2 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能-静载拉伸试验,拉伸性能指标解析

《材料性能学》课后答案《⼯程材料⼒学性能》（第⼆版）课后答案第⼀章材料单向静拉伸载荷下的⼒学性能⼀、解释下列名词滞弹性：在外加载荷作⽤下，应变落后于应⼒现象。

静⼒韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。

弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最⾼应⼒。

⽐例极限：应⼒—应变曲线上符合线性关系的最⾼应⼒。

包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)增加；反向加载时弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)降低的现象。

解理断裂：沿⼀定的晶体学平⾯产⽣的快速穿晶断裂。

晶体学平⾯－－解理⾯，⼀般是低指数，表⾯能低的晶⾯。

解理⾯：在解理断裂中具有低指数，表⾯能低的晶体学平⾯。

韧脆转变：材料⼒学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断⼝特征由纤维状转变为结晶状）。

静⼒韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静⼒韧度。

是⼀个强度与塑性的综合指标，是表⽰静载下材料强度与塑性的最佳配合。

⼆、⾦属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是⼀个对结构不敏感的⼒学姓能?答案：⾦属的弹性模量主要取决于⾦属键的本性和原⼦间的结合⼒，⽽材料的成分和组织对它的影响不⼤，所以说它是⼀个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。

改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不⼤。

三、什么是包⾟格效应，如何解释，它有什么实际意义?答案：包⾟格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。

特别是弹性极限在反向加载时⼏乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形⽴即开始了。

包⾟格效应可以⽤位错理论解释。

第⼀，在原先加载变形时，位错源在滑移⾯上产⽣的位错遇到障碍，塞积后便产⽣了背应⼒，这背应⼒反作⽤于位错源，当背应⼒(取决于塞积时产⽣的应⼒集中)⾜够⼤时，可使位错源停⽌开动。

材料在单向静拉伸载荷下的力学性能1.1拉伸试验 1.1.1 概述拉伸试验是标准拉伸试样在静态轴向拉伸力不断作用下以规定的拉伸 速度拉至断裂，并在拉伸过程中连续记录力与伸长量，从而求出其强度判 据和塑性判据的力学性能试验。

强度指标：弹性极限、屈服强度、抗拉强度 ；塑性指标：断后伸长率、断面收缩率。

1.1.2 概念应力：应力是在它所作用面积上的力， 用N/mm 2表示，在米制单位中,用千帕（kPa ）或兆帕（MPa ）表示。

应变：是被测试材料尺寸的变化率，它是加载后应力引起的尺寸变化。

由于应变是一个变化率，所以它没有单位拉悻前 ------ w -----原始标距（L o ）:施力前的试样标距。

断后标距（L u ）:试样断裂后的标距。

平行长度（L c ）:试样两头部或两夹持部分 （不带头试样）之间平行部分的 长度。

断后伸长率（A ）:是断后标距的残余伸长 （L U -L o ）与原始标距（L o ）之比的 百分(7 =(M Pa5率。

断面收缩率（Z）:断裂后试样横截面积的最大缩减量（S o-S U）与原始横截面积（So）之比的百分率。

最大力（F m）:试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力。

屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。

上屈服强度：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。

下屈服强度：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。

1.1.3 拉伸应力-应变曲线以低碳钢的拉伸应力一应变曲线为例。

OB —弹性阶段，BC —屈服阶段CD —强化阶段，DE —颈缩阶段试样在各阶段变化的示意图金属材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，符合胡克定律，即( T=E •&，其比例系数E称为弹性模量。

弹性极限d P与比例极限d e非常接近，工程实际中近似地用比例极限代替弹性极限。

屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。

中原工学院材料与化工学院材料性能学《材控专业课后习题》第一章材料在单向拉伸时的力学性能１-1名词解释1.弹性比功:材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力.2.包申格效应:金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载,规定残余伸长应力增加,反向加载,规定残余伸长应力降低的现象.其来源于金属材料中的位错运动所受阻力的变化。

可通过热处理(再结晶退火）消除。

3.塑性:材料断裂前产生塑性变形的能力4.韧性：材料变形时吸收变形力的能力5.脆性断裂(弹性断裂)：材料断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快。

断口呈现与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮,为放射状或结晶状。

6.韧性断裂（延性断裂或者塑性断裂)：材料断裂前及断裂过程中产生明显塑性变形的断裂过程。

断口呈现暗灰色、纤维状。

7.剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成断裂.断口呈现锋利的楔形或微孔聚集型,即出现大量韧窝。

8.河流花样：解理裂缝相交处会形成台阶,呈现出形似地球上的河流状形貌9.解理台阶：解理裂纹的扩展往往是沿晶面指数相同的一族相互平行,但位于“不同高度”的晶面进行的。

不同高度的解理面存在台阶。

10.韧窝：通过孔洞形核、长大和连接而导致韧性断裂的断口1—3材料的弹性模数主要取决于什么因素?答:影响弹性模数的因素:键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件和负荷持续时间1—4决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些？答：１、晶体结构：屈服是位错运动，因此单晶体理论屈服强度=临界切应力2、晶界和亚结构:晶界是位错运动的重要障碍,晶界越多,常温时材料的屈服强度增加。

晶粒越细小，亚结构越多,位错运动受阻越多,屈服强度越大。

３、溶质元素：由于溶质原子与溶剂原子直径不同,在溶质原子周围形成晶格畸变应力场，其与位错应力场相互作用，使位错运动受阻，增大屈服强度.固溶强化、柯氏气团强化、沉淀强化、时效强化、弥散强化4、第二相：弥散分布的均匀细小的第二相有利于提高屈服强度5、环境因素对屈服强度的影响1)温度的影响：温度升高，屈服强度降低，但变化趋势因不同晶格类型而异。

材料性能学1一14周材料性能学概述物理性能密度熔点磁性热膨胀性导电性导热性力学性能刚度强度硬度塑性韧性冲击韧性疲劳韧性化学性能耐腐蚀性抗氧化性工艺性能铸造锻压焊接热处理使用性能材料性能学Competing materials.Steels have the highest toughness, whereas carbon fibers have the highest strengths. Titanium alloys and polymer composites areincreasingly used in aircraft and sporting goods because of their outstanding combination of properties.Research on advanced materials for structural applications aims toward the upper right corner.波音787课程主要内容单向静拉伸其他静载荷压缩、弯曲、扭转等冲击载荷静载荷断裂韧度疲劳腐蚀磨损使用性能陶瓷复合材料金属高温第一章材料单向静拉伸的力学性能单向静拉伸试验特点:1、最广泛使用的力学性能检测手段;2、试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定（方法：GB/T228-2002；试样：GB/T6397-1986）。

3、最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）；4、可测力学性能指标：强度（σ）、塑性（δ、ψ）等。

万能拉伸试验机第一章材料单向静拉伸的力学性能一、低碳钢单向静拉伸试验拉伸试样长试样：L 0=10d0短试样：L 0=5d 0d 0L 0拉伸试验录扫描电镜原位拉1.1低碳钢力－伸长曲线抗拉强度σb屈服强度σs1.2低碳钢应力－应变曲线应力σ=F/A 应变ε=△L/L弹性极限σe σp比例极限σp1.3 不同材料在室温下的力一伸长曲线1－淬火、高温回火后的高碳钢，只有弹性变形、少量的均匀塑性变形；2－低合金结构钢（如16Mn），其特征与低碳钢的曲线类似；3－黄铜，有弹性变形、均匀塑性交形和不均匀塑性变形；4－陶瓷、玻璃类材料，只有弹性变形而没有明显的塑性变形；5－橡胶类材料，其特点是弹性变形量很大，可高达1000％，且只有弹性变形而不产生或产生很微小的塑性变形；6－工程塑料，也有弹性变形、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形真实的应力-应变曲线1.4 真实应力－应变曲线度随着拉伸力的增大是不断变化的。

第一章材料在单向静拉伸下的力学性能第一章材料在单向静拉伸下的力学性能大家在材料力学中做过实验，用的是标准光滑圆柱试样，这是最常用的试样，有时也用标准板状试样也叫板装试验。

单向静拉伸实验是金属材料力学性能测试中最重要的方法之一。

为了准确测出各项拉伸性能指标，该方法对实验速度，温度及应力状态做了如下规定：1）试验速度：反映了试样应变速率的大小，应变速率增大，金属的强度增加。

特别是屈服点规定微量塑性伸长应力读变形速度的大小很敏感，因此，对拉伸试验速度应注意控制。

试验速度大体上相当于试验机夹移动速率。

对各项拉伸性能指标测定，都有一定的试验速度控制。

比如在测屈服点时，一般规定ε应控制在0.00025--0.0025/s范围内。

2）试验温度：一般在10--35℃温度下进行3）应力状态：单向拉伸应力状态σ1>0;σ2=σ3=0单向拉伸试验时，在试样两端施加载荷，使试样的工作部分受轴向拉力沿轴向伸长，一般进行到拉断为止。

其试验过程一般经历三种失效形式，即过量弹性变形，塑性变形和断裂。

测定试样对外加载荷的抗力，可以求出材料的强度指标，测定试样在破断后塑性变形的大小，求出材料的塑性指标。

这些性能指标都具有一定的实用意义，是设计指标，材料选择，工程评定及材料检验的主要依据。

本章将介绍这些性能指标的物理概念及实用意义，讨论上述三种失效形式的基本规律和原理。

重点：材料在静拉伸时的力学行为概述一应力和应变应力和应变，大家不会陌生，这是本门课程最基本也是最重要的概念，我们一起来复习一下。

应力——物体承受外加载荷作用时单位截面积上的内力。

单位：MPa正应力：垂直于作用平面的法向载荷产生的切应力：平行于作用平面的切向载荷产生的应变——单位长度上的绝对伸长1.条件应力与其实应力条件应力（工程应力）——σ=P/F。

载荷P除以试样原始截面积F。

P—拉伸载荷；F。

—原始截面积；其实应力——载荷P除以试样某一变形瞬时截面积F ：S=P/F；在拉伸过程中Fσ，其应力大于条件应力。

材料在静载荷下的力学性能资料重点材料在静载荷下的力学性能资料是指材料在无外界扰动的条件下，所展现出的力学性能的特点和指标。

这些资料对于材料的选择、设计和应用都具有重要的意义。

以下将从材料的强度、刚度、韧性、蠕变性能、疲劳寿命以及特殊性能等几个方面重点介绍。

首先是强度。

强度是指材料所能承受的最大外力的能力。

在静载荷下，材料的强度表现为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。

抗拉强度是指材料在受拉力作用下的抵抗能力；抗压强度是指材料在受压力作用下的抵抗能力；抗弯强度是指材料在受弯矩作用下的抵抗能力。

强度资料的准确性能决定了材料在实际应用中的可靠性。

其次是刚度。

刚度是指材料在外力作用下的变形程度。

刚度高的材料在受力时能够保持较小的变形，刚度低的材料则容易发生较大的变形。

刚度资料通常表现为杨氏模量、剪切模量等。

杨氏模量是指材料在单位应力作用下的单位应变的比值，它是材料刚度的度量；剪切模量是指材料在剪切应力作用下的变形程度。

刚度资料的准确性是材料选择和设计的基础。

韧性是材料在受到外力作用下能够发生塑性变形并吸收大量能量的能力。

韧性资料一般通过锲形冲击试验来进行评定，表现为冲击韧性。

冲击韧性是材料在冲击载荷作用下的能量吸收性能。

韧性资料的重要性在于评价材料在实际应用中的抗冲击性能和抗爆炸能力。

蠕变性能是指材料在长期受持续载荷作用下的变形行为。

蠕变性能常通过蠕变实验来进行评定，表现为材料的蠕变速率和蠕变寿命。

蠕变速率是指材料在一定温度和应力条件下单位时间内的变形量；蠕变寿命是指材料在持续载荷作用下能够保持一定变形的时间。

蠕变性能资料对于选择材料和预测材料寿命具有重要意义。

疲劳寿命是指材料在交变载荷作用下能够承受的次数或应力幅值。

疲劳寿命资料通常通过疲劳试验来进行评定，表现为材料的疲劳强度和疲劳极限。

疲劳强度是指材料在一定次数下的疲劳破坏应力；疲劳极限是指材料在无限次数时的疲劳破坏应力。

疲劳寿命资料对于预测材料在实际使用中的可靠性和使用寿命具有重要意义。

材料的性能工程材料的两类性能：使用性能：材料使用中体现出的（力学、物理、化学）性能。

工艺性能：材料加工过程中体现出的是否适于加工的性能。

如铸造性、焊接性、淬透性。

亦称加工性能性能的量化：性能指标（抗拉强度，疲劳强度，...）力学性能材料在一定温度和外力条件下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。

常规力学性能指标：强度、硬度、塑性、韧性强度是金属材料在一定温度和外力条件下对变形或断裂的抗力，用相应条件下不产生失效（过量变形或断裂）所能承受的最大应力来表征。

屈服强度在常温静载荷下不发生过量塑形变形所能承受的最大应力；抗拉强度在常温静载荷下不发生断裂所能承受的最大应力；疲劳强度在常温交变载荷下不发生断裂的的最大应力；蠕变极限在一定温度（一般是高温）下在一定时间内产生一定变形量的应力；持久强度在一定温度（一般是高温）下在规定时间内发生断裂的应力。

强度指标是设计中决定许用应力的重要依据，塑性是指金属材料在断裂中发生塑性变形（不可恢复的变形）的能力。

断后伸长率δ试样拉断后的相对伸长量；断面收缩率ψ试样拉断后，拉断处横截面积的相对缩小量；冷弯（角）α 试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度。

韧性韧性是指金属材料抵抗冲击载荷的能力。

冲击韧度材料在冲击载荷下变形和断裂时单位截面积所吸收的功。

对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。

断裂韧性表征材料对裂纹扩展的抵抗能力。

力学性能——单向静拉伸性能万能拉伸试验机拉伸试样拉伸试验及拉伸曲线拉伸曲线（应力-应变曲线） 1.oab 弹性变形阶段2.bcd 屈服变形3.dB 均匀塑性变形阶段4.BK 局部集中塑性变形铸铁、陶瓷：只有第1阶段中、高碳钢：没有第2阶段特别关注曲线的特殊位置：极点、拐点、直线段。

拉伸曲线（应力-应变曲线）——刚度Eoa：直线段P p：比例极限E: （该直线段斜率）弹性模量，刚度，MPaE: 主要取决于原子、分子间作用力，对组织不敏感E拉伸曲线（应力-应变曲线）——屈服强度σsσs =Ps，屈服平台对应的应力值σsσ0.2：:试样产生的残余应变=试样原始标长L的0.2%时的应力值，MPaσ0.20.002Lσb =P b ，拉伸曲线最高点对应的应力值σb拉伸曲线（应力-应变曲线）——强度，组织敏感的指标与刚度不同，弹性极限、屈服强度、抗拉强度等强度指标对材料组织结构十分敏感，合金化、热处理、冷热加工对它们的影响很大。