工程材料力学性能第一章-优质课件

1、材料力学性能Mechanical properties of Materials熊 丽材料科学与工程学院1使用教材工程材料力学性能，束德林，机械工业出版社，2011年9月第2版。2绪论材料失效事故举例 材料力学性能的定义和指标材料力学性能的研究内容材料力学性能的研究目的和意义教材的结构和主要内容去第一章 3一、材料失效事故举例 1830年：英国Montrose吊桥主悬索断裂事故； 1866年：英国Manchester停车场房梁的突然塌落事故； 1860年1870年：英国铁路车轮和轮轨的破坏事故频发；1919年：美国Boston制糖容器破坏事故； 19391945年：二次世界大战美国T-2油轮发

2、生断裂事故；1944年：美国储氢容器（球形）破坏事故； 1954年：英国航空Comet号两架飞机由于疲劳裂纹导致坠落事故；1969年：美国空军战斗轰炸机F-111主44翼的缺陷引起破坏事故；1998年，福建省政和县“930”特大交通事故；2007年：珠江黄埔大桥材料失效事故。.绪论4事故材料失效过量的变形、断裂绪论与材料的性能有关5 绪论研究材料的力学性能对于防止零件失效事故有重要意义。6二、材料力学性能的定义和指标定义：材料力学性能就是材料在各种外力作用下抵抗变形和断裂的能力。绪论材料的力学性能常常用材料力学性能指标来评价和表述。7材料力学性能和指标 力学性能力学性能指标弹性弹性极限、弹性模

3、量、刚度、弹性比功塑性延伸率、断面收缩率强度屈服强度、抗拉强度、断裂强度硬度布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度韧性静力韧度、冲击韧度、断裂韧度疲劳疲劳强度、疲劳极限、疲劳寿命、疲劳缺口敏感度绪论8三、材料力学性能的研究内容材料在各种服役条件下的力学性能按材料分：金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、纳米材料。按试样形状分：光滑完整、缺口和裂纹试样。按加载条件分：静载荷、冲击载荷和变动载荷。按环境条件分：温度、化学介质、中子辐照等。按相对运动分：摩擦、磨损等。绪论9材料力学性能的影响因素 内因外因原子结构应力状态晶体结构工作温度化学成分环境介质显微组织状态晶体缺陷内应力绪论10材料力学性能的微观机

4、制金属学原理：位错的运动、增殖和交互作用。腐蚀电化学原理：SCC、HIC、CW等。高分子物理：分子链的变形与断裂等。材料力学性能的测试技术验证材料力学理论、评价材料的力学性能。静载拉伸、弹性模量、扭转、压缩、弯曲、硬度、低温冲击、平面断裂韧性、疲劳、应力腐蚀、高温蠕变等试验测试技术。绪论11四、材料力学性能的研究目的和意义正确地使用材料，防止材料失效。评价材料合成与加工工艺的有效性，并通过控制材料的加工工艺提高材料的力学性能。在材料力学性能理论的指导下，采用新的材料成分和结构，或新的加工和合成工艺，设计开发出新材料，以满足对材料的更高需求。绪论12五、教材结构和主要内容 金属在单向静拉伸载荷下

5、的力学性能金属在其它静载荷下的力学性能金属在冲击载荷下的力学性能金属的断裂韧度金属的疲劳金属的应力腐蚀和氢脆断裂金属高温力学性能绪论13成绩评定总成绩平时成绩30%期末闭卷考试成绩70%注意：随机点名3次未到者取消出勤成绩；请假需要出示请假条，并有相关人员签字。+出勤10%作业10%+实验10%14第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能本章目的：揭示金属变形和断裂的基本规律；阐述静载荷下各种力学性能指标的本质、意义、相互关系及变化规律。15主要内容：第一节 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线第二节 弹性变形第三节 塑性变形第四节 金属的断裂16第一节 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线一、拉伸试

6、验：在室温下进行的单向静拉伸试验。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能拉伸试验机试验标准：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。17拉伸试样示意图拉伸试样：光滑完整的柱状试样，横截面通常为圆形和矩形。工作部分过渡部分夹持部分18特点：容易操作，应用广泛；测试的是材料的“短期”(与时间无关)力学行为；采用的是光滑完整试样；常温、大气介质，单向静拉伸载荷；可以测得材料的弹性、强度和塑性性能。19二、拉伸力-伸长曲线第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能Oe：弹性变形ek：塑性变形k：断裂eC：不均匀CB：均匀B：缩颈

7、Bk：不均匀图1-1 低碳钢的拉伸力-伸长曲线20 三、应力-应变曲线工程应力工程应变工程（条件）应力-应变曲线第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能图1-2 低碳钢的工程应力-应变曲线21真实应力-应变曲线：真实应力真实应变22几种典型材料在室温下的应力-应变曲线第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能23四、应力-应变曲线的意义可以求出许多重要的性能指标，用于零件设计加工的参考；可以全面认识金属在受力后各阶段的力学行为，推断金属发生了哪种变形。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能24第二节 弹性变形一、弹性变形及其实质1、弹性变形的定义当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹

8、性变形。2、弹性变形的物理实质晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能25第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能双原子模型弹性变形变形消失263、弹性变形的特点可逆性；单值性；全程性；变形量很小。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能271、简单应力状态的胡克定律yx单向拉伸横向收缩变形：剪切和扭转二、胡克定律282、三向应力状态的叠加法29广义胡克定律30三、弹性模量1、物理意义：表征了材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力下产生弹性变形就越小。工程上亦称为材料的刚度。2、用途：工程上是度量零件或构件刚度的系数，是重要的力学性能指标之一。第一

9、章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能当应变为一个单位时，弹性模量E等于弹性应力。313、构件的刚度Q：构件产生单位弹性变形所需要的载荷。物理意义：表示构件的弹性稳定性的参量，刚度越大，构件工作时越稳定。在工程上，为了减轻重量，必须选择E较大的材料。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能E或Q表示材料或构件在外载荷下抵抗弹性变形的能力！32第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能在机械设计中，有时刚度是第一位的！334、影响金属弹性模量的因素弹性模量E是一个对组织结构不敏感的性能指标！第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能主要影响因素：原子本性和晶格类型。单晶体金属的弹性模量具有各向异性。3

10、4四、弹性比功应力应变1、弹性极限e：金属产生弹性变形而不产生塑性变形时所受的最大应力。它表示材料发生弹性变形的极限抗力。AB弹性极限e第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能352、弹性比功e0ee 意义：弹性比功表示金属吸收弹性变形功的能力，在工程上可以提高零件的减震能力。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能定义：金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功，叫做弹性比功。36提高弹性比功的方法提高弹性极限选用E较低的材料第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能弹性模量对组织不敏感，只有用提高弹性极限的方法提高弹性比功。37五、弹性不完整性弹性不完整性：金属的弹性变形与加载时间和加载

11、方向有关而表现出的非弹性性质。 第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能包括滞弹性包申格效应38图1-8 滞弹性示意图定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生附加弹性应变，即应变落后于应力的现象。1、滞弹性（弹性后效）第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能40滞弹性产生的原因：可能与晶体中点缺陷的移动有关。图1-9 碳在-Fe中的迁移 组织越不均匀，弹性后效越显著。可以采用长时间回火处理，增加组织均匀性，降低弹性后效效果。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能41循环韧性第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能弹性滞后环：金属在弹性区内

12、单向快速加载、卸载时，由于应变落后应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线。42图1-10 滞后环的类型： (a) 单向加载弹性滞后环；(b) 交变加载弹性滞后环；(c)交变加载塑性滞后环交变载荷下的弹性滞后环与塑性滞后环第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能43循环韧性：金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，叫做循环韧性，也称为内耗。循环韧性与内耗的区别：循环韧性用塑性滞后环面积来度量，在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。内耗用弹性滞后环面积来度量，在弹性区内加载吸收不可逆变形功的能力。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能44循环韧性的意义：循环韧性是金属的力学性能，

13、又称消振性。材料循环韧性愈高，则机件的消振能力愈好。机床床身、发动机缸体、底座等需要减震，则应该提高循环韧性（滞弹性）。乐器、精密仪表等需要足够的精度和灵敏度，则应该降低循环韧性（滞弹性）。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能452、包申格效应定义：材料经预先加载并产生少量塑性变形(残余应变为1%4%)，卸载后，再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能46图1-11 包申格效应 初始拉伸初始压缩初始压缩后卸载，再进行压缩初始压缩后卸载，再进行拉伸初始拉伸后卸载，再进行拉伸第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力

14、学性能在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某一滑移面运动，遇林位错而弯曲。在位错前方，林位错密度增加，形成位错缠结，该位错结构在力学上稳定。如果此时卸载并随后同向加载，位错线不能显著运动，宏观上表现为规定残余伸长应力增加；如果卸载后施加反向力，位错被迫反向运动，在反向路径上，林位错等障碍数量少，位错可以在较低应力下移动较大距离，即规定残余伸长应力降低。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能包申格效应的位错解释48包申格效应的弊与利弊：交变载荷情况下，显示循环软化，从而使强度极限下降。利：薄板反向弯曲成形、拉拔的钢棒经过轧辊压制变直，可以降低成形或压制应力。消除方法预先进行较大的塑性变形；

15、第二次受力前先在引起回复或再结晶的温度下退火。 第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能49小结第一节 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线拉伸试验：方法、特点拉伸力-伸长曲线：含义、意义应力应变曲线：工程应力应变曲线、真实应力应变曲线第二节 弹性变形弹性变形及其实质：双原子模型、特点胡克定律：狭义和广义弹性模量：材料的刚度、构件刚度、工程意义弹性比功：弹性极限、意义和应用弹性不完整性：滞弹性、包申格效应第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能50思考题名词解释 弹性比功；弹性模量；滞弹性；循环韧性；包申格效应2.金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能?3.今有45、

16、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择那种材料作为机床机身？为什么？第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能51第三节 塑性变形一、塑性变形机制及特点二、屈服现象和屈服点三、影响屈服强度的因素四、应变硬化五、缩颈现象和抗拉强度六、塑性七、静力韧度金属在单向静拉伸载荷下的力学性能52一、塑性变形机制及特点塑性变形：是指作用在物体上的外力取消后，物体的变形不完全恢复而产生的永久变形。单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形金属在单向静拉伸载荷下的力学性能531、单晶体的塑性变形变形方式滑移、孪生滑移：金属材料在切应力作用下位错沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。图1-13 刃位错滑移时周围原子的动

17、作金属在单向静拉伸载荷下的力学性能54通常，滑移面是原子最密排的晶面，而滑移方向是原子最密排的方向；滑移面和滑移方向的组合称为滑移系；滑移面受温度等因素影响，而滑移方向则比较稳定。金属在单向静拉伸载荷下的力学性能55孪生：晶体的一部分相对于另一部分发生切变 , 而且发生切变的部分与未切变部分的晶体结构呈对称形式分布, 如图所示(注意图中画影线的部分)。金属在单向静拉伸载荷下的力学性能562、多晶体的塑性变形变形方式各个晶粒塑性变形的综合结果。金属在单向静拉伸载荷下的力学性能57塑性变形的特点各晶粒变形的不同时性；各晶粒变形的不均匀性；各晶粒变形的相互协调性。金属在单向静拉伸载荷下的力学性能58

18、二、屈服现象和屈服点1、屈服现象外力不增加，试样仍然继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形。金属在单向静拉伸载荷下的力学性能59几个概念：上屈服点(Upper yield point)下屈服点(Lower yield point)屈服伸长(Yield point elongation)屈服平台/屈服齿金属在单向静拉伸载荷下的力学性能602、屈服变形的过程上屈服点：局部塑性变形吕德斯带形成下屈服点：变形增加吕德斯带扩展屈服结束：屈服变形结束吕德斯带扫过整个试样金属在单向静拉伸载荷下的力学性能613、屈服变形机制解释：位错运动与增殖的结果。外力

19、小于临界应力时，溶质原子钉扎位错，形成柯氏气团。位错不可动第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能变形前：62金属在单向静拉伸载荷下的力学性能上屈服点下屈服点屈服平台如何形成？不断开动新的位错源的结果！变形时：634、危害和消除办法危害：不均匀变形，使冲压件表面产生褶皱现象。消除办法加入少量能夺取固溶体合金中溶质原子的物质，使之形成稳定化合物的元素；通过预变形，使柯氏气团被破坏。消除物理屈服最根本的是要消除位错钉扎！金属在单向静拉伸载荷下的力学性能645、屈服强度应力应变金属在单向静拉伸载荷下的力学性能工程屈服标准：比例极限：应力应变符合线性关系的最高应力。弹性极限：完全恢复弹性的最高应力。屈

20、服强度：开始产生塑性变形的最小应力。简单应力状态下！65复杂应力状态下的屈服判据Tresca最大切应力理论：在复杂应力状态下，当最大切应力达到或超过相同金属材料的拉伸屈服强度时产生屈服。1-3=sMises畸变能理论：在复杂应力状态下，当比畸变能等于或超过相同金属材料在单向拉伸屈服时的比畸变能时将产生屈服。（1-2）2+（2-3）2+（3-1）22s21、2、3为主应力，且123。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能66屈服强度是金属材料重要的力学性能指标。屈服强度过高会增大屈强比，极易引起脆性断裂；降低屈服强度有利于材料冷成形加工和改善焊接性能。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能6

21、7三、影响屈服强度的因素内因外因金属本性及晶格类型温度晶粒大小和亚结构应变速率溶质元素应力状态第二相凡是影响到位错增殖和运动的各种因素必然影响到屈服强度！金属在单向静拉伸载荷下的力学性能68（一）影响屈服强度的内因金属本性及晶格类型位错运动阻力：晶格阻力位错间交互作用的阻力金属本性及晶格类型不同，位错运动所受的阻力不同。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能69晶粒大小和亚结构金属在单向静拉伸载荷下的力学性能Hall-Petch公式：细晶强化：减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高。 位错运动阻力：晶界细晶强化70细晶强化还可以同时提高塑性和韧性：晶

22、粒越细，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，既表现出较高的塑性。细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不易传播（晶界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。 第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能注意：细晶强化是唯一一种能同时提高钢的强度和韧性的材料强化方法！713、溶质元素固溶体示意图：晶体中无位错等缺陷！位错运动阻力：柯氏气团第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能72溶质原子扩散到位错周围柯氏气团金属在单向静拉伸载荷下的力学性能固溶强化的原因：溶质原子与位错的弹性相互

23、作用，使溶质原子扩散到位错周围，形成柯氏气团，柯氏气团钉扎位错，提高位错运动阻力！固溶强化固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶合金，将显著提高屈服强度。阻碍位错运动73固溶强化效果：间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体；溶质和溶剂原子尺寸差越大，强化效果越好；溶质浓度越大，强化效果越好。图1-10 低碳铁素体中固溶强化效果74固溶强化对韧性和塑性的影响：一般而言，固溶元素的含量越多，损害韧性越严重；只有Ni会增加韧性，是唯一例外的元素。754、第二相指合金中除了基体以外的其他相。第二相的分类弥散分布的和大块聚集的第二相基体相第二相基体相弥散分布的第二相大块聚集的第二相第一章 金属在单向静拉伸

24、载荷下的力学性能76第二相的分类：可变性的和不可变形的可变形的第二相不可变形的第二相第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能77第二相强化位错切过第二相质点金属在单向静拉伸载荷下的力学性能强化原因：质点和它周围的应力场阻碍位错运动；切过时，增加了新的界面，需要做功以提高界面能，屈服强度提高。78第二相强化位错绕过第二相质点强化原因：质点和它周围的应力场阻碍位错运动；绕过时，质点周围形成位错环，阻碍后续位错的运动，屈服强度提高。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能79第二相的强化效果：在第二相体积比相同的情况下，第二相质点尺寸越小，强度越高，强化效果越好；在第二相体积比相同的情况下，长形质点的强化效果比球形质点的强化效果好；第二相数量越多，强化效果越好。要求：第二相质点细小、弥散分布为好！80（二）影响屈服强度的外因低碳钢在不同温度下的拉伸曲线升高温度，屈服强度降低。金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1、温度原因：随温度升高，原子热振动能量增大，有助于位错滑移，屈服强度降低！反之，屈服强度升高！812、应变速率金属在单向静拉伸载荷下的力学性能塑性变形时位错运动需要时间，应变速率增大，则位错运动不能充