材料力学性能

(e) B
D(s下)
200 A(p)
低碳钢拉伸应 g 力应变曲线
E=tg
O
O1 O2 0.1
0.2
b
灰铸铁的 压缩曲线
b
灰铸铁的 拉伸曲线
O
= 45o
剪应力引起 断裂
引起破坏的有关因素：
1) 塑性材料拉伸:
沿45°滑移线、屈服, 与max有关。
2) 脆性材料拉伸:
沿横截面拉断， 与max有关。
Rp0.2
o 0.2%
0
两个塑性指标:
伸长率:
A l1 l0 100% l0
断面收缩率:
Z A0 A1 100% A0
A 5% 为塑性材料 A 5% 为脆性材料
塑性材料和脆性材料力学性能比较:
塑性材料
延伸率 δ > 5%
断裂前有很大塑性变形
抗压能力与抗拉能力相近 可承受冲击载荷，适合于 锻压和冷加工
3 研究方法
(1)试验： (2)理论:
宏观强度理论 微观强度理论 断裂力学 (3)计算机模拟: 第一性原理 分子动力学 有限元
学习方法
(1)理论与实验相结合：
(2)宏观与微观相结合:
(3)静态与动态相结合:
教材与参考书
(1)毛为民、朱景川等，金属材料结构与性能，清华大学出 版社，2008 (2)周益春、郑学军，材料的宏微观力学性能，高等教育出 版社，2009 (3)石德珂、金志浩，材料力学性能，西安交大出版社， 1998 (4)郑修麟，材料的力学性能，西工大出版社，2005第二 版 (5)王德尊，金属力学性能，哈工大出版社，1993
3.洛氏硬度 试验原理：改用压痕深度反映材料硬度
压头：120º金刚石圆锥体或淬火钢球
洛氏硬度定义： 0.002mm残余压痕深度为一个洛氏硬度单位。
HRKe
e h2 h1 0.002mm
K——常数，钢球压头取130，金刚石压头取100
洛氏硬度特点及应用
(1)直接读出硬度值，效率高，适于成批检验； (2)压痕较小，基本“无损”，适于成品检验； (3)压痕小，代表性差，不适于组织粗大
或非均匀材料; (4)分各种标尺，适用范围较广； (5)各种标尺的洛氏硬度值无可比性。
4.维氏硬度 试验原理：硬度定义与布氏硬度相同，
但改用136°张角金刚石四棱锥体
a. 当试验力F的单位为kgf
HV F 2F sin(136 / 2 ) 1.8544 F
A
d2
d2
b. 当试验力F的单位为N
e
S0
强化阶段
屈服阶段
R Fm
m
S0
冷作硬化
线弹性阶段
颈缩阶段
AL1L0 L0
100%
ZA0A1 A0
100%
无明显屈服的塑性材料拉伸曲线
树脂材料拉伸曲线
S1-2 拉伸性能指标
1.弹性模量：E 2.强度：p、e、s、b 3.塑性:k、k 4.静力韧度:
塑性材料在拉伸时的力学性能：
对于没有明显屈 服阶段的塑性材料， 用名义屈服极限Rp0.2 来表示。
(4)材料拉伸与压缩力学行为对比
塑性材料：
(MPa) 低碳钢压缩应
400
力应变曲线
E(b)
C(s上)
f1(f)
(e) B
D(s下)
200 A(p)
低碳钢拉伸应 g 力应变曲线
E=tg
O
O1 O2 0.1
0.2
低塑性及脆性材料：
b
灰铸铁的 压缩曲线
b
灰铸铁的 拉伸曲线
O
= 45o
剪应力引起 断裂
典型金属真应力-真应变曲线
颈缩判据的图示
静力韧度与材料的强韧性配合
A:高强度、低塑性、低韧性 B:低强度、高塑性、低韧性 C:中强度、中塑性、高韧性
材料力学性能
哈尔滨工业大学材料学院 朱景川
第一章 材料静载力学性能试验
S1-4 其它静载力学性能试验
1.加载方式与应力状态
冲裁板料应力状态
受力体一点的应力状态 主平面与主应力状态：1>2>3
(5)压缩试验特点及应用 ①应力状态很软，适于低塑性及脆性材料； ②一般不用于塑性材料； ③试验时要减小端面摩擦； ④一般规定h0/d0(h0/F0)为定值，以便试验结果 能相互比较。
习题1：试列表比较拉伸、扭转、弯曲、压缩试验 方法、特点及应用。
S1-5 硬度试验
1.概述 硬度：抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力
第一章 材料静载力学性能试验
S1-1 拉伸试验与拉伸曲线
1.拉伸试验条件：光滑试样、轴向(准)静载 2.拉伸曲线:P-L或- 3.典型材料拉伸曲线:
拉伸试样
1)圆形截面
2)矩形截面
t b
l0
l0 11.3 A0 或 l0 5.65 A0
l0=10d0 l0= 5d0
低碳钢拉伸曲线
R Fe
常见应力状态: (A)三轴压应力; (B)静水压应力; (C)平面应力状态; (D)双轴压应力; (E)纯剪应力; (F)单轴压缩应力
2.应力状态(软性)系数
按材料力学强度理论：
切应力
弹塑性变形
塑性断裂
正应力
弹性变形
脆性断裂
最大切应力理论： max12(13)
最大正应变理论： sma x1(23)
理想情况 (端部无摩擦)
实际情况 (端部摩擦)
端部 约束变形
鼓肚
复杂应力 状态
(2)压缩断裂形式 切断:
碳纤维增强镁基复合材料压缩断裂
正断:纵向裂纹，如陶瓷材料 注意:高塑性材料压扁而不破坏
(3)压缩性能指标 与拉伸试验相仿： 强度指标：pc、ec、sc、bc 塑性指标：相对压缩率ck、相对断面扩展率ck
例：焊接件弯曲工艺试验
Ni合金(板厚45mm)焊缝弯曲无裂纹 为合格
5.压缩性能试验
(1)压缩试验方法：GB/T 73142试0样05：一般为圆柱，也有矩形，单向压缩
典型材料压缩曲线 1-高塑性材料；2-低塑性材料
(2)压缩应力状态
1=2=0，3=- max=0.5(45截面) smax= =2
质点系 刚体 变形体 连续介质 带缺陷连续介质 非连续介质
2 主要内容
材料 力学 性能
力学行 为与物 理本质
基本力学行为(简单加载)：弹性变形、塑性变形、断裂 与环境相关的力学行为：疲劳、蠕变、磨损、应力腐蚀等
力学性能指标 与应用
强度：变形抗力 韧性：断裂抗力
弹性： 塑性：
变形能力
强度设计、刚度设计、断裂设计、寿命评估、失效判据等
脆性材料
延伸率 δ < 5%
断裂前变形很小 抗压能力远大于抗拉能力 适合于做基础构件或外壳
材料力学性能
哈尔滨工业大学材料学院 朱景川
第一章 材料静载力学性能试验
S1-2 拉伸性能指标
1.弹性模量：E 2.强度：p、e、s、b 3.塑性:k、k
塑性材料在拉伸时的力学性能：
对于没有明显屈 服阶段的塑性材料， 用名义屈服极限Rp0.2 来表示。
扭转比例极限 p ： W Tp 扭转屈服强0度 .3 ： TW0.3
条件抗扭强度 b ： W Tb
(4)扭转试验特点及应用
①应力状态较软，适于拉伸脆性或低塑性材料； ②轴向宏观塑性变形始终是均匀的； ③对材料表面缺陷敏感； ④断口特征最明显，可准确测定切断强度。
4.弯曲性能试验
(1)弯曲试验方法：GB/T 101281988
2.942 HV0.015 0.1471
HV20 196.1
HV0.5
4.903 HV0.02 0.1961
HV30 294.2
HV1
9.807 HV0.025 0.2452
HV50 490.3
HV2
19.61 HV0.05 0.4903
HV100 980.7
HV3
29.42 HV0.1 0.9807
材料力学性能
哈尔滨工业大学材料学院 朱景川
美航天飞机的失事与新一代空天飞机计划
1981年4月12日：第一架航天飞机 “哥伦比亚”号首发成功
1986年1月28日：第二架航天飞机 “挑战者”号发射升空中爆炸失 事
2003年2月1日： “哥伦比亚”号 航天飞机降落时爆炸解体
1 基本概念
理论力学 材料力学 材料力学行为(参见“拉伸试验”动画) 材料力学性能
Rp0.2
o 0.2%
0
两个塑性指标:
伸长率:
A l1 l0 100% l0
断面收缩率:
Z A0 A1 100% A0
A 5% 为塑性材料 A 5% 为脆性材料
塑性材料和脆性材料力学性能比较:
塑性材料
延伸率 δ > 5%
断裂前有很大塑性变形
抗压能力与抗拉能力相近 可承受冲击载荷，适合于 锻压和冷加工
HV 0.102F 0.204F sin(136 / 2 ) 0.1891 F
A
d2
d2
维氏硬度试验 小负荷维氏试验试验 显微维氏硬度试验
硬度 试验力/N 硬度符号 试验力/N 硬度符 试验力/N
符号
号
HV5 49.03
HV0.2
1.961 HV0.01 0.09807
HV10 98.07
HV0.3
sm maa x x 21 2 1( 233)
表示一定应力状态下材料发生塑性变形的难易程度
3.扭转性能试验
(1)扭转试验方法：GB/T 101281试9样88：圆柱或圆管
扭转曲线
(2)扭转应力Leabharlann Baidu态
扭转应力状态特点：
(3)扭转性能指标
切应力： T
W
切应变： d0
2L0
切变模 G量 / ： 3T 2d 040L
抗弯强度 bb： W Mbb
矩形试样截面系W数：bh2 6
(2)弯曲试验特点及应用
①试验简便，主要用于脆性或低塑性材料； ②高塑性材料不能压断，仅用于弯曲成形工艺试验； ③对材料表面缺陷敏感； ④b3>b4>b
5.压缩性能试验
(MPa) 低碳钢压缩应
400
力应变曲线
E(b)
C(s上)
f1(f)
3) 脆性材料压缩:
沿45°错开， 与max有关。
圆柱、正方形柱体、矩形板、带凸耳板状试件 试 件
R Fm ax
m
S0
R p0.2
Fp0.2 S0
材料力学性能
哈尔滨工业大学材料学院 朱景川
第一章 材料静载力学性能试验
S1-4 其它静载力学性能试验
4.弯曲性能试验
弯曲工艺试验: 考察材料在复杂应力状态下塑性变形能力
但若制成金相试样可测量各种相的硬度或 硬度分布。
注：1.维氏硬度试验可使用大于980.7N的试验力； 2.显微维氏试验力为推荐值。
维氏硬度特点及应用
(1)压痕几何形状总是相似的，载荷可任选； (2)角锥压痕轮廓清晰，测量精度高； (3)金刚石压头适用范围广; (4)压痕测量效率较低，不适于现场成批检验； (5)压痕较小，不适于组织粗大或非均匀材料；
两种莫氏硬度顺序表
2.布氏硬度 试验原理：
H F P s B D P D h ( D 2 P D 2 d 2 ) D P 2 ( 1 1 2 s2 ( i/ n 2 ) )
压痕几何相似：
布氏硬度试验P/D2选配表
布氏硬度特点及应用
(1)压痕面积大，具有较高的测量精度，适于组织粗大 或非均匀材料； (2)压痕较大，成品检验困难，多用于原材料检验； (3)压头材料限制，仅用于较软的材料(<HB450~650)； (4)压痕测量效率低。
脆性材料
延伸率 δ < 5%
断裂前变形很小 抗压能力远大于抗拉能力 适合于做基础构件或外壳
注意： 新、旧标准断后伸长率符号表示的差异
为避免混乱，建议加注旧标准符号：
S1-3 拉伸真实应力-应变曲线
1.真实应力与真实应变 2.真应力-真应变曲线 3.加工硬化现象 4.颈缩与断裂 5.静力韧度
低碳钢工程应力-应变曲线与真应力-真应变曲线