【学习课件】第一章工程材料力学性能概念

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。

反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
注：所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包辛格效应。 可用来研究材料加工硬化的机制。
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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。
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） 。
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） 。
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金属的循环韧性
定义：
金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功 的能力，也称为金属的内耗或消振性。
意义：
材料力学性能指标具体数值的高低表示材料 抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质 量的主要依据。
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3
第1章 静载荷下材料的力学性能
1.1 应力-应变曲线
拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性能试 验方法之一。本章将详细讨论金属材料在单向拉 伸静载荷作用下的基本力学性能指标如：屈服强 度、抗拉强度、断后伸长率和断面伸长率等。
循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以 高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振 动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。
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1.2.4、包申格效应（Bauschinger）
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包申格效应的定义：
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残 余应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余 伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；
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Tij 2阶张量
2
32=9
Tijk 3阶张量
3
33=27
物理量示例 T 1
r
T2
Ei , Pi
T3
T11 T12 T13
sij T21 T22 T23
T31 T32 T33
dijk
Tijkl 4阶张量 4
34=81
Cijkl
应力张量（Tensor）
sxx xy xz sij = yx syy yx
三、先修课程
(1)材料力学： 应力应变状态、弹性变形与本构关系、 强度理论等。 (2)材料科学基础： 晶体学、晶体缺陷、位错理论、变形与 再结晶等。
四、教学内容及要求
材料 力学 性能
力学行 为与物 理本质
基本力学行为(简单加载)：弹性变形、塑性变形、断裂 与环境相关的力学行为：疲劳、蠕变、磨损、应力腐蚀等
σp、σe的工程意义是：
因此弹簧称有称量范围的限制
对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线 性关系的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变 形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的， 则应以比例极限作为选择材料的依据。 对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机 件，设计时应按弹性极限来选择材料。
(4)屈服强度
zx zy szz
法向应力s导致材料的伸长或缩短 切向应力引起材料的切向畸变
根据剪切应力互等的原理可知：xy=yx，
某点的应力状态由6个应力分量来决定
应变张量
xx ij = yx
zx
xy xz yy yx zy zz
其中xy=yx，应变也由6个独立分量决定
1773 12.2 43.0
1546 17.4 42.8
1268

第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.7硬度
1.7 硬度 硬度——用来衡量材料软硬程度的性能指标。 测试硬度的方法有多种，相应的也有多种硬
度指标。
第1章材料力学性能
1.布氏硬度 HB
1）试验原理
以压力F 将直径为D的 球形压头压入材料表面， 形成直径为d的压痕，以 压痕单位面积上承受的压 力大小来衡量材料的硬度。
L1L0 10% 0
L0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
2. 断面收缩率Ψ 断面收缩率是试样被拉断后，颈缩处的横截面积
收缩量（S0-S1）与原始横截面积S0之百分比：
S0 S1 100%
S0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
材料的δ、Ψ值越大，表明其塑性越好。 材料的塑性在工程上的实用意义： 1）塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好 的材料才可以进行变形加工。 2）塑性好的材料，不易脆断，应用时安全性比 较好。
能力。 衡量刚度大小的指标是弹性模量E。在拉伸曲线
上，E体现为oe 段的斜率。
第1章材料力学性能
铁 214000
材料的力学性能——1.5刚度
常用材料的弹性模量E/MPa
镍 210000
钛 118010
铝 72000
铜 132400
镁 45000
在一定的载荷作用下，弹性模量（E）大的材料 发生的弹性变形比较小。
1. 屈服强度σs ——材料受静载荷作用时，抵抗塑性 变形的能力。
s
FS S0
MPa
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.4强度
如果材料所受的载荷达到或超过其屈服强度，材 料就会发生塑性变形。
在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作 载荷低于零件材料的屈服强度（σ工作<σs），否则 零件就会发生塑性变形而失效。

1. 布氏硬度( Brinell-hardness )
布氏硬度计
用于测定硬度不高的 金属材料。主要有铸 铁、有色金属、低合 金结构钢、结构调质 钢等。
1. 布氏硬度( Brinell-hardness )
测定原理：
用一定大小的载荷P，把直 径为D的淬火钢球压入被测金 属的表面，保持一定的时间后 卸除载荷，用金属压痕的表面 积，除载荷所得的商值即为布 氏硬度值。
比强度 30～37 23～36 90～111
3. 塑性指标：
塑性变形： 不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断
裂前具有塑性变形的能力。
断后伸长率δ（δ5、δ10）：
断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，
即： LK L0 100%
L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材科
δ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
1.2.1 拉伸试验
3．均匀塑形变形阶段（曲线de段）
在此阶段中，试样的一部分产生塑性变形，虽 然这一部分截面减小，使此处承受负荷能力下 降。但由于变形强化的作用而阻止塑性变形在 此处继续发展，使变形推移到试样的其它部位。 这样、变形和强化交替进行，就使试样各部位 产生了宏观上均匀的塑性变形。曲线上的d点是 屈服阶段结束点也是加工硬化开始点。
1.2.1 拉伸试验
1．弹性变形阶段（曲线ob段）
在弹性变形阶段内的oa段，试样的伸长与外力 成正比例直线关系，即每增加一定外力，就对 应一定的伸长量，因此，oa段也称为线弹性变 形阶段。一旦外力超过曲线上的a点时，正比例 关系就破坏了。而该点对应的外力Fp称为比例 变形的极限外力。ab段为弹性变形的非线性阶 段，此阶段很短，一般不容易观察到。
1. 弹性指标：

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指标为冲击韧性值ak 。
ak =冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面 积
S (J/cm ) ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变
形，金属光泽，呈结晶状 。
ak值高的材料叫做韧性材料，明显塑变，断口呈 灰色纤维状，无光泽。
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材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范 围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。 发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。 材料的使用温度应高于韧脆转变温度。
第1章 工程材料的力学性能
[本章内容] 1.1 材料的强度与塑性 1.2 材料的硬度 1.3 材料的冲击韧性 1.4 材料的断裂韧度
[重点掌握] 各种力学性能指标（强度, 塑性；冲击韧性；硬度 HB，HRC，HV
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§1.1 材料的强度与塑性 1.1.1 静载时的强度 1.1.2 动载时的强度 1.1.3 高温强度 1.1.4 塑性
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1.1.3高温强度
蠕变极限：指金属在给定温度下和规定时间内 产生一定变形量的应力。
σ0.1/1000600 =88MPa 持久强度：指金属在给定温度下和规定时间内， 使材料发生断裂的应力。
σ100800 =186MPa
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1.1.4 塑性 材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
伸长率
延伸率与试样尺寸有关：δ5、δ10 (L0=5d,10d) 断面收缩率 ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100%
1.3.2小能量多次冲击试验 是在落锤式试验机上进行的， 其指标一般是以某冲击功Ak 作用下，开始出现裂纹和最 后断裂的冲击次数来表示。
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符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数 字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。 如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在 1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬 度值为 120。 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。

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金属材料的力学性能
试验阶段划分
弹性与刚度
（1）ce──弹性变形阶段
OE是直线，表示应力与应变成正比。 E是保持这种正比关系的最高点， σe称为比例极限。 OE的斜率为试样材料的弹性模量 E=Fe/ △Le 弹性模量E是衡量材料产生弹性变形 难以程度的指标。
E越大，则使其产生一定量弹性变形 的应力也越大。工程上将其称为材料 的刚度。刚度表征材料弹性变形抗力 的大小。
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金属材料的力学性能
问题1
在拉伸试验中，什么时候会出现缩颈现象？如果试样 没有出现缩颈，是否意味着试样没有产生塑性变形？
塑性任何材料就具备，例如铸铁，在拉伸试验中，灰铸铁显示出来 的形线是曲线，它变形有塑性变形（很少，基本可忽略）又有脆性 变形（大部分都是），其实即使是脆性材料塑性变形也是存在的， 只是较少，基本忽略罢了。 球墨铸铁在拉伸试验中显示的形性是直线，且试样断裂后没有出现 颈缩，但仍有微量的塑性变形。
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金属材料的力学性能
常用机械性能指标
序号 名称
1
弹性模量
2
屈服强度
3
抗拉强度
4
屈强比
5
伸长率
6
收缩率
符号
E σs σb σs/σb δ ψ
含义
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第一章 金属材料基本知识
1.2.1 金属的晶体结构
1. 晶体与非晶体
晶体是指原子（或离子）按一定的几何形状作有规律的重复排列的物 体。如纯铝、纯铁、纯铜。
σs=Fs/A0
有些材料的拉伸曲线上没有明显的屈服
点S，难于确定开始塑性变形的最低应
力值，因此，规定试样产生0.2%残余应
力值为该材料的条件屈服强度，以σ0.2

k：体积弹性模量，在三向压缩下，压强p与体 积变化率之间的线性比例关系
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工程材料力学性能
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E=2G(1+υ) E=3k(1-2 υ) 因此，各向同性材料只有两个独立分量。 弹性模量的意义是以零件的刚度体现出来
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工程材料力学性能
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1)力学性能是工程结构 或部件设计中最重要的 数据来源。
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2)力学性能通常是新 材料能否由研制状态 进入工程应用的基本 考核指标。
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3）失效分析中应用。
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工程材料力学性能
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f
f
a0
吸引力－－金属正离子与公有电子间库仑引力 作用的结果，这是一种长程力，在比原子间距 大得多的距离处它仍然起作用并占优势。
排斥力－－由同性电荷（离子，电子）间的库 仑斥力以及相邻原子电子层互相重叠的泡里斥 力所造成的，这是一种短程长，只有当原子距 离接近时才起主导作用。
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圆形试样
板状试样
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工程材料力学性能
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试样为什么要确定比例？
标距内的绝对伸长由均匀伸长和颈缩处
的集中伸长两部分组成：
l lb lu
l lb lu
lb l0
lb l0
lu S0
lu
d0 2
l l0 S0
l
l0
d0 2
有形状和尺寸的能力。
5.
塑性－－材料在外力作用下发生不

晶体结构
体心立方
面心立方
密排六方
滑移系
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滑移面 滑移方向 滑移系数量
（110） [111] 12
（111） [110] 12
（001） [001] 3
工程材料力学性能
产生滑移的力学条件
假设滑移面法向与外力F的方向夹角为，滑移方向与外力 F的方向夹角为，那么，作用在滑移方向上的分切应力为，
单晶临界分切应力
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工程材料力学性能
位错线的观察
经缀饰的位错网络
随塑性变形的进行，不断产生新位错，位错密度增加，互相缠结， 使位错运动越来越困难。
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工程材料力学性能
孪生
材料滑移系少或环境温度低，位错运动不容易进行时，也可在切应力作用下以孪生方式 实现塑性变形。
孪生变形沿特定晶面（孪生面）和特定晶向（孪生方向）进行。发生切变的部分称为孪 生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
在塑性变形过程中，由于晶粒的转动 ，当变形达到一定程度（70%以上）时， 会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向 趋于一致，这种现象称为形变织构 (texture)或择优取向（preferred orientation）。
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工程材料力学性能
冷变形纤维组织
冷变形纤维组织使材料性能产生各向异性
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工程材料力学性能
再结晶过程实验观察
加热前
625℃加热（不完全再结晶）
经70%塑性变形工业纯 铁加热时的组织变化 400×
670℃加热（完全再结晶）
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750℃加热（晶粒长大）
工程材料力学性能