群課件大三上材料力學性能新第一章

2023/2/21工程材料力學性能1第一章靜拉伸下的力學性能第一節(jié)拉伸曲線和應力－應變曲線

1、拉伸試樣

2、拉伸曲線和應力-應變曲線

3、真應力-真應變曲線2023/2/21工程材料力學性能2圓形試樣板狀試樣2023/2/21工程材料力學性能3試樣為什么要確定比例？標距內的絕對伸長由均勻伸長和頸縮處的集中伸長兩部分組成：

2023/2/21工程材料力學性能4

2023/2/21工程材料力學性能52023/2/21工程材料力學性能62023/2/21工程材料力學性能72023/2/21工程材料力學性能8純彈性型玻璃、陶瓷、巖石、橫向交聯(lián)很好的聚合物及一些低溫下的金屬2023/2/21工程材料力學性能9彈性－均勻塑性金屬及合金、部分陶瓷及非晶態(tài)高聚物。2023/2/21工程材料力學性能10彈性－不均勻塑性低溫和高應變速率下的面心立方金屬（孿生）。某些含碳原子的體心立方鐵合金以及鋁合金低溶質固溶體。2023/2/21工程材料力學性能11彈性－不均勻塑性－均勻塑性型體心立方的鐵基合金和若干有色金屬。2023/2/21工程材料力學性能12彈性－不均勻塑性－均勻性型結晶態(tài)高聚物和未經(jīng)拉伸的線形非晶態(tài)高聚物。2023/2/21工程材料力學性能13第二節(jié)彈性變形、虎克定律和彈性模量

1、彈性變形的虎克定律和雙原子模型

2、常用彈性常數(shù)和彈性模量

3、剛度的概念及其應用2023/2/21工程材料力學性能14a0ff吸引力－－金屬正離子與公有電子間庫侖引力作用的結果，這是一種長程力，在比原子間距大得多的距離處它仍然起作用并占優(yōu)勢。排斥力－－由同性電荷（離子，電子）間的庫侖斥力以及相鄰原子電子層互相重疊的泡里斥力所造成的，這是一種短程長，只有當原子距離接近時才起主導作用。2023/2/21工程材料力學性能15斥力引力原子間距2023/2/21工程材料力學性能16常用彈性常數(shù)及彈性模量E：正彈性模量，E＝σx/εx,抵抗正應變能力G：切彈性模量，G=τxy/γxy,抵抗切應變能力υ

：泊桑比，υ=-εy/εx,橫向正應變與受力方向正應變比值k：體積彈性模量，在三向壓縮下，壓強p與體積變化率之間的線性比例關系2023/2/21工程材料力學性能17

E=2G(1+υ)E=3k(1-2υ)因此，各向同性材料只有兩個獨立分量。彈性模量的意義是以零件的剛度體現(xiàn)出來2023/2/21工程材料力學性能18提高剛度的方法：提高截面積和提高材料的彈性模量2023/2/21工程材料力學性能19第三節(jié)滯彈性變形

1、滯彈性變形的現(xiàn)象

2、滯彈性變形的本質

3、滯彈性變形的應用2023/2/21工程材料力學性能202023/2/21工程材料力學性能21環(huán)內面積相當于在交變載荷下不可逆的能量損失－－內耗（循環(huán)韌性）它標志著單向交變載荷下能以不可逆方式吸收能量，而又不破壞的能力，即靠自身消除機械振動的抗力，是一種很有用的力學性能指標。2023/2/21工程材料力學性能22工程上不允許彈性后效－－儀表、精密儀表中的測力彈簧、樂器等；工程上希望彈性后效－－飛機螺旋漿、汽輪機葉片、機床床身等。2023/2/21工程材料力學性能23影響彈性后效和循環(huán)韌性的因素：材料本質有關的晶體結構和組織不均勻性外部服役條件：溫度、加工硬化和應力狀態(tài)高聚物大分子鏈結構和熱運動導致高聚物的粘彈性。2023/2/21工程材料力學性能24第四節(jié)連續(xù)屈服材料的變形和抗力

1、非比例變形

2、規(guī)定非比例伸長應力

3、規(guī)定總伸長應力

4、規(guī)定殘余伸長應力

5、幾種應力的比較2023/2/21工程材料力學性能251、非比例變形塑性――表示材料在斷裂前發(fā)生的不可逆的變形量的多少。

韌性――表示材料在斷裂前單位體積材料所吸收的變形和斷裂能，即外力所做的功。

2023/2/21工程材料力學性能26非比例伸長=滯彈性伸長+蠕變伸長+塑性伸長滯彈性伸長是可恢復的彈性部分，蠕變伸長是不可恢復的塑性部分，兩者都是與時間相關的變形。塑性伸長是不可塑性的變形量，在低溫和室溫下，蠕變伸長和滯彈性伸長所占的比重較小。2023/2/21工程材料力學性能27總伸長=總彈性伸長+總塑性伸長（兩者都包括與時間有關的和與時間無關的部分）卸載后的殘余伸長=塑性變形造成的永久伸長+滯彈性伸長2023/2/21工程材料力學性能282、規(guī)定非比例伸長應力σP

規(guī)定非比例伸長應力（σP）是指試樣標距部分的非比例伸長達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力。例如，σP0.01、σP0.05、σP0.2表示規(guī)定非比例伸長率為0.01%、0.05%、0.2%。2023/2/21工程材料力學性能29F≤10N/mm2/mm=10MPa/mm不小于5mm，

2023/2/21工程材料力學性能302023/2/21工程材料力學性能313、規(guī)定總伸長應力σtσt=標距部分總伸長（彈性伸長+塑性伸長）達到規(guī)定的原始標距百分比的應力。如σt0.5、σt0.6、σt0.7表示規(guī)定總伸長率為0.5%、0.6%、0.7%。2023/2/21工程材料力學性能32F≤10N/mm2/mm=10MPa/mmn不小于50倍

2023/2/21工程材料力學性能334、規(guī)定殘余伸長應力σrσr指試樣卸除拉伸后，標距部分的殘余伸長達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力。如σr0.2。2023/2/21工程材料力學性能342023/2/21工程材料力學性能355、幾種應力的比較σP是加載時測定的；σr是卸載時測定的，兩者大小有區(qū)別。σr測試方法比較復雜，一般選用σP或σt。σ0.2為條件屈服強度，看成是不要求區(qū)別測試方法或σP與σr視為等同時的一種標記。它們都是材料的初始塑性變形即屈服抗力σS的具體表征值，無本質區(qū)別。一些特殊的高壓容器為保持嚴格的氣密性，其緊固螺栓要求不能有微殘余伸長，這時取σ0.1甚至σ0.01，炮鋼亦是如此。而橋梁、建筑物等大型結構允許有更大的殘余變形量，取σ0.5。

2023/2/21工程材料力學性能36第五節(jié)不連續(xù)屈服材料的變形和抗力

1、不連續(xù)屈服

2、影響屈服應力的因素2023/2/21工程材料力學性能37

1、不連續(xù)屈服2023/2/21工程材料力學性能38屈服機理最初用柯氏氣團來解釋――即位錯被溶質原子釘錨。得平臺的屈服應力σ有Hall-Petch關系：式中，σ0為單晶體屈服應力，與溫度和成分有關；K為系數(shù)，表征晶界對屈服應力影響程度，與晶界結構有關，與溫度關系不大。2023/2/21工程材料力學性能39根據(jù)位錯增殖理論，要出現(xiàn)屈服必須滿足二個條件：材料中原始的可動位錯密度小和應力敏感系數(shù)小。金屬塑性應變速率、可動位錯密度ρ、位錯運動速率v和柏氏矢量b有如下關系：變形前ρ較小，為了適應一定的宏觀變形速率的要求，必須增大v，而v取決于應力大小。2023/2/21工程材料力學性能40式中，τ為沿滑移面的切應力；τ0為產(chǎn)生單位位錯滑移速度所需的應力，m為應力敏感系數(shù)。于是要提高，就必須有較高的外應力，就出現(xiàn)了上屈服點，接著發(fā)生塑性變形，位錯大量增殖，ρ增大，為適應原先的形變速率，位錯運動速率要降低，相應的應力就突然降低，出現(xiàn)了屈服降落現(xiàn)象。m值越小，所需的應力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。體心立方結構m<20，面心立方結構m>100~200，因此，體心立方結構屈服出現(xiàn)明顯屈服平臺，有利于屈服強度的精確測量，但它對低碳鋼板材深沖是有害的，因為深沖時，某些區(qū)域形變量達到屈服變形范圍，出現(xiàn)Lüders帶，表面光潔度低。2023/2/21工程材料力學性能41

2、影響屈服應力的因素

由Hall-Petch公式知，屈服應力與成分、組織、晶粒尺寸、晶界組織等有關，是一個內部因素敏感的力學性能指標；同時屈服應力又與外部因素如溫度、形變速率和應力狀態(tài)等有關。2023/2/21工程材料力學性能42溫度的影響溫度升高，屈服強度下降。這是因為：1）溫度升高，原子熱振動增大，點陣間距增加，彈性模量下降，晶格對位錯運動的阻力也下降，不同材料影響不同，體心立方結構最敏感，密排六方結構次之，面心立方結構最不敏感。

2）溫度升高，阻礙位錯運動的因素可借助熱激活和原子擴散等過程得到克服。2023/2/21工程材料力學性能43變形速率

屈服強度與溫度及變形速率有關。因此，標準試驗時，加載速率不能大于30N/mm2/s，以保證數(shù)據(jù)可比性。2023/2/21工程材料力學性能44應力狀態(tài)

切應力越高，塑性變形越有利，則屈服強度越低。不同應力狀態(tài)下有效屈服強度排列順序為：扭轉＜拉伸＜彎曲＜三向不等拉伸。2023/2/21工程材料力學性能45提高屈服強度的途徑：1）

形變硬化：冷變形，增加位錯密度，提高屈服強度；2）

細化晶粒；3）

固溶強化：加入溶質元素，形成間隙型或置換型固溶體，與位錯作用以提高屈服強度；4）

第二相強化：第二相的類型：聚合型和彌散型。第二相的成分與性質不同于基體，在質點周圍形成應力場，應力場對位錯運動有阻礙作用。2023/2/21工程材料力學性能46屈服強度應該是材料開始塑性變形的應力塑性變形方式是滑移和孿生。實際金屬材料的塑性變形特點：1、塑性變形不同時且不均勻不同滑移系上切應力分量最大值達到臨界分切應力的晶粒首先開始塑性變形某些晶粒已經(jīng)塑性變形了，超過極限時可能導致微裂紋的產(chǎn)生2023/2/21工程材料力學性能472、各晶粒變形相互制約，需要協(xié)調某一晶粒發(fā)生塑性變形，則周圍的晶粒必須相應地變形。為了變形能相互協(xié)調，必須在更多的滑移系上配合進行滑移一個晶粒內部的變形量也不同，靠近晶粒邊界處點陣畸變大，中心小；靠近晶界處有不同的滑移系起作用，可能產(chǎn)生亞晶界2023/2/21工程材料力學性能483、形變織構和各向異性滑移方向逐漸向主變形方向轉動，出現(xiàn)擇優(yōu)取向，這種組織狀態(tài)稱為形變織構形成織構后，材料橫向和縱向性能出現(xiàn)差異2023/2/21工程材料力學性能49第六節(jié)形變硬化

把材料初始屈服后的塑性變形和強化過程叫做形變硬化

1、流變曲線和硬化指數(shù)

2、形變硬化的工程意義2023/2/21工程材料力學性能50

屈服應力――初始塑性變形的抗力。流變應力――繼續(xù)塑性變形并隨之升高的抗力，它相當于經(jīng)過一定預應變后材料的屈服應力。用真應力－真應變表示的硬化過程的曲線叫做流變（硬化）曲線2023/2/21工程材料力學性能51真應力－真應變曲線一般用冪乘關系擬合的線性相關性最好。

2023/2/21工程材料力學性能52相當于預應變Swift公式描述同一材料或相同形變硬化特性材料經(jīng)過不同預應變的流變曲線2023/2/21工程材料力學性能53相當于屈服應力Ludwick公式描述具有相似形變硬化特性，但有不同屈服應力時的流變曲線2023/2/21工程材料力學性能542023/2/21工程材料力學性能55強度系數(shù)2023/2/21工程材料力學性能56嚴格地講，σ與εP有關。，由Hollomon公式有：上式為用總應變表達的Hollomon流變曲線。2023/2/21工程材料力學性能57n表示材料抵抗形變的能力，n越大，材料對連續(xù)塑性變形的抗力越高，面心立方金屬的應變硬化指數(shù)大于體心立方金屬的應變硬化指數(shù)。材料層錯能較低時，n較大。對理想彈性體n=1；對理想塑性體n=0，即外力不增大情況下，繼續(xù)塑性變形，完全無硬化能力；一般n=0.1~0.5。n通常由實驗測得。2023/2/21工程材料力學性能58

下一節(jié)可以證明n=ε，所以對于深沖薄板要求n要高。2023/2/21工程材料力學性能59形變硬化的工程意義1、

形變強化與塑性變形相配合，保證了金屬材料在截面上的均勻變形，得到均勻一致的冷變形制品；2、

形變強化使構件在工作中具有適當?shù)目褂鋈贿^載的能力，保證構件安全；3、

形變硬化是材料強化手段之一。特別是無相變強化材料，通過噴丸和冷擠壓對表面進行強化。如1Cr18Ni9Ti40%形變強化，強度提高1倍；4、形變強化可以降低碳鋼的塑性，改善其加工性能。

2023/2/21工程材料力學性能60第七節(jié)最大均勻塑性變形及斷后變形和抗力

1、最大力下的總伸長率和非比例伸長率

2、抗拉強度

3、斷后伸長率和斷面收縮率2023/2/21工程材料力學性能611、最大力下的總伸長率和非比例伸長率

最大力下的伸長率是指試樣拉到最大力時標距的伸長與原始標距的百分比，用總伸長計算的稱為最大力下的總伸長率δgt；用非比例伸長計算的稱為最大力下的非比例伸長率δg。

可以用做圖法求δgt和δg。2023/2/21工程材料力學性能622023/2/21工程材料力學性能632023/2/21工程材料力學性能64下面推導δg-n關系：達到最大應力時，有根據(jù)體積不變原理有2023/2/21工程材料力學性能65積分得設塑性變形服從Hollomon規(guī)律，，則∴在最大力點有n=ε。通過上式就可以估計出n值。但嚴格地講，材料未必服從Hollomon規(guī)律。

2023/2/21工程材料力學性能662、抗拉強度

抗拉強度（σb）――試樣拉斷過程中最大力所對應的應力。最大力Fb由試驗機或拉伸曲線圖（F－－Δl）獲得。2023/2/21工程材料力學性能67

對塑性較好的材料，它還表征材料最大均勻塑性變形的抗力，并不代表材料的斷裂抗力，因為這時材料不僅有一定的均勻塑性變形能力，而且還可以在頸縮后有一定局部集中變形，在后一過程中，其真應力繼續(xù)上升，直到K點所對應的σK真為止，所以，σb<σb真

<σK真。K2023/2/21工程材料力學性能68對塑性很差的材料，如果只有均勻塑性變形，則σb<σb真

=σK真。

2023/2/21工程材料力學性能69對塑性極差的材料，如果只有極小塑性變形，則σb=σb真

=σK真。

2023/2/21工程材料力學性能70

σb在工程中應用非常廣泛：

1、

σb代表靜拉伸時實際零件所能承受的最大載荷――在工程設計中應用；

2、

σb易于測量，重現(xiàn)性好，又是一種組織較敏感的力學性能指標――產(chǎn)品規(guī)格說明和質量控制的指標；

3、

金屬材料特別是碳鋼中，σb、布氏硬度和疲勞強度之間有一些經(jīng)驗關系――在工程設計和工藝控制中十分有用。2023/2/21工程材料力學性能71

3、斷后伸長率和斷面收縮率斷后伸長率δ――試樣拉斷后，標距和伸長與原始標距的百分比。斷裂在標距的中間三分之一處時，直接測量斷后伸長l1，得2023/2/21工程材料力學性能722023/2/21工程材料力學性能73

L1=AB+2BCL1=AB+BC+BC12023/2/21工程材料力學性能74斷面收縮率Ψ――拉斷后，頸縮自橫截面的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。一般Ψ比δ更真實地反映材料的真實極限變形能力，所以測Ψ比測δ更有意義，頸縮處應力狀態(tài)非常復雜。

2023/2/21工程材料力學性能75第八節(jié)實際斷裂強度

實際斷裂強度σK真――實際斷裂負荷FK除以實際斷裂面積SK。

2023/2/21工程材料力學性能762023/2/21工程材料力學性能77

斷裂過程：裂紋開始于中心，顯微孔洞、空洞（微孔）→長大、聚集→形成鋸齒狀纖維斷口→纖維區(qū)擴展到一定尺寸→裂紋快速（失穩(wěn)）擴展形成放射區(qū)（宏觀正斷，微觀非解理）快速低能撕裂結果→拉伸應力的分切應力切斷形成剪切唇。2023/2/21工程材料力學性能78斷口三個區(qū)2023/2/21工程材料力學性能79

纖維區(qū)、剪切唇區(qū)都是由材料的剪切變形所造成的，但與纖維區(qū)的剪切斷裂不同，是在裂紋達到臨界尺寸后快速低能撕裂的結果。三個區(qū)域所占面積大小與試樣原始尺寸、塑性有關，尺寸一定，塑性越好，放射區(qū)越小。

σK真實際主要反映材料的切斷抗力τK的大小。

2023/2/21工程材料力學性能802023/2/21工程材料力學性能81第一階段第一階段2023/2/21工程材料力學性能82第一階段第一階段第二階段第二階段2023/2/21工程材料力學性能83第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段第三階段2023/2/21工程材料力學性能84第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段第三階段第四階段第四階段2023/2/21工程材料力學性能85第九節(jié)宏觀斷裂類型和力學狀態(tài)圖

1、宏觀上斷裂分類

2、宏觀斷口形貌

3、力學狀態(tài)圖2023/2/21工程材料力學性能861、宏觀上斷裂分類

按斷前塑性變形（如以5％斷面收縮率為界）或斷裂過程中吸收能量多少來分類。正斷韌性斷裂切斷斷裂正斷脆性斷裂切斷

2023/2/21工程材料力學性能872023/2/21工程材料力學性能882、斷口宏觀形貌

宏觀韌性斷裂斷口呈杯錐狀，纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇，是緩慢發(fā)展、耗能高的撕裂過程。

2023/2/21工程材料力學性能892、斷口宏觀形貌宏觀脆性斷裂斷口平齊而光亮，與主應力垂直，主要是放射區(qū)，快速低能撕裂的結果，矩形斷口有人字紋，人字紋尖指向源區(qū)。2023/2/21工程材料力學性能902、斷口宏觀形貌

材料越脆，放射線越細。若純解理時，放射線消失，無人字紋，主要是結晶狀斷口。若晶粒較粗，主要是反光小刻面（平面），這些小平面應是一個晶粒內的解理面――晶狀斷口。2023/2/21工程材料力學性能912023/2/21工程材料力學性能922023/2/21工程材料力學性能93160℃90℃－80℃2023/2/21工程材料力學性能942023/2/21工程材料力學性能952023/2/21工程材料力學性能962023/2/21工程材料力學性能973、力學狀態(tài)圖在材料加載方式和環(huán)境等因素給定的條件下，希望能對可能發(fā)生的斷裂類型有一個粗略的判斷。2023/2/21工程材料力學性能983、力學狀態(tài)圖由位錯理論可知，切應力是位錯運動的驅動力，位錯運動使晶體材料產(chǎn)生塑性變形，位錯塞積導致裂紋萌生。正應力促使萌生裂紋擴展，增大，則增大，材料韌性提高。因此，材料韌脆由內部和外部因素決定，力學狀態(tài)圖是一種好的工具。2023/2/21工程材料力學性能99τS線上各點表示要發(fā)生屈服的極限應力；τK線上各點表示要發(fā)生切斷的極限應力；σ真線上各點表示要發(fā)生正斷的極限應力。2023/2/21工程材料力學性能1002023/2/21工程材料力學性能101

2023/2/21工程材料力學性能102第十節(jié)斷裂的微觀形貌特征

1、沿晶斷裂和穿晶斷裂

2、解理和空洞聚集剪切（韌窩）斷裂

2023/2/21工程材料力學性能103斷裂經(jīng)歷裂紋的形成、擴展直至最終破斷等不同階段。而斷裂過程每一階段都與內部的、外部的、力學的、化學的以及物理的諸多因素有關。同時，斷裂過程的每一階段又會在斷口上留下相應的痕跡、形貌與特征。通過斷口分析可以揭示出斷裂過程的相關因素，從而判明斷裂失效的性質和機理。2023/2/21工程材料力學性能104按斷裂性質分類可以分為：

1、脆性斷裂：單調加載，斷裂前無明顯的塑性變形；

2、韌性斷裂：單調加載，斷裂前有明顯的塑性變形；

3、疲勞斷裂：循環(huán)加載引起斷裂；

4、環(huán)境促進的斷裂：侵蝕性介質、單調加載慢速斷裂；

5、高溫蠕變斷裂：高溫單調慢速加載。2023/2/21工程材料力學性能105

按斷裂路徑分類可以分為：

1、穿晶斷裂：大多數(shù)金屬常溫下斷裂時的形態(tài)，如解理、韌窩；

2、沿晶斷裂：大部分脆性斷裂的形態(tài)。2023/2/21工程材料力學性能10