材料力学性能第一章12ppt课件

材料的力学性能,材料与化工学院,主讲：张振国,材料的力学性能,先修课程： 大学物理、材料力学、理论力学、工程力学以及材料科学基础等； 涉及课程： 弹性力学、断裂力学、塑性力学、计算力学等。 后续课程： 所有与力学应用相关的课程。,材料的力学性能,金属材料力学性能 陶瓷(非金属)材料力学性能 聚合物(高分子)材料力学性能 复合材料力学性能,材料的力学性能,1、定义： 在外加载荷作用下，或载荷与环境因素联合作用下， 所表现的行为。通常表现为变形和断裂。 2、任务： 机器零件的承载条件一般用各种力学参数表示， 所以就将表征材料的力学参数的临界值或规定值作为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。 研究受载过程中变形和断裂的规律。 (静态载荷、动态载荷、交变载荷)(常温、高温、低温）(环境) 3、主要内容： 各种受载条件下的失效现象(或规律)；微观机理； 表征这种规律的性能指标；影响性能指标的因素及提高途径； 其它。,材料的力学性能,第一章、金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 第二章、金属在其他静载荷下的力学性能 第三章、金属在冲击载荷下的力学性能 硬度及冲击实验 第四章、金属的断裂韧度 第五章、金属的疲劳 第六章、金属的应力腐蚀和氢脆断裂 第七章、金属磨损和接触疲劳 第八章、金属高温力学性能 第十章、陶瓷材料的力学性能 第十一章、复合材料的力学性能,静态载荷,1、定义： 缓慢加载和低的变形速率。 2、种类： 拉伸、扭转、弯曲、压缩等。 3、单向静拉伸： 是最简单的， 也是最有代表性的。,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线 1.2 弹性变形 1.3 塑性变形 1.4 金属的断裂,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,一、力伸长曲线 1、试验过程： 常温；低碳钢；,采用拉伸试验机；,缓慢加载，低的变形速率； 按照GB228-87标准执行。,采用光滑圆柱试样；,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,2、典型力伸长曲线分析： OP：弹性变形，FL。 Pe：过量弹性变形 Pe偏离OP。 eC：屈服变形， 不均匀塑性变形。 CB：均匀塑性变形。 Bk：不均匀集中塑性变形。 k：断裂。,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,3、其它力伸长曲线 （非典型力伸长曲线）,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,二、应力应变曲线： 1、工程应力应变曲线： =F/A0, =L/L0,比例极限p， 弹性极限e， 屈服点s， 抗拉强度b等。,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,2、真应力S应变e曲线： 真应力S= F瞬/A瞬 真应变e=ln(L/L0) 3、二者关系 S = (1+) e = ln(1+),1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1.2 弹性变形,一、弹性变形及其实质： 1、可逆变形。 2、双原子解释模型： (1)常态： F引=ma/rm+1 F斥=-nb/rn+1 F合=ma/rm+1-nb/rn+1 =0 (2)受力： 产生位移，导致变形； (3)去力： 位移消失。,1.2 弹性变形,二、虎克定律 (一)简单应力状态的虎克定律： 拉伸、剪切、扭转等,(二)广义虎克定律：,1.2 弹性变形,三、弹性模量(材料的刚度，表征弹性变形的性能指标) 1、杨氏模数E： =E 2、切变模数G： =G 3、实质： 产生100弹性变形所需的应力。 4、比弹性模数（比模数、比刚度，一般适用于航空业） 指材料的弹性模数与其单位体积质量的比值。 5、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,1.2 弹性变形,四、弹性比功(弹性比能或应变比能) e: 1、定义： 弹性变形过程中吸收变形功的能力。 2、表示方法： 用达到弹性极限时， 单位体积吸收的弹性变形功表示。 即用应力应变曲线下的影线面积表示， 故 e=1/2ee=e2/(2E) 3、作用： 表示弹性的好坏。减震、储能。 4、提高弹性比功途径： 或者提高e，或者降低E。,1.2 弹性变形,四、弹性比功（补充）: 1、比例极限p： 即开始偏离直线时的应力值。 p=Fp/A0 2、弹性极限e ： 即弹性变形过渡到 弹-塑性变形（屈服变形）时的应力。 e=Fe/A0,1.2 弹性变形,非比例伸长（率）？ 规定非比例伸长（率）？ 0.01 3、规定非比例伸长应力p： 即试验时，非比例伸长达到 原始标距长度(L0)规定的百分比时的应力。 例如p0.01表示 规定非比例伸长率0.01时的应力 4、工程意义： 比例极限p适用于： 应力应变关系严格遵守线性关系的机件； 弹性极限e适用于： 不允许产生微量塑性变形的机件。,1.2 弹性变形,五、滞弹性（补充） 1、弹性分类： 根据应力和应变响应特点: 分为理想弹性(完全弹性); 非理想弹性(弹性不完整性)两类。 2、理想弹性材料： = M， 并满足3个条件： 应变对于应力的响应是线性的； 应力和应变同相位； 应变是应力的单值函数。 3、非理想弹性材料： 滞弹性、粘弹性、伪弹性及内耗等。,1.2 弹性变形,五、滞弹性(弹性后效)： 快速加载或卸载后，随时间的延长， 产生附加弹性应变的性能=f(t) 。,1、正弹性后效(弹性蠕变)： 快速加载0沿OA线应变Oa 0不变应变aH (ab线)。 加载时，应变落后于应力， 与时间有关的现象。 2、反弹性后效： 快速卸载至零应变eH立即消逝 载荷为零应变eO (cd线) 。 卸载时，应变落后于应力的现象。,1.2 弹性变形,1.2 弹性变形,1.2 弹性变形,循环韧性(内耗)： 1、理想弹性： 变形（加载）时储存弹性能， 恢复（卸载）时释放弹性能， 没有能量损耗。 2、非理想弹性：,(1)弹性滞后环: 应力和应变不同步， 加载线与卸载线不重合， 形成一封闭回线。 (2)内耗: 加载时吸收的变形功， 大于卸载时释放的变形功， 有一部分加载变形功被材料所吸收。 其大小可用回线面积度量。,1.2 弹性变形,3、意义： 也称为材料的循环韧性，又称为消振性。 表示材料在交变载荷(振动)下， 吸收不可逆变形功的能力。 材料循环韧性越高，则消振能力越好。,六、包申格效应（Bauschinger） 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残余应变约1-4%， 卸载后再同向