材料力學性能教案

1、皖 西 學 院 教 案2013- 2014學年 第2學期課程名稱 材料力學性能 授課專業(yè)班級材料科學與工程2011級 授課教師 李 善 奇 職稱 講 師 教學單位 材 化 學 院 教研室 材 料 科 學 1 / 18學 期 授 課 計 劃 課程類別專業(yè)核心總學分3總學時48本學期學時教學周次周學時學 時 分 配48164/2講授實驗上機練習討論考查其他（習題）486教學目的和基本要求本課程是高等學校本科材料科學與工程類專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程。設(shè)置本課程的目的和教學目標是：通過學習材料力學性能使學生能夠從各種機械零件或構(gòu)件最常見的服役條件和失效現(xiàn)象出發(fā)，了解時效現(xiàn)象的微觀機制，提出衡量材料時效

2、抗力的力學性能指標；掌握各種指標的物理概念、實用意義和測試方法；明確它們之間的相互關(guān)系；分析各種因素對力學性能指標的影響，為機械設(shè)計與制造過程中正確選擇和合理使用材料提供依據(jù)，為研制新材料、改進冷熱加工新工藝，充分發(fā)揮材料性能潛力指明方向，并為機械零件和構(gòu)件的時效分析提供一定基礎(chǔ)。教學重點和難點重點：單向靜拉伸力學性能；沖擊載荷下的力學性能；應(yīng)力腐蝕和氫脆。難點：單向靜拉伸力學性能；金屬的斷裂韌度；復合材料的力學性能。選用教材束德林 主編工程材料力學性能 ，機械工業(yè)出版社 2003主要參考資料鄭修麟 主編材料的力學性能，西北工大版，2001 馮 端 主編 金屬物理學（第三卷，科學出版社1999

3、匡震邦 主編材料的力學行為，高等教育出版社1998張清純 主編陶瓷的力學性能，科學出版社1997吳人潔 主編復合材料，天津大學出版社 2000備注單 元 教 案授課主題（或章節(jié)）第一章 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學性能學時10教學內(nèi)容綱 要1、掌握應(yīng)力-應(yīng)變曲線；2、彈性變形與彈性不完整性；3、塑性變形、屈服強度、形變硬化；4、金屬斷裂、斷裂強度、斷裂理論及其應(yīng)用教學目的和要求1、掌握應(yīng)力-應(yīng)變曲線；2、理解彈性變形與彈性不完整性；3、理解塑性變形、屈服強度、形變硬化；4、理解金屬斷裂、斷裂強度、斷裂理論及其應(yīng)用。教學重點應(yīng)力-應(yīng)變曲線教學難點塑性變形、屈服強度、形變硬化；金屬斷裂、斷裂強度、

4、斷裂理論及其應(yīng)用授課方式（請打）講授( ) 討論課( ) 實驗課( ) 習題課( ) 其他( )教學輔助手段教學課件教學后記由于本課程的前置課程應(yīng)該有材料力學這門課，但材料科學與工程11級的同學沒有學習過該課程，因此他們的基礎(chǔ)欠缺，所以個人在教學中增加了這門課的相關(guān)知識，盡管如此，還有許多不到位不熟練的部分，希望以后增開這門課，或在其他課程中增加材料力學的相關(guān)知識點的教學。分 教 案授課主題（或章節(jié)）第一節(jié) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線課次1授課方式（請打）講授() 討論課( ) 實驗課( ) 習題課( ) 其他( )學時2教學目的和要求掌握拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；理解真實應(yīng)力與條件應(yīng)力.教學重難點重點：

5、拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；難點：真實應(yīng)力與條件應(yīng)力。教 學 內(nèi) 容 綱 要備注導言： 靜載是相對于交變載荷和高速載荷而言的。 金屬靜載試驗方法包括單向靜拉伸試驗、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、硬度試驗等，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬力學性能試驗方法。 這些試驗方法的特點是：溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率是確定的，并且常用標準試樣進行試驗（硬度試驗除外）。 通過靜載力學性能試驗可以揭示金屬材料在靜載荷作用下常見的三種失效形式，即過量彈性變形、塑性變形和斷裂。 可以標定出金屬材料的最基本的力學性能指標。這些性能指標是機械設(shè)計、制造、選材、工藝評定以及內(nèi)外貿(mào)易訂貨的主要依據(jù)。本章將討論性能指標的定義、測試方法以及試

6、驗方法的意義特點等。第一節(jié) 拉伸力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線單向靜拉伸試驗是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬力學性能試驗之一，原因是其測得的性能指標比較穩(wěn)定，具有廣泛的可比性。一、 光滑拉伸試樣光滑試樣是相對于缺口試樣和裂紋試樣而言的。1、采用光滑試樣的目的：光滑試樣可保證試驗材料承受單向拉應(yīng)力，而缺口試樣或裂紋試樣將導致缺口或裂紋周圍處于兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)。2、試樣的種類：經(jīng)常使用的光滑試樣可分為：圓柱形試樣、板狀試樣和管狀試樣。詳見國家標準（GB/T228-2002 金屬材料 室溫拉伸試驗方法）開課前向?qū)W生介紹自己，以及對該課程的準備情況；介紹課程主要內(nèi)容，學習方法，主要參考書等3、光滑試樣的組成光滑拉

7、伸試樣由三部分組成：工作部分：是試樣的中間部分，在取樣和加工過程中應(yīng)按照GB/T2975-1998鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣制備、GB/T2649-1989焊接接頭機械性能試驗取樣方法等相關(guān)標準執(zhí)行，試樣在原材料或機件中的取向、部位以及試樣形狀、精度、粗糙度和加工程序均按照標準執(zhí)行。過渡部分：是工作部分向外過渡的部分，為減少應(yīng)力集中，采用圓弧過渡的形式。處理不好會在此斷裂，導致試驗失?。ㄓ绕涫谴嘈圆牧希?。夾持部分：這部分的作用是保持自身承載能力，不能斷裂（其截面積大）；把載荷正確地傳遞到工作部分上去。二、拉伸曲線及應(yīng)力應(yīng)變曲線介紹試驗機的種類、試樣裝夾、所用儀器和操作過程。1、 拉伸

8、曲線（力伸長曲線）：F-縱坐標，L橫坐標2、 拉伸過程：退火低碳鋼在拉伸力作用下的變形過程可分為四個階段：彈性變形階段不均勻屈服塑性變形階段均勻塑性變形階段不均勻集中塑性變形階段。3、 拉伸曲線的分類：拉伸曲線可分為以下幾種形式： 退火低碳鋼的拉伸曲線如圖a所示，它有鋸齒狀的屈服階段，分上、下屈服，均勻塑性變形后產(chǎn)生頸縮，然后試樣斷裂。 中碳鋼的拉伸曲線如圖b所示，它有屈服階段，但波動微小，幾乎成一條直線，均勻塑性變形后產(chǎn)生頸縮，然后試樣斷裂。 淬火后低中溫回火鋼的拉伸曲線如圖c所示，它無可見的屈服階段，試樣產(chǎn)生均勻塑性變形并頸縮后產(chǎn)生斷裂。 鑄鐵、淬火鋼等較脆材料在室溫下的拉伸曲線如圖d所示

9、，它不僅無屈服階段，而且在產(chǎn)生少量均勻塑性變形后就突然斷裂。 a b c d4、 應(yīng)力應(yīng)變曲線(-曲線)拉伸曲線（力伸長曲線）的不足之處是曲線的形狀與拉伸試樣的幾何尺寸有關(guān)，只能反映特定試樣的力學性質(zhì)。若用應(yīng)力應(yīng)變曲線（F/A0）- (L/LO)曲線表示，它與試樣的幾何尺寸無關(guān)，其形狀相似。同時還可直接從-曲線上直接讀出力學性能指標Rb、R0.2、A等。三、真實應(yīng)力與條件應(yīng)力1、 條件應(yīng)力在拉伸試驗過程中，試樣的橫截面積不斷減小，如果用外力除以橫截面積，得到的應(yīng)力為條件應(yīng)力。2、 真實應(yīng)力如果用任意時刻的外力除以橫截面積，得到的應(yīng)力為真實應(yīng)力。S=3、 真實應(yīng)力與條件應(yīng)力的關(guān)系S=可見，隨載荷

10、的增加，橫截面積不斷減小，不斷加大，真實應(yīng)力S在不斷增加。課后作業(yè)教學后記分 教 案授課主題（或章節(jié)）第一節(jié) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線課次2授課方式（請打）講授() 討論課( ) 實驗課( ) 習題課( ) 其他( )學時2教學目的和要求掌握拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；理解真實應(yīng)力與條件應(yīng)力，真實應(yīng)變與條件應(yīng)變；掌握真實應(yīng)力應(yīng)變曲線。教學重難點真實應(yīng)力與條件應(yīng)力，真實應(yīng)變與條件應(yīng)變。教 學 內(nèi) 容 綱 要備注第一節(jié) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線復習上節(jié)主要內(nèi)容，然后引入本節(jié)知識：一、 光滑拉伸試樣二、拉伸曲線及應(yīng)力應(yīng)變曲線三、真實應(yīng)力與條件應(yīng)力四、真實應(yīng)變與條件應(yīng)變1、條件應(yīng)變伸長量與原始標距長度之比，即稱為條件應(yīng)變。

11、2、真實應(yīng)變e對任意時刻真正伸長率是這時刻相對于前時刻試樣的伸長li與前一時刻長度li之比，即i試樣的真實應(yīng)變定義為每一時刻的真正伸長率的總和，即e+ln先簡要復習上次課的內(nèi)容，而后引入本節(jié)內(nèi)容3、條件應(yīng)變與真實應(yīng)變之間的關(guān)系elnln（）ln（1+）斷裂時：ekln（1+k）五、真實應(yīng)力應(yīng)變曲線真實應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖1-3，可分為三個區(qū)段，各區(qū)段有不同的特點。在區(qū)，為直線，真應(yīng)力與真應(yīng)變成直線關(guān)系。在區(qū)，為均勻塑性變形階段，是向下彎曲的曲線，遵循Sken規(guī)律。K，n均為材料常數(shù)。n為形變強化指數(shù)。當n1時，上式變成E，表示理想剛性狀態(tài)。當n0時，則表示無硬化效應(yīng)，表示理想塑性狀態(tài)。一般金屬材料

12、，1>n>0，n值不但在宏觀上表征材料的形變強化特性，微觀上反映了材料不同的應(yīng)變強化機制。它是板材沖壓成形和材料斷裂分析的重要參數(shù)。在區(qū)，曲線向上彎曲，可能是由三向應(yīng)力造成的。本節(jié)教學內(nèi)容結(jié)束后復習一些材料力學的基礎(chǔ)知識：桿件的基本變形；外力與內(nèi)力；應(yīng)力的概念；應(yīng)變。課后作業(yè)教學后記分 教 案授課主題（或章節(jié)）第二節(jié) 彈性變形與彈性不完整性課次3授課方式（請打）講授() 討論課( ) 實驗課( ) 習題課( ) 其他( )學時2教學目的和要求掌握彈性變形及其實質(zhì)，掌握彈性模量定義及其影響因素；了解彈性比功、滯彈性、包申格效應(yīng)。教學重難點教 學 內(nèi) 容 綱 要備注變形金屬發(fā)生形狀和尺

13、寸改變的現(xiàn)象。分彈性變形和塑性變形。變形可以由多種因素引起，在此僅討論應(yīng)力所引起的變形。一、 彈性變形及其實質(zhì)1、物理過程（實質(zhì)）可用雙原子模型來解釋。1、 在沒有外加載荷作用時，金屬中的原子在其平衡位置附近產(chǎn)生震動。2、 相鄰兩原子之間的作用力由引力和斥力疊加而成。一般認為：引力是金屬正離子和自由電子間的庫侖力所產(chǎn)生，而斥力是由離子之間因電子殼層產(chǎn)生應(yīng)變所致。引力和斥力都是原子間距的函數(shù)。當原子間距因受力減小時，斥力開始緩慢增加；當電子殼層重疊時，斥力迅速增加。引力隨原子間距的增加而逐漸下降。合力曲線在原子平衡位置處為零。3、 原子間相互作用力F與原子間距r的關(guān)系為：F=式中 A、r0與原子

14、本性或晶體、晶格類型有關(guān)的常數(shù)。上式中第一項為引力，第二項為斥力?？梢?，原子間相互作用力與原子間距離的關(guān)系并非虎克定律所示的直線關(guān)系，而是拋物線關(guān)系。但外力要較小時，原子偏離平衡位置不遠，合力曲線的起始階段可視為直線，則虎克定律表示的外力位移（原子間相互作用力原子間距離）線性關(guān)系近似是正確的。4、 彈性斷裂載荷及變形量當rrm時，斥力接近為零，與外力平衡的原子間作用力只有引力，合力曲線上出現(xiàn)極大值Fmax，F(xiàn)max是拉伸時兩原子間的最大結(jié)合力。如果外力達到Fmax，就可以克服兩原子間的引力而使它分開。因此，F(xiàn)max也就是金屬材料在彈性狀態(tài)下的斷裂載荷（斷裂抗力）。相應(yīng)的原子位移量rmr0，即彈

15、性變形最大量，接近23。彈性滯后和循環(huán)韌性1、彈性滯后：金屬在彈性區(qū)內(nèi)加載、卸載時，由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，是為彈性滯后。封閉回線稱為彈性滯后環(huán)。說明加載時消耗于金屬的變形功大于卸載時金屬釋放的變形功，有一部分變形功被金屬吸收，這部分吸收的變形功稱為金屬的內(nèi)耗，大小用回線面積度量。如果所加的是交變載荷，其最大應(yīng)力低于宏觀彈性極限，且加載速率比較大，彈性后效不能順利進行，則得到交變載荷下的彈性滯后環(huán)。若交變載荷的最大應(yīng)力超過宏觀彈性極限，則得到塑性滯后環(huán)。2、金屬的循環(huán)韌性：金屬材料在交變載荷（振動）下在塑性變形區(qū)內(nèi)加載時，吸收不可逆變形功的能力，稱為金屬的循

16、環(huán)韌性。用塑性滯后環(huán)面積度量。金屬在彈性區(qū)內(nèi)加載時吸收不可逆變形功的能力稱為內(nèi)耗。用彈性滯后環(huán)面積度量。這兩個名詞有時混用。金屬的循環(huán)韌性又稱消振性。目前尚無統(tǒng)一的評定標準，通常用振動試樣中自由振動振幅衰減的自然對數(shù)值來表示其大小。lnln其值越大，消振能力越強。則機件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循環(huán)韌性對于降低機械噪聲，抑制高速機械的振動，防止共振導致疲勞斷裂是很重要的。鑄鐵因含有石墨不易傳送彈性機械振動，故具有很高的循環(huán)韌性。機床床身、發(fā)動機缸體等選用灰鑄鐵，氣輪機葉片用1Cr13鋼制造，其重要原因就是這類材料的循環(huán)韌性高，消振性好，可以保證機器穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。對于儀表傳感元件，選用循環(huán)韌性低的材料，可以提高儀表的靈敏度。樂器所用金屬材料的越小，其音質(zhì)越好。六、包申格（Bauschinger）效應(yīng)1、 定義：金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生微量塑性變形（殘余應(yīng)變小于14），而后再同向加載規(guī)定殘余伸長應(yīng)力（e）升高，反向加載時（e）下降。這種現(xiàn)象成為包申格效應(yīng)。2、 原因：用位錯塞積群來解釋。3、 度量：用包申格應(yīng)變表示。即在給定應(yīng)力下，拉伸卸載后第二次再拉伸與拉伸后第二次壓縮兩曲線之間的應(yīng)變差。4、 危害：包申格效應(yīng)在許多金屬中均有發(fā)現(xiàn)。對高溫回火的鋼材較為明顯。對預微量塑性變形的鋼材若反向使用時，會產(chǎn)生很大危害。例1：包申格效應(yīng)對于承受應(yīng)變