材料力学性能05

1、思考题之思考（3）同一种材料的弯曲强度与拉伸强度有何关系？（5）同种材料拉伸屈服强度与压缩屈服强度是否一致？（4）为什么同一种材料b3b4b？（1）应力状态的软硬与材料的软硬有何关系？（2）smax和max 是否真实存在的应力？2)(2131maxss最大切应力理论：最大正应变理论：)(321maxs)( 232131maxmaxs2.2.应力状态应力状态( (软性软性) )系数系数EEbf)(13211max0，相当于拉应力状态0，相当于压应力状态=11=-，2=3=-3/2， max=/4， smax=-/4典型塑性材料的弯曲图 弯曲试样应力状态: bbbbWM:抗弯强度5.5.压缩性能试

2、验压缩性能试验(1)压缩试验方法：GB/T 7314-2005GB/T 7314-2005试样：一般为圆柱，也有矩形，单向压缩(2)压缩应力状态1=2=0，3=-max=0.5(45截面)smax=2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=tg O1O2f1(f)低碳钢拉伸应低碳钢拉伸应力应变曲线力应变曲线D( s下下)( e) BC( s上上

3、)A( p)E( b) g (MPa)200400 0.10.2O低碳钢压缩应低碳钢压缩应力应变曲线力应变曲线(4)材料拉伸与压缩力学行为对比塑性材料： O b灰铸铁的灰铸铁的拉伸曲线拉伸曲线 b灰铸铁的灰铸铁的压缩曲线压缩曲线 = 45o剪应力引起剪应力引起断裂断裂低塑性及脆性材料：混凝土的拉伸与压缩行为混凝土的拉伸与压缩行为混凝土的抗压强度要比抗拉强度大混凝土的抗压强度要比抗拉强度大1010倍左右倍左右热固性塑料：环氧树脂的室温拉伸与压缩行为(5)压缩试验特点及应用:应力状态很软，适于低塑性及脆性材料；一般不用于塑性材料；试验时要减小端面摩擦；一般规定h0/d0(h0/F0)为定值，以便试

4、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。（1）三向等拉伸：）三向等拉伸：1=2=3， =0应力状态最应力状态最硬，脆断（表现脆性）；硬，脆断（表现脆性）；（2）单向拉伸：）单向拉伸：1，2=3=0，应力状态较硬，应力状态较硬， =0.5,适用于塑性材料的试验。适用于塑性材料的试验。（3）扭转：）扭转：1=，2=0，3=-， =0.8（4）单向压缩：）单向压缩：1=2=0，3=-，=2，应力状，应力状态较软，适用于脆性材料的试验，以揭示其塑性性能；态较软，适用于脆性材料的试验，以揭示其塑性性能；（5）三向不等压缩：）三向不等压缩：1=-，2=-2，3=-2

5、，材料的硬度试验属于三向不等压缩，应力状态非常软，材料的硬度试验属于三向不等压缩，应力状态非常软，适合各种材料。适合各种材料。小结：典型应力状态特点1.1.概述概述硬度：抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力两种莫氏硬度顺序表2.2.布氏硬度布氏硬度试验原理：) )2/(sin11 (2)(22222DPdDDDPDhPFPHBs压痕几何相似：) )2/(sin11 (222DPHB压痕几何相似条件：常数2DP布氏硬度试验P/D2选配表压头为淬火钢球，适于压头为淬火钢球，适于HB450材料材料压头为硬质合金球，适于压头为硬质合金球，适于HB=450-650的材料的材料当当D=10mm，P=3000k

6、gf，t=10s时不加下标时不加下标(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(2), 适用面广；高碳钢氮化层截面硬度压痕分布碳化钨陶瓷5.5.硬度与强度关系及试验方法的改进硬度与强度关系及试验方法的改进(1)硬度试验特点一些材料的硬度材料本征硬度的计算单质共价晶体极性共价键化合物晶体方法简便，基本“无损”，适于现场检验；物理意义不明确，难以定量设计。WB4晶体本征硬度a0( )c0( ) ( (electrons/3) )B0(GPa) Hv(GPa)GGA5.3706.4570.447

7、292.741.1LDA5.3096.3460.465324.342.2Expt.5.195 6.332 0.487 301 40 (a) xy平面平面 (b) z轴方向轴方向WB4电荷密度差值图电荷密度差值图TMB4（TM=Re、Mo、Ta、Os、Tc） 超硬材料超硬材料 a0( )c0( )z(ele./3) )B0(GPa) Hv(GPa)ReB4GGA5.4536.1770.6140.478303.750.3LDA5.4006.0880.6130.494331.354.4TaB4GGA5.3176.7790.6250.410272.046.7LDA5.2436.7010.6240.42

8、6301.940.1MoB4GGA5.3176.5620.6210.448275.742.1LDA5.2676.4290.6190.466310.446.2TcB4GGA5.3226.4400.6180.481241.644.8LDA5.3096.2290.6150.500311.848.6OsB4GGA5.3426.4640.6170.510285.146.2LDA5.3266.2720.6140.519317.048.5(2)硬度与强度之间关系KHb钢铁：K=0.330.36铜合金、不锈钢等：K=0.40.55退火金属的硬度与强度关系注意：硬度的单位！(3)纳米压痕试验纳米压痕载荷-位移曲

9、线 4 1113 22 1 22maxmaxiirrhhEEEASEdhdPSAPHH 纳米硬度； S 接触刚度； A 接触面积； 与压头几何形状相关的常数； Er等效模量纳米压痕试验原理4.布氏硬度试验的关键注意事项？有何局限？硬度部分思考题：3.洛氏硬度试验方法的设计思路？主要特点与用途？5.为何硬度值与抗拉强度之间有一定关系？6.纳米压痕与普通硬度试验的区别？7.如何预测材料的硬度？1.硬度的物理意义与工程意义？2.维氏硬度试验基本原理？与布氏硬度有何关系？1.1.弹性变形特点弹性变形特点(1)可逆性；(2)一般为线弹性；(3)弹性应变较小。2.2.弹性变形的宏观描述弹性变形的宏观描述胡

10、克定律胡克定律EOGO复杂应力状态各向同性线弹性体的广义胡克定律3.3.弹性变形的微观本质弹性变形的微观本质双原子模型弹性变形物理本质：原子键合几何参数随外力的可逆变化。弹性模量的物理本质：反映原子间结合能的大小。引引力力斥斥力力工程弹性常数(1)杨氏模量E：(2)切变模量G：(3)泊松比：(4)体模量K：各向同性体只有两个独立的弹性常数：(E)(G)1.1.弹性常数的工程意义弹性常数的工程意义(1)构件稳定性与刚度弹性模量是决定构件刚度的重要因素。强度设计：不发生塑性变形。刚度设计：限制弹性变形。比弹性模量：E/(2)弹性与弹性比功ae注意：弹性与刚度的区别！(1)(1)原子种类与键合方式原

11、子种类与键合方式一般来说，在构成材料聚集状态的一般来说，在构成材料聚集状态的4 4种键合方式中，种键合方式中，共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数，共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数，分子键弹性模数低。分子键弹性模数低。无机非金属材料无机非金属材料大多由共价键或离子键以及两种大多由共价键或离子键以及两种键合方式共同作用而成，因而有键合方式共同作用而成，因而有较高的弹性模数较高的弹性模数。金属及其合金金属及其合金为金属键结合，也有为金属键结合，也有较高的弹性模较高的弹性模数数。高分子聚合物高分子聚合物的分子之间为分子键结合，因而高的分子之间为分子键结合，因而高分子聚合物的分子聚合物的弹

12、性模数亦较低弹性模数亦较低。 2.2.影响弹性模量的因素影响弹性模量的因素(2)(2)晶体结构晶体结构 单晶体材料单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上的弹性模数在不同晶体学方向上呈呈各向异性各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。模数较大，反之则小。多晶体材料多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均的弹性模数为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但这种各向同性称为值，表现为各向同性，但这种各向同性称为伪伪各向同性各向同性。非晶态材料非晶态材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性，如非晶态金属、玻璃等，弹性模量是模量是各向同性各向同性的。的。(3)(3)合

13、金元素合金元素 材料化学成分的变化可引起材料化学成分的变化可引起原子间距或键合方式的变化原子间距或键合方式的变化，因此也能影响材料的弹性模数。因此也能影响材料的弹性模数。与纯金属相比，与纯金属相比，合金合金的弹性模数将随的弹性模数将随组成元素的质量分组成元素的质量分数数( () )、晶体结构和组织状态、晶体结构和组织状态的变化而变化。的变化而变化。固溶体合金固溶体合金的弹性模数主要取决于的弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶溶剂元素的性质和晶体结构体结构。随着溶质元素质量分数的增加，虽然固溶体的。随着溶质元素质量分数的增加，虽然固溶体的弹性模数发生改变，但在溶解度较小的情况下一般变化弹性模数发

14、生改变，但在溶解度较小的情况下一般变化不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过5 5。在在两相合金两相合金中，弹性模数的变化比较复杂，中，弹性模数的变化比较复杂，它与它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及分布状态分布状态有关例如在铝中加入有关例如在铝中加入Ni(15)、Si(13)，形成具有较高弹性模数的金属间，形成具有较高弹性模数的金属间化合物，使弹性模数由纯铝的约化合物，使弹性模数由纯铝的约6.5104 MPa增高到增高到9.38l04 MPa。(4)(4)微观组织微观组织 金属材料金属材料刚度代表的弹性模数

15、，是一刚度代表的弹性模数，是一个个组织不敏感组织不敏感的力学性能指标。的力学性能指标。工程陶瓷弹性工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷模数的大小与构成陶瓷的相的的相的种类、粒度、分布、比例及气种类、粒度、分布、比例及气孔串孔串有关。有关。气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致可用下式表示：可用下式表示：式中：式中：E0为无气孔时的弹性模数；为无气孔时的弹性模数；p为气孔率。为气孔率。可见：可见：随着气孔率的增加，陶瓷的随着气孔率的增加，陶瓷的E值下降值下降。高分子聚合物的弹高分子聚合物的弹性模数可以通过添加性模数可以通过添加增强填料而提高！增强填料而提高！图图1-71-7

16、所示为热裂所示为热裂炭黑填科对天然橡胶炭黑填科对天然橡胶弹性模数的影响。弹性模数的影响。复合材料是特殊的多相材料。对于复合材料是特殊的多相材料。对于增强相为粒状的复增强相为粒状的复合材料合材料，其弹性模数，其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大随增强相体积分数的增高而增大。对于单向纤维增强复合材料，其弹性模数一般用宏观对于单向纤维增强复合材料，其弹性模数一般用宏观模量表示，分别为纵向弹性模量模量表示，分别为纵向弹性模量E1、横向弹性模量、横向弹性模量E2:式中：式中：Ef、Em分别为纤维和基体的弹性模数；分别为纤维和基体的弹性模数；vf、vm分别为纤维和基体的体积分数。分别为纤维和基体的体积分数。显然：显然：无论是纵向弹性模数还是横向弹性模数，均与构无论是纵向弹性模数还是横向弹性模数，均与构成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。5. 5. 温度温度 一般说来，一般说来，随着温度的升