材料力学性能相关课件1

金属力学性能一、课程的性质和地位材料力学性能主要研究材料在力或力和其它外界因素共同作用下材料的变形和断裂的本质及其基本规律，研究各种失效抗力指标。该课程为正确选择和合理使用材料、提高产品质量提供理论基础和试验依据，为发展新材料、改进或创建新工艺提供线索、指明方向。二、课程的教学目标通过本课程的学习，学生应了解工程材料在静载荷、冲击载荷、交变载荷、环境介质作用下的力学性能以及材料的断裂韧性与耐磨性能等的表征方法。理解材料力学性能的基本参数的物理意义及其本质。掌握宏观规律与微观规律的结合，加强学生对力学性能指标物理意义与工程应用的了解，为材料设计与选择打下良好的基础。三、参考书1．石德珂，金志浩编著：《材料力学性能》，西安交通大学出版社，1998年，第1版。2．高建明主编：《材料力学性能》，武汉理工大学出版社，2004年，第1版。3．何肇基主编：《金属的力学性质》，冶金工业出版社，1989年，第2版。四、学时分配共40学时，其中实验10学时：1．悬丝共振法测量弹性模量E第5周2．材料抗弯试验第7周3．平面应变断裂韧度KIC测试第10周4．材料磨损试验第11周第1章金属在单向静拉伸载荷下的

力学性能

单向静拉伸试验特点：温度、应力状态、加载速率确定，试样为标准的光滑圆柱试样目的：1）揭示金属材料在静载荷作用下常见力学行为（弹性变形、塑性变形和断裂）。2）标定基本力学性能指标如：弹性模量——主要用于零件的刚度设计中；屈服强度和抗拉强度——主要用于零件的强度设计中；材料的塑性，断裂前的应变量——主要为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。§1.1材料在静拉伸时的力学行为退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形四个阶段不同材料的应力应变曲线：1）退火低碳钢：2）多数塑性金属材料：3）高分子材料：4）工程结构陶瓷材料（象Al2O3，SiC）、淬火态的高碳钢、普通灰铸铁§1.2弹性变形一、弹性变形及其实质弹性变形：可逆变形，是金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映弹性变形量较小（一般小于0.5～1%），相当于原子间距的几分之一。二、虎克定律

在弹性变形阶段，大多数金属的应力-应变之间符合虎克定律的正比关系，如拉伸时：（E—弹性模量）剪切时：（G—切变模量）三、弹性模量

1、物理意义——表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力工程上E称做材料的刚度，则在相同应力下产生的弹性变形。2、影响因素——主要取决于结合键的本性和原子间的结合力弹性模量和材料的熔点成正比，越是难熔的材料弹性模量也越高

金属的弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对E值影响不大；而高分子和陶瓷材料的弹性模量则对结构与组织很敏感四、弹性比功（）

1、物理意义——表示金属材料吸收弹性变形功的能力试样或实际机器零件的体积越大，则可吸收的弹性功越多，可储备的弹性能越多。2、表示方法：应力－应变曲线下弹性变形范围内所吸收的变形功，即式中σe——弹性极限；——最大弹性应变σe表示材料发生弹性变性的极限抗力。对于一般金属材料只有通过提高σe来提高

3、实际意义弹簧零件要求其在弹性范围内（弹性极限以下）有尽可能高的弹性比功五、滞弹性

普通灰铸铁在拉伸时，其在弹性变形范围内应力和应变并不遵循直线AC关系。加载时沿着直线ABC，储存的变形功为ABCE；卸载时不是沿着原途径，而是沿着CDA恢复原状，释放的弹性变形能为ADCE。这样在加载与卸载的循环中，试样储存的弹性能为ABCDA，即图中阴影线面积1、定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象（即应变落后于应力现象）。材料组织越不均匀，滞弹性倾向越大。

循环韧性/内耗——金属材料在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力（消振性）2、实际意义应用：减振（此时选用循环韧性较高的材料，如铸铁、高铬不锈钢）缺点：如在精密仪表中的弹簧、油压表或气压表的测力弹簧，要求弹簧薄膜的弹性变形能灵敏地反映出油压或气压的变化，因此不允许材料有显著的滞弹性。六、包申格效应及其意义

1、定义金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1～4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余伸长应力降低(特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零)的现象包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象（所有退火态和高温回火的金属与合金都有），它与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。2、意义⑴对于承受疲劳载荷作用的机件寿命很重要；⑵工程上材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。3、消除包申格效应的方法预先进行较大的塑性变形在第二次反向受力前进行退火§1.3塑性变形一、屈服强度及其影响因素1、屈服强度⑴不连续屈服：有屈服平台(屈服齿）表示：σsσsl

⑵连续屈服：拉伸时无明显屈服现象屈服强度用规定微量塑性伸长应力表征：1）规定非比例伸长应力（σp）σp0.012）规定残余伸长应力（σr）σr0.23）规定总伸长应力（σt）σt0.52、影响屈服强度的因素⑴内在因素：结合键、组织、结构、原子本性四大强化机制：沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度最常用的手段⑵外在因素：温度、应变速率、应力状态温度降低、应变速率增高，材料的屈服强度升高。尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。3、屈服强度的工程意义传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σs/n，安全系数n一般取2或更大；对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n，安全系数n一般取6。屈服判据（屈服条件）是机件开始塑性变形的强度设计准则需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，脆断危险性增加了。二、加工硬化和真实应力－应变曲线

1.真实应力-应变曲线从试样开始屈服到发生颈缩，即均匀塑性变形阶段真实应力和应变的关系：式中n——加工硬化指数K——硬化系数（强度系数），是真实应变等于1.0时的真实应力2、加工硬化指数n的实际意义

反映了金属材料开始屈服以后抵抗继续塑性变形的能力，是表征材料应变硬化行为的性能指标。它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。n还决定了材料能够产生的最大均匀应变量，这一数值在冷加工成型工艺中是很重要的。大多数金属材料n在0.1～0.5之间，与层错能、冷热变形有关

对于工作中的零件，材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保证。

形变硬化是提高材料强度的重要手段。三、颈缩条件和抗拉强度

1.颈缩条件出现颈缩时正是相当于负荷-变形曲线上的最大载荷处，因此，应有dF=0dF=d(S·A)=AdS+SdA=0即-dA/A=dS/S又按体积不变定理有dL/L=-dA/A=de故有

dS/de=S

颈缩的条件:

当加工硬化速率等于该处的真应力时或当硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时n=eB2.抗拉强度（1）定义：韧性金属试样拉断过程中最大试验力（Fb）所对应的应力σb只代表金属材料所能承受的最大拉伸应力，表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力（2）实际意义：1）标志韧性金属材料在静拉伸条件下的实际承载能力（但不作为设计参数）2）对脆性材料即为断裂强度，用于产品设计时其许用应力以σb为依据。3）σb的高低决定于屈服强度和应变硬化指数。4）σb与HB、σ-1之间有一定关系：σb≈1/3HB，σ-1≈1/2σb（淬火回火钢）四、塑性

1、塑性与塑性指标塑性——材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力塑性指标：断后伸长率（最大试验力下的总伸长率

gt）

断面收缩率

2、塑性的实际意义⑴塑性指标是安全力学性能指标（对静载下工作的机件，要求材料具有一定塑性，以防偶然过载时突然破坏）⑵金属的成形加工（如轧制、挤压）和机器装配、修复工序要求一定塑性⑶金属材料的塑性常与强度性能有关：塑性越高，强度一般较低、屈强比越小

五、静力韧度

静力韧度——材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功严格的说，它应该是真应力-应变曲线下所包围的面积，工程上为了简化方便，对塑性材料近似地采取：静力韧度是一个强度与塑性的综合指标。单纯的高强度材料象弹簧钢，其静力韧度不高，而只具有很好塑性的低碳钢也没有高的静力韧度，只有经淬火高温回火的中碳(合金)结构钢才具有最高的静力韧度。§1.4金属材料的断裂一、断裂的类型机件的三种主要失效形式：磨损、腐蚀、断裂（危害最大）断裂1、韧性断裂与脆性断裂（按断裂前有无明显的塑性变形）脆、韧断裂的划分：<5%脆断>5%为韧断(光滑拉伸试样的断面收缩率)⑴韧性断裂：断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂特点：1）断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量2）断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角3）断口呈纤维状，灰暗色断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试验温度。一般材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大⑵脆性断裂：突然发生的断裂，断裂前基本不发生塑变特点：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状2、正断与切断（按断裂面的取向）正断：断裂垂直于最大正应力切断：沿着最大切应力方向断开注意：正断不一定就是脆断，正断也可以有明显的塑性变形。但切断是韧断，反过来韧断就不一定是切断了。3、穿晶断裂与沿晶断裂（按裂纹扩展的途径）穿晶断裂：裂纹穿过晶内（韧断或脆断）沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展（多为脆断），断口呈冰糖状（如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等）沿晶断裂产生原因：晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物破坏了晶界的连续性；或杂质元素向晶界偏聚引起。4、纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂（按断裂机理）⑴剪切断裂：在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂纯剪切断裂：完全由滑移流变造成断裂——纯金属尤其是单晶体微孔聚集型断裂：通过微孔形核、长大聚合而导致分离——常用金属材料⑵解理断裂：金属材料在一定条件下（如低温、应变速率较高，或是有三向拉应力状态），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂——脆断穿晶的解理断裂常见于bcc和hcp金属中。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面（如bcc金属的解理面为(100)二、解理断裂

1、解理裂纹的形成和扩展裂纹形成塑性变形位错运动⑴甄纳-斯特罗位错塞积理论当位错塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处的最大拉应力σfmax

能够等于理论断裂强度σm而形成裂纹。解理断裂过程：塑性变形形成裂纹裂纹在同一晶粒内初期长大裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展(图1-22）屈服时产生解理断裂的判据：晶粒直径（或第二相质点间距）d，裂纹扩展所需的应力或裂纹体的实际断裂强度

⑵柯垂耳位错反应理论——柯垂耳为解释晶内解理和bcc晶体中的解理面而提出裂纹成核：位错反应形成不动位错位错群塞积裂纹2、解理断裂的微观断口特征

⑴解理断裂基本微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样

⑵准解理常见于淬火回火的高强度钢中，或者是组织为贝氏体的钢中（弥散细小的碳化物质点影响裂纹形成与扩展）与解理断裂的共同点：均为穿晶断裂；有小解理刻面；有河流花样不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面。真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹