材料力學(xué)性能-第1章

1、材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能徐建林徐建林顧玉芬顧玉芬材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院第一章 緒 論一、工程背景一、工程背景（一）工程要求（一）工程要求1、現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求：高性能、經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求：高性能、經(jīng)濟(jì)、 安全安全2、選材的依據(jù)、選材的依據(jù)3、質(zhì)量評價(jià)的依據(jù)、質(zhì)量評價(jià)的依據(jù)（二）服役條件與性能（二）服役條件與性能負(fù)荷負(fù)荷零件零件可能產(chǎn)生損傷可能產(chǎn)生損傷（嚴(yán)重時(shí)）失效（嚴(yán)重時(shí)）失效力學(xué)負(fù)荷力學(xué)負(fù)荷（外力作用條件下）（外力作用條件下）材料內(nèi)部變形材料內(nèi)部變形 方式、應(yīng)力分布狀態(tài)和缺口效應(yīng)方式、應(yīng)力分布狀態(tài)和缺口效應(yīng)熱熱 負(fù)負(fù) 荷荷（外界高溫條件下）（外界高溫條件下）材料內(nèi)部產(chǎn)生材

2、料內(nèi)部產(chǎn)生熱沖擊、熱應(yīng)力，熱沖擊、熱應(yīng)力，TT承載能力承載能力環(huán)境介質(zhì)作用環(huán)境介質(zhì)作用表面化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕，表面化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕，摩擦與磨損摩擦與磨損力學(xué)負(fù)荷（載荷）力學(xué)負(fù)荷（載荷）（1 1）分類：）分類： 靜載荷：靜載荷： 如機(jī)器重量對基礎(chǔ)的作用。如機(jī)器重量對基礎(chǔ)的作用。 動載荷：動載荷： 交變載荷（隨時(shí)間做周期變化）；交變載荷（隨時(shí)間做周期變化）；如齒輪傳動。如齒輪傳動。 沖擊載荷（物體的運(yùn)動在瞬時(shí)突沖擊載荷（物體的運(yùn)動在瞬時(shí)突變所引起的載荷）；如鍛打。變所引起的載荷）；如鍛打。（2 2）零件在靜載荷下變形的基本形式）零件在靜載荷下變形的基本形式變形：構(gòu)件在工作時(shí)在外力作用下其幾何

3、變形：構(gòu)件在工作時(shí)在外力作用下其幾何形狀和尺寸將發(fā)生改變的現(xiàn)象。形狀和尺寸將發(fā)生改變的現(xiàn)象。. .拉伸和壓縮：拉伸和壓縮：.剪切：. .扭轉(zhuǎn)：扭轉(zhuǎn)： 4. 4.彎曲：彎曲：5 5. .組合變形組合變形2.熱熱負(fù)荷負(fù)荷溫度因素溫度因素：高溫、低溫、熱沖擊高溫、低溫、熱沖擊高溫下服役的零件高溫下服役的零件 熱疲勞：溫度反復(fù)急劇變化熱疲勞：溫度反復(fù)急劇變化 高溫氧化高溫氧化 蠕變現(xiàn)象：溫度上升導(dǎo)致延伸率上升（一般高于蠕變現(xiàn)象：溫度上升導(dǎo)致延伸率上升（一般高于0.30.3T T熔熔顯著）顯著） 溫度上升導(dǎo)致力學(xué)性能下降：普通鋼材從室溫上溫度上升導(dǎo)致力學(xué)性能下降：普通鋼材從室溫上升到升到600600C

4、C，強(qiáng)度下降一般很多。強(qiáng)度下降一般很多。 ： T0.3Tm,T0.3Tm,很小應(yīng)力下的緩慢變形蠕變很小應(yīng)力下的緩慢變形蠕變 急熱急冷產(chǎn)生的熱應(yīng)力急熱急冷產(chǎn)生的熱應(yīng)力 低溫下的材料脆化低溫下的材料脆化3、環(huán)境介質(zhì)的作用、環(huán)境介質(zhì)的作用 腐蝕：腐蝕： 化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、物理溶解化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、物理溶解磨擦磨損：接觸零件間相對運(yùn)動時(shí)發(fā)生，引磨擦磨損：接觸零件間相對運(yùn)動時(shí)發(fā)生，引起功和能消耗、噪聲等。磨損是零件表面材料起功和能消耗、噪聲等。磨損是零件表面材料的逐漸失去，常見類型有粘著磨損、磨粘磨損、的逐漸失去，常見類型有粘著磨損、磨粘磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損。腐蝕磨損和疲勞磨損。老化作用：各

5、種環(huán)境因素作用下材料性能的老化作用：各種環(huán)境因素作用下材料性能的逐漸退化、變壞，最終喪失使用價(jià)值的現(xiàn)象。逐漸退化、變壞，最終喪失使用價(jià)值的現(xiàn)象。輪胎龜裂、發(fā)粘，塑料變硬邊脆。輪胎龜裂、發(fā)粘，塑料變硬邊脆。老化的環(huán)境因素：溫度、日光、電、輻射、應(yīng)老化的環(huán)境因素：溫度、日光、電、輻射、應(yīng)力、化學(xué)介質(zhì)等。力、化學(xué)介質(zhì)等。（三）、材料的性能（三）、材料的性能： 是一種參量，用來表征材料在給定外界條是一種參量，用來表征材料在給定外界條件下的所表現(xiàn)出的行為特征。件下的所表現(xiàn)出的行為特征。外界條件：在不同的外界條件下，相同的材料外界條件：在不同的外界條件下，相同的材料也會有不同的性能。也會有不同的性能。例如

6、：斷裂強(qiáng)度例如：斷裂強(qiáng)度 蠕變斷裂強(qiáng)度蠕變斷裂強(qiáng)度 - -熱學(xué)熱學(xué) 疲勞斷裂強(qiáng)度疲勞斷裂強(qiáng)度 - -力學(xué)力學(xué) 應(yīng)力腐蝕斷裂強(qiáng)度應(yīng)力腐蝕斷裂強(qiáng)度-化學(xué)化學(xué)外界條件外界條件性能性能選材選材材料的基本性能材料的基本性能1 、 使用性能：使用性能：物理性能（光、電、磁） 力學(xué)性能 （強(qiáng)度、塑性、硬度） 2、 加工性能加工性能 （可制造性） 熱加工：鑄、鍛、焊、熱處理 冷加工：車、銑、磨 特種加工：電火花、激光、離子 材料的力學(xué)性能: 評價(jià)材料在變形、損傷和斷裂的抗力和容量的定量指標(biāo)。 材料的力學(xué)行為: 是對材料在外力作用下發(fā)生變形、損傷和斷裂過程的描述（可用圖、表、解析式）。 服役過程: 保持設(shè)計(jì)要求

7、的外形和尺寸， 保證在服役期內(nèi)安全地運(yùn)行。 生產(chǎn)過程: 要求材料具有優(yōu)良的加工性能。 如壓力加工要求優(yōu)良的塑性和 低的塑性變形抗力。彈性彈性: :是指材料在外力作用下保持和恢復(fù)固有形狀和尺寸的能力。塑性塑性: :是材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力強(qiáng)度強(qiáng)度: :是材料對變形和斷裂的抗力。壽命壽命: :是指材料在外力的長期或重復(fù)作用下抵抗損傷和失效的能力，使零件在服役期內(nèi)安全運(yùn)行。不同工況下對各種性能的要求不同（四）、材料的基本力學(xué)性能（四）、材料的基本力學(xué)性能（五）、材料力學(xué)性能表征（五）、材料力學(xué)性能表征1、材料軟硬程度的表征。2、材料脆性的表征。3、材料抵抗外力能力表征。4、材料變

8、形能力的表征。5、含缺陷材料抗斷裂能力的表征。6、材料抵抗多次受力能力的表征。7、新材料及特種材料性能的表征。8、特殊條件下材料性能的表征。（六）、意義（六）、意義1、材料的安全使用（1）防止失效失效形式：過量變形、斷裂、磨損、腐蝕（2）減少經(jīng)濟(jì)損失美國：1982年為1190億（占GDP4%）研究認(rèn)為：采用新技術(shù)，可減少1/3損失2、評價(jià)材料和相關(guān)制備工藝3、合理使用材料二、研究內(nèi)容和研究方法二、研究內(nèi)容和研究方法1、研究內(nèi)容：結(jié)合材料的實(shí)際服役條件，研究材料在外力作用下力學(xué)性能變化的情況。2、研究方法（1）簡單到復(fù)雜研究典型工況、典型試樣A、光滑試樣：基本力學(xué)性能的測定，失效機(jī)理與判據(jù)的研究

9、；B、切口試樣：更具實(shí)際性（貼近實(shí)際零部件）C、帶裂紋試樣：具有實(shí)際性（裂紋存在）（2）聯(lián)系實(shí)際情況進(jìn)行研究三、教材結(jié)構(gòu)和內(nèi)容教材結(jié)構(gòu)和內(nèi)容第一部分第一部分: :第一七章 闡述材料在一次加載條件下的形變和斷裂過程。所測定的力學(xué)性能指標(biāo)用于評價(jià)零件在服役過程中抗過載失效的能力或安全性。第二部分第二部分: :第八十一章 論述疲勞、蠕變、磨損和環(huán)境效應(yīng)四種常見的與時(shí)間相關(guān)的失效形式。材料對這四種形式失效的抗力將決定零件的壽命。第三部分第三部分: :第十二十四章 介紹陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料的力學(xué)性能。四、本課程學(xué)習(xí)注意問題：四、本課程學(xué)習(xí)注意問題：（一）學(xué)習(xí)要求（目的）1、掌握材料基本力學(xué)性能

10、的測試原理和方法；2、理解材料在外力作用下失效過程、機(jī)制和力學(xué)模型；3、理解評價(jià)材料的力學(xué)性能治標(biāo)及評價(jià)方法；4、理解選優(yōu)材料的指標(biāo)、方法，通過優(yōu)化工藝改善材料的力學(xué)性能；5、了解新材料、新技術(shù)的發(fā)展對材料的力學(xué)性能提出的新的要求；（二）學(xué)習(xí)方法（二）學(xué)習(xí)方法1 1、加強(qiáng)前后知識的聯(lián)系：、加強(qiáng)前后知識的聯(lián)系： 相關(guān)課程：相關(guān)課程：材料力學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計(jì)、金屬熱處理、彈塑性力學(xué)。2 2、注重實(shí)踐環(huán)節(jié)、注重實(shí)踐環(huán)節(jié)（1 1）掌握一些經(jīng)驗(yàn)公式的適用范圍和限制；）掌握一些經(jīng)驗(yàn)公式的適用范圍和限制；（2 2）掌握測試原理、設(shè)備和方法；）掌握測試原理、設(shè)備和方法；（3 3）理論聯(lián)系實(shí)際）理論聯(lián)系實(shí)際: :是實(shí)用性很強(qiáng)的一門課程。某些力學(xué)性能指標(biāo)根據(jù)理論考慮