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材料力学性能
第一章 材料在单向静拉伸载荷下 的力学性能
材料加工工程系
第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线 1-2 弹性变形 1-3 塑性变形 1-4 材料的断裂
Company Logo
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
1、拉伸试验方法
试样长度要求：
l0 5d0或 l0 10d0
试样加载速率：
常用的拉伸试样几何
1 0 1/s
一般采用圆形或板形二种试样。可分为三个部分，即
工作部分、过渡部分和夹持部分。
其中工作部分必须表面光滑，以保证材料表面也是单
向拉伸状态；过渡部分必须有适当的台阶和圆角，以降低
应力集中，避免该处变形和断裂；夹持部分是与试验机夹
头连接的部分，以定位试样。
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
1、拉伸试验方法
常用的拉伸试样几何
Company Logo
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
2、拉伸曲线
❖拉伸力-拉伸曲线：由 拉伸试验机自动记录或 绘图装置，将作用在试 样上的力和所引起的伸 长自动记录绘出的力伸长曲线。
❖应力-应变曲线：由拉
伸曲线经换算可以得相 应的到工程应力-工程 应变曲线。
低碳钢典型的应力-应变曲线
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
低碳钢典型的应力-应变曲线
弹性变形阶段：曲线的起始 部分，图中的oa段。多数情况 下呈直线形式，符合虎克定律。 屈服阶段：超出弹性变形范 围之后，有的材料在塑性变形 初期产生明显的塑性流动。此 时，在外力不增加或增加很小 或略有降低的情况下，变形继 续产生，拉伸图上出现平台或 呈锯齿状，如图中的ab段。
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
低碳钢典型的应力-应变曲线
均匀塑性变形阶段：屈服后， 欲继续变形，必须不断增加载 荷，此阶段的变形是均匀的， 直到曲线达到最高点，均匀变 形结束，如图中的bc段。
形变硬化：随塑性变形增大， 变形抗力不断增加的现象。 不均匀塑性变形阶段：从试 样承受的最大应力点开始直到 断裂点为止，如图中的cd段。 在此阶段，随变形增大，载荷 不断下降，产生大量不均匀变 形，且集中在颈缩处，最后载 荷达到断裂载荷时 ，试样断裂 Company Logo 。
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
3、应力-应变曲线的类型
典型的应力-应变曲线
（a）弹性-弹塑性-塑性型：工程上的调质钢和一些轻合金 具有此类行为。加工硬化
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
3、应力-应变曲线的类型
典型的应力-应变曲线
（b）弹性-不均与塑性-均匀塑性型：与前者不同在于出现 了明显的屈服点aa ′，有时呈屈服平台状，有时呈齿状。应 变约1%~3%。退火低碳钢和某些有色金属具有此行为。
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
3、应力-应变曲线的类型
典型的应力-应变曲线
（c）弹性-均匀塑性型：未出现颈缩前的均匀变形过程中发 生断裂。主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物 具有此种曲线。
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
3、应力-应变曲线的类型
典型的应力-应变曲线
（d）弹性-不均匀塑性型：形变强化过程中出现多次局部失稳， 其塑性变形方式通常是孪生而不是滑移。当孪生速率超过试验 机夹头运动速度时，载荷会突然松弛而呈现锯齿形的曲线。某 些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金具有此行为。
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
4、真应力-应变曲线
❖式中定：义F：— 真— 外FS ；加载真 荷 ln；ll0 S——试样瞬间截面积； l0——试样原始标距长度； l——试样瞬间标距长度。
❖ 注：①相对而言，真 真曲线较 曲线真实 。
②在小应变范围内，二者区别很小，可以不区分，
且 曲线更方便。
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1-2 弹性变形
1、弹性变形及其实质
材料受外力作用发生尺寸和形状的变化，成为变形。外力去 除后，随之消失的变形为弹性变形，剩余的变形为塑性变形。
Hooke定律：金属弹性变形时，外力与应变成正比。 即：E
原子间的距离发生伸
长和缩短，但原子间的结
加载
合键并没有发生破坏
卸载后变形迅速恢复
卸载
弹性变形特征：可逆性
（受力作用后产生变形，
载荷卸除后，变形消失）
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1-2 弹性变形
1、弹性变形及其实质
在没有外加载荷作用时，金属
中的原子N1、N2在平衡位置附近振
动，相邻原子间的作用力由引力和
斥力叠加而成。
当原子间相互平衡力受外力而
受到破坏时，原子位置相应调整，
产生位移。而位移总和在宏观上表 曲线1：两原子间的引力
现为变形。
曲线2：两原子间的斥力
外力去除后，原子依靠之间的 曲线3：两原子之间的作用力
作用力又回到原来平衡位置，位移
由于晶体中的缺陷的存在，在弹性 变形量尚小时的应力可以激活位错
消失，宏观变形消失。
运动，代之以塑性变形。实际上可
实现的弹性变形量不会很大。
1-2 弹性变形
2、弹性性能
弹性模量（E）
E
x x
（单向受力状态下）。它反映材料抵抗正应变的能力。
切变模量（G）
G xy （纯剪受力状态下）。它反映材料抵抗切应变的能力。
xy
泊松比（）依据体积不变原理，纵向伸长，那么横向必然收缩
y x
（单向-X方向受力状态下）
它反映材料横向正应变与受力方向
正应变的相对比值。
1-2 弹性变形
2、弹性性能
体积弹性模量（K）
K E
3(1 2 )
❖ 刚度：工程上弹性模型称为刚度， 表征金属材料对弹性变形的抗力。 ❖ 各向异性
单晶体金属表现为弹性各向异性 多晶体金属表现为伪各向同行（单个晶粒弹性模量的各 向统计平均值）
1-2 弹性变形
2、弹性性能
❖ 弹性模量影响因素 金属原子本性和晶格类型 原子间作用力与原子距离 应力与应变 弹性模量 合金化、热处理、冷塑性变形 均对弹性模量影响不大 温度、加载速率
❖ 弹性模量主要取决于结合键本性和原子结合力 共价键材料﹥金属键材料﹥分子键结合的高分子材料
第一章 材料在单向静拉伸载荷下 的力学性能
材料加工工程系
第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线 1-2 弹性变形 1-3 塑性变形 1-4 材料的断裂
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
1、拉伸试验方法
试样长度要求：
l0 5d0或 l0 10d0
试样加载速率：
常用的拉伸试样几何
1 0 1/s
一般采用圆形或板形二种试样。可分为三个部分，即
工作部分、过渡部分和夹持部分。
其中工作部分必须表面光滑，以保证材料表面也是单
向拉伸状态；过渡部分必须有适当的台阶和圆角，以降低
应力集中，避免该处变形和断裂；夹持部分是与试验机夹
头连接的部分，以定位试样。
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
1、拉伸试验方法
常用的拉伸试样几何
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
2、拉伸曲线
❖拉伸力-拉伸曲线：由 拉伸试验机自动记录或 绘图装置，将作用在试 样上的力和所引起的伸 长自动记录绘出的力伸长曲线。
❖应力-应变曲线：由拉
伸曲线经换算可以得相 应的到工程应力-工程 应变曲线。
低碳钢典型的应力-应变曲线
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
低碳钢典型的应力-应变曲线
弹性变形阶段：曲线的起始 部分，图中的oa段。多数情况 下呈直线形式，符合虎克定律。 屈服阶段：超出弹性变形范 围之后，有的材料在塑性变形 初期产生明显的塑性流动。此 时，在外力不增加或增加很小 或略有降低的情况下，变形继 续产生，拉伸图上出现平台或 呈锯齿状，如图中的ab段。
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
低碳钢典型的应力-应变曲线
均匀塑性变形阶段：屈服后， 欲继续变形，必须不断增加载 荷，此阶段的变形是均匀的， 直到曲线达到最高点，均匀变 形结束，如图中的bc段。
形变硬化：随塑性变形增大， 变形抗力不断增加的现象。 不均匀塑性变形阶段：从试 样承受的最大应力点开始直到 断裂点为止，如图中的cd段。 在此阶段，随变形增大，载荷 不断下降，产生大量不均匀变 形，且集中在颈缩处，最后载 荷达到断裂载荷时 ，试样断裂 Company Logo 。
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
3、应力-应变曲线的类型
典型的应力-应变曲线
（a）弹性-弹塑性-塑性型：工程上的调质钢和一些轻合金 具有此类行为。加工硬化
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
3、应力-应变曲线的类型
典型的应力-应变曲线
（b）弹性-不均与塑性-均匀塑性型：与前者不同在于出现 了明显的屈服点aa ′，有时呈屈服平台状，有时呈齿状。应 变约1%~3%。退火低碳钢和某些有色金属具有此行为。
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
3、应力-应变曲线的类型
典型的应力-应变曲线
（c）弹性-均匀塑性型：未出现颈缩前的均匀变形过程中发 生断裂。主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物 具有此种曲线。
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
3、应力-应变曲线的类型
典型的应力-应变曲线
（d）弹性-不均匀塑性型：形变强化过程中出现多次局部失稳， 其塑性变形方式通常是孪生而不是滑移。当孪生速率超过试验 机夹头运动速度时，载荷会突然松弛而呈现锯齿形的曲线。某 些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金具有此行为。
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1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
4、真应力-应变曲线
❖式中定：义F：— 真— 外FS ；加载真 荷 ln；ll0 S——试样瞬间截面积； l0——试样原始标距长度； l——试样瞬间标距长度。
❖ 注：①相对而言，真 真曲线较 曲线真实 。
②在小应变范围内，二者区别很小，可以不区分，
且 曲线更方便。
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1-2 弹性变形
1、弹性变形及其实质
材料受外力作用发生尺寸和形状的变化，成为变形。外力去 除后，随之消失的变形为弹性变形，剩余的变形为塑性变形。
Hooke定律：金属弹性变形时，外力与应变成正比。 即：E
原子间的距离发生伸
长和缩短，但原子间的结
加载
合键并没有发生破坏
卸载后变形迅速恢复
卸载
弹性变形特征：可逆性
（受力作用后产生变形，
载荷卸除后，变形消失）
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1-2 弹性变形
1、弹性变形及其实质
在没有外加载荷作用时，金属
中的原子N1、N2在平衡位置附近振
动，相邻原子间的作用力由引力和
斥力叠加而成。
当原子间相互平衡力受外力而
受到破坏时，原子位置相应调整，
产生位移。而位移总和在宏观上表 曲线1：两原子间的引力
现为变形。
曲线2：两原子间的斥力
外力去除后，原子依靠之间的 曲线3：两原子之间的作用力
作用力又回到原来平衡位置，位移
由于晶体中的缺陷的存在，在弹性 变形量尚小时的应力可以激活位错
消失，宏观变形消失。
运动，代之以塑性变形。实际上可
实现的弹性变形量不会很大。
1-2 弹性变形
2、弹性性能
弹性模量（E）
E
x x
（单向受力状态下）。它反映材料抵抗正应变的能力。
切变模量（G）
G xy （纯剪受力状态下）。它反映材料抵抗切应变的能力。
xy
泊松比（）依据体积不变原理，纵向伸长，那么横向必然收缩
y x
（单向-X方向受力状态下）
它反映材料横向正应变与受力方向
正应变的相对比值。
1-2 弹性变形
2、弹性性能
体积弹性模量（K）
K E
3(1 2 )
❖ 刚度：工程上弹性模型称为刚度， 表征金属材料对弹性变形的抗力。 ❖ 各向异性
单晶体金属表现为弹性各向异性 多晶体金属表现为伪各向同行（单个晶粒弹性模量的各 向统计平均值）
1-2 弹性变形
2、弹性性能
❖ 弹性模量影响因素 金属原子本性和晶格类型 原子间作用力与原子距离 应力与应变 弹性模量 合金化、热处理、冷塑性变形 均对弹性模量影响不大 温度、加载速率
❖ 弹性模量主要取决于结合键本性和原子结合力 共价键材料﹥金属键材料﹥分子键结合的高分子材料