材料力學(xué)性能 第一章1-2

材料的力學(xué)性能材料與化工學(xué)院主講：張振國(guó)材料的力學(xué)性能先修課程：大學(xué)物理、材料力學(xué)、理論力學(xué)、工程力學(xué)以及材料科學(xué)根底等；涉及課程：彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)、塑性力學(xué)、計(jì)算力學(xué)等。后續(xù)課程：所有與力學(xué)應(yīng)用相關(guān)的課程。材料的力學(xué)性能金屬材料力學(xué)性能陶瓷(非金屬)材料力學(xué)性能聚合物(高分子)材料力學(xué)性能復(fù)合材料力學(xué)性能材料的力學(xué)性能1、定義：在外加載荷作用下，或載荷與環(huán)境因素聯(lián)合作用下，所表現(xiàn)的行為。通常表現(xiàn)為變形和斷裂。2、任務(wù)：機(jī)器零件的承載條件一般用各種力學(xué)參數(shù)表示，所以就將表征材料的力學(xué)參數(shù)的臨界值或規(guī)定值作為力學(xué)性能指標(biāo)或判據(jù)。材料力學(xué)性能指標(biāo)具體數(shù)值的上下，表示材料抵抗變形和斷裂能力的大小，是評(píng)定材料質(zhì)量的主要依據(jù)。研究受載過程中變形和斷裂的規(guī)律。(靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷、交變載荷)(常溫、高溫、低溫〕(環(huán)境)3、主要內(nèi)容：各種受載條件下的失效現(xiàn)象(或規(guī)律)；微觀機(jī)理；表征這種規(guī)律的性能指標(biāo)；影響性能指標(biāo)的因素及提高途徑；其它。材料的力學(xué)性能第一章、金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第二章、金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能第三章、金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能硬度及沖擊實(shí)驗(yàn)第四章、金屬的斷裂韌度第五章、金屬的疲勞第六章、金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂第七章、金屬磨損和接觸疲勞第八章、金屬高溫力學(xué)性能第十章、陶瓷材料的力學(xué)性能第十一章、復(fù)合材料的力學(xué)性能靜態(tài)載荷1、定義：緩慢加載和低的變形速率。2、種類：拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮等。3、單向靜拉伸：是最簡(jiǎn)單的，也是最有代表性的。第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能§1.1拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線§1.2彈性變形§1.3塑性變形§1.4金屬的斷裂§1.1拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線一、力—伸長(zhǎng)曲線1、試驗(yàn)過程：常溫；低碳鋼；采用拉伸試驗(yàn)機(jī)；緩慢加載，低的變形速率；按照GB228-87標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。采用光滑圓柱試樣；§1.1拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線2、典型力—伸長(zhǎng)曲線分析：OP：彈性變形，F(xiàn)∝△L。Pe：過量彈性變形Pe偏離OP。eC：屈服變形，不均勻塑性變形。CB：均勻塑性變形。Bk：不均勻集中塑性變形。k：斷裂?！?.1拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線3、其它力—伸長(zhǎng)曲線〔非典型力—伸長(zhǎng)曲線〕§1.1拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線二、應(yīng)力—應(yīng)變曲線：1、工程應(yīng)力σ—應(yīng)變?chǔ)徘€：σ=F/A0,ε=ΔL/L0

比例極限σp，彈性極限σe，屈服點(diǎn)σs，抗拉強(qiáng)度σb等。§1.1拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線2、真應(yīng)力S—應(yīng)變e曲線：真應(yīng)力S=F瞬/A瞬真應(yīng)變e=ln(L/L0)3、二者關(guān)系S=σ(1+ε)e=ln(1+ε)§1.1拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線§1.2彈性變形一、彈性變形及其實(shí)質(zhì)：1、可逆變形。2、雙原子解釋模型：(1)常態(tài)：F引=ma/rm+1F斥=-nb/rn+1F合=ma/rm+1-nb/rn+1=0(2)受力：產(chǎn)生位移，導(dǎo)致變形；(3)去力：位移消失。r§1.2彈性變形二、虎克定律

(一)簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)的虎克定律：拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)等(二)廣義虎克定律：§1.2彈性變形三、彈性模量(材料的剛度，表征彈性變形的性能指標(biāo))1、楊氏模數(shù)E：σ=Eε2、切變模數(shù)G：τ=Gγ3、實(shí)質(zhì)：產(chǎn)生100％彈性變形所需的應(yīng)力。4、比彈性模數(shù)〔比模數(shù)、比剛度，一般適用于航空業(yè)〕指材料的彈性模數(shù)與其單位體積質(zhì)量的比值。5、影響彈性模數(shù)的因素鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)化學(xué)成分、微觀組織、溫度、加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間§1.2彈性變形四、彈性比功(彈性比能或應(yīng)變比能)e:1、定義：彈性變形過程中吸收變形功的能力。2、表示方法：用到達(dá)彈性極限時(shí)，單位體積吸收的彈性變形功表示。即用應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的影線面積表示，故e=1/2σeεe=σe2/(2E)3、作用：表示彈性的好壞。減震、儲(chǔ)能。4、提高彈性比功途徑：或者提高σe，或者降低E?！?.2彈性變形四、彈性比功〔補(bǔ)充〕:1、比例極限σp：即開始偏離直線時(shí)的應(yīng)力值。σp=Fp/A02、彈性極限σe：即彈性變形過渡到彈-塑性變形〔屈服變形〕時(shí)的應(yīng)力。σe=Fe/A0§1.2彈性變形非比例伸長(zhǎng)〔率〕？？？規(guī)定非比例伸長(zhǎng)〔率〕？0.01％3、規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力σp：即試驗(yàn)時(shí)，非比例伸長(zhǎng)到達(dá)原始標(biāo)距長(zhǎng)度(L0)規(guī)定的百分比時(shí)的應(yīng)力。例如σp0.01表示規(guī)定非比例伸長(zhǎng)率0.01％時(shí)的應(yīng)力．4、工程意義：比例極限σp適用于：應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系嚴(yán)格遵守線性關(guān)系的機(jī)件；彈性極限σe適用于：不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機(jī)件?！?.2彈性變形五、滯彈性〔補(bǔ)充〕1、彈性分類：根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)特點(diǎn):分為理想彈性(完全彈性);非理想彈性(彈性不完整性)兩類。2、理想彈性材料：σ=Mε，并滿足3個(gè)條件：應(yīng)變對(duì)于應(yīng)力的響應(yīng)是線性的；應(yīng)力和應(yīng)變同相位；應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)。3、非理想彈性材料：滯彈性、粘彈性、偽彈性及內(nèi)耗等?！?.2彈性變形五、滯彈性(彈性后效)：

快速加載或卸載后，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的性能[ε=f(t)]

。1、正彈性后效(彈性蠕變)：

快速加載σ0→沿OA線應(yīng)變Oa→σ0不變→應(yīng)變aH(ab線)。加載時(shí)，應(yīng)變落后于應(yīng)力，與時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象。2、反彈性后效：

快速卸載至零→應(yīng)變eH立即消逝→載荷為零→應(yīng)變eO(cd線)。卸載時(shí)，應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象?！?.2彈性變形§1.2彈性變形§1.2彈性變形循環(huán)韌性(內(nèi)耗)：1、理想彈性：變形〔加載〕時(shí)儲(chǔ)存彈性能，恢復(fù)〔卸載〕時(shí)釋放彈性能，沒有能量損耗。2、非理想彈性：(1)彈性滯后環(huán):應(yīng)力和應(yīng)變不同步，加載線與卸載線不重合，形成一封閉回線。(2)內(nèi)耗:加載時(shí)吸收的變形功，大于卸載時(shí)釋放的變形功，有一局部加載變形功被材料所吸收。其大小可用回線面積度量?！?.2彈性變形3、意義：也稱為材料的循環(huán)韌性，又稱為消振性。表示材料在交變載荷(振動(dòng))下，吸收不可逆變形功的能力。材料循環(huán)韌性越高，那么消振能力越好。六、包申格效應(yīng)〔Bauschinger〕

金屬材料經(jīng)過預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形，剩余應(yīng)變約1-4%，

卸載后再同向加載，規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力〔彈性極限或屈服強(qiáng)度〕增加；

反向加載，規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低的現(xiàn)象?！?.2彈性變形消除包申格效應(yīng)的方法：(1)預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形；(2)在第二次反向受力前先使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火，如鋼在400-500℃，銅合金在250-270℃退火?！?.3塑性變形屈服應(yīng)變硬化縮頸拉伸伸長(zhǎng)斷面收縮§1.3塑性變形一、塑性變形方式及特點(diǎn)(已學(xué)、自學(xué))二、屈服現(xiàn)象與屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)三、影響屈服強(qiáng)度的因素(自學(xué))四、應(yīng)變硬化(形變強(qiáng)化)五、縮頸現(xiàn)象與抗拉強(qiáng)度六、塑性七、靜力韌度二、屈服現(xiàn)象與屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)1、屈服現(xiàn)象：(1)不均勻的塑性變形,平臺(tái)或鋸齒；外力恒定，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)；或外力增加到一定數(shù)值時(shí)，突然下降，隨后，在外力恒定下，繼續(xù)伸長(zhǎng)變形。(5)屈服伸長(zhǎng)：屈服階段產(chǎn)生的伸長(zhǎng)；(6)屈服平臺(tái)或屈服齒：屈服伸長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的水平線段或曲折線段。(2)屈服點(diǎn)(σs):屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值；(3)上屈服點(diǎn)(σsu):力首次下降前的最大應(yīng)力值；(4)下屈服點(diǎn)(σsl):屈服階段中最小應(yīng)力；屈服機(jī)理(自學(xué))二、屈服現(xiàn)象與屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)2、屈服強(qiáng)度(表征屈服的性能指標(biāo))：(1)金屬材料屈服強(qiáng)度(σs)：屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。σs=Fs/A0

通常把σsl作為屈服強(qiáng)度(屈服點(diǎn))。σsl=Fsl/A0二、屈服現(xiàn)象與屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)(2)金屬材料條件屈服強(qiáng)度(σ0.2)：①規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力(σp)②規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力(σr)：卸除拉力后，剩余伸長(zhǎng)到達(dá)規(guī)定的原始標(biāo)距百分比(0.2%)時(shí)的應(yīng)力。③規(guī)定總伸長(zhǎng)〔彈性伸長(zhǎng)加塑性伸長(zhǎng)〕應(yīng)力(σt)：總伸長(zhǎng)到達(dá)規(guī)定的原始標(biāo)距百分比(0.5%)時(shí)的應(yīng)力。二、屈服現(xiàn)象與屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)3、屈服強(qiáng)度意義：(1)作為防止因材料過量塑性變形而導(dǎo)致機(jī)件失效的設(shè)計(jì)和選材依據(jù)；(2)根據(jù)屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比(屈強(qiáng)比)的大小，衡量材料進(jìn)一步產(chǎn)生塑性變形的傾向，作為金屬材料冷塑性變形加工和確定機(jī)件緩解應(yīng)力集中防止脆斷的參考依據(jù)。三、影響屈服強(qiáng)度的因素(自學(xué))1、金屬本性及晶格類型2、晶粒大小與亞結(jié)構(gòu)3、溶質(zhì)元素4、第二相：5、溫度6、應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài)四、應(yīng)變硬化(形變強(qiáng)化)0、定義：隨著變形量的增大，形變應(yīng)力提高的現(xiàn)象。四、應(yīng)變硬化(形變強(qiáng)化)1、金屬材料應(yīng)變硬化機(jī)理：①多系滑移：位錯(cuò)交互作用→形成割階、位錯(cuò)鎖和胞狀結(jié)構(gòu)等→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大→產(chǎn)生應(yīng)變硬化。②交滑移：刃位錯(cuò)隨應(yīng)變?cè)黾印芏仍龃蟆a(chǎn)生應(yīng)變硬化。四、應(yīng)變硬化(形變強(qiáng)化)2、應(yīng)變硬化指數(shù)(金屬的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線)(1)Hollomon公式：S=Kenn為應(yīng)變硬化指數(shù)；K為硬化系數(shù)。(2)應(yīng)變硬化指數(shù)n：反映了材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。n=1→完全理想彈性體；n=0→S=K=常數(shù)→沒有應(yīng)變硬化能力。n=0.1～0.5(3)n值和屈服點(diǎn)σs大致呈反比關(guān)系：即nσs=常數(shù)。根據(jù)GB5028-85?金屬薄板拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)(n值)實(shí)驗(yàn)方法?測(cè)定四、應(yīng)變硬化(形變強(qiáng)化)3、應(yīng)變硬化的意義：(1)加工方面：使金屬進(jìn)行均勻的塑性變形，保證冷變形工藝順利實(shí)施。(2)應(yīng)用方面：可使金屬機(jī)件具有一定的抗偶然過載能力，保證機(jī)件使用平安。(3)應(yīng)變硬化是一種強(qiáng)化金屬的重要手段，如低碳鋼、奧氏體不銹鋼、有色金屬等。五、縮頸現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度1、縮頸：變形集中于局部區(qū)域的特殊狀態(tài)。因應(yīng)變硬化跟不上塑性變形的開展，使變形集中于試樣局部區(qū)域而產(chǎn)生的。縮頸形成點(diǎn)對(duì)應(yīng)于最大載荷點(diǎn)，dF=0?？s頸判據(jù)：五、縮頸現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度2、抗拉強(qiáng)度：最大實(shí)驗(yàn)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。σb=Fb/A0(1)標(biāo)志塑性金屬材料的實(shí)際承載能力。(2)σb是脆性材料的斷裂強(qiáng)度。(3)σb的上下由屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)來決定。六、塑性塑性：是指材料斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。意義：防止偶然過載造成危害；保證機(jī)件正常運(yùn)行；有利于塑性加工和修復(fù)等。六、塑性與塑性指標(biāo)1、伸長(zhǎng)率指標(biāo)：(1)最大應(yīng)力下非比例伸長(zhǎng)率δg，即δg=ΔLg/L0×100％(2)最大應(yīng)力下總伸長(zhǎng)率δgt，即δgt=ΔLgt/L0×100％(3)斷后伸長(zhǎng)率δ，即δ=ΔLk/L0×100％六、塑性與塑性指標(biāo)(4)分析〔試棒尺寸確實(shí)定〕：縮頸前均勻伸長(zhǎng)ΔLg＝βL0；(塑性伸長(zhǎng))縮頸后局部伸長(zhǎng)ΔLN(ΔLN=ΔLk-ΔLg)(塑性伸長(zhǎng))斷裂后總的伸長(zhǎng)ΔLk=ΔLg+ΔLNδ的大小與A0、L0密切相關(guān)。斷裂后總伸長(zhǎng)率：國(guó)家規(guī)定即：L0/d0=5,→δ5L0/d0=10,→δ10六、塑性與塑性指標(biāo)2、斷面收縮率：試樣拉斷后，

縮頸處橫截面積(A1)的最大減縮量;與原始橫截面積(A0)的百分比，符號(hào)ψ表示，即ψ=(A0-A1)/A0×100％七、靜力韌度(1)韌度(韌性)定義：是材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力,或指材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。包括靜力韌度、沖擊韌度、斷裂韌度。(2)靜力韌度(

)：靜拉伸時(shí)單位體積材料斷裂前所吸收的功。一般用真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線下包圍的面積來精確表示。

=(Sk+σ0.2)ef/2=(Sk2-σ0.22)/2D(3)工程上的靜力韌度(韌性材料)§1.4金屬的斷裂在力的作用下，分成假設(shè)干局部。§1.5斷裂一、斷裂的類型二、解理斷裂三、微孔聚集斷裂四、斷裂強(qiáng)度五、斷裂理論的應(yīng)用一、斷裂的類型(3)斷口①定義：材料的斷裂外表。②斷口分析法：對(duì)斷口進(jìn)行宏觀及微觀分析，可以了解斷裂的原因、條件、機(jī)理以及與斷裂有關(guān)的各種信息。0、斷裂的過程、分類及斷口：(1)過程：大都包括裂紋的形成及擴(kuò)展兩個(gè)階段。(2)分類：①脆性與韌性斷裂：按宏觀塑性變形的程度；②穿晶和沿晶斷裂：按裂紋擴(kuò)展的途徑；③純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂、解理斷裂：按微觀斷裂機(jī)理；④正斷和切斷：按斷裂面的取向。(1)韌性斷裂：①明顯宏觀塑性變形；②裂紋擴(kuò)展過程較慢；③斷口常呈暗灰色、纖維狀。④塑性較好的金屬材料及高分子材料易發(fā)生韌斷。(2)脆性斷裂：①無明顯宏觀塑性變形；②突然發(fā)生，快速斷裂；③斷口宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。④淬火鋼、灰鑄鐵、玻璃等易發(fā)生脆斷。1．韌性斷裂與脆性斷裂(1)穿晶斷裂：①裂紋穿過晶內(nèi)；②韌性斷裂或脆性斷裂；(2)沿晶斷裂：①裂紋沿晶界擴(kuò)展；②多數(shù)為脆性斷裂；斷口一般呈結(jié)晶狀。2．穿晶斷裂與沿晶斷裂3．純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂、解理斷裂(2)解理斷裂：①正應(yīng)力下，原子間結(jié)合鍵破壞，沿特定晶面，脆性穿晶斷裂。②微觀特征：解理臺(tái)階、河流把戲和舌狀把戲。③裂紋源于晶界。(3)準(zhǔn)解理斷裂：①屬脆性斷裂。②微觀持征：似解理河流但又非真正解理。③裂紋源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)。(1)剪切斷裂：①切應(yīng)力下，沿滑移面滑移別離而造成的斷裂。②分為純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂。③純剪切斷裂：斷口呈鋒利的楔形。④微孔聚集型斷裂：宏觀上呈暗灰色、纖維狀;微觀上分布大量“韌窩〞。一、斷裂的類型4、斷口分析(1)斷口特征(中、低碳鋼為例)：韌性斷裂；斷口一般呈杯錐狀；由纖維區(qū)F、放射區(qū)R、剪切唇S組成；斷口特征三要素。一、斷