材料基础-第八章材料的力学性能讲述
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在外力作用下所表现出的力学特性，包括强度、韧性、硬度、塑性等。
这些性能参数对于材料的选择、设计和应用具有重要的指导意义。
在工程实践中，我们需要对材料的力学性能进行全面的了解和评估，以确保材料能够满足工程要求并具有良好的可靠性和安全性。
首先，强度是材料力学性能的重要指标之一。
材料的强度表现了其抵抗外部载荷的能力，通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等参数来描述。
强度高的材料在承受外部载荷时不易发生变形和破坏，因此在工程结构和设备中得到广泛应用。
此外，韧性是衡量材料抗破坏能力的重要指标，它反映了材料在受到冲击或挤压时的变形和吸能能力。
韧性高的材料能够在受到冲击载荷时发生一定程度的塑性变形而不破坏，因此在制造高应力、高载荷的零部件和结构中具有重要意义。
此外，材料的硬度也是其力学性能的重要指标之一。
硬度反映了材料抵抗划痕和穿刺的能力，通常通过洛氏硬度、巴氏硬度、维氏硬度等参数来描述。
硬度高的材料具有较高的耐磨性和耐划痕性，适用于制造刀具、轴承、齿轮等零部件。
此外，材料的塑性也是其力学性能的重要指标之一。
塑性反映了材料在受到外部载荷作用下发生变形的能力，通常通过延伸率、收缩率、冷弯性等参数来描述。
塑性好的材料能够在受到外部载荷时发生较大的变形而不破坏，适用于制造成形性零部件和结构。
总之，材料力学性能是材料工程中的重要内容，对于材料的选择、设计和应用具有重要的指导意义。
在工程实践中，我们需要全面了解和评估材料的强度、韧性、硬度、塑性等性能参数，以确保材料能够满足工程要求并具有良好的可靠性和安全性。
希望本文能够对材料力学性能的研究和应用提供一定的参考和帮助。
金属材料的高温力学性能 材料力学性能
第二相的集聚、长大、粗化
3. 细晶强化
高温时晶界强度↓晶界体积分数↑材料强度↓
晶界体积分数↑晶界扩散能力↑塑性变形能力↑ 材料强度↓
性能与载荷作用时间相关：
蠕变和应力松弛现象 断裂方式不同： 室温 1. 静载荷 高温
位错塞积 脆性解理
2. 循环载荷
蠕变 穿晶、沿晶
疲劳
环境影响：
穿晶
疲劳、蠕变 穿晶、沿晶混合
c）复杂组织变化
持续应力作用加速新相的形核与长大
固溶原子沿应力梯度定向移动，使第二相择优溶解或集聚
2）变形机制 a）位错滑移蠕变：与位错的滑移和攀移有关 b）晶界滑动蠕变：与晶界性质有关 c）空位扩散蠕变：高温低应力，位错无法运动条件下
a）位错滑移蠕变 变形硬化和软化共同作用形成蠕变三阶段 硬化：位错受到障碍阻滞 软化：位错借助热激活和空位扩散来克服障碍
反映材料在高温长时作用下的塑性性能 蠕变脆性：在短时试验塑性很高，高温长时加载后塑性 显著降低（有的仅1%）
持久塑性不能外推
2. 蠕变过程的组织变化、变形和断裂机制 1）组织变化 a）形变分布不均匀 第一阶段：亚晶形成；第二阶段：尺寸增加到一定大小后 基本不变；第三阶段：没有大的变化 b）发生再结晶现象 低温蠕变：完全不发生回复和再结晶 高温蠕变：同时进行回复和再结晶。再结晶不一定在回复 完成之后才开始。
10
500
5
= 80 MN/mm2
在一定温度下，在规定的时间内，恰好产生某一允许的总 T 变形量，其所对应的应力确定为蠕变极限，记为 t
例如： 1 10000 = 100MN/mm2
500
两种表示方法的比较：
适用于蠕变速率大而且服役时t
力学性能说课稿
力学性能说课稿标题：力学性能说课稿引言概述：力学性能是指材料在外力作用下产生的各种变形和破坏的性质，是评价材料工程性能的重要指标之一。
在材料科学与工程学科中，力学性能的研究和评价对于材料的选择、设计和应用具有重要意义。
本文将从力学性能的定义、分类、测试方法、影响因素和应用等方面进行详细介绍。
一、力学性能的定义1.1 弹性性能：材料在受力后能恢复原状的能力。
1.2 塑性性能：材料在受力后发生永久变形的能力。
1.3 破坏性能：材料在受到过大外力作用时发生破坏的能力。
二、力学性能的分类2.1 静态力学性能：包括拉伸性能、压缩性能、弯曲性能等。
2.2 动态力学性能：包括冲击性能、疲劳性能、动态强度等。
2.3 热力学性能：包括热膨胀性能、热导率等。
三、力学性能的测试方法3.1 拉伸试验：用于评价材料的强度和韧性。
3.2 压缩试验：用于评价材料在受压状态下的性能。
3.3 冲击试验：用于评价材料在受到冲击载荷时的破坏行为。
四、力学性能的影响因素4.1 材料的组织结构：晶粒大小、晶粒取向等。
4.2 加工工艺：热处理、冷加工等对力学性能的影响。
4.3 环境条件：温度、湿度等环境因素对力学性能的影响。
五、力学性能的应用5.1 材料选择：根据应用场景选择合适的材料。
5.2 设计优化：通过优化结构设计提高材料的力学性能。
5.3 质量控制：通过对力学性能的测试和监控，确保产品质量符合要求。
总结：力学性能作为材料工程中的重要指标，对于材料的选择、设计和应用具有重要意义。
通过对力学性能的定义、分类、测试方法、影响因素和应用等方面的深入了解，可以更好地评价和利用材料的性能，推动材料科学与工程领域的发展。
第八章材料力学性能
4.金属材料蠕变断裂断口特征 宏观特征为：一是在断口附 4)高温高应力下，在强烈变形 近产生塑性变形，在变形区域 部位将迅速发生回复再结晶， 附近有很多裂纹，使断裂机件 晶界能够通过扩散发生迁移， 表面出现龟裂现象；另一个特 即使在晶界上形成空洞，空洞 征是由于高温氧化，断口表面 也难以继续长大。 往往被一层氧化膜所覆盖。 微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。
§1 蠕变现象 晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形 成交截，使晶界曲折。 应力集中不能被滑动晶界前方 晶粒的塑性交形或晶界的迁移 所松弛，那么当应力集中达到 晶界的结合强度时，在三晶粒 交界处必然发生开裂，形成楔 形空洞。
曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍了晶 界的滑动，引起应力集中，导致空 洞形成
§1 蠕变现象 2）空位聚集模型 在垂直于拉应力的那些晶界上, 当应力水平超过临界值时，通 过空位聚集的方式萌生空洞；
§1 蠕变现象 3）高分子材料 温度过低，外力太小，蠕变很 小而且很慢，在短时间内不易 觉察； 如玻璃相完全湿润 晶体相，则 玻璃相包围晶粒，抗蠕变的性能 最弱。 （3）温度： 随着温度升高，位错运动和晶界 滑动速度加快，扩散系数增大， 蠕变速率增 大。 温度过高，外力过大，形变发 展过快，也感觉不出蠕变现象； 在适当的外力作用下，通常在 高聚物的Tg以上不远，链段在 外力下可以运动，但运动时受 到的内摩 擦力又较大，只能缓 慢运动，则可观察到较明显的 蠕变现象。
第Ⅰ阶段：AB段，为可逆形变阶 段，是普通的弹性变形，即应力 和应变成正比； 第Ⅱ阶段：BC段，为推迟的弹性 变形阶段，也称高弹性变形发展 阶段；
1、蠕变变形机理 主要有位错滑移、原子扩散和 晶界滑动，对于高分子材料还 有分子链段沿外力的舒展。
§1 蠕变现象 (1) 位错滑移蠕变机理 由于原子或空位的热激活运动， 塑性变形→位错滑移→塞积、强 使得刃型位错得以攀移，攀移后 化、更大切应力下才能重新运动 的位错或者在新的滑移面上得以 滑移(a);或者与异号位错反应得 →变形速度减小； 在高温下，由于温度的升高，给 以消失(b);或者形成亚晶界(c);或 原子和空位提供了热激活的可能，者被大角晶界所吸收(d)。 使得位错可以克服某些障碍得以 这样被塞集的位错数量减少，对 运动，继续产生塑性变形。 位错源的反作用力减小，位错源 就可以重新开动，位错得以增殖 和运动，产生蠕变变形。 第I阶段，材料因变形而强化， 阻力增大，速率减小。
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在外力作用下所表现出的力学特性，包括材料的强度、韧性、硬度、塑性等。
这些性能直接影响着材料在工程领域的应用，因此对材料力学性能的研究和评价显得尤为重要。
首先，强度是材料力学性能中的重要指标之一。
材料的强度是指材料抵抗外力破坏的能力，通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等来表示。
不同材料的强度差异很大，例如金属材料的强度通常较高，而塑料和橡胶等材料的强度相对较低。
材料的强度直接影响着材料在工程中的承载能力和使用寿命。
其次，韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
韧性高的材料在受到外力作用时能够延展变形而不易断裂，这对于一些需要承受冲击或振动载荷的工程结构来说尤为重要。
例如，航空航天领域对材料的韧性要求较高，以确保飞行器在受到外部冲击时能够保持结构完整。
此外，硬度是材料力学性能中的重要参数之一。
材料的硬度是指材料抵抗划痕和压痕的能力，通常用洛氏硬度、巴氏硬度等来表示。
硬度高的材料通常具有较好的耐磨性和耐腐蚀性，适用于一些对材料表面要求较高的工程领域，例如汽车制造、船舶建造等。
最后，塑性是材料力学性能中的重要特性之一。
材料的塑性是指材料在受到外力作用时能够发生塑性变形而不断裂，这对于一些需要进行成形加工的工程材料来说尤为重要。
例如，金属材料的塑性使其能够通过锻造、轧制等工艺进行成形，从而制备出各种复杂的零部件。
综上所述，材料力学性能是材料工程领域中的重要研究内容，不同的材料力学性能对材料的应用具有重要的影响。
因此，对材料力学性能的研究和评价具有重要的意义，可以为工程领域的材料选择和设计提供重要的参考依据。
第八章固体材料的基本性能
表8-1 三种类型的洛氏硬度及应用
K 0.2 0.26 0.2
2018年9月
3. 维氏硬度HV（Vickers hardness） 维氏硬度是用两个对面体夹角均为136°的四
HS分为邵氏A和邵氏D。 邵氏A适用于软塑料。例如，对于橡胶、 泡沫塑料等；邵氏D则适合于硬塑料。
2018年9月
（4）肖氏硬度（Shore scleroscope hardness）*
肖氏硬度又叫回跳硬度，是动载试验法。 其原理是将一定重量的具有金刚石圆头或钢 球的标准冲头从一定高度h。自由落体到试件表面， 然后由于试件的弹性变形使冲头回跳到某一高度 h，用这两个高度的比值来计算肖氏硬度值KS。 肖氏硬度无量纲，冲头回跳高度越高，则试 样的硬度越高。
刚度准则要求构件在外力作用下的弹性变形不超过允 许的最大变形，否则构件是不稳定的。
刚度准则的表达式是：
δi ≤ [δi ] θi ≤ [θi]
（8-4）
φi ≤[φi]
式中，i= x, y, z ；δi, θi , φi分别是构件的挠度、转角和扭 角； [δi ]、[θi]、 [φi]分别是相应变量下除以各自的安全系数 下所允许的挠度、转角和扭角。
2018年9月
复旦大学材料科学系
2
8.1 材料性能 (property of material)
● 当材料被加工成制品时，必须考虑二大性能：使
用性能和工艺性能。同时还要考虑性价比。 （1） 使用性能 (service performance)
力学、物理、化学等性能。 （2） 工艺性能 (process property)
第八章 聚合物的力学性能
非晶聚合物不同温度下的σ 图8 非晶聚合物不同温度下的σ－ε曲线
13
第八章
聚合物的力学性能
总之， 温度升高，材料逐步变软变韧， 温度升高，材料逐步变软变韧，断裂强度 下降，断裂伸长率增加； 下降，断裂伸长率增加； 温度下降，材料逐步变硬变脆， 温度下降，材料逐步变硬变脆，断裂强 度增加， 度增加，断裂伸长率减小
宽 度
厚度d
b
P
图1 Instron 5569电子万能材料试验机 电子万能材料试验机 （electronic material testing system） ）
5
聚合物的力学性能
非晶态聚合物在Tg以下 非晶态聚合物在 以下
Point of elastic limit 弹性极限点 Yielding point 屈服点 Strain softening 应变软化
(1)温度的影响 温度的影响
非晶聚合物在不同温度下的 ε曲线如图8： 非晶聚合物在不同温度下的σ-ε曲线如图 ： 不同温度下
σ
1 2 3 T 4
T<Tb，硬玻璃态，脆性断裂 硬玻璃态，脆性断裂--1 Tb<T<Tg，软玻璃态，韧性断裂--2、3 软玻璃态，韧性断裂 、 Tg<T<Tf，高弹态 高弹态--4 T>Tf，粘流态 粘流态--5
1
第八章
（2）外力 指牛顿力
聚合物的力学性能
即对材料所施加的使材料发生形变的力。通常称为负荷。 即对材料所施加的使材料发生形变的力。通常称为负荷。 外力包括以下两类： 外力包括以下两类： 按施力方向分：拉伸力、压缩力、剪切力、弯曲力、摩擦力、 a、 按施力方向分：拉伸力、压缩力、剪切力、弯曲力、摩擦力、 扭转力等。 扭转力等。 按施力方式分：以恒定外力长期持续的作用， b、 按施力方式分：以恒定外力长期持续的作用，以一定速度缓 慢短期作用的，突然的力冲击作用的，继续反复作用的。 慢短期作用的，突然的力冲击作用的，继续反复作用的。
力学性能说课稿
力学性能说课稿标题：力学性能说课稿引言概述：力学性能是指材料在受力作用下的力学行为，它直接影响着材料的使用性能和工程应用。
在材料科学与工程学科中，力学性能是一个重要的研究方向，通过对材料的力学性能进行分析和测试，可以更好地了解材料的性能特点，指导材料的设计和应用。
本文将从材料的力学性能概念、分析方法、测试技术、影响因素和应用领域等方面进行详细介绍。
一、力学性能的概念1.1 弹性模量：弹性模量是材料在受力作用下的变形能力，是衡量材料刚度的重要指标。
1.2 屈服强度：材料在受力作用下开始产生塑性变形的临界点，是材料反抗外力的能力。
1.3 断裂韧性：材料在受力作用下发生断裂的能力，是材料抗破坏能力的重要指标。
二、力学性能的分析方法2.1 线性弹性分析：通过建立材料的应力-应变关系，分析材料在弹性阶段的力学性能。
2.2 塑性分析：研究材料在超过屈服强度后的塑性变形行为，分析材料的塑性性能。
2.3 断裂分析：通过研究材料的断裂韧性和断裂机制，分析材料的破坏行为。
三、力学性能的测试技术3.1 拉伸试验：通过施加拉力来测试材料的弹性模量、屈服强度和断裂韧性等力学性能。
3.2 压缩试验：通过施加压力来测试材料在受压状态下的力学性能。
3.3 弯曲试验：通过施加弯曲力来测试材料的弯曲强度和断裂韧性等力学性能。
四、影响力学性能的因素4.1 材料的组织结构：材料的晶粒大小、晶界密度、位错密度等组织结构对力学性能有重要影响。
4.2 温度和环境条件：温度和环境条件对材料的力学性能有明显影响，如高温会降低材料的强度和韧性。
4.3 加工工艺：材料的加工工艺会影响其组织结构和晶粒大小，进而影响力学性能。
五、力学性能的应用领域5.1 材料设计：通过对材料的力学性能进行分析，可以指导材料的设计和选择，提高材料的性能。
5.2 工程应用：在工程领域中，对材料的力学性能要求严格，力学性能的好坏直接影响着工程的安全和可靠性。
5.3 新材料研发：对新材料的力学性能进行研究，可以为新材料的研发和应用提供重要参考。
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弹性模量反映材料内部原子间结合键的强弱，一 般随温度升高而逐渐降低，与显微组织及其热处理工 艺无关。
弹性模量表征材料对弹性变形的抗力。其值愈大， 材料产生一定量的弹性变形所需要的应力愈大，工程 上也称E为材料的刚度。
需要指出的是，材料的刚度和零部件的刚度不是 一回事。提高零部件刚度的办法主要是增加零部件的 横截面积或改变截面形状。
σ= F/A0， ε=∆l/l0 =(l-l0)/l0×100％
σ：试样单位面积上的拉伸应力（MPa），
(8-1)
注：与截面垂直的应力叫拉应力，与截面平行的叫剪应力。
ε：试样上的拉伸应变（m/m）；
F：试样上的外力（N）1kg=9.8N；
A0: 试样的原始截面积（m2）； l: 试样拉伸变形后的实际长度（m）；
3.强度
材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力， 称为强度。
根据载荷的不同，强度可分为屈服强度、抗拉强 度、抗弯强度、抗扭强度和断裂强度等。
(1) 屈服强度
屈服强度表征材料发生明显塑性变形时的抗力。
在拉伸过程中，载荷不增加但试样继续伸长的现
象称为屈服。屈服时对应的应力称为屈服强度，记为
σs,可由下式求出:
通过力与位移传感器可获得载荷F(P)与试样伸长 量l之间的关系曲线，即拉伸曲线,如图8-3所示。
图8-2 拉伸机示意图
拉伸试验可以确定材料在静载作用下的力学行为， 即弹性变形、塑性变形、断裂失效的三个基本过程， 进而确定材料最基本的力学性能指标。
图8-3 碳钢应力应变曲线图
用纵坐标表示应力σ，横坐标表示应变ε，这时 的拉伸曲线与试样尺寸无关，称为应力-应变曲线或 σ-ε曲线，见图8-3。
第八章 固体材料的基本性能
8.1 材料的性能 当材料作为结构或器件使用时，必须考虑二大性
能：使用性能和工艺性能。同时还要考虑性价比。 （1） 使用性能
力学性能、物理性质和化学性质。 （2） 工艺性能
成型过程中适应加工及其连接的性能。 1） 金属的铸造、锻压、切削、热处理、焊接等。 2） 陶瓷的制粉、成型与烧结等。 3） 聚合物的成型、流变、挤出、注塑、连接等。
这些性能直接关系到材料的使用效能、成本、成 型过程中的难易程度以及制品的质量控制等。
8.2 金属的性能
8.2.1 力学性能 金属的力学性能，有时也称机械性能，是指材
料在载荷和环境因素（温度、介质）联合作用下所 表现出抵抗变形和断裂的能力，包括强度、塑性、 韧性、硬度、疲劳、断裂等。
外加载荷的作用形式如图8-1所示。 通常在试验室里模拟结构的实际使用条件，用 以确定结构的破坏方式和承载能力。
不同的试验方法可以测定材料特有的力学性能 及其性能指标。性能指标是材料在设计、选用、工 艺评定、质量检验及控制的重要依据。
以下是几种常用的力学性能指标及测定方法。
图8-1 外力载荷的作用类型
1. 拉伸应力-应变曲线 将材料加工成圆棒或板形的光滑试样装夹在拉伸
试验机上(图8-2)，沿试样轴向以一定速度施加载荷， 使其发生拉伸变形直至断裂。
E1= Ef Vf + Em Vm
(8-6)
其中， E1为复合材料的纵向弹性模量； Ef 、Em 分别为纤维和基体的弹性模量； Vf 、Vm 分别为纤维和基体的体积分数。
同理， E2为横向弹性模量,可计算为：
1 / E2 = Vf /Ef + Vm / Em
(8-7)
(2)弹性极限
材料产生微量塑性变形的抗力，记为σe，用下式 表示:
l0: 试样的原始标距长度，通常为圆棒直径d的10倍（m）。
如果截面上作用剪切力S（Q）（图8-4）,剪应力 与剪应变的关系可表示为：
τ = S/F0， γ = a/h=tanθ
(8-2)
τ:试样截面上的剪应力（ MPa）；
γ:试样上的剪应变（m/m）;
S :试样上的剪切力（N)； a :试样的剪切位移（m）； θ :剪切角变形（度）；
常用塑性指标有伸长率δ和断面收缩率ψ。其数 值由下式求出：
δ=[(l1 - l0)/ l0]×100 %
(8-11)
ψ=[(A0 - Ak)/A0 ]×100 %
(8-12)
式中l0为试样原始标距长度；l1为试样断裂后标距的长 度；A为试样原始截面积；Ak为试样断裂处截面积。
试样能承受的最大载荷除以原始截面积所得的应
力称为抗拉强度，记为σb, 即:
σb = Fb / A0
(8-10)
抗拉强度是材料在拉伸条件下能够承受最大载荷 的应力值, 是表征材料对最大均匀变形的抗力。
脆性材料由于没有明显的屈服强度σs ，在强度
设计时常用σb来计算。
4.塑性
材料断裂前发生塑性变形的能力叫塑性。
h :剪切力作用的高度（m）
图8-4 受剪切力的变形
2.弹性
材料在外力作用下产生变形，外力去除后变形完 全消失，材料恢复原状，这种可逆变形叫弹性变形。
(1)弹性模量
在弹性变形阶段，材料的应力与应变成正比关系， 两者的比值称为弹性模量（MPa），记为E,
E =σ/ε
(8-3)
（8-3）式也称为虎克定律（Hook’s 定律）。
σe = Fe/A0
(8-8)
式中Fe：弹性极限载荷，通常很难确定。
在国家标准中把产生0.01%残余伸长所需的应力作 为规定的弹性极限，记σ0.01。
(3)弹性滞后
实际工程材料，特别是高分子，加载后应变不立 即达到平衡值，卸载时变形也不马上消失，这种应变 落后于应力的现象称为弹性滞后。
对易受振动的部件，利用弹性滞后效应吸收振动 能；对仪表上的传感元件则不希望有弹性滞后现象。
如果材料受到的是剪切变形，则（8-3）式变为
G = τ/γ
(8-4)
G为抗剪模量（MPa）、τ 为剪应力（MPa）、 γ 为剪应变（mm/mm）。
G与E的关系为：
G＝E/2(1+ν)
(8-5)
ν为泊松比，是抵抗材料收缩变形的能力。
通常碳钢的ν为0.3, 陶瓷ν为0.25, 聚合物ν为0.35。
对于连续纤维增强聚合物基复合材料，其弹 性模量可计算为：
σs = Fs/A0
(8-9)
式中Fs为屈服时的外载荷。
许多材料没有明显的屈服现象。规定产生0.2%残
余伸长所对应的应力作为条件屈服强度，记为σ0.2。
(2) 抗拉强度
试样屈服后，要继续变形，需要不断增加载荷。
但载荷达到最大值Fb后，试样某一部位的截面开始急 剧缩小，出现“缩颈”致使载荷下降，直到最后断裂。