材料力学性能3
材料的力学性能有哪些
材料的力学性能有哪些
1材料力学性能
材料力学性能是指材料受外力作用时产生的结构变形以及产生的变形所抵抗的力之间的相互关系。
材料力学性能决定着物体能够承受多大载荷，从而保证物体的安全和稳定性，也是应用工程材料的重要考量标准。
材料力学性能的分类：
1.1弹性性能
弹性性能是指材料受外力作用时能够承受的恢复力的大小，是衡量材料的强度的重要指标。
包括屈服强度、抗拉强度、抗压强度和断裂强度等级。
若外力作用则材料发生变形，材料结构恢复后变形越小，弹性性能越好。
1.2理论性能
理论性能是指材料在不受外力作用时产生的固有属性，一般包括形状、尺寸、密度、抗剪强度、压缩性能等。
这些性能判断材料的加工性能。
1.3定向性能
定向性能是指材料在特定方向受外力作用时，所产生的变形程度以及抵抗力的大小，一般包括抗断裂性能、抗拉伸性能、抗压缩性能以及特殊材料（如硅胶、聚氨酯）的韧性，用来测试其在特定应用场合时的表现。
1.4加工性能
加工性能是指材料加工时机械性能指标，一般包括热处理性能、热变形性能、焊接性能以及表面质量等。
1.5材料寿命性能
材料寿命性能是指材料受到温度、湿度、外力等作用时的抗老化性能，是材料用途的重要考量标准，一般包括热稳定性、导热性能、环境老化性能、化学稳定性等。
以上就是材料的力学性能的分类及指标，它们的测试可以反映出一种材料的强度、稳定性、耐久性及环境效应等状况。
选择合适的材料并使之满足应用要求，需要对材料力学性能做出合理评估。
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.
03-材料的力学性能
其它塑性材料拉伸时的力学性能
σ /MPa
900 700 500 300 100 0 10 20 30 40 50 60
σ 锰钢
b a σ 0.2
镍钢
青铜 ε（%） 0.2 ε （%）
断裂破坏前产生很大塑性变形； 没有明显的屈服阶段。
名义屈服 极限σ 0.2
脆性材料拉伸时的力学性能
σ /MPa
500 400 300 200 100 0 0.2 0.6 1.0 1.4
ε（%）
铸铁压缩时的σ ~ ε 曲线
反映材料力学性能的主要指标
强度性能 反映材料抵抗破坏的能力，塑性材料： σs 和 σb ，脆性材料：σb ； 弹性性能 反映材料抵抗弹性变形的能力：E； 塑性性能 反映材料具有的塑性变形能力： δ和ψ 。
塑性材料在断裂时有明显的塑性变形；而脆性材料 在断裂时变形很小。 塑性材料在拉伸和压缩时的弹性极限、屈服极限和 弹性模量都相同，它的抗拉和抗压强度相同。而脆性 材料的抗压强度远高于抗拉强度。
b a
拉伸试验结果分析(低碳钢)
虎克定律： 虎克定律：当σ ≤ σp （ σe ） 时，应力与应变成直 线关系，即
σ = Eε σ E = = tgϑ ε
E称为材料的弹性模量， 单位：N/m2, Pa, MPa
拉伸试验结果分析(低碳钢)
E的物理意义 的物理意义 P ∆l σ= ε= 将 A0 l0 代入
现象：试件某个部位突然变细，出现局部收缩——颈缩。 现象
特点： 特点 a、df曲线开始下降，产生变形所需拉力P逐渐减小； b、实际应力继续增大，但σ 为名义应力，A变小没 有考虑，所以d点后σ ~ ε曲线向下弯曲； c、到达f点时，试件断裂。
拉伸试验结果分析(低碳钢)
工程材料力学性能三四章习题
影响因素有： 1)．晶体结构：BCC容易出现低温脆性 2)．化学成分：固溶强化降低塑性（Mn, Ni） 3)．显微组织：①晶粒大小②金相组织
3
5 试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。 焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、夹渣、未 熔合、未焊透、错边、咬边等缺陷，增加裂纹敏感度，增 加材料的脆性，容易发生脆性断裂（落锤试验试样）。 6 下列三组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测得 的冷脆温度较高？为什么？ 冷脆温度的高低与试验中试样受力方式有关，容易发 生塑性变形的就能够提高冷脆温度。 （1）拉伸和扭转：静载荷下拉伸的软性状态系数大于弯曲 大于扭转，因此拉伸和扭转比较时，在拉伸条件下的塑性 比扭转低，因此扭转的冷脆温度高。 （2）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲：应变速率增加可以提高 材料的强度同时降低材料的塑性，因此应变速率的增加有 增加材料脆性的倾向，缺口静弯曲的冷脆温度相对较高。 （3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸：缺口试样会导致材料 的受力状态改变成两向或者三向，而多向拉伸的软性系数 更小，因此缺口试样会使材料变脆的倾向，从而降低冷脆 4 温度
第三章
• 冲击韧度：冲击载荷下，材料断裂前单位截面积 吸收的能量（外力做的功） • 冲击吸收功: 冲击载荷下，材料断裂前吸收的能 量（外力做的功） • 低温脆性： 温度低于某一温度时，材料由韧性状 态变为脆性状态的现象。 • 韧脆转变温度：材料有韧性状态转变为脆性状态 的温度。 • 韧性温度储备:材料使用温度和韧脆转变温度的差 值。
13
8、试述塑性区对KI的影响及KI的修正方法和结果。 影响：裂纹尖端塑性区的存在将会降低裂纹体的刚度， 相当于裂纹长度的增加，因而影响应力场和及KI的计算， 所以要对KI进行修正。 修正方法：“有效裂纹尺寸”，即以虚拟有效裂纹代替 实际裂纹，然后用线弹性理论所得的公式进行计算。 结果：
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 。
材料力学性能总结3
2.磨损量的估算：J.F.Archard提出了粘着磨损量 估算方法。
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，其
接触压缩屈服强度近似为单向压缩屈服强度sc
的三倍。
设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3sc，
作用于表面上的法向力为P 。假定磨屑呈半球 形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，设所有
粘着点的尺寸相同，直径为d，则：
2020/5/4
p
n d 2
4
3 sc
单位滑动距离内的接触点数
N
n d
4p
3scd 3
W
KNV' L
K
4p
3scd 3
2
3
d 2
3
L
K
pL
9 sc
K
pL 3H
接触点半球体积
V
'
2
d
3
3 2
H 3 sc
磨屑形成有个几率问题，几率为K --粘着磨 损系数 ，随压力增大而增加。
二、 表面强化及残余应力的影响
表面热处理及表面化学热处理：
整体加热(低淬透性钢、薄壳件) 利 表面淬火 火焰加热
用组织
相变获得表
感应加热
面强化，可使机
渗碳
件获得表硬心韧的 表面化学热处理
良好综合性能，可利用 组织相变及组织应力、热应
渗氮 碳氮共渗
力的变化，使机件表层获得很 高的强度和残余压应力。
复合强化
铁qf＝0-0.05。 • （铸铁中石墨片尺寸一般大于临界裂纹扩展尺
寸，再有缺口影响不大）
2020/5/4
• 第三节 疲劳裂纹扩展速率 a
及扩展门槛值
ac1
工程材料力学性能 第三版课后题答案(束德林)
工程材料力学性能课后题答案第三版（束德林）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。
脆性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
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。
2、说明下列力学性能指标的意义。
答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生100％弹性变所需的应力。
σ规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。
（2）rσ名义屈服强度（点），对没有明显屈服阶段的塑性材料通常以产生0.2％的塑性形变对应的应力作为屈2.0服强度或屈服极限。
机械制造基础3_材料的力学性能指标
机械制造基础3_材料的力学性能指标材料的力学性能指标是指材料在力学加载下的表现和性能参数，用来评估材料的强度、刚度、韧性、耐磨性、抗疲劳性等。
以下将介绍常见的材料力学性能指标。
1.强度：材料的强度指的是其所能承受的最大应力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
屈服强度是材料在弹性阶段的抗拉、抗压应力，即在材料开始发生塑性变形之前所能承受的应力。
抗拉强度是材料在拉伸过程中所能承受的最大应力，抗压强度是材料在受压过程中的最大应力。
2.刚度：材料的刚度指的是其抵抗变形的能力。
常见的刚度指标有弹性模量、切变模量等。
弹性模量是材料在弹性阶段的刚度大小，可以描述材料在拉伸或压缩时的回复能力。
切变模量是材料在剪切变形时的刚度大小，可以衡量材料的抗扭转能力。
3.韧性：材料的韧性指的是其在断裂前能够吸收的能量。
常见的韧性指标有延伸率、冲击韧性、断裂伸长率等。
延伸率表示材料在受拉时能够延长的程度，冲击韧性表示材料在受冲击载荷下的抵抗性能，断裂伸长率是材料在断裂前拉伸的长度与初始长度之比。
4.耐磨性：材料的耐磨性指的是其抗磨损能力。
常见的耐磨性指标有硬度、摩擦系数等。
硬度表示材料抵抗表面划伤、模具磨损等形变的能力，摩擦系数表示材料表面与其他物体接触时的磨擦阻力。
5.抗疲劳性：材料的抗疲劳性指的是其抵抗循环加载下疲劳破坏的能力。
常见的抗疲劳性指标有疲劳极限、疲劳寿命等。
疲劳极限是材料在疲劳加载下所能承受的最大应力，疲劳寿命表示材料在循环加载下能够承受的加载次数。
除了上述指标外，材料还有其他性能指标，如导热性能、热膨胀系数、电导率等，这些性能指标主要用于材料的特殊应用领域。
总而言之，材料的力学性能指标是评估材料力学特性的重要依据，不同的材料具有不同的力学性能指标，根据具体应用需求选择合适的材料和合适的力学性能指标是非常重要的。
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
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。
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 3 韧性脆性评价
y
x
x
y
yx xy
x
单向应力状态 ( One Dimensional State of Stresses )
纯剪应力状态 ( Shearing State of
Stresses )
z
z
zx zy
3
2
xz yz
x x
xy
yx
y y
1
单元体上没有切应力的面称为主平面；主平面上的正应力
称为主应力，分别用 1 , 2 , 3 表示，并且 1 2 3
( e) 2
一般工程问题：e<0.01
O
误差小， 二者可不加区别
工程应力应变曲线 ε, e
Question3：工程应力-应变曲线的下降是否 说明应变硬化只发生在缩颈之前？
Answer：应变硬化自塑 性变形开始一直持续到 塑性变形结束，真实应 力-应变曲线可以很好地 表现应变硬化现象。
Question4： 滞弹性
2
3 2
体积改变比能
图c单元体的应变能为:
形状改变比能
vd v
vd
1
6E
1 2 2
2
3 2
3
1 2
1
m
1-m
2 3
图a
m m 图 b
2 -m - 3 m 图 c
3
2
0 3
2
1
由三向应力圆可以看出：
max
1
2
3
结论：
代表单元体任意斜 1 截面上应力的点，
必定在三个应力圆 圆周上或阴影内。
该单元体称为主单元体。
20
复杂力状态下的变形比能
v
1 2
1
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。
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。
01材料的力学性能3-断裂
3.1 断裂分类与宏观断口特征
3.1.2 断口的宏观特征
光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区 和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。
3.1 断裂分类与宏观断口特征
3.1.2 断口的宏观特征
韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区 很小，几乎没有剪切唇。 上述断口三区域的形态、大小和相对位置会因试样形状、尺寸和
3.3 材料的蠕变
对同一种材料， 蠕变曲线形状随应力、温度变化而变化， 温度升高或应 力升高， 曲线第Ⅱ阶段缩短。在高温或高应力下，甚至没有第Ⅰ或Ⅰ，Ⅱ阶 段，只有第Ⅱ或Ⅱ，Ⅲ阶段，而在另一些情况，如低应力低温度下，只有第 Ⅰ，Ⅱ阶段，即断裂，而没有第Ⅲ阶段。
3.4 蠕变变形及断裂机制
3.4.1 蠕变变形机制
断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面或表
面能最低的晶面。 剪切断裂是材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断 裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。
3.1断裂类型
3.1.1 断裂的分类
正断和切断
按断裂面的取向可以将断裂分为正断和切断。
正断型断裂的断口与最大正应力相垂直，常见于解理断裂或约束较大 的塑性变形的场合。 切断型断裂的宏观断口的取向与最大切应力方向平行，而与主应力约 成450 角。切断常发生于塑性变形不受约束或约束较小的情况，如拉 伸断口上的剪切唇等。
3.5 蠕变性能指标
3.5.1 蠕变极限和持久强度极限
① 在规定温度(t)下，使试样产生规定的稳态蠕变速率的最大应力。 500 oC
500 1105
60MP a
蠕变速率1×10－5 ％/h ② 在规定温度(t)和规定的试验时间τ内， 使试样产生规定的总应变量δ的最大应力σ
材料的力学性能和弹性模量
材料的力学性能和弹性模量材料的力学性能和弹性模量是材料科学中非常重要的参数，它们与材料的力学行为和性能密切相关。
本文将对材料的力学性能和弹性模量进行详细介绍和分析。
一、力学性能1. 强度：材料的强度是指材料在受力情况下能够承受的最大应力。
强度高的材料具有较高的抗拉、抗压等能力，常用来制造承重结构或需要抗外力作用的零部件。
2. 韧性：材料的韧性是指材料在受力情况下能够吸收能量的能力。
韧性高的材料能够在受到冲击或弯曲时发生塑性变形而不易断裂，常用于制造需要抗冲击或吸能的零部件。
3. 延展性：材料的延展性是指材料在受力情况下能够发生塑性变形的能力，即能够被拉长或压扁。
延展性高的材料具有较好的可加工性和适应性，常用于制造需要复杂形状或变形的零部件。
4. 脆性：材料的脆性是指材料在受力情况下发生断裂的倾向。
脆性高的材料容易发生断裂，常用于制造需要刚性和脆性的结构或零部件。
二、弹性模量弹性模量是材料在弹性阶段的应力和应变之间的比例关系。
常用的弹性模量包括杨氏模量、剪切模量和泊松比。
1. 杨氏模量：杨氏模量是指材料在拉伸或压缩过程中单位面积的应力与应变之间的比值。
杨氏模量越大，材料的刚度越高，即抵抗外力变形的能力越强。
2. 剪切模量：剪切模量是指材料在剪切过程中单位面积的剪应力与剪应变之间的比值。
剪切模量描述了材料在剪切应力作用下的变形特性。
3. 泊松比：泊松比是指材料在受力方向上的拉伸或压缩与垂直方向上的应力变形之间的比值。
泊松比描述了材料在受力作用下的变形特性，对材料的破坏和失效具有重要的影响。
三、材料选择和应用材料的力学性能和弹性模量是根据具体应用需求进行选择的。
不同的材料在力学性能和弹性模量上具有各自的优势和适用范围。
1. 金属材料：金属材料具有优异的强度和韧性，常用于制造机械零件、建筑结构和汽车零件等需要抗拉、抗压和抗冲击能力的领域。
2. 高分子材料：高分子材料具有良好的延展性和可加工性，常用于制造塑料制品、橡胶制品和纤维材料等需要复杂形状和变形能力的领域。
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所表现出来的性能，包括强度、刚度、韧性等指标。
材料力学性能的好坏直接影响到材料在工程应用中的可靠性和安全性。
本文将介绍材料力学性能的相关概念和测试方法，并分析其对材料应用的影响。
一、强度强度是指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。
抗拉强度是指材料在拉伸力作用下，抗拉破坏的能力。
抗压强度是指材料在受压力作用下，抗压破坏的能力。
抗弯强度是指材料在受弯力作用下，抗弯曲破坏的能力。
强度的测试方法主要包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等。
材料的强度往往与其成分、结构和加工工艺有关。
例如，金属材料中添加合适的合金元素，可以提高其强度；陶瓷材料中控制晶粒尺寸和界面结合情况，可以提高其抗压强度；纤维增强复合材料中，纤维的分布和取向对抗弯强度有重要影响。
在工程设计中，需要根据具体应用情况选择合适的材料强度指标，并保证其符合设计要求，以确保结构的稳定性和安全性。
二、刚度刚度是指材料抵抗形变的能力，也可以理解为材料对外力作用下的变形程度。
常见的刚度指标包括弹性模量、切变模量等。
弹性模量是指材料在弹性变形范围内，单位应力下的应变，反映了材料的抗弹性变形能力。
刚度的测试方法主要包括拉伸试验、扭转试验等。
材料的刚度与其物理性质和结构密切相关。
高弹性模量的材料具有较高的刚度，其在受力下变形较小；而低弹性模量的材料具有较低的刚度，其在受力下变形较大。
在工程设计中，需要根据结构的刚度要求选择合适的材料，以确保结构的稳定性和正常运行。
三、韧性韧性是指材料抵抗断裂的能力，反映了材料在受力下的变形能力和吸能能力。
常见的韧性指标包括断裂韧性、冲击韧性等。
断裂韧性是指材料在断裂前所能吸收的能量。
冲击韧性是指材料在受冲击载荷下，能够抵抗破坏的能力。
韧性的测试方法主要包括冲击试验、拉伸试验等。
材料的韧性与其断裂机制和微观结构有关。
例如，金属材料中的晶界和位错可以有效地阻止裂纹扩展，提高韧性；聚合物材料中的交联结构和链段运动可以吸收能量，提高韧性。
工程材料力学性能3
变速率，绝对单位为 m/s。相对形变速率是单位时间内真应变的变化量，也称为应变率，以 ε& 表
示，
ε& = de dt
单位为 s −1 ，常用的是相对形变速率。
一般地，应变率小于 10-2 s −1 金属力学性能没有明显变化，可以按静载荷处
理；应变率大于 10-2 s −1 （爆炸 104~106s-1），力学性能发生明显变化，金属材料
出现变脆趋势，此时需要考虑冲击载荷对金属力学行为和力学性能的影响。
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 一、冲击载荷对弹性变形的影响
弹性变形在介质中以声速传播，钢中的声速约为 5×103m/s，而普通机械冲击 时的绝对形变速率在 103m/s 以下（摆锤冲击试样的速度约为 4.0~5.5 m/s），弹性 形变速率高于加载形变速率，所以对弹性性能没有影响。 二、冲击载荷对塑性变形和断裂的影响
体心立方金属及其合金存在低温脆性。 2、化学成分 （1）降低钢中的 C、P 含量；细化晶粒，热处理成低碳马氏体和回火素氏体，
可提高高阶能；
（2）增加钢中的 C、P、O 含量，Si、Al 含量超过一定值以及应变时效（需解释
应变时效的概念）等，降低高阶能； （3）钢中的 C、P、O 含量高，Si、Al 含量超过一定值，晶粒粗大，形成上贝氏
晶粒细化可以提高钢的断裂强度，降低韧脆转变温度。可以认为晶粒细化对
材料的力学性能有利而无害。 4、外部因素 （1）提高应变速率有类似降温的效果，使脆性转变温度提高； （2）试样尺寸增大，韧性下降，断口中纤维区面积减小，韧脆转变温度提高； （3）应力状态越硬，材料的塑性、韧性越低，韧脆转变温度也越高； （4）形变强化使屈服强度σ s 增大，韧脆转变温度升高；
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（a）
（b） （c）
（a）高塑性材料，（b）中等塑性材料，（c）脆性材料
• 对于脆性材料，可根据弯曲图，用下式 求得抗弯强度σbb
σbb=Mb/W
• 式中 Mb 为试件断裂时的弯矩， W 为截面 抗弯系数，对于直径为d的圆形试 样， ；对于宽度为b，高为h的 矩形试样，W=bh2/6
3
弯曲试验的应用
布氏硬度HB
压入法
洛氏硬度HR 维氏硬度HV
一 、布氏硬度
1 布氏硬度测定的原理和方法 压力将淬火钢球或硬质合金球压头压 入试样表面，保持规定的时间后卸除压力， 试件表面留下压痕，单位压痕表面积上所 承受的平均压力即定义为布氏硬度值。
布氏硬度测试原理
布氏硬度测试示意
布氏硬度HB=
F
A凹
F
=
φ
缺口的第一个效应：引起应力集中， 改变了缺口根部的应力状态
2.缺口试样在塑性状态下的应力分布
• 对于塑性较好的金属材料，若缺口根部产 生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷 的增大塑性区逐渐扩大，直至整个截面上 都产生塑性变形
以厚板为例，缺口截面上应力重新分布
根据屈雷斯加判据，金属屈服的条件
max y x s
侧压
>2
单向 压缩
=2 K s
扭转
=0.8
单向 拉伸
= 0.5
三向 不等 拉伸
< 0.5
0
图5-18佛里德曼(Фридман) 力学状态图
0
s k = s
§2 压缩试验
一、 单向压缩特点 • 单向压缩时应力状态的柔度系数大α=2， 故用于测定脆性材料，如铸铁、轴承合金、 水泥和砖石等的力学性能。 • 由于压缩时的应力状态较软，故在拉伸、 扭转和弯曲试验时不能显示的力学行为， 而在压缩时有可能获得。
转试验机上进行。扭转试件如左图所示, 标距
为100mm；有时也采用标距为50mm的短试件。
扭 矩 M
Mp ME
0 0
M0.3 Mb
K
扭转角
1扭转试验的应力应变分析
应力状态: 纵向 受力均匀； 横向 表面最大，心部为0 最大正应力与最大切应 力相等。
2.切应力---切应变
• 在弹性变形范围内， 材料力学给出了圆杆 表面的切应力计算公 式如下
用于测定灰铸铁的抗弯强度，灰铸铁的弯 曲试件一般采用铸态毛坯圆柱试件。
• 用于测定硬质合金的抗弯强度，硬
质合金由于硬度高，难以加工成拉 伸试件，故常做弯曲试验以评价其 性能和质量。常用规格 为:5mm×5mm×30mm,跨距:24mm
• 陶瓷材料的抗弯强度测定。
§4. 扭转试验及测定的力学性能
扭转试验采用圆柱形(实心或空心)试件, 在扭
Pb b A0
2 双剪试验
Fb
名义抗切强度：
Fb b 2 A0
双剪试验示意图
双剪试验：试件有两个剪切面
3 冲孔式剪切剪试验
• 金属薄板的抗剪强度用冲孔式剪切
试验法测定。试验装置如下图所示。 试件断裂时的载荷为Pb．断裂面为 一圆柱面。故抗剪强度为
d0：冲孔直径， t：板料厚度。
§7.缺口试样静载荷试验
(5)圆柱试件在扭转试验时，整个长度上的塑 性变形始终是均匀的。其截面从标距长度基 本保持不变，不会出现静拉伸时试件发生的 颈缩现象。因此．可用扭转试验精确地测定 高塑性材料的变形抗力和变形能力．而这在 单向拉伸或压缩试验时是难以做到的。
扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材 料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标。 然而，扭转试验的特点和优点在某些情况 下也会变为缺点，例如，由于扭转试件中表 面切应力大，越往心部切应力越小，当表层 发生塑性变形时，心部仍处于弹性状态。因 此，很难精确地测定表层开始塑性变形的时 刻，故用扭转试验难以精确地测定材料的微 量塑性变形抗力。
式中最大切应力τmax按第三强度理论计算，即 τmax=(σ1-σ3)/2 ，σ1，σ3分别为最大和最小主应力
最大正应力σmax按第二强度理论计算，ν为泊松比。
• 对单向拉伸 α＝0.5 • 对扭转 α＝0.8 • 对单向压缩α＝2 α值表示材料塑性变形的难易程度： • α ，切应力分量越大，材料越易塑 性变形，不易引起脆断——应力状态越 “软”；反之则越“硬” 。
（2）扭转试验时试样截面上应力分布不均匀， 表面最大，越往心部越小。可对各种表面强化工 艺进行研究和检查机件热处理的表面质量。
(3)扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式，
正断或切断。
(4)扭转试验时，试件受到较大的切应力，因 而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的 非同时性的问题，如弹性后效、弹性滞后以及 内耗等。
一、缺口效应
1.弹性状态下应力分布
设一薄板的边缘开有缺口，并承 受拉应力σ作用。当板材处于弹 性状态，其缺口应力分布如图
最大应力决定于缺口几何参数根 部曲率半径影响最大，缺口越尖 锐，应力越大。
max Kt
由图2~10可见，开有缺口的薄板承受拉伸应力后，
缺口根部还出现了横向拉应力σx。它是由于材料横 向收缩引起的。 假设沿x方向将薄板等分成很多细小的纵向拉伸试样，
切变模量 扭转比例极限τp：
32TL0 G 4 d 0
p
Tp
W
Tp为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩
扭转屈服强度τs τs = Ts /W 式中Ts为残余扭转切变 为0.3%时的扭矩。
抗扭强度
τb=Tb/W
式中Tb为试件断裂前的最 大扭矩。
3
扭转试验的特点及应用
• （1）应力状态柔度因数α ＝0.8（大于拉伸 时），易于显示金属的塑性行为（如可评定在 拉伸时呈脆性的淬火结构钢和工具钢的塑性）。
• τ=T/ W
•式中T为扭矩；W为截面系数。对于实心圆杆，
W＝πd03／16；
•因切应力作用而在圆杆表面产生的切应变为
•γ=tgα=φd0/2L0×100％ （3-2）
•式中α为圆杆表面任一平行于轴线的直线因τ的作 用而转动的角度,见下 图；φ为扭转角; L0为杆的长
度。
利用扭转图，确定材料的切变模量G，扭转比例 极限τp, 扭转屈服强度τs, 和抗扭强度τb
Tanα=f f：摩擦系数
α:锥面倾角
§3. 弯曲试验
• 应力主要为正应力 • 应力分布不均匀表面最大中心为零 • 三点弯曲或四点弯曲试验：将圆形或矩形 及方形试样放置在一定跨距L的支座上， 通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系， 通常求出断裂时的抗弯强度和最大挠度， 以表示材料的强度和塑性。
• 一、弯曲试验的特点
第二章
其它静载力学性能
引言
• 研究金属材料在常温静载下力学性能： • 拉伸、压缩、弯曲、扭转 • 不同加载方式在试样中产生的应力状态 不同，材料所表现出的力学行为不完全 相同。
§ 1.应力状态柔性系数
应力状态柔性因数：表示应力状态对材料塑性 变形的影响
＝ max 1 3 max 2[ 1 （ 2 3） ]
缺口根部： x 0故 max y s 当外力增加
max y s
缺口根部先屈服
一旦屈服缺口部位σy被松弛到σs 缺口内部σx≠0
根据屈雷斯加判据 必须增加纵向应力σy，心部才能产生屈服 σy、 s
σx增加
z ( x y )
1-塑性材料
压缩载荷变形曲线,1-塑性材料，2-脆性材料
2-脆性材料
低碳钢压缩, 愈压愈扁
铸铁压缩, 约45开裂
• 根据压缩曲线，可以求出压缩强度和塑性指
标。对于低塑性和脆性材料，一般只测抗压
强度σbc，相对压缩εck和相对断面扩胀率
ψck。
• 抗压强度σbc • 为试件压缩断裂时的载荷; σbc=Fbc/A0
2F
πDh
(1)
=
πD[D-（D² -d ² ）½]
压痕几何相似
• 公式表明，当压力和压头直径一定时， 压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变 形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。
由于不同材料的硬度不同，试件 的厚度不同，测定布氏硬度时需选 用不同直径的压头和压力。要在同 一材料上测得相同的布氏硬度，或 在不同的材料上测得的硬度可以相 互比较，压痕的形状必须几何相似， 压入角应相等。
§5.压环强度试验
压环强度试验示意图
压环强度：σr=1.908Pr(D-t)/2Lt2
§6 剪切试验
• 模拟实际服役条件，并提供材料的
抗剪强度数据作为设计的依据。
• 单剪试验 • 双剪试验 • 冲孔式剪切试验
1.单剪实验
剪切试验用于测定板材或 线材的抗剪强度，故剪切试件 取自板材或线材。试验时将试 件固定在底座上，然后对上压 模加压。直到试件沿剪切面 m-m剪断。这时剪切面上的最 大切应力即为材料的抗剪强度；
度：
NSR=σbN／σb 若NSR＞1.0，表示材料对切口不敏感，或者 说材料是切口韧性的；
若NSR＜1.0，则材料对切口敏感，材料是
切口脆性的。
§6.硬度
• 古时，利用固体互相刻划来区分材料的 软硬 • 硬度仍用来表示材料的软硬程度。 • 硬度测定简便，造成的表面损伤小，基 本上属于“无损”检测的范畴。 • 测定硬度的方法很多，主要有压入法， 回跳法和刻划法三大类。 • 硬度定义:是指材料抵抗其他硬物体压入 其表面的能力。
每一小试样受拉伸用都能自由变形。
条件： 有一个变化的拉应力σy 每个试样的拉力不同
结果： 每一小试样变形？ 伸长量εy=…
每个试样变形量大小不同
小试样所处位值不同，它们所受的人大小也不一 样，越靠近缺口根部， σy越大，相应的纵向应变 εy也越大。每一小试样在产生纵向应变εy同时， 必然要产生横向收缩-υεx ，如果核向收缩能自由