金属，如铜、铝、奥氏体钢，一般不 出现解理断裂而处于韧性状态，也没有韧-脆转变，其 韧性可以维持到低温。
• 体心立方晶格的金属，如铁、铬、钨和普通钢材，韧 脆转变受温度及加载速率的影响很大，因为在低温和 高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易激发解理断 裂。
第三章 结构材料的力学性能及指标
第一节 结构材料基本要求
塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，
有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。 弹性变形与塑性变形的区别：前者为可逆变形，后 者为不可逆变形。 材料塑性性能是决定结构或构件是否安全可靠的重要 参数之一，可以通过测量材料伸长取断面收缩率或冷弯 性能来确定材料的塑性性能。
第一节 结构材料基本要求
一、结构材料力学性能的基本要求
工程结构对材料力学性能的要求是通过力学性能指标 来实现的，而力学性能指标又是通过实验方法测定的。 结构材料主要力学性能指标有：强度、弹性、塑性、 冲击韧性与冷脆性、徐变和松弛等。
第一节 结构材料基本要求
(一)强度
强度是材料抵抗破坏能力的指标。
二、其他要求
结构材料不仅要满足强度、弹性、塑性等力学性能方
面的要求，还有满足其他的一些基本要求：
1．协同工作性能
材料的协同工作性能是指两种或两种以上的材料或杆 件可以融合成一体，共同参与受力和变形，而不会轻易 分开的性能。 如钢材的可焊性、钢筋和混凝土之间的共同工作性能
以及砌块与砂浆之间的粘结性能等。
能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。这种外力消失 后瞬间恢复的变形称为弹性变形。
弹性模量：是反映材料受力时抵抗弹性变形的能力，
即材料的刚度，它是钢材在静荷载作用下计算结构变形 的一个重要指标。 在弹性范围内，弹性模量为常数，其值等于应力与应 变的比值，即：Es=σ/ε 弹性模量越大，材料的刚度越大，即越不容易变形。
第一节 结构材料基本要求
(三)冲击韧性
冲击韧性是指钢材抗冲击而不破坏的能力。
冲击韧性与材料的塑性有关，但是又不等同于塑性，
它是强度和塑性的综合指标。
材料的冲击韧性与其内在质量、宏观缺陷和微观组成
工程材料力学性能第三章资料
1.摆锤冲断试样失去的位能 Ak=GH1—GH2， 试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功.单 位为J。 冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功Ak 表示。 2.冲击吸收功Ak的大小并不能 真正反映材料的韧脆程度, 部 分功消耗于试祥扔出、机身振 动、空气阻力以及轴承与测量 机构的摩擦消耗。
三 应变速率增加，抗拉强度增加，而且应变速率的 强度关系随温度的增加而增加。
图 应变速率对铜在各种温度下抗拉强度的影响
第二节
冲击弯曲和冲击韧性
不含切口零件的冲击：冲击能为零件的整个体积均 匀地吸收，从而应力和应变也是均匀分布的； 零件 体积愈大，单位体积吸收的能量愈小，零件所受的 应力和应变也愈小。 含切口零件的冲击：切口根部单位体积将吸收更多 的能量，使局部应变和应变速率大为升高。 另一个 特点是：承载系统中各零件的刚度都会影响到冲击 过程的持续时间、冲击瞬间的速度和冲击力大小。 这些量均难以精确测定和计算。且有弹性和塑 性。 因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表示 材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力 学性能。
3.对于屈服强度大致相同的材料，根据Ak值评定材料 对大能量冲击破坏的缺口敏感性。 如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值： 4.评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。
第三节 低温脆性 一、 低温脆性 低温脆性:一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、 Mo 和W，当温度降低到某一温度时，由于塑性降低 到零而变为脆性状态。 从现象上看，是屈服强 度随温度降低而急剧增加的结果 倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂 强度升高较慢，则在某一温度Tc以下，σs>σc， 金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现 为脆性的； 而在Tc以上，σs<σc，金属在断裂 前发生塑性变形，故表现为塑性的。 低温脆性对压力容器\桥梁和船舶结构以及在低温 下服役的机件是非常重要的.
《材料物理性能》课后习题答案
《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=AA l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1 / 101-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
材料力学性能-第2版课后习题答案
第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料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称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形,卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面.6．塑性:金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性)变形的能力。
韧性:指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b 的台阶.8。
河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时，便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂,因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内,可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂.沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂.11。
韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时,可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等2、 说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标?答：主要决定于原子本性和晶格类型。
材料力学性能知到章节答案智慧树2023年西安工业大学
参考答案:
越宽
35.典型疲劳断口具有3个特征区分别为（）。
参考答案:
疲劳裂纹扩展区
;疲劳源
;瞬断区
36.疲劳条带和贝纹线均属于疲劳断口的微观特征形貌。（）
参考答案:
错
37.同种材料不同应力状态下，表现出的应力～寿命曲线是不同的，相应的疲劳极限也不相同。一般而言，对称弯曲疲劳极限（）对称拉压疲劳极限。
参考答案:
错
26.线弹性断裂力学研究方法之一是应力应变分析方法，与之相对应的是（）判据。
参考答案:
K
27.要测量金属材料的断裂韧性（断裂韧度）KIC，中国国家标准中规定了四种试样，下列中不属于这四种试样的是（）。
参考答案:
标准四点弯曲试样
28.奥氏体钢的KIC比马氏体钢的高。）
参考答案:
对
29.对于过共析钢而言，如果沿晶界析出二次渗碳体的数量逐渐增多，则该材料的KIC（）。
参考答案:
晶粒大小
;金相组织
;加载速度
第四章测试
23.裂纹扩展的基本形式有（）。
参考答案:
滑开型
;张开型
;撕开型
24.某材料的KIC=50MPa·m^-1/2，承受1000MPa的拉应力，假设K=1.2σ(πa)^1/2，该试样的临界裂纹尺寸是（）。
参考答案:
1.1mm
25.应力场强度因子，综合反映了外加应力和裂纹长度、裂纹形状对裂纹尖端应力场强度影响，是材料本身固有的力学性能。（）
参考答案:
错
59.两表面完全分开，形成液体与液体之间的摩擦是流体摩擦。（）
参考答案:
工程材料力学性能各章节复习知识点
⼯程材料⼒学性能各章节复习知识点⼯程材料⼒学性能各个章节主要复习知识点第⼀章弹性⽐功：⼜称弹性⽐能，应变⽐能，表⽰⾦属材料吸收弹性变形功的能⼒。
滞弹性：对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。
包申格效应：⾦属材料经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（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应⼒降低的现象。
塑性：指⾦属材料断裂前发⽣塑性变形的能⼒。
脆性：材料在外⼒作⽤下（如拉伸，冲击等）仅产⽣很⼩的变形及断裂破坏的性质。
韧性：是⾦属材料断裂前洗⼿塑性变形功和断裂功的能⼒，也指材料抵抗裂纹扩展的能⼒。
应⼒、应变；真应⼒，真应变概念。
穿晶断裂和沿晶断裂：多晶体材料断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂穿过晶内；沿晶断裂沿晶界扩展。
拉伸断⼝形貌特征？①韧性断裂：断裂⾯⼀般平⾏于最⼤切应⼒并与主应⼒成45度⾓。
⽤⾁眼或放⼤镜观察时，断⼝呈纤维状，灰暗⾊。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，⽽灰暗⾊则是纤维断⼝便⾯对光反射能⼒很弱所致。
其断⼝宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。
②脆性断裂：断裂⾯⼀般与正应⼒垂直，断⼝平齐⽽光亮，常呈放射状或结晶状。
板状矩形拉伸试样断⼝呈⼈字形花样。
⼈字形花样的放射⽅向也与裂纹扩展⽅向平⾏，但其尖端指向裂纹源。
韧、脆性断裂区别？韧性断裂产⽣前会有明显的塑性变形，过程⽐较缓慢；脆性断裂则不会有明显的塑性变形产⽣，突然发⽣，难以发现征兆拉伸断⼝三要素？纤维区，放射区和剪切唇。
缺⼝试样静拉伸试验种类？轴向拉伸、偏斜拉伸材料失效有哪⼏种形式？磨损、腐蚀和断裂是材料的三种主要失效⽅式。
材料的形变强化规律是什么？层错能越低，n越⼤，形变强化增强效果越⼤退⽕态⾦属增强效果⽐冷加⼯态是好，且随⾦属强度等级降低⽽增加。
在某些合⾦中，增强效果随合⾦元素含量的增加⽽下降。
材料的晶粒变粗，增强效果提⾼。
材料的力学性能
第三章 材料的力学性能第一节拉伸或压缩时材料的力学性能一、 概述分析构件的强度时，除计算应力外，还应了解材料的力学性质(Mecha nicaiproperty )，材料的力学性质也称为机械性质，是指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等 方面的特性。
它要由实验来测定。
在室温下，以缓慢平稳的方式进行试验，称为常温静载试 验，是测定材料力学性质的基本试验。
为了便于比较不同材料的试验结果，对试件的形状、 加工精度、加载速度、试验环境等，国家标准规定了相应变形形式下的试验规范。
本章只研 究材料的宏观力学性质， 不涉及材料成分及组织结构对材料力学性质的影响， 并且由于工程中常用的材料品种很多， 主要以低碳钢和铸铁为代表，介绍材料拉伸、压缩以及纯剪切时的力学性质。
二、 低碳钢拉伸时的力学性质低碳钢是工程中使用最广泛的金属材料，同时它在常温静载条件下表现出来的力学性质也最具代表性。
低碳钢的拉伸试验按《金属拉伸试验方法》 (GB/T228 — 2002)国家标准在万能材料试验机上进行。
标准试件(Sta ndard specimen )有圆形和矩形两种类型，如图3-1所示。
试件上标记 A 、B 两点之间的距离称为标距，记作 1°。
圆形试件标距|0与直径d 0有两种比例，即l °=10d °和l 0=5d 。
矩形试件也有两种标准，即 l 0 11.3 A0和l 0 5.65 A0。
其中A 0为矩形试件的截面面积。
图3-1拉伸试件试件装在试验机上，对试件缓慢加拉力 F P ,对应着每一个拉力 F P ,试件标距l 0有一个 伸长量 A |O 表示F P和A l 的关系曲线，称为拉伸图或 F P —A l 曲线。
如图3-2a ，由于F —A l 曲线与试件的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，把拉力F p 除以试件横截面的原始面积F P一 一 l-为纵坐标；把伸长量A 除以标距的原始长度10,得出应变 为A )l 。
材料力学性能-第三章-冲击载荷
高当于低某于一某温一度温，度材时，
温度
料材吸料收吸能收量的也冲基击本功不基变本，
形不成随一温个度平变台化，，称形为成一 “平 在高台此阶，区能称 间”为 冲，“ 击此吸低区收阶间功能冲很”， 击低吸，收表功现很为高完，全材的料脆表性 现断为裂完，全这韧一性温断度裂称，为此无 低阶能
温塑度性称转为变塑或性零断塑裂性转转变变
温度
0 高阶能
冲击功 结晶区面积(%)
以低阶能和高阶能
平均值对应的温度作
为Tk——FTE。
❖以结晶区面积占断口 面积50％的温度作为 Tk——FATT50。但此方 法人为因素较大。
低阶能
NDT FTE
100 FTP 50％FATT
图3-7 系列温度冲击试验曲线
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日 bcc金属具有低温脆性的原因： 1.bcc金属的p-n 比fcc金属高很多，并且在影响屈服强 度的因素中占有较大比例。而p-n 属短程力，对温度 十分敏感，因此bcc金属具有强烈的温度效应。 2.bcc金属具有迟屈服现象，即对材料施加一大于屈 服强度的高速载荷时，材料需要经过一段孕育期（也 称为迟屈服时间）才开始塑性变形，而在孕育期内只 发生弹性变形。由于没有塑性变形消耗能量，有利于 裂纹扩展，易产生脆性破坏。
NDT
冲击功 结晶区面积(%)
0 高阶能
FTP
100
温度FNTDPT(F(Nraicl tDuruectility
图3-7 系列温度冲击试验曲线
TreamnpsietriaotnurPel)astic)。
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日
新03材料力学性能
b
o
残余 变形
o'
冷拉率
冷拉的特点： 冷拉经时效 1、可采用控制应力和控制 d' 冷拉率两种方法。 d 2、冷拉时应力值必须超过 钢筋的屈服强度。 3、时效硬化(屈服点提高)。 冷拉无时效 4、冷拉后可提高钢材的抗 拉强度，但屈服台阶变短。 不提高钢筋的抗压强度。 5、钢筋设计时仍采用冷拉 前的截面。 6、焊接产生的高温使钢筋 e 软化(强度降低,塑性增加) 故需焊接的钢筋须先焊后拉; 另外冷拉只能提高抗拉强 度。)
受力强度： s1, s2 (拉－压) 强度降低
2、三轴受压：(如图)
200
三向受压时，混凝土的 抗压强度和极限变形都 有较大提高。 其原因：横向约束约束 了横向变形，限制了内 部裂缝的产生和发展。
150
s3= 50N/mm2 35N/mm2
s1
100
s3
10N/mm2
s3
50
0
5
抗压强度提高 : f c f c 4.1s 2 c
塑性变形的基础
一）混凝土的立方体抗压强度（fcu）
用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养
护条件下（温度20±2℃，相对湿度大于95%或在水
中）养护28天后，按照标准试验方法（试件的承压
面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.15～0.3N/mm2）
测得的抗压强度值称为混凝土立方体试件抗压强度 （简称立方体抗压强度），用符号fcu表示。（对某 一试件）
s0.2
a
残余应变为0.2%所对应的应力 0.2
《规范》取s0.2 =0.8 fu
0.2%
有、无明显流幅钢筋的应力-应变图的比较
s(N/mm2)
ft
流幅 极限强度
材料力学性能重点总结
名词解释：1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。
2弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。
4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1%-4%），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
常见塑性变形方式：滑移和孪生6弹性极限：以规定某一少量的残留变形为标准，对应此残留变形的应力。
7比例极限：应力与应变保持正比关系的应力最高限。
8屈服强度：以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%的残留变形的应力作为屈服强度。
9韧性断裂是材料断裂前发生产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的断裂过程，在裂纹扩展过程中不断的消耗能量。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并于主应力成45度角。
10脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑形变形，没有明显征兆，危害性很大。
断裂面一般与主应力垂直，端口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
11剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿着滑移面分离而造成的断裂，又分滑断和微孔聚集性断裂。
12解理断裂：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，总是脆性断裂。
13缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化，产生所谓“缺口效应“①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。
②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。
8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度σbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值. NSR=σbn / σs NSR越大缺口敏感度越小9冲击韧性：Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性12 脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。
材料力学性能第三章
12/15/2014
3
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承 载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连 物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从 而影响加速度和惯性力的大小。 由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于 按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲 击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部 转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计 算。
12/15/2014
安徽工业大学 材料科学与工程学院
10
12/15/2014
安徽工业大学 材料科学与工程学院
11
冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的 韧脆程度：
这是由于缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形 和破断， 一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及 轴承与测量机构中的摩擦消耗等。 通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤 轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不 同试验机上测得的Ak值相差10-30%。
12/15/2014
安徽工业大学 材料科学与工程学院
15
第三节 低温脆性
一、低温脆性现象 定义：
体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及 其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁 素体-珠光体钢）， 在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆 性状态，冲击吸收功明显下降， 断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤 维状变为结晶状，这就是低温脆性。
12/15/2014 安徽工业大学 材料科学与工程学院
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低温脆性是材料屈服强 度随着温度的降低急剧 增加的结果。 见右图，屈服点随着温 度的下降而升高，但材 料的解理断裂强度随着 温度的变化很小， 两线交点对应的温度就 是tk。
第三章材料力学性能分析
应变硬化
第三章材料力学性能分析
应变硬化
第三章材料力学性能分析
应变硬化
第三章材料力学性能分析
应变硬化
第三章材料力学性能分析
第三章材料力学性能分析
抗拉强度
抗拉强度：拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的 应力。其值等于最大拉力Fb除以试样的原始横截面面积A0， 抗拉强度用σb表示，即 σb=Fb/A0 抗拉强度是材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力。高分 子材料和陶瓷材料的抗拉强度是产品设计的重要依据。
拉伸时σ=Eε，剪切时τ=Gγ，E和G分别为拉伸时的杨氏模 数和切变模数。
可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。 材料的抗弹性变形的一个量，材料刚度的一个指标。它只与
材料的化学成分有关，与其组织变化无关，与热处理状态无 关。各种钢的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量 影响也很小。
第三章材料力学性能分析
塑性变形 ：材料的塑性变形上微观结构的相邻部分产生 永久性位移，并不引起材料破裂的现象。
金属材料的塑性变形机理 金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪生两种。
第三章材料力学性能分析
塑性变形-滑移
定义： 滑移面：原子最密排面； 滑移向：原子最密排方向。 滑移系：滑移面和滑移向的组合。 滑移系越多，材料的塑性越好。
第三章 材料的力属在单向静拉伸载荷下的力学性能
力学实验
蠕变 疲劳 磨损
第三章材料力学性能分析
金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
力-伸长曲线和应力应变曲线
c C
Op——直线关系与pe——偏离直线关 系，即弹性形变阶段（可逆形变）；
F到达FA至Fc点时，产生不均匀塑性变 形（不可逆的永久变形）；
机械基础材料的力学性能
第三章常用金属材料及热处理第一节材料的力学性能一、力学性能的概念：力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。
力学性能包括：强度、硬度、塑性、硬度、冲击韧性。
二、载荷的概念及分类：1.金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。
2.按载荷作用性质分：①静载荷：是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。
②冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。
③交变载荷：是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化析载荷。
三、变形的概念及分类1.概念：金属材料受到载荷作用而产生的几何形式和尺寸的变化称为变形。
2.分类：弹性变形和塑性变形两种四、强度：1.概念：金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。
强度的大小用应力来表示。
2.根据载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。
一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。
①拉伸试样：拉伸试样的形状一般有圆形和矩形。
d0：直径 L0：标距长度长试样：L0=10d0短试样：L0=5d03.强度指标：①屈服点：在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点。
用符号σs表示，计算公式：σs=Fs/S0对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，计算公式：σ0.2=F0.2/So屈服点σs和规定残余伸长应力σ0.2都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。
②抗拉强度:材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb表示。
计算公式为：σb=F b/S0 零件在工作中所承受的应力，不于允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。
五、塑性：1.概念：断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。
塑性由拉伸试验测得的。
常用伸长率和断面收率表示。
①伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。
用δ表示，计算公式：δ=(l1-l0)/l0×100%②断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。
【材料物理性能与力学性能】第1-2章
内耗：材料在变形过程中被吸收的功。
弹性滞后环：应力-应变曲线中，加载线和卸载线不重合而形成一 个封闭回路，称为弹性滞后环。 弹性滞后环说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的 变形功，有一部分加载变形功被材料吸收，即为内耗，其大小等 于弹性滞后环的面积。(内耗大小主要取决于应变和应力之间的位 相差)
2）晶体结构
单晶体：各向异性
多晶体：伪各向同性
最大值与最小值差值可达4倍
非晶：各向同性
3）化学成分----引起原子间距和键合方式的变化
4）微观组织----影响较小
晶粒大小对E值无影响；
第二相的影响取决于体积比例和分布状态；
冷加工的影响在5%以内
5）温度----温度升高，E降低
特例：橡胶。其弹性模量随温度升高而增加。
三、影响金属材料屈服强度的因素
1、晶体结构
（派纳力）
位错宽度w大，位错易于移动， bcc金属相反
p n小，屈服强度小，如fcc金属.
2、晶界和亚结构 晶界越多，晶粒越小，位错中应力集中程度不够，需要更大
的外加切应力才能够使位错运动，因此屈服强度越大。——
细晶强化
3、溶质元素——固溶强化 此外，
上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值。 su
屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或曲折线段。
材料产生屈服的原因：与材料内部的位错运动有关。
位错运动速率与切应力的关系： v ( )m 0
'
其中，m 为位错运动速率应力敏感指数。
'
b v
：塑性应变速率
6）加载条件和负荷持续时间 加载方式、速率和负荷持续时间对金属材料、陶瓷材料 影响很小。
1-2材料的力学性能和工艺性能
2 2
kgf/mm2 (试验力F单位用kgf)
布氏硬度
测定原理
布氏硬度计
1）布氏硬度
布氏硬度的表示方法： HBS 压头为淬硬钢球 HBW 压头为硬质合金球 一般在零件图或工艺文件上标柱材料要求的布氏硬度值 时，不规定试验条件，只标出要求的硬度范围和硬度符号， 例如200～230HBS。 HBS用于测试硬度值小于450的材料；HBW用于测量硬度 值在450～650范围的材料。 布氏硬度主要用来测定铸铁、有色金属、以及退火、正 火和调质处理的钢材的硬度，如半成品和原材料。
4、韧性与疲劳强度
1）韧性
韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量 金属材料抵抗冲击载荷能力。
韧性的判据通过冲击试验来测定。
40Cr钢冲击吸收功测定试验
2）冲击韧性值 AK = G（H1 – H2）（J）
ak = AK /S （J/m2）
试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上， 试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度H， 然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力 一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak。
铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的 一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸 模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的 能力；偏析指化学成分不均性。
锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受 塑性变形而不破裂的能力。
材料的工艺性能
• 焊接性能：指金属材料通过加热或加热和 加压焊接方法，把两个或两个以上金属材 料焊接到一起，接口处能满足使用目的的 特性。
金属的力学性能
2、塑性
指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。塑性判据是 断后伸长率和断面收缩率。 1）断后伸长率 断后伸长率是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。
材料力学性能第三章
弹性变形以介质中的声速传播。 ●弹性变形以介质中的声速传播。而普通机械
冲击时的绝对变形速率在10 ／ 以下 以下。 冲击时的绝对变形速率在 3m／s以下。在弹 性变形速率高于加载变形速率时， 性变形速率高于加载变形速率时，则加载速率 对金属的弹性性能没有影响。 对金属的弹性性能没有影响。
●塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，则塑 塑性变形发展缓慢，若加载速率较大， 性变形不能充分进行。 性变形不能充分进行。 ●静载: 受的应力取决于载荷和零件的最小断面 静载: 积。 ●冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、 冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、 形状和体积有关。
3.3 低温脆性
1.低温脆性概述 1.低温脆性概述 金属材料的强度 强度一般均随温度的降低而升 强度 高，而塑性 塑性则相反。 塑性 一些具有体心立方晶格的金属及合金或某 些密排六方晶体金属及合金，当温度降低到某 一温度Tk时，由韧性状态变为脆性状态。这种 现象称为低温脆性 低温脆性。转变温度Tk称为韧脆转变 低温脆性 韧脆转变 温度，又称冷脆转变温度 冷脆转变温度。 温度 冷脆转变温度 Tk δ ψ Ak和NSR 被称为材料的安全性指标 NSR 而σs σb δ Ψ和Ak被称为材料常规力学性能的五大指标
低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度 屈服强度和断裂强度 随温度降低而变化的速率问题。 随温度降低而变化的速率问题 倘若屈服强度随温度的下降而升高较快， 而断裂强度升高较慢，则在某一温度Tk以下， σs>σc，金属在没有塑性变形的情况下发生断 裂，即表现为脆性的； 而在Tk以上，σs<σc，金属在断裂前发生塑 性变形，故表现为塑性的。
③将高阶能开始降低的温 度定义为韧-脆转化温度。 记为FTP ( Fracture Transition Plastic)．当温 度高于FTP，试件的断口 为100％的纤维状断口。
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§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
二、冲击韧性及其工程意义 冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的 能力，常用标准试祥的冲击吸收功AK表示。 能力，常用标准试祥的冲击吸收功A 表示。 (1)冲击韧度或冲击值 冲击韧度或冲击值α (1)冲击韧度或冲击值αKU(αKV): 用试样缺口处截面F 去除A 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKU(AKV)。即 αKU(αKV)＝AKU(AKV)/FN (2)冲击功 冲击功: (2)冲击功: GH1-GH2=AK (3)工程意义 工程意义: (3)工程意义: 反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； ①反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； 测定材料的韧脆性转变温度 韧脆性转变温度； ②测定材料的韧脆性转变温度； 大致相同的材料，根据A ③对σs大致相同的材料，根据AK值可以评定材料对大能量冲击 破坏的缺口敏感性。 破坏的缺口敏感性。
§3.3 低
温
脆
性
二、韧脆转变温度 能量法： 1、能量法： (1)无塑性或零塑性转变温度NDT： 无塑性或零塑性转变温度NDT (1)无塑性或零塑性转变温度NDT： 低阶能：低于某一温度， ①低阶能：低于某一温度， 冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台。 冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台。 低阶能开始上升的温度为t NDT)。 ②低阶能开始上升的温度为tk (即NDT)。 NDT以下 断口由100 结晶区(解理区)组成。 以下， 100％ NDT以下，断口由100％结晶区(解理区)组成。 FTP： (2) FTP： 高阶能：高于某一温度， ①高阶能：高于某一温度， 吸收的能量基本不变，形成一个上平台。 吸收的能量基本不变，形成一个上平台。 以高阶能对应的温度为t FTP)。 ②以高阶能对应的温度为tk (即FTP)。 高于FTP的断裂，得到100 的纤维状断口。 FTP的断裂 100％ 高于FTP的断裂，得到100％的纤维状断口。 FTE： (3) FTE： 低阶能和高阶能平均值对应的温度。 低阶能和高阶能平均值对应的温度。 TT： (4) V15TT： =15尺磅(20.3N·m)对应的温度。 尺磅(20.3N m)对应的温度 以AKV=15尺磅(20.3N m)对应的温度。
材料的力学性能
材料与化工学院
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
加载速率即载荷施加于试样或机件时的速率。 加载速率即载荷施加于试样或机件时的速率。 即载荷施加于试样或机件时的速率 单位时间内应力增加的数值表示 增加的数值表示。 用单位时间内应力增加的数值表示。 形变速率是单位时间内的变形量(绝对变形量和相对变形量), 形变速率是单位时间内的变形量(绝对变形量和相对变形量), 内的变形量 有绝对形变速率 相对形变速率(应变率)两种。 形变速率和 有绝对形变速率和相对形变速率(应变率)两种。 应变率是单位时间内应变的变化量。一般在10 /s之间 之间。 应变率是单位时间内应变的变化量。一般在10-6～106/s之间。 的变化量 冲击载荷与静载荷主要区别： 冲击载荷与静载荷主要区别： 加载速率不同， 应变率不同， /s为分界线 为分界线。 加载速率不同，即应变率不同，以10-2/s为分界线。 不同 不同
§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
一、冲击弯曲试验 1.一次冲击弯曲试验 1.一次冲击弯曲试验 试验原理： 试验原理： 摆锤式冲击试验机； 摆锤式冲击试验机； 试样[缺口夏比(Charpy)U型和V型]； 试样[缺口夏比(Charpy)U型和V 夏比(Charpy)U型和 摆锤(G)举至H 的位置(位能为GH 摆锤(G)举至H1的位置(位能为GH1)； (G)举至 释放摆锤； 释放摆锤； 冲断试样； 冲断试样； 摆锤(G) (G)至 的位置(位能为GH 摆锤(G)至H2的位置(位能为GH2)； GH1-GH2=AK 此即为冲击吸收功 冲击吸收功(A 此即为冲击吸收功(AKU和AKV)。 GB229-84和GB2106-80。 GB229-84和GB2106-80。
Titanic号钢板 左图)和近代船用钢板 右图)的冲击试验结果 号钢板(左图 和近代船用钢板(右图 的冲击试验结果 号钢板 左图 和近代船用钢板 右图
• 右图是建造中的Titanic 右图是建造中的Titanic 号。 • Gannon 的文章指出，在 的文章指出， 水线上下都由10 张30 英 水线上下都由10 尺长的高含硫量脆性钢板 焊接成300英尺的船体。 300英尺的船体 焊接成300英尺的船体。 • 船体上可见长长的焊缝。 船体上可见长长的焊缝。 船在冰水中撞击冰山而裂 开时， 开时，脆性的焊缝无异于 一条300英尺长的大拉链， 300英尺长的大拉链 一条300英尺长的大拉链， 使船体产生很长的裂纹， 使船体产生很长的裂纹， 海水大量涌入使船迅速沉 没。 建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长 建造中的 的焊缝 • 这是钢材韧性与人身安全 的一个突出例证。 的一个突出例证。
§3.3 低
温
脆
性
一、低温脆性现象 1、系列冲击实验 不同温度 温度( 高温)下的冲击试验。 不同温度(低、室、高温)下的冲击试验。 冲击韧性α 与温度t的关系曲线( 冲击韧性αK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。 低温脆性： 2、低温脆性： 由韧性状态变为脆性状态， 当t<tk时，由韧性状态变为脆性状态， 冲击吸收功明显下降， 冲击吸收功明显下降， 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理， 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理， 断口特征由纤维状变为结晶状。 断口特征由纤维状变为结晶状。 称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 3、tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金， （体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金， 特别是工程上常用的中、低强度结构钢） 特别是工程上常用的中、低强度结构钢）
• 1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰 年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（ 年当年最为豪华 ） 世纪令人难以忘怀的悲惨海难。 海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。 成了 世纪令人难以忘怀的悲惨海难 • 1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗物。 年以后，探险家们数次深潜到 英尺深的海底研究沉船， 年以后 英尺深的海底研究沉船 起出遗物。 1995年2月美国《科学大众》(Popular Science)杂志发表了 Gannon 的文章， 年 月美国 科学大众》 月美国《 杂志发表了R 的文章， 杂志发表了 标题是『 付标题是“ 标题是『What Really Sank The Titanic』,付标题是“为什么‘不会沉没的’ 』 付标题是 为什么‘不会沉没的’ 船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了 年未解之谜 船在撞上一个冰山后 小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜 小时就沉没了 “。 • 由于早年的 由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。 号采用了含硫高的钢板 韧性很差，特别是在低温呈脆性。 硫高的钢板， 所以，冲击试样是典型的脆性断口。 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。 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。
§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
2.多次冲击试验 2.多次冲击试验 (1)冲击次数少于500-1000次 冲击次数少于500 (1)冲击次数少于500-1000次， 与一次冲击相同； 与一次冲击相同； 冲击次数＞ 冲击次数＞105时， 典型的疲劳断口特征。 疲劳断口特征 典型的疲劳断口特征。 (2)多次冲击试验 多次冲击试验: (2)多次冲击试验: 落锤式多次冲击试验机PC l50。 PC落锤式多次冲击试验机PC-l50。 冲击频率(冲击次数) 冲击频率(冲击次数)： 450周次/min和600周次/min。 周次/min 周次/min 450周次/min和600周次/min。 冲击能量A 0.1～1.5J； 冲击能量A ：0.1～1.5J； 冲击功A--冲断次数 曲线。 冲断次数N 冲击功A--冲断次数N曲线。 的减少
多次冲击 (1)某种冲击能量 下的冲断周次 某种冲击能量A 冲断周次N (1)某种冲击能量A下的冲断周次N； (2)要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A (2)要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A。 要求的冲击工作寿命 冲断能量 (3)多冲抗力取决于塑性和强度 多冲抗力取决于塑性和强度： (3)多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，多次冲击抗力主要取决于塑性； 高时，多次冲击抗力主要取决于塑性； 低时，多冲抗力主要取决于强度。 A低时，多冲抗力主要取决于强度。 不同的A要求不同的强度与塑性配合。 ②不同的A要求不同的强度与塑性配合。 ③高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲 击疲劳抗力有较大作用； 击疲劳抗力有较大作用； 而中、 而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳 抗力作用不大。 抗力作用不大。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
§3.1
冲击载荷下金属变形和断裂的特点 §3.2 冲击弯曲和冲击韧性 低 温 脆 性
§3.3 §3.4
影响韧脆转变温度的冶金因素
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，按能量守恒法计算。 1、通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，按能量守恒法计算。 应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 2、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 对塑性变形、断裂等有显著影响。 对塑性变形、断裂等有显著影响。
金属产生附加强化。 3、金属产生附加强化。 金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行， 4、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行， 导致屈服强度、抗拉强度提高。 导致屈服强度、抗拉强度提高。 在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性， 5、在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性， 如密排六方金属爆炸成形就是如此。 如密排六方金属爆炸成形就是如此。 塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。 6、塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。