应力应变曲线与弹性变形
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材料力学性能
张 友 法
东南大学材料学院 材料楼520室 yfzhang@seu.edu.cn 138 5152 3946
前 言
教材结构和内容
第一部分:第一章～第三章 阐述材料在一次加载条件下的形变和断裂过程。 所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程 中抗过载失效的能力或安全性及断裂力学。 第二部分:第二章第三节和第四章 论述疲劳、磨损、蠕变和环境效应四种常见的与 时间相关的失效形式。材料对这四种形式失效的 抗力将决定零件的寿命。 第三部分:第五章～第八章 介绍陶瓷材料、高分子材料、复合材料和混凝土 的力学性能。
考核方式
• 总评成绩＝作业成绩+平时成绩+期末 考试成绩 • 作业成绩占10％ • 平时成绩占10％ • 期末考试成绩占80％
材料是人类社会发展的基础！！！
广泛应用于军事工业
广泛应用于日常生活
物理、化学、工艺、力学性能
不同的应用场合，选材依据是什么？
材料：结构材料和功能材料 • 作为结构材料----主要依据是力学性能能 否满足使用要求 力学(机械）性能：刚度、强度、塑性、韧 性、硬度……。 • 作为功能材料----主要依据是物理性能能 否满足使用要求。 物理性能：光、电、磁、热……
收的弹性变形功。 其中e为材料的弹性极限，它表示材料发生弹性变
形的极限抗力。
e
We = e e e / 2 = e2 / (2E)
0
ee
e
• 理想的弹簧材料：应有高的弹性极限和低的 弹性模量。 • 成分与热处理对弹性极限影响大，对弹性模 量影响不大。
1.2.3 滞弹性
非瞬间加载条件下的弹性滞后，是一种应变落后于 应力的现象。 加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回 线 ------ 弹性滞后环。
0
e
0
e
优点：减少振动，使振幅很快衰减，如：铸铁 缺点：精密仪表弹簧不允许有滞弹性。
1.2.4 包辛格(Baushinger)效应
少量塑性变形材料，再同向加载则弹性极限与屈服 强度升高；反向加载则弹性极限与屈服强度降低的 现象。
24.0
1
2´
30.1
8.5
4 e
0 2
17.8
同向变硬，异向变软！
材料的基本力学性能
弹性: 材料在外力作用下保持和恢复固有形状 和尺寸的能力。 塑性: 材料在外力作用下发生不可逆的永久变 形的能力． 强度:材料对变形和断裂的抗力。 寿命: 材料在外力长期或重复作用下抵抗损伤 和失效的能力，使零件在服役期内安全运行。
材料的力学性能决定于什么？
1. 材料的成分（内因） 2. 材料的组织（内因） 3. 材料的缺陷（内因） 4. 材料的制备工艺（外因） 5. 外部环境……
本课程学习应注意的问题
储知识：材料力学和金属学的基本理论知识 联实际:本课程实用性强。某些力学性能指标根据理 论定义,更多指标按工程实用要求定义。 重实验: 掌握力学性能测试原理与技术，了解测试 设备，进一步理解指标的物理意义与实用意义。 勤思考：理解、吸收、消化、再创新。 多练习: 加深理解―巩固所学的知识。
标准拉伸试样（国标GB/T228—2002 ）
标距：等截面 测试部分长度
L0=10d0 L0= 5d0
试件的断裂形貌
低碳钢试件-延性断裂
铸铁试件-脆性断裂
电子拉伸试验曲线
低碳钢
铸铁
低碳钢：塑性材料的典型代表 灰铸铁：脆性材料的典型代表
Hale Waihona Puke BaiduF
塑性变形:外力 拉伸曲线 去除后不能消失 的变形
塑性 变形 屈服
颈缩 断裂
b k
s
弹性 变形
O
σs
σb
e
L
低碳钢拉伸试验现象： 屈服： 颈缩： 断裂：
1.2 材料的弹性变形
1.2.1 弹性模量E
F
• 单位应变产生的单位应力，即为弹性 模量（虎克定律）；
l l
F l E A l
• 物理意义：表示原子之间的结合力， 是成分和组织不敏感元素。 • 技术意义： 材料的刚度，表示材料在 外载荷下抵抗弹性变形的能力，取决 于结合键的本性和原子间的结合力。
3
28.7
包辛格效应理论解释 ---位错理论
• 原先加载变形时,位错源在滑移面上产生的 位错遇到障碍,塞积后产生背应力。 • 反向加载时,位错运动方向与原方向相反,背 应力帮助位错运动,塑性变形容易,σ ↓。
S
• 反向加载时,滑移面上新位错与原位错异号, 抵消后引起材料软化,σ ↓
S
课堂练习
1. 解释： E；弹性比功；滞弹性；包辛格效应。 2. 低碳钢在拉伸过程可分为哪几个阶段？ 3. 材料力学性能决定于哪几个方面？
Thank you! See you next time!
第一章 静载荷下材料的力学性能
主要内容
一、应力-应变曲线 二、弹性变形 三、塑性变形 四、材料的断裂 五、压缩与硬度
1.1 静拉伸时的力学行为概述
• 静拉伸：材料力学性能实验中最基本的试验 方法。 • 拉伸曲线：应力-应变曲线，可获得主要性 能指标。 • 弹性模量E：零件刚度设计。 • 屈服强度σs，抗拉强度σb: 强度设计。 • 塑性δ，断裂前的应变量： 冷热变形时的 工艺性能。
学时分配
第1讲 拉伸曲线及弹性变形 第2讲 塑性变形 第3讲 塑性变形 第4讲 断裂 第5讲 断裂力学与断裂韧度 第6讲 断裂力学与断裂韧度 第7讲 压缩与硬度 第8讲 冲击韧性与低温脆性 第9讲 疲劳 第10讲 摩擦、磨损与蠕变 第11讲 陶瓷材料的力学性能 第12讲 高分子材料的力学性能 第13讲 复合材料的力学性能 第14讲 混凝土材料的力学性能 第15讲 总结 第16讲 集中答疑
影响弹性模量的因素 1）原子半径：E = k / r m m>1，特征常数
2）合金元素：影响小。成分和组织不敏感。 3）温 度： 影响原子半径。
T↑ 原子结合力下降，E↓
4）加载速率：影响小。 5）冷变形： E 值略降低。
结合键：共价键>金属键>分子键；
1.2.2 弹性比功
• 弹性比功：材料开始塑性变形前单位体积所能吸
张 友 法
东南大学材料学院 材料楼520室 yfzhang@seu.edu.cn 138 5152 3946
前 言
教材结构和内容
第一部分:第一章～第三章 阐述材料在一次加载条件下的形变和断裂过程。 所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程 中抗过载失效的能力或安全性及断裂力学。 第二部分:第二章第三节和第四章 论述疲劳、磨损、蠕变和环境效应四种常见的与 时间相关的失效形式。材料对这四种形式失效的 抗力将决定零件的寿命。 第三部分:第五章～第八章 介绍陶瓷材料、高分子材料、复合材料和混凝土 的力学性能。
考核方式
• 总评成绩＝作业成绩+平时成绩+期末 考试成绩 • 作业成绩占10％ • 平时成绩占10％ • 期末考试成绩占80％
材料是人类社会发展的基础！！！
广泛应用于军事工业
广泛应用于日常生活
物理、化学、工艺、力学性能
不同的应用场合，选材依据是什么？
材料：结构材料和功能材料 • 作为结构材料----主要依据是力学性能能 否满足使用要求 力学(机械）性能：刚度、强度、塑性、韧 性、硬度……。 • 作为功能材料----主要依据是物理性能能 否满足使用要求。 物理性能：光、电、磁、热……
收的弹性变形功。 其中e为材料的弹性极限，它表示材料发生弹性变
形的极限抗力。
e
We = e e e / 2 = e2 / (2E)
0
ee
e
• 理想的弹簧材料：应有高的弹性极限和低的 弹性模量。 • 成分与热处理对弹性极限影响大，对弹性模 量影响不大。
1.2.3 滞弹性
非瞬间加载条件下的弹性滞后，是一种应变落后于 应力的现象。 加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回 线 ------ 弹性滞后环。
0
e
0
e
优点：减少振动，使振幅很快衰减，如：铸铁 缺点：精密仪表弹簧不允许有滞弹性。
1.2.4 包辛格(Baushinger)效应
少量塑性变形材料，再同向加载则弹性极限与屈服 强度升高；反向加载则弹性极限与屈服强度降低的 现象。
24.0
1
2´
30.1
8.5
4 e
0 2
17.8
同向变硬，异向变软！
材料的基本力学性能
弹性: 材料在外力作用下保持和恢复固有形状 和尺寸的能力。 塑性: 材料在外力作用下发生不可逆的永久变 形的能力． 强度:材料对变形和断裂的抗力。 寿命: 材料在外力长期或重复作用下抵抗损伤 和失效的能力，使零件在服役期内安全运行。
材料的力学性能决定于什么？
1. 材料的成分（内因） 2. 材料的组织（内因） 3. 材料的缺陷（内因） 4. 材料的制备工艺（外因） 5. 外部环境……
本课程学习应注意的问题
储知识：材料力学和金属学的基本理论知识 联实际:本课程实用性强。某些力学性能指标根据理 论定义,更多指标按工程实用要求定义。 重实验: 掌握力学性能测试原理与技术，了解测试 设备，进一步理解指标的物理意义与实用意义。 勤思考：理解、吸收、消化、再创新。 多练习: 加深理解―巩固所学的知识。
标准拉伸试样（国标GB/T228—2002 ）
标距：等截面 测试部分长度
L0=10d0 L0= 5d0
试件的断裂形貌
低碳钢试件-延性断裂
铸铁试件-脆性断裂
电子拉伸试验曲线
低碳钢
铸铁
低碳钢：塑性材料的典型代表 灰铸铁：脆性材料的典型代表
Hale Waihona Puke BaiduF
塑性变形:外力 拉伸曲线 去除后不能消失 的变形
塑性 变形 屈服
颈缩 断裂
b k
s
弹性 变形
O
σs
σb
e
L
低碳钢拉伸试验现象： 屈服： 颈缩： 断裂：
1.2 材料的弹性变形
1.2.1 弹性模量E
F
• 单位应变产生的单位应力，即为弹性 模量（虎克定律）；
l l
F l E A l
• 物理意义：表示原子之间的结合力， 是成分和组织不敏感元素。 • 技术意义： 材料的刚度，表示材料在 外载荷下抵抗弹性变形的能力，取决 于结合键的本性和原子间的结合力。
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28.7
包辛格效应理论解释 ---位错理论
• 原先加载变形时,位错源在滑移面上产生的 位错遇到障碍,塞积后产生背应力。 • 反向加载时,位错运动方向与原方向相反,背 应力帮助位错运动,塑性变形容易,σ ↓。
S
• 反向加载时,滑移面上新位错与原位错异号, 抵消后引起材料软化,σ ↓
S
课堂练习
1. 解释： E；弹性比功；滞弹性；包辛格效应。 2. 低碳钢在拉伸过程可分为哪几个阶段？ 3. 材料力学性能决定于哪几个方面？
Thank you! See you next time!
第一章 静载荷下材料的力学性能
主要内容
一、应力-应变曲线 二、弹性变形 三、塑性变形 四、材料的断裂 五、压缩与硬度
1.1 静拉伸时的力学行为概述
• 静拉伸：材料力学性能实验中最基本的试验 方法。 • 拉伸曲线：应力-应变曲线，可获得主要性 能指标。 • 弹性模量E：零件刚度设计。 • 屈服强度σs，抗拉强度σb: 强度设计。 • 塑性δ，断裂前的应变量： 冷热变形时的 工艺性能。
学时分配
第1讲 拉伸曲线及弹性变形 第2讲 塑性变形 第3讲 塑性变形 第4讲 断裂 第5讲 断裂力学与断裂韧度 第6讲 断裂力学与断裂韧度 第7讲 压缩与硬度 第8讲 冲击韧性与低温脆性 第9讲 疲劳 第10讲 摩擦、磨损与蠕变 第11讲 陶瓷材料的力学性能 第12讲 高分子材料的力学性能 第13讲 复合材料的力学性能 第14讲 混凝土材料的力学性能 第15讲 总结 第16讲 集中答疑
影响弹性模量的因素 1）原子半径：E = k / r m m>1，特征常数
2）合金元素：影响小。成分和组织不敏感。 3）温 度： 影响原子半径。
T↑ 原子结合力下降，E↓
4）加载速率：影响小。 5）冷变形： E 值略降低。
结合键：共价键>金属键>分子键；
1.2.2 弹性比功
• 弹性比功：材料开始塑性变形前单位体积所能吸