材料性能学课件第一章-材料单向静拉伸的力学性能1

材料性能学1课程的目的要求掌握材料各种性能的基本概念、物理本质、变化规律以及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的主要因素及材料性能与化学成分、组织结构之间的关系，基本掌握改善或提高材料性能指标、充分发挥材料性能潜力的主要途径，以及材料或机件失效的基本方法，同时对材料性能测试原理、方法及相关仪器设备有所了解。2教材：王从曾.材料性能学.北京:北京工业大学出版社.2004.3主要参考书：张帆等，材料性能学(第2版)，上海：上海交通大学出版社，2014.4成绩评定方法平时10％,其中作业20％，期末考试70％（无故缺勤三次，本门课程不及格）材料性能学的重点力学性能—结构材料物理性能—功能材料宏观-材料变形、断裂，微观-点缺陷-微孔-聚集，线缺陷-滑移松下充气式外骨骼我们对材料提出高强，高硬，耐温，耐腐，绝缘和各种电，磁，光及生物相容性等等性能，使之可以广泛应用于机械，电子，宇航，医学工程等各个方面；如此高要求下仍出现意外。例如：挑战者号航天飞机。火箭推进器上面的一个O形环失效，航天服头盔的盔壳由聚碳酸酯制成，它不仅能隔音（声学）、隔热（热学）和防碰撞（力学），而且还具有减震好、重量轻的性能，头盔面窗可以为航天员提供良好的视野（光学），不结雾、不结霜，以便随时可以清晰看到飞船内外的景象。材料的热传导化学性能第一章材料单向静拉伸的力学性能

LongyanUniversityLongyanUniversity第一节力一伸长曲线和应力—应变曲线一力－伸长曲线拉伸试件的形状及尺寸

标准圆柱形拉伸试件L0＞5d0rd0L0Lcr

圆形试样的主要尺寸及允许偏差（单位mm）试样直径d0标距部分内d0的允许偏差标距部分内最大与最小直径的允许差值标距长度L0平行部分长度Lc圆弧半径r短试样长试样单，双肩3±0.050.015d010d0≥L0+d02568±0.10.0233310152025±0.20.054455LongyanUniversity第一节力一伸长曲线和应力—应变曲线

矩形拉伸试件L0＝5.65a0L0＝11.3a0ra0L0Lcrb0LongyanUniversity第一节力一伸长曲线和应力—应变曲线万能试验机LongyanUniversity第一节力一伸长曲线和应力—应变曲线图1-1低碳钢的力伸长曲线

弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀集中塑性变形4个阶段。LongyanUniversity第一节力一伸长曲线和应力—应变曲线图1-2几种典型材料的力－伸长曲线曲线5为橡胶类材料的力—伸长曲线，其特点是弹性变形量很大，只有弹性变形而不产生或产生很微小的塑性变形曲线2为低合金结构钢（16Mn）曲线1淬火、高温回火后的高碳钢。只有弹性变形、少量的均匀塑性变形曲线3为黄铜，有弹性变形、均匀塑性变形和不均匀塑性变形曲线4为陶瓷、玻璃类材料。只有弹性变形而没有明显的塑性变形曲线6为工程塑料，弹性变形，均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形曲线5为橡胶类材料的力—伸长曲线，其特点是弹性变形量很大，只有弹性变形而不产生或产生很微小的塑性变形曲线2为低合金结构钢（16Mn）曲线1淬火、高温回火后的高碳钢。只有弹性变形、少量的均匀塑性变形曲线3为黄铜，有弹性变形、均匀塑性变形和不均匀塑性变形曲线4为陶瓷、玻璃类材料。只有弹性变形而没有明显的塑性变形曲线6为工程塑料，弹性变形，均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形曲线5为橡胶类材料的力—伸长曲线，其特点是弹性变形量很大，只有弹性变形而不产生或产生很微小的塑性变形曲线2为低合金结构钢（16Mn）曲线1淬火、高温回火后的高碳钢。只有弹性变形、少量的均匀塑性变形曲线3为黄铜，有弹性变形、均匀塑性变形和不均匀塑性变形曲线4为陶瓷、玻璃类材料。只有弹性变形而没有明显的塑性变形曲线6为工程塑料，弹性变形，均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形LongyanUniversity第一节力一伸长曲线和应力—应变曲线图1-3低碳钢的应力－应变曲线比例极限σp、弹性极限σe、屈服点σs、抗拉强度σb

σ＝F／A0

ε＝△L／L0

LongyanUniversity第一节力一伸长曲线和应力—应变曲线如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力F，则可得到瞬时的真应力S（S=F／A）。同样，当拉伸力F有一增量dF时，试样在瞬时长度L的基础上变为L+dL，于是应变的微分增量应是de=dL／L，则试棒自L0伸长至L后，总的应变量为式中的e即为真应变。于是，工程应变和真应变之间的关系为假定材料的拉伸变形是等体积变化过程，则真应力和工程应力之间就有如下关系：Aili＝A

0l0σi=F/Ai=F/(A0l0/li)LongyanUniversity第一节力一伸长曲线和应力—应变曲线

图1-4真应力－真应变曲线

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一、弹性变形的本质构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映

图1-5离子间的相互作用力LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

二、弹性模数拉伸时σ=Eε，剪切时τ=Gγ，E和G分别为拉伸时的杨氏模数和切变模数。在应力应变关系的意义上，当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应力，即弹性模数是产生100％弹性变形所需的应力。在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。

比弹性模数（比模数、比刚度）（一般适用于航空业）材料的弹性模数与其单位体积质量的比值

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三、影响弹性模数的因素1、键合方式和原子结构

一般来说，在构成材料聚集状态的4种键合方式中，共价键、离子键都有较高的弹性模数。无机非金属材枓大多由共价键或离子键以及两种键合方式共同作用而成，因而有较高的弹性模数。金属及其合金为金属键结合，也有较高的弹性模数。而高分子聚合物的分子之间为分子键结合，分子键结合力较弱，高分子聚合物的弹性模数亦较低。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

图1-6金属弹性模数的周期变化

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2晶体结构单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上呈各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。如α-Fe晶体沿〈111〉晶向，E=2.7×105MPa，而沿〈100〉方向，E=1.25×105MPa。MgO晶体在室温下沿〈111〉晶向，E=3.48×105MPa，而〈100〉晶向，E=2.48×105MPa。多晶体材料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伪各向同性。非晶体材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性模量是各向同性的。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

3．化学成分与纯金属相比，合金的弹性模数将随组成元素的质量分数(w)、晶体结构和组织状态的变化而变化。对于固溶体合金，弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构。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不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过5％。在两相合金中，弹性模数的变化比较复杂。它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及分布状态有关。例如在铝中加入Ni(w=15％)、Si(w=13％)，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6.5×104MPa增高到9.38×104MPa。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

4．微观组织对于金属材料，在合金成分不变的情况下，显微组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小对E值无影响。钢经过淬火后E值虽有所下降，但回火后E值又恢复到退火状态的数值。第二相对E值的影响视其体积比例和分布状态而定，大致可按两相混合物体积比例的平均值计算，对铝合金的研究表明，具有高E值的第二相粒子可以提高合金的弹性模数，铍青铜时效后E值可提高20％以上，但对于作为结构材料使用的大多数金属材料，其中第二相所占比例较小的情况下，可以忽略其对E值的影响。冷加工可降低金属及合金的弹性模数，但一般改变量在5％以下，只有在形成强的织构时才有明显的影响，并出现弹性各向异性。因此，作为金属材料刚度代表的弹性模数，是一个组织不敏感的力学性能指标。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷的相的种类、粒度、分布、比例及气孔率有关。因此作为复杂多相体的陶瓷材料其弹性模数的理论计算非常困难，一般是通过实际测量而获得。气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致可用下式表示：

E=E0(1-1.9p+0.9p2)

式中：E0为无气孔时的弹性模数；p为气孔率。可见随着气孔率的增加，陶瓷的E值下降。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

高分子聚合物图1-7炭黑填料对天然橡胶弹性模数的影响LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

复合材料是特殊的多相材料。对于增强相为粒状的复合材料，其弹性模数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模量表示，分别为纵向弹性模量E1、横向弹性模量E2，El和E2分别用下式表示：式中：Ef、Em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。很显然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。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

5温度一般说来，随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料弹性模数降低。例如，碳钢加热时，温度每升高l00℃，E值下降3％～5％。

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高分子聚合物的物理性质与温度和时间有密切的关系。随着温度的变化，在一些特定的温度区间，某些力学性质会发生突然的改变，这种变化称为高聚物的力学状态转变。例如，由玻璃态向橡胶态转变、由橡胶态向粘流态的转变等。随着高聚物力学状态的转变，其弹性模数也相应产生很大的变化LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

图1-9聚合物的E-T曲线

此外，橡胶的弹性模数随温度的升高略有增加，这一点与其他材料不同。其原因是温度升高时，高分子链的分子运动加剧，力图恢复到卷曲的平衡状态的能力增强所致。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

6．加载条件和负荷持续时间加载方式（多向应力），加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷类材料的弹性模数几乎没有影响。因为这类材料的弹性变形速度与声速相同，远超过常见的加载速率，负荷持续时间的长短也不会影响到原子之间的结合力。只有陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数，这一点与金属材料不同。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

高分子聚合物材料的弹性模数与时间的关系与其对温度的关系相似，一般说来，随着负荷时间的延长，E值逐渐下降。在此情况下把高聚物的弹性模数称为松弛模数。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

t=0时，材料受到应力作用产生瞬时应变，高分子键内的键角和键长立即发生变化，这时的E值为玻璃态的E值。经过一段时间以后，卷曲的高分子链通过链段运动逐步舒展，高弹性变形逐步增加，应力不断下降，此时E值相当于由玻璃态向橡胶态转变的E值。时间进一步延长时，高分子链间发生相互滑移，整链发生运动，产生粘性流动，材料的弹性模数降得很低。因此高分子聚合物的弹性模数常用加载一段时间后的数值E（t）表示，称为t秒松弛模数，如10s模数等。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

四、比例极限与弹性极限比例极限σp是保证材料的弹性变形按正比关系变化时最大应力，即在拉伸应力-应变曲线上开始偏离直线时的应力值式中：Fp为比例极限对应的试验力，A0为试棒的原始截面积。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

弹性极限σe是材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力，此时材料开始产生塑性变形。

式中：Fe为弹性极限时对应的试验力，A0为试棒的原始截面面积。LongyanUniversity第二节弹性变形及其性能指标

实际上，σp、σe只是一个理论上的物理定义，因为对于实际使用的工程材料，用普通的测试方法很难测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值。因此，为了便于实际测量和应用，应以发生非比例伸长值作定义，故σp的新定义在国家标准中称为“规定非比例伸长应力”，即试验时非比例伸长达到原始标距长度规定的百分比时的应力，表示此应力的符号附以角注说明，例如σp0.01、σp0.05分别表示规定非比例伸长率0.01％、