工程材料力学性能第一章

材料力学性能主讲教师：张晨课程成绩构成本课程为必修考试课程，考试采取笔试。该课程总评成绩由三部分组成：平时成绩 占总成绩 10；实验 占总成绩 20；卷面成绩 占总成绩 70。参考书目l 材料的力学性能 郑修麟主编 西北工业大学出版社 1991;l 工程材料的力学性能 姜伟之等编 北京航空航天大学出版社 1991;l 材料性能学 王从曾主编 北京工业大学出版社 2001;l 工程材料的失效分析 美国：查理R.布鲁克斯 机械工业出版社 2003.lWhat will you break once you say it? lWhy are girls afraid of the letter C ? Silence. Because it makes fat fact!第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 第一节 力伸长 曲线和 应力应变 曲线第二节 真实应力应变 曲线第三节 弹性变形第四节 弹性不完整性第五节 塑性变形第六节 金属的断裂第一节 力伸长曲线和应力应变曲线1.1 拉伸试样一、 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.实验的 应力状态 、 加载速率 、 试样尺寸 、 温度 等都有规定；3.揭示金属材料常见的力学行为 （弹性变形、塑性变 形、断裂） ；4.可测最 基本 力学性能指标： 强度 （ ） 、 塑性 （ 、 ） 、 应变硬化 、 韧性 等。二、试验标准 金属拉伸试验方法 老标准 GB228-76 、 GB228-87 金属材料室温拉伸试验方法 新标准 GB/T228-2002；试验是用拉力拉伸试样，一般拉至 断裂 ，测定相应的力学性能。除非另有规定，试验一般在 室温 10 35 范围内进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为235 。三、 拉伸试样1、金属拉伸试验试样标准： GB6397-862、 与拉伸试样相关的几个概念：标 距 ： 测量伸长用的试样圆柱和棱柱部分的长度 ；原始标距 l0： 施力前的试样标距 ； 断后标距 ： 试样断裂后的标距 。平行长度 l： 试样两头部或两夹持部分之间平行部分的长度；伸 长 ： 试验期间任一时刻原始标距的增量 。拉伸试样一般为经机加工的试样和不经机加工的全截面试样,其横截面通常为圆形、矩形、异形以及不经加工的全截面形状。拉伸试样1) 圆形试样l0d02) 矩形试样l0tb3）异型试样 3、拉伸试样的尺寸以光滑圆柱试样为例，可分为：1）比例标距试样短试样： K=5.65 或 L0=5d0长试样： K=11.3 或 L0=10d0延伸率分别用 5、 10来表示，一般建议采用 短试样 。2）定标距试样：试样的原始标距 L0与原始截面积 A0或直径 d0之间 不存在比例关系。例如 L0=100mm或 200mm，则延伸率表示为 100mm或200mm。拉伸试样的形状尺寸,一般随金属产品的品种、规格及试验目的之不同而分为圆形，矩形及异型三类。如无特殊要求 ,应按该表规定选用。4、试样的加工和测量l应按照相关产品标准或 GB/T2975的要求切取样坯和制备试样；l试样原始截面积测定的方法和准确度应符合 标准附录 A-D的规定。选用合适的量具或测量装置，应根据测量的试样原始尺寸计算原始横截面积，并至少保留四位有效数字。 四、拉伸试验设备1.2 力伸长曲线和工程应力应变曲线弹性变形不均匀屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀集中塑性变形断裂应力应变 曲线 1.3 强度指标及其测定1、比例极限 p应力 -应变 成正比关系的最大应力p Fp/A02、 弹性极限 e弹性极限 e是材料由 弹性变形 过渡到 弹 塑性变形 时的应力e=Fe/A03、屈服极限试验过程中，外力不增加试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值突然下降，随后在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长的现象称为屈服现象。屈服现象是金属材料开始产生宏观塑性变形的标志。材料屈服时所对应的应力值也就是材料 抵抗起始塑性变形 或 产生微量塑性变形 的能力。屈服点 s：材料在拉伸过程中试验力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力。s Fs/ A0上屈服点 su：试样发生屈服而试验力首次下降前的最大应力。下屈服点 sl：su Fsu/A0当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时的屈服阶段的最小应力。sl FsL/ A0表征金属材料对微量塑性变形的抗力屈服强度就是用应力表示的屈服点或下屈服点。运用下屈服点的理由：上屈服点 su波动性很大，对试验条件下变化很敏感而下屈服点 sl再现性较好。4、 规定微量塑性伸长应力指标对于多晶体金属材料晶粒具有各向异性各晶粒在外力作用下开始产生塑性变形的不同时性用工程方法很难测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值许多金属材料在拉伸试验时看不到明显的屈服现象因此上述指标一般用试样产生规定的微量塑性伸长时的应力来表征。根据测定方法分为：规定非比例伸长应力，规定残余伸长应力，规定总伸长应力。从这个定义来说，这三个指标都表示材料对微量塑性变形的抗力。规定微量塑性伸长应力指标规定非比例伸长应力 p试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力这种应力是在试样受力的条件下测定的规定残余伸长应力 r试样卸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。常用 r0.2,表示规定残余伸长率为 0.2时的应力。0.01称为条件比例极限0.2称为屈服强度规定总伸长应力 t试样标距部分的总伸长达到规定原始标距百分比时的应力。常用 t0.5， 表示规定总伸长率为 0.5%时的应力。5、 抗拉强度 b 韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力b的实际意义：1）标志塑性金属材料的实际承载能力，但仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件；2） b是脆性材料的断裂强度，可作为设计依据；3） b的高低取决于屈服强度和应变硬化指数；4） b与布氏硬度、疲劳极限之间有一定的经验关系。 b Fb/A01.4 塑性指标1、 断后伸长率 试样拉断后，标距的伸长与原始标矩的百分比2、 断面收缩率 缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 形成缩颈，差值越大缩颈越严重； 不形成缩颈 。3、最大力下的总伸长率 gt指试样拉至最大力时标距的总伸长与原始标距的百分比。金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。gt与真是应变 eB 的关系：eB ln(1+gt)单一拉伸条件下工作的长形零件，缩颈与否均用 或 gt评定材料塑性；非长形件，拉伸形成缩颈则用 做为塑性指标。4、屈服点伸长 率 s试样从开始屈服至屈服阶段结束（加工硬化开始）之间标距的伸长与原始标距的百分比。5、最大力下的非比例伸长率 g试样拉至最大试验力时，标距的非比例伸长与原始标距的百分比。第二节 真实应力 应变曲线 一、条件应力与真实应力条件应力 (工程应力 ) 试样的原始截面积 A0除载荷 F=F/A0真实应力 S 试样的瞬时截面积 A除载荷 FS=F/A A0 A S 同样可推得在均匀塑性变形阶段二、条件应变与真实应变 1、条件相对伸长 （工程应变） 和条件相对截面收缩 根据均匀塑性变形前后金属体积不变的近似假定，可以推导均匀塑性变形阶段时相对伸长与相对断面收缩间的关系。 产生颈缩后， =L/L0只能代表试样全长的平均条件相对伸长， 而不能代表缩颈处实际的条件相对伸长。 后者比前者大得多。根据 = /(1 )计算出缩颈处实际的条件相对伸长，这个条件相对伸长叫做全伸长， 相当于整个试样都拉伸到缩颈处那样细时的条件相对伸长。2、真实相对伸长和真实相对断面收缩 条件相对伸长不能代表实际的相对伸长，实际相对伸长应该是瞬时伸长 dl与瞬时长度 L之比的积分值。即：在均匀塑性变形阶段， e与 e之间的关系由体积不变的假定求得e 真实相对伸长 (真实应变 )，断裂时的真实相对伸长 ek叫真实伸长率。同理：真实的相对断面收缩 e为：课堂习题：一直径为 2.5mm， 长为 200mm的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为 2.2mm。试计算：(1)杆的最终长度；(2)在该载荷作用下的真应力 S与真应变 e；(3)在该载荷作用下的条件应力