工程材料学-材料的力学性能培训课件

温度与环境因素
应变速率与加载路径
应变速率和加载路径对材料的力学响 应具有重要影响，特别是在动态加载 条件下。
温度、湿度、腐蚀等环境因素对材料 的强度和塑性也有影响。
03 材料的硬度与韧性
硬度定义与分类
硬度定义
硬度是指材料抵抗被压入或刻划的能力。它是材料表面局部区域抵抗变形或破裂 的能力。
硬度分类
塑性ห้องสมุดไป่ตู้类
根据塑性变形的性质，可分为延性、 展性、韧性等。
强度与塑性的关系
01
强度与塑性相互关联，塑性好的 材料通常强度也较高，但两者之 间并非完全正相关。
02
在一定条件下，材料的强度和塑 性可能存在此消彼长的关系。
强度与塑性的影响因素
材料成分与组织结构
材料的化学成分和微观组织结构对其 力学性能有显著影响。
冲击试验
通过冲击试样来测定材料的冲击韧性、断裂 韧性等参数，适用于评估材料的韧性和脆性 断裂行为。
D
02 材料的强度与塑性
强度定义与分类
强度定义
材料抵抗外力而不发生失效的能力。
强度分类
根据外力类型，可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
塑性定义与分类
塑性定义
材料在外力作用下发生不可逆变形的 能力。
材料力学性能的测试方法
A
拉伸试验
通过拉伸试样来测定材料的弹性模量、屈服强 度、抗拉强度等参数，是最常用的力学性能测 试方法之一。
压缩试验
通过压缩试样来测定材料的抗压强度、弹 性模量等参数，适用于脆性材料和塑性材 料的测试。
B
C
弯曲试验
通过弯曲试样来测定材料的抗弯强度、挠度 等参数，适用于评估材料的弯曲性能和稳定 性。

55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
《工程力学》11 材料的力学性能
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴பைடு நூலகம்，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特

5.4 螺型位错模型
位错线//晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶 体滑移方向┻位错运动方向
5.5 位错的运动
位错运动的本质是塑性变形. 主要有滑移、攀移. 位错的滑移：位错在外力作用下在滑移面上的运动，导致永 久形变.滑移面应是晶面间距最大的密排面，滑移方向应是原 子密排方向.
螺型位错的滑移
(如:金刚石、石墨和金属) 1）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列. 2）固定熔点如铁熔点1538℃. 3）晶体性能随原子排列方位而改变，即单晶体具有各向异性. 4.1.2、非晶体及其特性
(如:塑料、玻璃、沥青) 1) 内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体; 2) 无固定熔点；各向同性
晶体 金刚石、金属 等
率和环境因素的联合作用下表现出的行为. 材料的力学性能：
材料在力作用下,所显示出的与弹性和非弹 性反应相关或涉及应力应变关系的性能.
影响材料力学性能的主要因素
内因：晶体学特性;化学成分;显微组织;内部缺陷; 残余应力等.
外因：温度;周围介质；加载方式;加载速率等. 不同外因(即服役工况)时,材料的力学性能将改变.
2 课程意义
工程设计 理论力学、材料力学
机器零部件设计依据：许用应力[]= s/ns 强度校核=N/A []
新材料研发 强度、韧性、经济性、工艺性、实用性等
失效分析 原因分析：力学性能、组织结构、成分等
“泰坦尼克”号
美国国家技术监督局： ➢ 遭遇冰山； ➢ 救生小船不足; ➢ 连接船体部分的固定
1.2 材料的性能 力学性能:强度、塑性、韧性等 、δ、HB、KIC； 物理性能:声、光、电、磁ρ、Tm、Cp、磁导等； 化学性能:可燃性、反应性、抗氧化性等；

故有Remberg-Osgood应力-应变关系：o =e+p=(/E)+(/K)n.
p
e
K为强度系数，应力量纲；n为应变硬化指数。
综合描述弹塑性性能，用于无明显屈服平台的材料。
6)线性硬化弹塑性模型：
弹性部分用线弹性，硬化用线性近似。
=E
当 ys 时；
(MPa)
500
ys
A
铝合B金 球1墨铸E铁1
E= /轴向=2107 /110-4 =21011 (Pa)=200(GPa)
14
应力
5.4 真应力、真应变
b
工程应力S、工程应变e:
l0
l ys
S-e
S=F/A0 ；e=l/l0 =(l-l0 )/l0 l
dl
真应力、真应变：
F
o 均匀变形 应变
F/A
d l dl ln( l ) ln l0 l ln(1 e)
---(4)
极限状态下F=Fu ，1=2=3=ys， F1=F2=F3=ysA，
由平衡方程可直接确定Fu为：
Fu=F1+2F2cos=ysA(1+2cos) ---(5) 24
小结
1) 力与变形间的物理关系与材料有关。 不同材料在不同载荷作用下有不同的力学性能。
2) 典型-曲线有弹性;屈服;强化;颈缩至断裂四阶段。 3) 材料重要指标有：
低碳钢，约 25%左右，约为 60%。
6
材料的力学性能（或机械性能）指标为：
弹性指标：
弹性模量E:
b
材料抵抗弹性变形的能力 ys
y es
b
k
p
强度指标：
E
屈服强度ys -材料发生屈服

材料力学性能 课件
工程材料力学性能第一章
绪论
工程材料力学性能第一章
一、材料科学
• 研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间 关系的科学
工程材料力学性能第一章
1、成分／组织结构 表示材料结构所包含的四个层次：原子结构、结 合键、原子排列方式（晶体与非晶体）和组织
2、制备合成与加工工艺 其方法相对性能的影响随材料种类的不同而不同
工程材料力学性能第一章
• 三 比例极限和弹性极限 • 弹性极限σe:材料由弹性变形过渡到弹—塑性
变形时的应力。 • 比例极限σp:应力与应变成正比关系的最大应
力; • σe σp的实际意义是：一般的σe >σp • 选择比例极限σp：对于要求在服役时其应力应变
关系维持严格直线关系的机件； • 选择弹性极限σe：对于要求不允许产生微量塑性
•
工程材料力学性能第一章
• 思考题： • 1 弹性变形的实质是什么？ • 2 弹性模量E的物理意义？E是一个特殊的力
性指标，表现在哪里？ • 3 比例极限、弹性极限、屈服极限有和异同？ • 4 你学习了哪几个弹性指标？
工程材料力学性能第一章
• 理想材料弹性变形：可逆性、单值性 • 弹性不完整性 ：实际上，金属的弹性变形与加载方向
物理意义：当应变为一个单位时．弹性模量等于弹性应 力．即弹性模量是产生100％弹性变形所需的应力。 （ 无意义）
• 工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表示材料 在外载荷下抵抗弹性变形的能力.
• 机件的刚度与材料刚度不同
机件刚度（AE）与两个因素相关： • 构件的几何尺寸
• 材料弹性模量
工程材料力学性能第一章
工程材料力学性能第一章
二、金属材料的使用性能

在弹性范围内快速加 载或卸载后，随着时 间延长产生的附加弹 性应变的现象，称为 滞弹性。
由于实际金属具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时，由于应变落 后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后 环（图a）。
如果施加交变载荷，且最大应力低于宏观弹性极限，加载速率比较大， 则也得到弹性滞后环（图b） 。
消除包申格效应的方法：
(1) 预先进行较大的塑性变形； (2) 在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶
温度下退火，如钢在400-500℃，铜合金在250-270℃退 火。
第三节 塑性变形阶段
一、塑性变形方式和特点
变形方式： (1) 滑移 (2) 孪生
多晶金属中每一晶粒滑移变形的规律 与单晶金属相同，但是多晶金属中存 在晶界，各晶粒的取向也不相同，因 而其塑性变形有如下特点：
2. 准解理
在淬火回火钢中，当裂纹在晶粒内部扩展时， 难于严格的沿一定晶体学平面扩展，
断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细 小的碳化物质点有关，其微观形态，与解理 河流相似，但又不是真正的解理，所以称为 准解理。
三、微孔聚集断裂的微观断口特征
如果使微孔在垂直于正应力 的平面上各方向长大倾向相 同，则在正应力垂直于微孔 的平面上便形成等轴韧窝。
如果断裂面取向与最大切应力方向一致，而 与最大正应力方向成45度角，为切断型断裂。
二、解理断裂的微观断口特征
关于断裂机理的三种理论：
1. 甄纳-斯特罗位错塞积理论 2. 柯垂耳位错反应理论 3. 史密斯理论
1. 解理断裂
解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，断裂断口 是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成；
如果交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限，就会得到塑性滞后环（图 c） 。

.
交变应力下， 滞弹性引起加 载线和卸载线 不重合，形成 弹性滞后环— —加载时消耗 于材料的变形 功大于卸载时 材料放出的变 形 功 —— 材 料 内部消耗了部 分功。
28
内耗也常用自由振动的振幅衰减幅度来表征
ln An
An1
其 中 An 、 An+1 分 别 是第n、 n+1次振动 的振幅。
a
1
2
b
.
34
τP-N1 2 -G νex (-1 p 2 -ν π )a b 1 2 -G νex -2 p π bW
a：滑移面的晶面间距；b：滑移方向上的原子间
距；G：切弹性模量；：泊桑比。
W a 1-ν
称为位错宽度，表示位错导致的点阵严 重畸变区的范围 。W大则位错周围的原
l0和 lb：试样工作部分的初始长度和断裂后长度
不同试样长度下的不同——5、 10
断面收缩率：试样断裂后的截面积收缩率，即
S0 Sb 10% 0
S0 S0和Sb：试样的初始截面积. 和断裂后的最小截面13 积
陶瓷，脆性 铸铁、铸铝，脆，断裂前有 材料，一定 微量的塑性变形，无颈缩
的弹性变形
多数金属塑性良好，
从软到硬有统一 标度，压痕清晰 使结果准确。
显微维氏硬度： 小压头，小载荷， 在显微镜下测量， 反映材料微米级 微区的硬度。
.
19
9. 2 材料的变形 (Deformation of materials)
.
20
9. 2. 1 晶体的弹性变形 (Elastic deformation of crystals)
随试验方法不同，一般硬度是金属表面抵抗局部 压入变形或刻画破裂的能力。
刻划硬度——莫氏硬度——表示硬度顺序，不表 示软硬程度——后面的材料可划破前面的材料

➢ 2. 金属材料压缩时的力学性能
低碳钢压缩实验：
s(MPa) 400
低碳钢压缩 应力应变曲线
比例极限spy 屈服极限ssy 弹性模量Ey基本与拉伸时相同
200 0
低碳钢拉伸 应力应变曲线
e
0.1
0.2
铸铁压缩实验：
s
sby
灰铸铁的压缩曲线
sbL
sby>sbL，铸铁抗压性能远远
大于抗拉性能，断裂面为与轴向
灰铸铁的拉伸曲线
大致成45°～55°的滑移面破坏。
O
e
材料名称 塑性材料
特点/指标
金属材料压缩时的力学性能
特点
断裂前变形大，塑性指标高，抗拉能力强。
常用指标 屈服极限，一般拉和压时的sS相同。
脆性材料
特点
断裂前变形小，塑性指标低。
常用指标 sb、sbc且sb≤sbc。
➢ 3.非金属材料的力学性能
1.如图所示脚手架各构件主要是发生什么变形？ 2.如图所示在起吊过程中，哪些构件会发生轴向拉伸和压缩变形？ 3.如何选择所用钢丝绳型号以及如何确定所选钢丝绳能够安全起吊？
吊机正在起吊预制空心板
脚手架
第一节 轴向拉（压）杆的内力与轴力图 第二节 轴向拉（压）杆横截面上的正应力 第三节 轴向拉（压）杆的强度计算 第四节 轴向拉（压）杆的变形计算 第五节 材料在拉伸和压缩时的力学性能
➢ 1. 材料在拉伸时的力学性能 材料的力学性质——材料在外力作用下，强度和变形方面所表现
出的性能。
工作段长度l
试件
低碳钢(C≤0.3%)拉伸实验及力学性能
σ
σeσpσs
σb
颈缩阶段
强化阶段 屈服阶段
O