材料力学性能复习总结

材料⼒学性能复习总结

绪论

弹性:指材料在外⼒作⽤下保持与恢复固有形状与尺⼨得能⼒。

塑性：材料在外⼒作⽤下发⽣不可逆得永久变形得能⼒。

刚度:材料在受⼒时抵抗弹性变形得能⼒。

强度:材料对变形与断裂得抗⼒。

韧性:指材料在断裂前吸收塑性变形与断裂功得能⼒。

硬度:材料得软硬程度。

耐磨性:材料抵抗磨损得能⼒。

寿命:指材料在外⼒得长期或重复作⽤下抵抗损伤与失效得能。

材料得⼒学性能得取决因素:内因——化学成分、组织结构、残余应⼒、表⾯与内部得缺陷等;外因——载荷得性质、应⼒状态、⼯作温度、环境介质等条件得变化。

第⼀章材料在单向静拉伸载荷下得⼒学性能1、1 拉伸⼒—伸长曲线与应⼒—应变曲线

应⼒—应变曲线

退⽕低碳钢在拉伸⼒作⽤下得⼒学⾏为可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形与不均匀集中塑性变形与断裂⼏个阶段。

弹性变形阶段:曲线得起始部分，图中得oa段。

多数情况下呈直线形式，符合虎克定律。

屈服阶段:超出弹性变形范围之后，有得材料在

塑性变形初期产⽣明显得塑性流动。此时，在外⼒

不增加或增加很⼩或略有降低得情况下,变形继续产

⽣，拉伸图上出现平台或呈锯齿状，如图中得aｂ段。

均匀塑性变形阶段:屈服后，欲继续变形，必须

不断增加载荷，此阶段得变形就是均匀得，直到曲

退⽕低碳钢应⼒—应变曲线

线达到最⾼点，均匀变形结束,如图中得bc段。

不均匀塑性变形阶段:从试样承受得最⼤应⼒点开始直到断裂点为⽌,如图中得cd段。在此阶段，随变形增⼤,载荷不断下降,产⽣⼤量不均匀变形,且集中在颈缩处,最后载荷达到断裂载荷时,试样断裂。

弹性模量E:应⼒—应变曲线与横轴夹⾓得⼤⼩表⽰材料对弹性变形得抗⼒，⽤弹性模量E表

⽰。

塑性材料应⼒—应变曲线(ａ）弹性—弹塑性型:Ｏａ为弹性变形阶段,在ａ点偏离直线关系，进⼊弹—塑性阶段,开始发⽣塑性变形,开始发⽣塑性变形得应⼒称为屈服点,屈服点以后得变形包括弹性变形与塑性变形。在m点卸载,应⼒沿mn降⾄零,发⽣加⼯硬化。

（b)弹性－不均匀塑性-均匀塑性型:与前者不同在于出现了明显得屈服点aa′,有时呈屈服平台状,有时呈齿状。应变约1%~3％。退⽕低碳钢与某些有⾊⾦属具有此⾏为。

（ｃ）弹性－均匀塑性型:未出现颈缩前得均匀变形过程中发⽣断裂。主要就是许多⾦属及合⾦、部分陶瓷与⾮晶态⾼聚物具有此种曲线。(d)弹性-不均匀塑性型:形变强化过程中出现多次局部失稳,其塑性变形⽅式通常就是孪⽣⽽不就是滑移。当孪⽣速率超过试验机夹头运动速度时,载荷会突然松弛⽽呈现锯齿形得曲线。某些低溶质固溶体铝合⾦及含杂质得铁合⾦具有此⾏为。

加⼯硬化:材料经历⼀定得塑性变形后,其屈服应⼒升⾼得现象称为应变强化或加⼯硬化。

颈缩:材料经均匀形变后出现集中变形得现象称为颈缩。1、2 弹性变形

材料受外⼒作⽤发⽣尺⼨与形状得变化,称为变形。外⼒去除后,随之消失得变形为弹性变形,剩余得(即永久性得)变形为塑性变形。

弹性变形得重要特征就是其可逆性,即受⼒作⽤后产⽣变形,卸除载荷后,变形消失。

曲线1:两原⼦间得引⼒

曲线2:两原⼦间得斥⼒

曲线3:两原⼦之间得作⽤⼒

当原⼦间相互平衡⼒受外⼒⽽受到破坏时,原⼦位

置相应调整,产⽣位移。⽽位移总与在宏观上表现为变形。

外⼒去除后,原⼦依靠之间得作⽤⼒⼜回到原来平

衡位置，位移消失，宏观变形消失。

弹性模量Ｅ：表征材料抵抗正应变得能⼒。在单向受⼒状态下E=σxσy

切变模量G:表征材料抵抗剪切变形得能⼒。在纯剪切应⼒状态下G=τxyγxy

泊松⽐ν:反映材料受⼒后横向正应变与受⼒⽅向上正应变之⽐。单向受⼒状态下

体积弹性模量Ｋ:表⽰物体在三向压缩下，压强p与体积变化率ΔＶ/Ｖ之间得线性⽐例关系。K=E

3(1?2ν)

刚度：⼯程上弹性模量为称为材料得刚度，表征⾦属材料对弹性变形得抗⼒,其值越⼤,则在相同得应⼒状态下产⽣得弹性变形量越⼩。

弹性⽐功：弹性⽐功⼜称弹性⽐能、应变⽐能,表⽰⾦属材料吸

收弹性变形功⽽不发⽣永久变形得能⼒。⾦属拉伸时得弹性⽐功⽤应

⼒—应变曲线下影线得⾯积表⽰,即

式中，a e为弹性⽐功,σe为弹性极限(材料由弹性变形过渡到弹—

塑性变形时得应⼒);εe为最⼤弹性应变。

在应⼒作⽤下应变不断随时间⽽发展得⾏为,以及应⼒去除后应变

逐渐恢复得现象都统称为弹性后效。

实际⾦属在外⼒作⽤下产⽣弹性变形,开始时沿OＡ线产⽣瞬时弹

性应变OC,如果载荷保持不变,还产⽣随时间延长⽽逐渐增加得应变CH。这种在加载状态下产⽣得滞弹性变形称为正弹性后效。卸载时,

延ＢＤ线只有应变DH⽴即消失，⽽应变OD就是卸载后随时间延长

才缓慢消失得,这种在卸载后产⽣得滞弹性变形称为反弹性后效。

弹性滞后环:弹性变形时因应变滞后于外

加应⼒,使加载线与卸载线不重合⽽形成得回

线称为弹性滞后环。

存在弹性滞后环得现象说明,加载时⾦属

消耗得变形功⼤于卸载时⾦属恢复变形释放

出得功，环⾯积⼤⼩代表被⾦属吸收得那部分

交变循环载荷,加载速度慢交变循环载荷,加载速度快功。

滞后环得⾯积相当于⾦属在单向循环应⼒或交变循环应⼒作⽤下消耗不可逆能量得多少,即表⽰⾦属吸收不可逆变形功得能⼒,成为⾦属得内耗,⼜称循环韧性。循环韧性就是指在塑性区加

载时材料吸收不可逆变形功得能⼒；内耗就是指在弹性区加载时材料吸收不可逆变形功得能⼒。⼀般这两个名词可以混⽤。

包申格效应:⾦属材料经过预先加载产⽣少量塑性变形(残余应变

为1％～４%）,卸载后同向加载,规定残余伸长应⼒(弹性极限或屈服强

度)增加,反向加载时规定残余伸长应⼒降低得现象,称为包申格效应。

包申格效应产⽣得原因（位错理论):初次加载变形时,位错源在滑

移⾯上产⽣得位错受阻,塞积后产⽣背应⼒,背应⼒反作⽤于位错源,当

背应⼒⾜够⼤时,可使位错源停⽌开动。预变形时位错得运动⽅向与背

应⼒得⽅向相反。反向加载时位错运动得⽅向与背应⼒⽅向⼀致,背应

⼒帮助位错运动,塑性变形相对容易。1、3 塑性变形

塑性变形得⽅式:滑移与孪⽣。其中,滑移就是⾦属材料在切应⼒作⽤下，位错沿滑移⾯与滑移⽅向运动⽽进⾏得切变过程,就是最主要得变形机制。孪⽣也就是⾦属材料在切应⼒作⽤下得⼀种塑性变形⽅式,⼀般发⽣在低温形变或快速形变时，受晶体结构得影响较⼤——fｃc>ｂcc>hcp。

塑性变形得特点1、各晶粒塑性变形得不同时性与不均匀性：多晶体试样受到外⼒作⽤后，⼤部分区域尚处在弹性变形范围内,塑性变形⾸先在个别取向有利得晶粒内,塑性变形不可能在不同晶粒中同时开始;⼀个晶粒得塑性变形必然受到相邻不同位向晶粒得限制,由于各晶粒得位向差异,这种限制在变形晶粒得不同区域上就是不同得,在同⼀晶粒内得不同区域得变形量也就是不同得。

２、各晶粒塑性变形得相互制约与协调：多晶体作为⼀个整体，不允许晶粒仅在⼀个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。五个独⽴得滑移系开动，才能确保产⽣任何⽅向不受约束得塑性变形。3、塑性变形后⾦属得晶格发⽣点阵畸变,储存能量,产⽣内应⼒。

4、塑性应变量提⾼,⾦属强度增⼤,产⽣加⼯硬化。

屈服:受⼒试样中,应⼒达到某⼀特定值后,开始⼤规模塑性变形得现象称为屈服。

呈现屈服现象得⾦属材料拉伸时,试样在外⼒不增加仍能继续伸长时得应⼒称为屈服点;试样发⽣屈服⽽⾸次下降前得最⼤应⼒称为上屈服点，即为σsu;当不计初始瞬时效应（指在屈服过程

。

中实验为第⼀次发⽣下降)时屈服阶段中得最⼩应⼒称为下屈服点,记为σ

ｓｌ

屈服现象得本质(不确定）:⾦属材料在拉伸试验时产⽣得屈服现象就是其开始产⽣宏观塑性变形得⼀种标志。参考拉伸⼒—伸长曲线,材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡就是明显得,

表现在试验过程中外⼒不增加试样仍能继续伸长或外⼒增加到⼀定数值时突然下降,随后，在外⼒不增加或上下波动情况下,试样继续伸长变形,这便就是屈服现象。

⾦属材料⼀般就是多晶体合⾦,往往具有多相组织,因此,讨论影响屈服强度得因素,必须注意以下⼏点: 屈服变形就是位错增殖与运动得结果； 实际⾦属材料得⼒学⾏为就是由许多晶粒综合作⽤得结果;●各种外界因素通过影响位错运动⽽影响屈服强度。

影响屈服强度得因素: 内在因素——⾦属本性及晶格类型;晶格⼤⼩与亚结构;溶质元素;第⼆相。 外在因素——温度;应变速率；应⼒状态。

相变强化:通过热处理⽅式,在不改变⾦属成分得前提下，改变⾦属得晶格结构，使⾦属得强度得以提⾼得⽅法称为相变强化。

细晶强化：减少晶粒尺⼨会减少晶粒内部位错塞积得数量，减少位错塞积群得长度,降低塞积点处得应⼒,相邻晶粒中位错源开动所需得外加切应⼒提⾼,屈服强度增加。这种通过细化晶粒尺⼨提⾼材料强度得⽅法称为细晶强化。

固溶强化:⾦属中溶⼊溶质原⼦（间隙固溶、置换固溶）形成固溶体，其屈服强度会明显提⾼,这种提⾼强度得⽅法称为固溶强化。(通常,间隙固溶体得强化效果⼤于置换固然体) 弥散强化:⾦属中得第⼆相质点通过粉末冶⾦等⽅法获得。

沉淀强化(析出强化):⾦属中得第⼆相质点通过固溶处理加时效等⽅法获得。

应变速率硬化:因应变速率增加⽽产⽣得强度提⾼效应得现象。

颈缩:颈缩就是韧性⾦属材料在拉伸试验时,变形集中于局部区域得现象,就是材料加⼯硬化与试样截⾯减⼩共同作⽤得结果。

，当⾦属材料得应变硬化指数等于最⼤真实均匀塑性应变量时产⽣颈缩。

颈缩判据:n=e

ｂ

抗拉强度：试件断裂前所能承受得最⼤⼯程应⼒称为抗拉强度,⽤来表征材料对最⼤均匀塑性变形得抗⼒。,σb为抗拉强度;Ｆb为最⼤载荷；A0为试件得原始截⾯积。

两个塑性指标×100%,L０为试样１、断后伸长率δ:试样拉断后标距得伸长量与原始标距得百分⽐。δ=L1?L0

L0

原始标距长度,L1为试样断裂后得标距长度。2、断⾯收缩率ψ:试样拉断后颈缩处横截⾯积得最⼤缩减量与原始横截⾯积得百分⽐。ψ=

A0?A1

×100%,A0为试样原始横截⾯积,A1为颈缩处最⼩横截⾯。A0

⾦属材料塑性与强度得关系:⼀般来讲,材料得强度提⾼,其变形抗⼒提⾼,变形能⼒下降,塑性降低。 相变强化、固溶强化、加⼯硬化及第⼆相弥散强化⼀般都会使塑性降低; 细晶强化不仅提⾼强度还时塑性提⾼。

韧性:指材料在断裂前吸收塑性变形功与断裂功得能⼒。

韧度:度量材料韧性得⼒学性能指标，分为静⼒韧度、冲击韧度与断裂韧度。⾦属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收得功定义为静⼒韧度，它就是强度与塑性得综合指标。1、6 材料得断裂

材料在塑性变形过程中,也在产⽣微孔,微孔得产⽣与发展,导致材料中微裂纹得形成与长⼤,这种损伤达到临界状态时,裂纹失稳,实现最终得断裂。

塑性变形→裂纹得形成→裂纹扩展→断裂

韧性断裂与脆性断裂

断裂前不发⽣明显塑性变形——脆性断裂;断裂前发⽣明显塑性变形——韧性断裂。

脆性断裂所需得能量:分开原⼦+新表⾯得表⾯能;韧性断裂所需得能量：分开原⼦+新表⾯得表⾯能＋塑性变形消耗得能量（远⼤于前两者之与)韧性断裂就是⾦属材料断裂前产⽣明显宏观塑性变形得断裂。

韧性断裂宏观断⼝形态呈杯锥状,由纤维区、放射区与剪切唇三个区域组成。

纤维区:光滑圆柱试样受拉伸⼒作⽤,产⽣颈缩时试样得应⼒状态也由单向变为三向，且中⼼区轴向应⼒最⼤。在中⼼三向拉应⼒作⽤下,塑性变形难于进⾏,致使试样中各部分得夹杂物或第⼆相质点本⾝碎裂,或使夹杂物质点与基体界⾯脱离⽽形成微孔,微孔不断长⼤与聚合就形成显微裂纹。显微裂纹形成、扩展过程重复进⾏就形成锯齿状得纤维区。