材料力学性能材料在单向拉伸下力学性能
材料力学性能-单向静拉伸力学性能
§0.4 位错理论的回顾
一、位错理论的基本概念
1、晶体中的缺陷：点、线、面、体缺陷 2、位错的定义： 晶体内已滑移部分与未滑移部分在 滑移面上的交界线，称为位错线。 3、位错的描述及种类： 柏氏矢量；刃位错、螺位 错、混型位错。 4、位错的萌生与增殖：形核；F-R位错源理论。 5、位错的运动： 滑移、攀移、交滑移、交割与割阶 6、位错运动受阻： 塞积群、割阶、气团、面角位错 7、其他： 位错的应力场与弹性应变能；位错的受 力；位错的分解或合成；典型晶体中的位错。
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32
33
广义虎克定律物理方程
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3. 狭义虎克定律
常用公式！
正弹性模量 切变弹性模量
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三、弹性模量
是一个与外作用力无关的常数，仅与材料本 身的性质有关，反映材料的本质，是构成材料的离子 或分子之间键合强度的主要指标
1.弹性模量的物理意义和作用 ⑴物理意义：材料对弹性变形的抗力。 ⑵用途：工程上亦称为刚度；计算梁或其他构
• 这些方法要求有可供测年的残留物，并不适用绝大多数青 铜器制品。
• 而铅同位素法，由于误差太大，以及测量原理的问题，而 已经被否定。
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基于纳米压痕测试技术实现古代青铜 器测年的基本原理与可行性分析
• 在现代金属材料理论中，有一个“时效”或“时效 处理”的概念，它是指将淬火后的金属工件置於室 温或较高温度下保持适当时间，通过稳定金属材料 的组织和尺寸，以提高金属强度的金属热处理工艺。
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引言
单向静拉伸试验特点:
1、最广泛使用的力学性能检测手段; 2、试验的应力状态、加载速率、温度、试样等 都有严格规定（方法：GB/T228-2002；试样： GB/T6397-1986）。 3、最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）； 4、可测力学性能指标：强度（σ）、塑性 （δ、ψ、f）等。
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。
材料性能学课程教学大纲
《材料性能学》课程教学大纲课程名称（英文）：材料性能学（Properties of Materials）课程类型：学科基础课总学时： 72 理论学时： 60 实验（或上机）学时： 12学分：4.5适用对象：金属材料工程一、课程的性质、目的和任务本课程为金属材料工程专业的一门专业基础课，内容包括材料的力学性能和物理性能两大部分。
力学性能以金属材料为主，系统介绍材料的静载拉伸力学性能；其它载荷下的力学性能，包括扭转、弯曲、压缩、缺口、冲击及硬度等；断裂韧性；变动载荷下、环境条件下、高温条件下的力学性能；摩擦、磨损性能以及其它先进材料的力学性能等。
物理性能概括介绍常用物理性能如热学、电学、磁学等的基本参数及物理本质，各种影响因素，测试方法及应用。
通过本课程的学习，使学生掌握材料各种主要性能指标的宏观规律、物理本质及工程意义，了解影响材料性能的主要因素，了解材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备，基本掌握改善或提高材料性能指标、充分发挥材料潜能的主要途径，初步具备合理的选材和设计，开发新型材料所必备的基础知识和基本技能。
在学习本课程之前，学生应学完物理化学、材料力学、材料科学基础、钢的热处理等课程。
二、课程基本要求根据课程的性质与任务，对本课程提出下列基本要求：1．要求学生在学习过程中打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系，并注重建立与同期和后续其它专业课程之间联系以及在生产实际中的应用。
2．能够从各种机器零件最常见的服役条件和失效现象出发，了解不同失效现象的微观机理，掌握工程材料（金属材料为主）各种力学性能指标的宏观规律、物理本质、工程意义和测试方法，明确它们之间的相互关系，并能大致分析出各种内外因素对性能指标的影响。
3．掌握工程材料常用物理性能的基本概念及影响各种物性的因素，熟悉其测试方法及其分析方法，初步具备有合理选择物性分析方法，设计其实验方案的能力。
三、课程内容及学时分配总学时72，课堂教学60学时，实验12学时。
《工程材料力学性能》第二版课后习题答案
第一章
一、 解释下列名词
材料单向静拉伸载荷下的力学性能
滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料 能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限 (ζ P)或屈服强度(ζ S)增加；反向加载时弹性极限(ζ P)或屈服 强度(ζ S)降低的现象。
二、 金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学 姓能? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而 材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指
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《工程材料力学性能》（第二版）
标，这是弹性模量在性能上的主要特点。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。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或 屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明 在反向加载时塑性变形立即开始了。 包辛格效应可以用位错理论解释。第一，在原先加载变形时，位错源在 滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于 位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停 止开动。背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平 均内应力的度量。因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反，而当 反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，和背应力方向一致，背应 力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服 强度就降低了。这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。其次，在反向 加载时， 在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁， 这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。 实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效 应。其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。另外包辛格效应和材料的疲 劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛 格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。 可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。 解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。
束德林主编工程材料力学性能第三版 第1章
图1-21 冰糖状断口 （SEM）
（三） 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂
（1）剪切断裂 剪切断裂是金属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，其中又分纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。
（2）解理断裂 解理断裂是金属材料在一定条件下(如低温)，当外加正应力达到--定数值后，
五、缩颈现象和抗拉强度
（一）缩颈的意义 （二）缩颈判据 （三）确定缩颈点及颈部应力的修正 （四）抗拉强度
（三）确定缩颈点及颈部应力的修正
' zh
(1
zh
2R ) ln(1
a
)
a
2R
' zh
' zh
——修正后的真实应力
zh ——颈部轴向真实应力
R ——颈部轮廓线曲率半径
a ——颈部最小截面半径
一、断裂的类型 （一） 韧性断裂与脆性断裂 （二） 穿晶断裂与沿晶断裂 （三） 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂与解理断裂
（一）韧性断裂与脆性断裂
韧性断裂是金属材料断裂前产 生明显宏观塑性变形的断裂，这种 断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂 纹扩展过程中不断地消耗能量。
中、低强度钢的光滑圆柱试样 在室温下的静拉伸断裂是典型的韧 性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由 纤维区、放射区和剪切唇三个区域 组成，即所谓的断口特征三要素。
冶金质量的好坏，故可用以评定材料质量。 金属材料的塑性常与其强度性能有关。
七、屈强比
材料屈强比值的大小，反映了材料均匀塑形变形的能力和应 变硬化性能，对材料冷成型加工具有重要意义。
八、静力韧度
韧度是度量材料韧性的力学性能指标，其中又分静力韧度、冲击韧度和断裂 韧度。
第01章 单向静拉伸力学性能
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经典弹性理论：变形完全回复；单值对应；线性关系。
滞弹性体的应力与应变关系仍然是 线性的。它与非弹性体有明显区别。
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弹性体与滞弹性体区别：
弹性体：每一 σ 值准确对应于一个 ε 值，即 σ 、ε 是 唯一的；
滞弹性体：每个 σ 值对应两个 ε 值，其中之一属加载， 另一则属卸载条件下的 ε 值。
真实应力-应变曲线：
定义式 ： σzh = F/S 定义式： εzh = ΔL/L
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（1）在Ⅰ区，为直线，真应力与真应变成直线关系。 （2）在Ⅱ区，为均匀塑性变形阶段，是向下弯曲的曲线，
遵循Hollomon关系式: σzh ＝K(εzh)n
K，n均为材料常数；n为形变强化指数；K为硬化系数 一般金属材料，1>n>0 σ= Eε
⑴ 金属原子的种类(非过渡族、过渡族） ⑵ 晶体结构 （单晶体和多晶体） (3) 冷变形（织构） ⑷ 显微组织（热处理后） （5）温度 （6）加载速率 （7）相变
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四、弹性比功
1、比例极限 2、弹性极限 3、弹性比功（弹性比能、应变比能）
物理意义：吸收弹性变形功的能力。 几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的 面积。 计算式：ae =σeεe/2 =σe2/2E 用途：弹簧
σ 和 ε 的关系表现为一个椭圆。
3、滞弹性的内耗
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（1）金属的内耗—金属材料在交变载荷下吸收 不可逆变形功的能力。
在机械振动过程中由于滞弹性造成震动能量 损耗，机械能散发为热能。
滞弹性回线中所包围的 面积代表振动一周所产生的 能量损耗，回线面积越大， 则能量损耗也越大。
40 （2）产生内耗的原因：
（1）最广泛使用的力学性能检测手段。 （2）试验的应力状态、加载速率、温度等都是
§4—1材料在拉伸和压缩时力学性能测定实验
金属材料的拉伸、压缩实验承受轴向拉伸和压缩是工程构件最常见的受力方式之一，材料在拉伸和压缩时的力学性能也是材料最重要的力学性能之一。
常温、静载下金属材料的单向拉伸和压缩实验也是测定材料力学性能的最基本、应用最广泛、方法最成熟的试验方法。
通过拉伸实验所测定的材料的弹性指标E、μ，强度指标σs、σb，塑性指标δ、ψ，是工程中评价材质和进行强度、刚度计算的重要依据。
下面以典型的塑性材料——低碳钢和典型的脆性材料——铸铁为例介绍实验的详细过程和数据处理方法。
一、预习要求1、电子万能材料试验机在实验前需进行哪些调整？如何操作？2、简述测定低碳钢弹性模量E的方法和步骤。
3、实验时如何观察低碳钢拉伸和压缩时的屈服极限？二、材料拉伸时的力学性能测定拉伸时的力学性能实验所用材料包括塑性材料低碳钢和脆性材料铸铁。
（一）实验目的1、在弹性范围内验证虎克定律，测定低碳钢的弹性模量E。
2、测定低碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率ψ；测定铸铁拉伸时的强度极限σb。
3、观察低碳钢和铸铁拉伸时的变形规律和破坏现象。
4、了解万能材料试验机的结构工作原理和操作。
（二）设备及试样1、电子万能材料试验机。
2、杠杆式引伸仪或电子引伸仪。
3、游标卡尺。
4、拉伸试样。
GB6397—86规定，标准拉伸试样如图1所示。
截面有圆形(图1a)和矩形（图1b）两种，标距l0与原始横截面积A0比值为11.3的试样称为长试样，标距l0与原始横截面积A0比值为5.56的试样称为短试样。
对于直径为d0的长试样，l0=10d0；对于直径为d0的短试样，l0=5d0。
实验前要用划线机在试样上画出标距线。
（三）低碳钢拉伸实验1、实验原理与方法常温下的拉伸实验是测定材料力学性能的基本实验，可用以测定弹性模量E、屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率ψ等力学性能指标。
这些指标都是工程设计中常用的力学性能参数。
现以液压式万能材料试验机为例说明其测量原理和方法。
金属材料在静拉伸载荷下的力学性能
五缩颈现象
缩颈：拉伸试验时,变形集中于局部区域 的特殊现象.
• 缩颈前是均匀变形，缩 颈后是不均匀变形，即 局部变形
e p
用规定的微量塑性变形(残余伸长)所需的应力来表征。
四、弹性比功
表征金属材料吸收弹性功的能力。
弹性比能
应变比能
应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功
弹性比功ae=σeεe/2
=σe2/2E
σe↑E↓
→a e ↑
理想的弹簧材料要求有高的弹性比功
Байду номын сангаас
成分与热处理对弹性极限影响大， 对弹性模量影响不大。
. ε = bρ V
开始塑性变形时,可动ρ小,要求V大
V=（τ /τ 0）m'
要求 τ大
塑性变形后
ρ ↑ 要求V小
m'小，则τ变化大，屈服明显。
BCC: m′<20, 屈服明显 FCC: m′ >100~200，屈服不明显
要↓ τ
3、屈服强度σs 表征材料对微量塑性变形的抗力。
σs：上屈服点σsu和下屈服点σsl
E
拉伸杨氏模量： E = σ /ε
切变模量G =τ/γ
G E 2(1 v)
泊松比：υ= —εX/εZ
对金属υ值约为0.33（或1/3）
广义胡克定律
1
1 E
[1
v( 2
3 )]
2
1 E
[ 2
v( 3
1)]
3
1 E
[ 3
v(1
2 )]
物理意义： 产生单位应变所需的应力
技术意义： E，G称为材料的刚度
2、多晶体塑性变形的特点 1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性 2）各晶粒变形的相互协调性
单向拉伸实验实验报告
单向拉伸实验实验报告实验名称：单向拉伸实验报告引言：单向拉伸实验是力学实验中常用的一种方法，用于研究材料在拉伸过程中的力学性能。
本实验旨在通过对不同材料的单向拉伸实验，探究材料的应力-应变曲线、杨氏模量和屈服强度等力学特性，进一步了解材料的性质及其应用范围。
实验过程：1. 实验前准备：准备好材料样品、拉伸试验机和相应的测试软件。
确保试验设备正确连接并校准。
2. 样品制备：根据实验需求，选择不同材料的样品进行制备。
使用铣床或切割机将材料加工成长度约为100mm、宽度约为10mm的矩形试样。
确保试样边缘平整，无明显的划痕或损伤。
3. 试样固定：将试样的一端固定在拉伸试验机的夹具上，另一端固定在拉伸测力计上。
夹具和测力计应与试样保持垂直，并确保试样完全拉直。
4. 参数设定：根据要求设置拉伸试验机的相关参数，如拉伸速度、试验时长等。
通常选择适当的拉伸速度以保证试验的准确性和安全性。
5. 拉伸试验：开始实验后，拉伸试验机会逐渐施加力，使试样产生拉伸变形。
同时，测力计会记录下试样在拉伸过程中所受的力，从而计算出相应的应变。
6. 数据记录：在试验过程中，我们需要不断记录试样受力及相应的位移数据。
可结合拉伸试验机的测试软件进行数据的实时监测和记录。
7. 实验结果分析：收集到足够的数据后，我们可以根据试验结果绘制应力-应变曲线，并通过曲线的斜率计算出杨氏模量。
同时，还可以通过应力-应变曲线的形状和曲线上的特征点，如屈服点、最大应力点和断裂点等，来分析材料的力学性能。
结果与讨论：通过对不同材料的单向拉伸实验，我们可以获得这些材料的应力-应变曲线。
由应力-应变曲线可以得到材料的屈服强度、抗拉强度和断裂强度等参数。
同时，根据材料的力学性能，还可以判断他们在不同应力条件下的使用范围。
此外，单向拉伸实验还可以用于研究材料的断裂机制。
通过观察材料在拉伸过程中的断裂情况，可以追踪裂纹的形成和传播路径，进一步了解材料的断裂机理。
材料在单向静拉伸载荷下的力学性能
材料在单向静拉伸载荷下的力学性能1.1拉伸试验 1.1.1 概述拉伸试验是标准拉伸试样在静态轴向拉伸力不断作用下以规定的拉伸 速度拉至断裂，并在拉伸过程中连续记录力与伸长量，从而求出其强度判 据和塑性判据的力学性能试验。
强度指标：弹性极限、屈服强度、抗拉强度 ；塑性指标：断后伸长率、断面收缩率。
1.1.2 概念应力：应力是在它所作用面积上的力， 用N/mm 2表示，在米制单位中,用千帕（kPa ）或兆帕（MPa ）表示。
应变：是被测试材料尺寸的变化率，它是加载后应力引起的尺寸变化。
由于应变是一个变化率，所以它没有单位拉悻前 ------ w -----原始标距（L o ）:施力前的试样标距。
断后标距（L u ）:试样断裂后的标距。
平行长度（L c ）:试样两头部或两夹持部分 （不带头试样）之间平行部分的 长度。
断后伸长率（A ）:是断后标距的残余伸长 （L U -L o ）与原始标距（L o ）之比的 百分(7 =(M Pa5率。
断面收缩率（Z）:断裂后试样横截面积的最大缩减量（S o-S U）与原始横截面积（So）之比的百分率。
最大力（F m）:试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力。
屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。
上屈服强度：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。
下屈服强度：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。
1.1.3 拉伸应力-应变曲线以低碳钢的拉伸应力一应变曲线为例。
OB —弹性阶段，BC —屈服阶段CD —强化阶段，DE —颈缩阶段试样在各阶段变化的示意图金属材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，符合胡克定律，即( T=E •&，其比例系数E称为弹性模量。
弹性极限d P与比例极限d e非常接近，工程实际中近似地用比例极限代替弹性极限。
屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。
材料性能学期末考试
中原工学院材料与化工学院材料性能学《材控专业课后习题》第一章材料在单向拉伸时的力学性能１-1名词解释1.弹性比功:材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力.2.包申格效应:金属材料经预先加载产生少量塑性变形，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.其来源于金属材料中的位错运动所受阻力的变化。
可通过热处理(再结晶退火）消除。
3.塑性:材料断裂前产生塑性变形的能力4.韧性：材料变形时吸收变形力的能力5.脆性断裂(弹性断裂)：材料断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快。
断口呈现与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮,为放射状或结晶状。
6.韧性断裂（延性断裂或者塑性断裂)：材料断裂前及断裂过程中产生明显塑性变形的断裂过程。
断口呈现暗灰色、纤维状。
7.剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成断裂.断口呈现锋利的楔形或微孔聚集型,即出现大量韧窝。
8.河流花样：解理裂缝相交处会形成台阶,呈现出形似地球上的河流状形貌9.解理台阶：解理裂纹的扩展往往是沿晶面指数相同的一族相互平行,但位于“不同高度”的晶面进行的。
不同高度的解理面存在台阶。
10.韧窝：通过孔洞形核、长大和连接而导致韧性断裂的断口1—3材料的弹性模数主要取决于什么因素?答:影响弹性模数的因素:键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件和负荷持续时间1—4决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些？答：１、晶体结构：屈服是位错运动，因此单晶体理论屈服强度=临界切应力2、晶界和亚结构:晶界是位错运动的重要障碍,晶界越多,常温时材料的屈服强度增加。
晶粒越细小，亚结构越多,位错运动受阻越多,屈服强度越大。
３、溶质元素：由于溶质原子与溶剂原子直径不同,在溶质原子周围形成晶格畸变应力场，其与位错应力场相互作用，使位错运动受阻，增大屈服强度.固溶强化、柯氏气团强化、沉淀强化、时效强化、弥散强化4、第二相：弥散分布的均匀细小的第二相有利于提高屈服强度5、环境因素对屈服强度的影响1)温度的影响：温度升高，屈服强度降低，但变化趋势因不同晶格类型而异。
材料单向拉伸的力学性能
比例极限和弹性极限没有质的区别，只是非比例伸长 率大小不同而已。实际上比例极限和弹性极限与下面将 要介绍的屈服强度的概念基本相同，都表示材料对微量 塑性变形的抗力，
5.弹性比功
弹性比功又称为弹性比能或应变比能，用ae表示,是材料在
弹性变形过程中吸收变形
功的能力。可用材料弹性
几种材料在常温下的弹性模数（Mpa）
材料名称 弹性模数E
低碳钢
2.0×105
低合金钢 (2.2~2.0) ×105
奥氏体不锈钢 (2.0~1.9) ×105
铜合金
(1.3~1.0) ×105
铝合金
(0.75~0.60) ×105
钛合金
(1.16~0.96) ×105
金刚石
10.39×105
碳化硅
4.14×105
变形达到弹性极限时单位
体积吸收的弹性变形功表
示。材料拉伸时的弹性比
功可用应力⎯应变曲线下
的影线面积表示,故
ae
=
1 2
σ
eε
e
=
σ e2
2E
材料 中碳钢 弹簧钢 硬铝 铜 铍青铜 橡胶
几种材料的E、σe、ae值
E (MPa) 2.1×105 2.1×105 7.24×104 1.1×105 1.2×105 0.2～0.78
σp、σe只是一个理论上的物理定义，用普通的测试
方法很难测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值。
为了便于实际测量和应用，σp的新定义在国家标准中称
为“规定非比例伸长应力”，即试验时非比例伸长达到原 始标距长度规定的百分比时的应力，表示此应力的符号
附以角注说明，例如σp0.01、σp0.05分别表示规定非
材料性能总结
材料性能总结材料⼒学性能第⼀章材料单向静拉伸的⼒学性能1、名词解释弹性⽐功：为应⼒-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功的能⼒,⼜称弹性⽐能，应变⽐能。
即弹性⽐功=σe2/2E =σeεe/2 其中σe为材料的弹性极限，它表⽰材料发⽣弹性变形的极限抗⼒包申格效应：指原先经过变形，然后反向加载时弹性极限（σP）或屈服强度（σS）降低的现象。
滞弹性：应变落后于应⼒的现象，这种现象叫滞弹性粘弹性：具有慢性的粘性流变，表现为滞后环，应⼒松弛和蠕变。
上述现象均与温度，时间，密切相关。
内耗：材料在弹性范围加载和卸载时，有⼀部分加载变形功被材料所吸收，这部分功叫做材料的内耗.塑性：指⾦属材料断裂前发⽣塑性变形的能⼒。
脆性断裂：材料断裂前基本上补产⽣明显的宏观塑性变形。
断⼝⼀般与正应⼒垂直，宏观上⽐较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。
韧性断裂：材料断裂前及断裂过程冲产⽣明显宏观塑性变形的断裂过程。
断⼝往往呈暗灰⾊、纤维状。
解理断裂：在正应⼒的作⽤下，由于原⼦间结合键的破坏引起的沿特定晶⾯发⽣的脆性穿晶断裂。
剪切断裂：材料在切应⼒作⽤下沿滑移⾯滑移分离⽽造成的断裂。
河流花样：实际上是许多解理台阶，不是在单⼀的晶⾯上。
流向与裂纹的扩展⽅向⼀致。
韧窝：材料发⽣微孔聚集型断裂时，其断⼝上表现出的特征花样。
2、设条件应⼒为σ，真实应⼒为S，试证明S>σ。
证明：设瞬时截⾯积为A，相应的拉伸⼒为F，于是S=F/A。
同样，当拉伸⼒F有⼀增量dF时，试样在瞬时长度L的基础上变为L+dL，于是应变的微分增量应为de=dL/L，试样⾃L0伸长⾄L 后，总的应变量为e=lnL/ L0 式中e为真应变。
于是e=ln（1+ε）假设材料的拉伸变形是等体积变化过程，于是真应⼒和条件应⼒之间有如下关系：S=σ（1+ε）由此说明真应⼒S⼤于条件应⼒σ3、材料的弹性模数主要取决于什么因素？⾼分⼦材料的弹性模数受什么因素影响最严重？答：材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原⼦间的结合⼒，⽽材料的成分和组织对它的影响不⼤，可以说它是⼀个对组织不敏感的性能指标（对⾦属材料），⽽对⾼分⼦和陶瓷E对结构和组织敏感。
工程材料力学性能1
工程材料力学性能1金属在单向静拉伸下的力学性能金属在单向静拉伸下的力学性能本章介绍金属在拉伸状态下的力学行为，包括弹性形变、塑性形变和断裂。
重点介绍表征这些力学行为的性能指标、测试方法，以及力学行为的物理机理。
第一节拉伸力―拉伸力―伸长曲线和应力―伸长曲线和应力―应变曲线一、试件形状拉伸实验一般采用光滑的圆柱或板状（横截面为长方形）试件，试件尺寸在国家标准中有明确的规定。
以圆柱试件为例，其结构如下图所示：图1.1 圆柱拉伸试件结构图、过渡部分R、夹持部分H。
光滑试件由三个部分组成：工作部分L0（标距）二、拉伸实验由拉伸实验机拉伸试件，由附加仪器记录拉伸力F及其对应的试件标距间的绝对伸长量8L。
以F为纵坐标，8L为横坐标，做出的F―8L曲线称为拉伸力-伸长曲线，也称为拉伸图（曲线）。
三、拉伸曲线和应力拉伸曲线和应力―和应力―应变曲线1、拉伸曲线下图为退火低碳钢的拉伸曲线o8L（mm）F（N）工程材料力学性能拉伸过程中金属的变形可分为四个阶段：弹性变形（oe段）、不均匀屈服塑性变形（AC段，塑性屈服）、均匀塑性变形（CB段）、不均匀集中塑性变形（BK段，即“缩颈”现象）。
需要指出的是，塑性阶段仍然伴随弹性变形，只是此时外观上表现出不可逆的塑性变形。
2、应力―应变曲线如果以试件原始横截面AO去除拉伸力F得到应力σ，即σ= F，以原始标A0距LO去除绝对伸长8L得到应变ε，即ε=L，则拉伸曲线可以转换成应力―应L0变曲线，如下图所示。
由于原始横截面和标距为常数，所以应力―应变曲线在形状上与拉伸力―伸长曲线相似。
oσ（MPa）σe：弹性极限σs：屈服强度不同材料的应力-应变曲线差别很大，有些材料只有弹性变形阶段，如陶瓷和淬火高碳钢；有些材料没有不均匀的塑性屈服阶段，如有色金属。
工程材料力学性能第二节弹性变形一、弹性变形及其实质金属弹性变形是一种可逆的变形，是金属内原子之间引力、斥力以及外力三者之间平衡的结果。
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材料力学性能的定义:
❖ 材料在外加载荷（外力）作用下，或载荷 与环境因素（如温度、介质和加载速率） 联合作用下所表现的行为，又称为力学行 为。
❖ 宏观上一般表现为材料的变形或断裂。
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第一章 材料在单向拉伸下的力学性能
❖ 机器零件（简称机件）的承载条件一般用各种 力学参数（如应力、断裂韧度等），
❖ 所以就将表征材料的力学参数的临界值或规定 值称为材料的力学性能指标或判据。
❖ 材料力学性能指标具体数值的高低表示材料抵 抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质量的 主要依据。
2
第一章 材料在单向拉伸下的力学性能 ❖ 一、拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线 ❖ 二、弹性变形 ❖ 三、塑性变形 ❖ 四、金属的断裂
变形，在最高载荷点处断裂。 ❖ 断口特征：平断口，断口平面与拉力轴线垂直。
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1.4 应力-应变曲线
❖ 塑性材料的应力－应变曲线：
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1.4 应力-应变曲线
❖ （1）最常见的金属材料应力-应变曲线 Oa为弹性变形阶段，ab为形变强化阶段，bk为缩 颈阶段，在k点发生断裂，如图1.7(a) 。 典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。
1.2 单向静拉伸试验：应变
❖ 工程应变――伸长量除以原始标距长度即得工程 应变e，应变用来描述塑性变形和弹性变形程度
❖ 单位长度上的变化量： e = DL / L0
式中DL 为试样伸长量，DL=L - L0， L0为试样原始 标长，L为与F相对应的标长部分的长度。
无单位 (m/m，mm/mm)
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加工硬化和韧性等重要的力学性能指标，它是材 料的基本力学性能。
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1.2 单向静拉伸试验
❖拉伸性能的作用、用途
a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据 之一。 b.提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、断裂 性能。 c.研究新材料，或合理使用现有材料和改善其力学性能时， 都要测定材料的拉伸性能。 注意：拉伸试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都 有 严 格 规 定 （ 方 法 ： GB/T228-2002 ； 试 样 ： GB/T63971986）。
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❖一些材料承受一定塑性变形就会发生破坏， 如桥梁混凝土，陶瓷等。
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基本设计准则 施加的应力必须小于材料的强度
强度就是材料变形和断裂的临界应力
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1.4 应力-应变曲线
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1.4 应力-应变曲线
❖ 脆性材料的应力－应变曲线： ❖ 典型材料：玻璃、多种陶瓷、岩石，低温下的金属材料、
淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等。 ❖ 曲线特征：在拉伸断裂前，只发生弹性变形，不发生塑性
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1.4 应力-应变曲线
❖ （2）具有明显屈服点的应力-应变曲线 曲线有明显的屈服点aa′，屈服点呈屈服平台或呈 齿状，相应的应变量在1%～3%范围，图1.7 (b) 。 典型材料：退火低碳钢和某些有色金属。
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1.4 应力-应变曲线
❖ （3）不出现颈缩的应力-应变曲线 只有弹性变形oa和均匀塑性变形ak阶段，图1.7 (c) 。 典型材料：铝青铜和高锰钢。
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第一节 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线 ❖ 1.1 金属力学性能基本概念 ❖ 1.2 单项静拉伸试验 ❖ 1.3 拉伸力-伸长曲线 ❖ 1.4 应力-应变曲线 ❖ 1.5 拉伸力学性能指标
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1.1 金属力学性能基本概念
力作用于材料 弹性变形
弹塑性变形 断裂
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1.1 金属力学性能基本概念
力学性能
力
单向应力
剪切应力
变形方式
伸长 压缩
剪切应力类型拉伸 压缩剪切扭转力矩 弯曲力矩
扭转 弯曲
扭转 弯曲
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1.2 单向静拉伸试验
❖ 单向静拉伸试验特点 ❖应力状态：单向拉应力，应力状态简单，最基本
的、应用最广泛的力学性能。 ❖拉伸试验反映的信息：弹性变形、塑性变形和断
裂（三种基本力学行为），能综合评定力学性能。 ❖ 通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延伸率、
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1.2 单向静拉伸试验
10
1.2 单向静拉伸试验
11
1.2 单向静拉伸试验
可移动横梁 试样
载荷与 ❖试验条件和
位移读 数
样品要符合 标准
载荷和运 ❖工程应力：
动控制
σengstress = P/A0
A0 原始截面积
❖ 真应力：
σtruestress = P/A
A = 实时截面积
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1.2 单向静拉伸试验
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1.3 拉伸力-伸长曲线：弹性变形
❖ 原子间的距离发生伸长和 缩短，但原子间的结合键 并没有发生破坏
加载
❖ 卸载后变形迅速恢复
卸载
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1.3 拉伸力-伸长曲线：塑性变形
❖ 相邻原子改变，改变后又 会迅速产生新的平衡
❖ 卸载后产生不可恢复的永 久变形
加载 卸载
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塑性变形一定导致断裂吗？ ❖一些材料可以承受一定的塑性变形而不破坏。
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试验机的结构及零部件（外部）
1.2 单向静拉伸试验：应力
F A
AB
工程应力――载荷除以试件的原始截面积即得工 程应力s
s = F/A0 式中F为载荷， A0为原始截面积。 (单位: N/m2 or Pascal (Pa))
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1.3 拉伸力-伸长曲线
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1.3 拉伸力-伸长曲线
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1.3 拉伸力-伸长曲线
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弹性变形阶段
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屈服点
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屈服发生后的卸载
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均匀塑性变形阶段
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颈缩阶段
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1.3 拉伸力-伸长曲线：
❖ 材料分类：
按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将材料分为脆 性材料和塑性材料两大类。 （1）脆性材料：在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹性 变形； （2）塑性材料：在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形。 高塑性材料：在拉伸断裂前不仅产生均匀的伸长，而且发 生颈缩现象，且塑性变形量大。 低塑性材料：在拉伸断裂前只发生均匀伸长，不发生颈缩， 且塑性变形量较小。
•拉伸 •屈服 •压缩 •弯曲 •剪切 •蠕变
强度
成形性
• 延伸率 • 断面收缩率 • 弯曲曲率
刚度
• 模量 • 弯曲模量
韧性
耐久性
• 冲击强度 • 缺口敏感性
•磨损阻力 •疲劳强度
金属的服役性能与力学性能相关
拉伸测试
冲击试验 硬度试验
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1.1 金属力学性能基本概念：应力及应力类型
❖ 工程构件可能受到的应力类型有：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲 等