材料力学性能

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
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。
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。
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
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
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
(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
(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
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
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
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
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
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
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
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
(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。
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)
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
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
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
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 101281试9样88：圆柱或圆管
扭转曲线
(2)扭转应力状态
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
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)
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
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
但若制成金相试样可测量各种相的硬度或 硬度分布。
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。
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；