材料力学第2章(2)材料的力学性能

§2 材料力学性能材料的力学性能，又称机械性能，是材料抵抗外力作用引起变形和断裂的能力。

包括强度、韧性、硬度、塑性、耐磨性、高温力学性能等。

材料的力学性能不仅与材料的成分、显微结构有关，还和承受的载荷大小、种类、加载速度、环境温度、介质等有关。

2.1 强度2.1.1 拉伸试验材料的强度可以通过光滑圆柱试样静拉伸试验确定。

按照一定的标准加工的光滑圆柱试样，在拉伸载荷作用下发生变形，记录载荷大小和伸长量之间的关系，将其转变为应力应变曲线，即可获得材料的强度力学行为。

典型的应力应变曲线包括：弹性变形阶段(Oe段)，屈服阶段(sd段)，变形强化阶段(db段)，缩颈阶段(bk段)，每个阶段反映了材料在不同载荷水平下不同的力学行为。

图3.7 典型的静拉伸应力应变曲线2.1.2 弹性变形在弹性变形阶段，材料中的原子在平衡位置附近作微量位移，载荷消失后微量位移消失，材料宏观外形完全恢复，此时的应力应变曲线满足胡克定律：σ = Eε式中，σ为应力，ε为应变，E为弹性模量。

弹性极限σe：材料由弹性变形过渡到塑性变形时的应力，一般规定产生0.01％塑性变形时的应力为弹性极限值，记为σ0.01 。

弹性模量主要取决于材料的成分，受组织结构影响不大，是个组织不敏感参量。

另外，弹性模量反映了材料中原子间作用力的大小，而材料的熔点也反映了原子间作用力的大小，应此一般地，材料的熔点越高，弹性模量越大。

表3.3 一些材料的弹性模量E(GPa)2.1.3 塑性变形当材料承受的载荷超过弹性极限时，材料将发生不可逆转的永久性变形，称为塑性变形。

在塑性变形阶段，应力应变曲线变成非线性，材料的变形是通过原子价键的断开、重排来实现的。

在晶体材料中，塑性变形主要是通过位错在密排面上沿密排方向的滑移来实现的，因此，晶体结构中位错越容易滑移，则材料的塑性变形越容易。

屈服强度σs：材料出现一定塑性变形时的应力，S为屈服点，多数材料的S 点不明显。

第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。

1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。

3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。

4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形,卸载后再同向加载，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。

5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面.6．塑性:金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性)变形的能力。

韧性:指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b 的台阶.8。

河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时，便成为河流花样。

是解理台阶的一种标志。

9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂,因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。

10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内,可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂.沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂.11。

韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时,可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。

弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等2、 说明下列力学性能指标的意义。

答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标?答：主要决定于原子本性和晶格类型。

工程材料力学性能课后题答案第三版（束德林）第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。

（1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

（2）滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。

（3）循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。

（4）包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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。

（5）解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。

（6）塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。

脆性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。

韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

（7）解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。

（8）河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。

是解理台阶的一种标志。

（9）解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。

（10）穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。

沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。

（11）韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变。

2、说明下列力学性能指标的意义。

答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生100％弹性变所需的应力。

σ规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。

（2）rσ名义屈服强度（点），对没有明显屈服阶段的塑性材料通常以产生0.2％的塑性形变对应的应力作为屈2.0服强度或屈服极限。

第二单元第二章 杆件的轴向拉压应力与材料的力学性能§2-1 引言工程实例: 连杆、螺栓、桁架、房屋立柱、桥墩……等等。

力学特征: 构件：直杆外力：合力沿杆轴作用(偏离轴线、怎样处理?)内力：在轴向载荷作用下，杆件横截面上的唯一内力分量为轴力N ，它们在该截面的两部分的大小相等、方向相反。

规定拉力为正，压力为负。

变形：轴向伸缩§2-2 拉压杆的应力一、拉压杆横截面上的应力(可演示，杆件受拉，上面所划的横线和纵线仍保持直线，仅距离改变，表明横截面仍保持为平面)平面假设→应变均匀→应力均匀AN=σ或A P =σ(拉为正，压为负)二、Saint-Venant 原理(1797-1886，原理于1855年提出)问题：杆端作用均布力，横截面应力均布。

杆端作用集中力，横截面应力均布吗? 如图, 随距离增大迅速趋于均匀。

局部力系的等效代换只影响局部。

它已由大量试验和计算证实，但一百多年以来，无数数学力学家试图严格证明它，至今仍未成功。

这是固体力学中一颗难以采撷的明珠。

三、拉压杆斜截面上的应力(低碳钢拉伸，沿45°出现滑移线，为什么?)0cos =-P Ap αα ασ=α=αcos cos AP p ασ=α=σαα2cos cos pασ=α=ταα22sin sin p ()0=ασ=σm ax ()452=ασ=τmax方位角α：逆时针方向为正剪应力τ：使研究对象有顺时针转动趋势为正。

例1和例2，看书p17,18§2-3 材料拉伸时的力学性能(构件的强度、刚度和稳定性，不仅与构件的形状、尺寸和所受外力有关，而且与材料的力学性能有关。

拉伸试验是最基本、最常用的试验。

)一、拉伸试验P18： 试样 拉伸图绘图系统放大变形传感器力传感器--→→→→二、低碳钢拉伸时的力学性能材料分类：脆性材料（玻璃、陶瓷和铸铁）、塑性材料(低碳钢：典型塑性材料)四个阶段：线性阶段（应力应变成正比，符合胡克定律，正比阶段的结束点称为比例极限）、屈服阶段(滑移线)（可听见响声，屈服极限s σ）、强化阶段（b σ强度极限）、局部变形(颈缩)阶段（名义应力↓，实际应力↑） 三(四个)特征点：比例极限、（接近弹性极限）、屈服极限、强度极限(超过强度极限、名义应力下降、实际应力仍上升)。

材料力学性能教案第一章：材料力学性能概述教学目标：1. 理解材料力学性能的概念及其重要性。

2. 掌握材料力学性能的主要指标。

3. 了解不同材料的力学性能特点。

教学内容：1. 材料力学性能的概念：定义、重要性。

2. 材料力学性能的主要指标：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、韧性、硬度等。

3. 不同材料的力学性能特点：金属材料、非金属材料、复合材料等。

教学活动：1. 引入讨论：为什么了解材料的力学性能很重要？2. 讲解材料力学性能的概念及其重要性。

3. 通过示例介绍不同材料的力学性能特点。

4. 练习计算材料力学性能指标。

作业：1. 复习材料力学性能的主要指标及其计算方法。

2. 选择一种材料，描述其力学性能特点，并解释其在实际应用中的作用。

第二章：弹性模量教学目标：1. 理解弹性模量的概念及其物理意义。

2. 掌握弹性模量的计算方法。

3. 了解弹性模量在不同材料中的变化规律。

教学内容：1. 弹性模量的概念：定义、物理意义。

2. 弹性模量的计算方法：胡克定律、应力-应变关系。

3. 弹性模量在不同材料中的变化规律：金属材料、非金属材料、复合材料等。

教学活动：1. 复习上一章的内容，引入弹性模量的概念。

2. 讲解弹性模量的计算方法，并通过示例进行演示。

3. 通过实验或示例观察不同材料的弹性模量变化规律。

作业：1. 复习弹性模量的概念及其计算方法。

2. 完成弹性模量的计算练习题。

第三章：屈服强度与抗拉强度教学目标：1. 理解屈服强度与抗拉强度的概念及其物理意义。

2. 掌握屈服强度与抗拉强度的计算方法。

3. 了解屈服强度与抗拉强度在不同材料中的变化规律。

教学内容：1. 屈服强度与抗拉强度的概念：定义、物理意义。

2. 屈服强度与抗拉强度的计算方法：应力-应变关系、极限状态方程。

3. 屈服强度与抗拉强度在不同材料中的变化规律：金属材料、非金属材料、复合材料等。

教学活动：1. 复习上一章的内容，引入屈服强度与抗拉强度的概念。

第二章轴向拉压应力与材料的力学性能2-1试画图示各杆的轴力图。

题2-1图解：各杆的轴力图如图2-1所示。

图2-12-2试画图示各杆的轴力图，并指出轴力的最大值。

图a与b所示分布载荷均沿杆轴均匀分布，集度为q。

题2-2图(a)解：由图2-2a(1)可知，=2()F-xqxqaN轴力图如图2-2a(2)所示，qa F 2m ax ,N =图2-2a(b)解：由图2-2b(2)可知， qa F =R qa F x F ==R 1N )(22R 2N 2)()(qx qa a x q F x F -=--=轴力图如图2-2b(2)所示，qa F =max N,图2-2b2-3 图示轴向受拉等截面杆，横截面面积A =500mm 2，载荷F =50kN 。

试求图示斜截面m -m 上的正应力与切应力，以及杆内的最大正应力与最大切应力。

题2-3图解：该拉杆横截面上的正应力为100MPa Pa 1000.1m10500N 10508263=⨯=⨯⨯==－A F σ斜截面m -m 的方位角，ο50-=α故有 MPa 3.41)50(cos MPa 100cos 22=-⋅==οασσαMPa 2.49)100sin(MPa 502sin 2-=-⋅==οαστα杆内的最大正应力与最大切应力分别为MPa 100max ==σσMPa 502max ==στ 2-5 某材料的应力-应变曲线如图所示，图中还同时画出了低应变区的详图。

试确定材料的弹性模量E 、比例极限p σ、屈服极限s σ、强度极限b σ与伸长率δ，并判断该材料属于何种类型（塑性或脆性材料）。

题2-5解：由题图可以近似确定所求各量。

220GPa Pa 102200.001Pa10220ΔΔ96=⨯=⨯≈=εσEMPa 220p ≈σ, MPa 240s ≈σMPa 440b ≈σ, %7.29≈δ该材料属于塑性材料。

2-7 一圆截面杆，材料的应力-应变曲线如题2-6图所示。

材料⼒学性能复习第⼆章材料在静载荷下的⼒学性能1.连续塑性变形强化材料和⾮连续塑性形变强化材料曲线、变形过程、屈服强度。

2.指出以下应⼒应变曲线与哪些典型材料相对应，并对其经历的变形过程做出说明。

3.拉伸断裂前，发⽣少量塑性变形，⽆颈缩，在最⾼载荷点处断裂；4.断裂前先发⽣弹性变形，然后进⼊屈服阶段，之后发⽣形变强化+均匀塑性变形，有颈缩现象，再发⽣⾮均匀塑性变形直⾄断裂；5.应⼒状态软性系数的定义及其意义、应⼒状态图的应⽤。

6.画出低碳钢的应⼒应变曲线，并说明获得该材料的强度和塑性指标？⽐例极限弹性极限屈服极限强度极限断裂强度延伸率断⾯收缩率7.⼯程应⼒、⼯程应变、真应⼒和真应变之间有什么关系?8.为什么灰⼝铸铁的拉伸断⼝与拉伸轴垂直，⽽压缩断⼝却与压缩⼒轴成45o⾓？9.材料为灰铸铁，其试样直径d=30mm，原标距长度h。

=45mm。

在压缩试验时，当试样承受到485kN压⼒时发⽣破坏，试验后长度h=40mm。

试求其抗压强度和相对收缩率。

10.布⽒、洛⽒、维⽒硬度的试验原理、特点、应⽤。

11.现有如下⼯件需测定硬度，选⽤何种硬度试验⽅法为宜? (1) 渗碳层的硬度分布；(2)灰铸铁；(3)淬⽕钢件；(4)氮化层；(5)双相钢中的铁素体和马⽒体；(6)⾼速钢⼑具；(7)硬质合⾦；(8)退⽕态下的软钢。

第三章材料的变形12.⾦属的弹性模量主要取决于什么?材料的弹性模量可以通过材料热处理等⽅式进⾏有效改变的吗？为什么说它是⼀个对结构不敏感的⼒学性能？弹性也称之为刚度，都是表征材料变形的能⼒？特点：单值性，可逆性，变形量⼩；物理本质：克服原⼦间⼒（双原⼦模型）组织不敏感：E主要取决于材料的本性，与晶格类型和原⼦间距有关，合⾦中固溶原⼦、热处理⼯艺、冷塑性变形，温度、加载⽅式等都对弹性模量影响不⼤；刚度：弹性与刚度是不同的，弹性表征材料弹性变形的能⼒，刚度表征材料弹性变形的抗⼒。

13.弹性变形的不完整性？灰⼝铸铁可以⽤作机床机⾝，为什么？对理想弹性体，在应⼒作⽤下产⽣的应变，与应⼒间存在三个关系：线性、瞬时和唯⼀性。

材料力学性能
材料力学性能是指材料在受力作用下的力学性能，包括以下几个方面：
1. 强度：材料的强度是指其抵抗外部力量破坏的能力。

常用的强度指标有抗拉强度、抗压强度、抗剪切强度等。

2. 韧性：材料的韧性是指其能够吸收外部作用力而发生塑性变形的能力。

韧性高的材料具有较大的塑性变形能力，可以在受到强力作用时不容易断裂。

3. 脆性：脆性是指材料在受力作用下发生断裂的倾向。

脆性材料在受到一定力量作用时容易发生断裂。

4. 硬度：材料的硬度是指其抵抗局部变形的能力。

硬度高的材料表面不容易发生划痕或凹陷。

5. 可塑性：可塑性是指材料在受力作用下发生塑性变形的能力。

材料的可塑性越高，其变形能力越大。

6. 弹性：弹性是指材料在受力作用下发生弹性变形的能力。

弹性材料在受力后能够恢复原状。

以上是材料力学性能的一些常见指标，不同材料具有不同
的力学性能特点。

材料的力学性能是衡量其适用性和使用
寿命的关键因素。