材料的力学行为
材料的力学行为和性能
四、 断裂韧性
（一）、低应力脆断 材料抵抗裂纹扩展断裂的能力叫断裂韧性。机械 零件的传统强度设计为σ <[σ ]=σ 0.2/n(n为安全 系数),一般认为用此式设计的零件是安全的,不会 产生塑性变形，更不会断裂。但是，有些高强钢 制造的零件或大型焊接构件如桥梁、船舶等，有 时会在工作应力远低于材料屈服强度甚至低于许 用应力的条件下突然发生脆性断裂，这种工作应 力远低于材料屈服强度的断裂叫低应力脆断。
S0
ψ=
S0 - S k × 100% S0
L k– L 0
δ = × 100%
L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材料，δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料，δ > 10% 属塑性材料 其断口特征如图所示。
（二）硬度
是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。 1. 布什硬度（HBW）
F 2F HBW S D（D D 2 d 2）
（二）、断裂韧度 裂纹扩展的基本形式
a) 张开型
b) 滑开型
c) 撕开型
应力场强度因子Ｋ1 裂纹尖端产生应力集中形成应力场，衡量裂纹尖端附近 应力场强弱程度的力学参量称为应力场强度因子，用KⅠ 表示。其表达式为：
K1 Y a
式中：a为裂纹尺寸。 断裂韧度KⅠC 裂纹扩展时的临界应力场强度因子值称为材料的断裂韧度， 用KⅠC表示，单位为MPa· m1/2。其为材料抵抗裂纹扩展 断裂的能力大小的表现，为材料的固有属性，与材料的成 分、组织、热处理以及加工工艺有关，与裂纹的大小、形 状、外加应力等无关。
K1C c Y a
1.2.1 金属材料的工艺性能
一.铸造性能
工程材料第二章 (材料的力学行为)
20
材料规定应力循环基数
钢铁材料：应力循环次数 为：107 有色金属：应力循环次数 为：108
21
2.1.4 冲击韧度（韧性） 1）概念
材料在冲击载荷的作用下，抵 抗破坏的能力。
2）试验方法
一次冲击弯曲实验，或称一次 性摆锤弯曲冲击试验。
3）冲击韧度指标
以材料受冲击断裂时单位面积 上所消耗的能量来表示的。 (J/mm2 ) Ak-冲击功，F-缺口处截面积
51
（3）残余应力的危害 降低工件的承载能力 当残余应力与工作应力一致时可能会使工件 产生宏观或微观的破坏。 使工件尺寸及形状发生变化 ； 在其平衡状态受到破坏，工件的应力状态将 发生变化，从而引起工件形状和尺寸的变 化，丧失精度。 降低工件的耐蚀性 残余应力的存在，使金属晶体处于高的能量 状态下，金属易与周围介质发生化学反应， 而导致金属耐蚀性降低 （4）消除残余应力主要方法：
ak ＝Ak /F
22
一般情况下： a 值越小,表明材料的韧性越 低， 脆性越大。 一般把韧性值a 高的材料称作 韧性材料， a 值低的材料称为 脆件材料。
k k k
23
Titanic沉没原因
Titanic ——含硫高的钢 板，韧性很差，特别是在 低温呈脆性。所以，冲击 试样是典型的脆性断口。 近代船用钢板的冲击试样 则具有相当好的韧性。
37
3) 孪生
(1) 孪生变形 在切应力作用下，晶体的 一部分对应于一定的晶面 （孪晶面）产生一定角度 的切变。 (2) 特点 原子移动的距离与原子离 开孪晶面的距离成正比； 相邻原子间的位移只有一 个原子间距的几分之一。
38
2.2.2 多晶体的塑性变形
1) 晶界和晶粒位向的影响
(1) 晶界的影响 两晶粒试样拉伸变形特点 远离晶界的地方变形量较 大，而晶界附近变形量较小 （“竹节”现象）。
微纳力学与材料力学行为
微纳力学与材料力学行为微纳力学是研究微观尺度下材料和结构的力学行为的科学，是力学学科中的前沿研究领域之一。
微纳尺度下的材料具有独特的物理和力学行为，与宏观材料存在着显著的差异。
本文将介绍微纳力学及其相关技术，并探讨微纳尺度下的材料力学行为。
一、微纳力学的基本原理微纳力学是力学学科在微观尺度上的延伸和发展，它涉及到微观颗粒、原子和分子的相互作用以及它们之间的力学行为。
微纳力学主要包括材料的力学行为研究、微观结构的弹性、塑性和疲劳等性能研究以及微纳尺度下的力学设计和力学测试等内容。
微纳尺度下的材料力学行为主要受到两个因素的影响：尺寸效应和表面效应。
当材料的尺寸缩小到微纳米级别时，尺寸效应会显著影响材料的力学行为。
在很小的尺寸下，材料的力学性能将表现出与宏观尺度不同的行为，比如材料的强度、韧性和硬度等会发生明显的变化。
此外，材料在微纳尺度下的表面积与体积之比也会显著增加，从而使表面效应成为影响力学行为的重要因素。
二、微纳力学的研究方法为了研究微纳尺度下的材料力学行为，科学家们发展了一系列的实验和模拟方法。
其中，纳米压痕试验和原子力显微镜等实验技术成为微纳尺度下材料力学性能评价的主要手段。
通过纳米压痕试验，可以测量材料的硬度和弹性模量等力学参数，从而研究材料在微纳尺度下的力学性能。
原子力显微镜可以以原子尺度的分辨率观察材料的表面和形态，并对材料的纳米尺度下的力学行为进行直接观测。
此外，还有一些计算模拟方法在微纳力学研究中得到了广泛应用，比如分子动力学模拟、有限元方法等。
通过这些计算方法，研究人员可以模拟材料的内部结构和力学行为，并预测材料的力学性能。
三、微纳尺度下的材料力学行为微纳力学研究发现，材料在微纳尺度下具有独特的力学行为。
以弹性行为为例，当材料的尺寸减小到微纳米级别时，材料会出现弹性畸变。
这是由于在微纳尺度下，晶体的原子结构和排列方式发生了变化，导致应力场分布的不均匀性增加，从而引起材料的弹性畸变现象。
材料的力学行为与变形
材料在断裂时吸收的能量。 材料中的缺陷或几何形状会导致应力集中。 材料在循环加载下失效的时间。
力学性能的测定
材料试验机
材料试验机是用于测定材料力 学性能的常用实验设备之一。
应变计
显微镜分析
应变计是测量材料应变的设备。 可以通过它来计算材料的应力。
使用显微镜可以观察材料的微 观结构和研究材料的性质。
材料的力学行为与变形
材料力学行为和变形是材料科学中的基本概念。本课程将介绍有关材料力学 性质、应力和应变关系、杨氏模量和泊松比、拉伸、压缩和剪切、塑性变形 和弹性回复，以及破坏性行为和断裂力学的内应力和应变？
应力和应变是描述材料强度和变形的基本概念。
2
什么是杨氏模量和泊松比？
杨氏模量和泊松比是常用的描述弹性行为的参数。
3
拉伸、压缩和剪切
拉伸、压缩和剪切是常见的材料变形形式。
塑性变形与弹性回复
塑性变形
塑性变形是材料变形的一种类型，在材料受力后会发生永久性形变。
弹性回复
弹性回复是材料变形的另一种类型，形变后可以恢复原来的外形和尺寸。
破坏性行为和断裂力学
断裂韧性 应力集中 疲劳寿命
• 同时考虑材料成本和 制造工艺。
模拟和分析
• 使用计算机辅助设计 和仿真软件进行模拟 和分析。
总结
材料力学行为和变形
了解材料的力学行为和变形， 可以帮助我们选择合适的材料 进行设计和制造。
测试和分析
应用和设计
使用实验测试和计算机仿真可 以更好地了解材料的力学特性。
合理地选择材料和进行设计， 可以满足不同应用场景的需要。
力学行为的影响因素
1 材料的形状和尺寸 2 加工历史和处理
3 温度和环境条件
材料力学行为
材料力学行为材料力学行为是指材料在外力作用下所表现出的特性和性能。
材料力学行为的研究对于材料的设计、加工和应用具有重要意义。
在工程实践中，我们常常需要对材料的力学行为进行分析和评估，以确保材料在使用过程中能够满足设计要求并具有良好的性能。
首先，材料的力学行为受到其组成和结构的影响。
不同的材料具有不同的组成和结构，因此它们的力学行为也会有所不同。
例如，金属材料通常具有良好的塑性和韧性，而陶瓷材料则具有较高的硬度和脆性。
这些不同的力学行为特性使得不同材料在不同的工程应用中具有各自的优势和局限性。
其次，材料的力学行为还受到外部加载条件的影响。
材料在不同的加载条件下会表现出不同的力学行为特性。
例如，在拉伸加载下，金属材料通常会表现出良好的延展性和塑性变形，而在压缩加载下则会表现出较高的强度和刚度。
因此，对于不同的工程应用，我们需要根据材料的力学行为特性选择合适的加载条件，以确保材料能够发挥最佳的性能。
此外，材料的力学行为还受到温度、湿度等环境因素的影响。
在不同的环境条件下，材料的力学行为可能会发生变化。
例如，高温会降低金属材料的强度和硬度，从而影响其使用性能；而潮湿的环境则会加速某些材料的腐蚀和疲劳破坏。
因此，在工程实践中，我们需要充分考虑环境因素对材料力学行为的影响，以确保材料能够在特定的环境条件下具有良好的稳定性和可靠性。
综上所述，材料力学行为是材料科学和工程领域中的重要研究内容。
通过对材料的力学行为进行深入的研究和分析，我们能够更好地理解材料的性能和特性，为材料的设计、加工和应用提供科学依据和技术支持。
同时，我们也能够更好地利用材料的特性和优势，开发出更加先进和具有竞争力的工程材料，推动材料科学和工程技术的发展。
材料力学行为和破坏机理概述
材料力学行为和破坏机理概述材料力学行为和破坏机理是材料科学与工程领域中的重要研究方向。
通过对材料力学行为的研究，可以深入了解材料在受力下的表现，从而为材料设计和工程应用提供基础理论支持。
同时，破坏机理的研究有助于掌握材料的失效原因，提高材料的强度和耐久性。
材料力学行为主要包括弹性、塑性、粘弹性和蠕变等方面的研究。
弹性是指材料在受力后可以恢复原状的性质。
弹性密度矩阵是一个重要的参数，它描述了材料在受力下的变形行为。
当材料受到外力作用时，其原子和分子会发生位移和变形，形成应力和应变。
弹性力学模型可以通过应力和应变之间的关系来描述材料的弹性行为。
塑性是指材料在受力下会发生持久性变形的性质。
当材料的应力超过其弹性范围时，会产生塑性变形。
通常，材料的塑性行为可以通过屈服强度和塑性应变来描述。
屈服强度是材料在受力下开始发生塑性变形时的应力值，而塑性应变则是材料发生塑性变形的量度。
塑性变形一般会导致材料的断裂或失效，因此塑性行为的研究对于材料设计和使用至关重要。
粘弹性是一种介于弹性和流变之间的材料行为。
粘弹性材料在受力下会同时表现出弹性和流变的特点。
粘弹性行为主要由粘弹性模量和粘弹性系数来描述。
粘弹性模量表示材料在受到外力作用时所表现出的回弹性质，而粘弹性系数则表示材料在变形过程中的粘滞程度。
蠕变是材料在长时间高温下发生的持续性变形现象。
蠕变行为的研究对于高温环境下工程结构的设计具有重要的意义。
蠕变主要由蠕变速率和蠕变寿命来描述。
蠕变速率表示材料在长时间受力下的变形速度，而蠕变寿命则是材料能够承受蠕变变形的时间。
在材料的使用过程中，破坏机理是一个至关重要的研究领域。
破坏机理的研究可以帮助我们了解材料的强度和耐久性，从而对材料的使用和维护提供指导。
常见的破坏机理包括断裂、疲劳和腐蚀等。
断裂是指材料在受到外力作用下破碎或失效的现象。
断裂行为可以通过断裂韧性来描述。
断裂韧性是材料抵抗断裂的能力，通常通过拉伸试验中的断裂应变和断裂应力来评估。
工程材料的力学行为-变形、断裂与疲劳的工程方法
工程材料的力学行为-变形、断裂与疲劳的工程方法工程材料的力学行为变形、断裂与疲劳的工程方法工程材料的力学行为是指材料在受力作用下的变形、断裂和疲劳等力学特性。
这些特性对于工程设计和材料选择至关重要。
本文将介绍工程材料的力学行为变形、断裂和疲劳的工程方法。
一、变形的工程方法变形是指材料在受力作用下发生的形状和尺寸的改变。
变形的工程方法主要包括弹性变形和塑性变形。
1.弹性变形弹性变形是指材料在受力作用下发生的可逆变形。
当外力作用消失时，材料会恢复到原来的形状和尺寸。
弹性变形的工程方法主要包括杨氏模量和泊松比。
杨氏模量是指材料在弹性变形时单位应力下的应变。
杨氏模量越大，材料的刚度越大，弹性变形能力越强。
泊松比是指材料在弹性变形时横向应变与纵向应变之比。
泊松比越小，材料的弹性变形能力越强。
2.塑性变形塑性变形是指材料在受力作用下发生的不可逆变形。
当外力作用消失时，材料不会恢复到原来的形状和尺寸。
塑性变形的工程方法主要包括屈服强度、延伸率和冷加工硬化指数。
屈服强度是指材料在塑性变形时开始发生塑性变形的应力值。
延伸率是指材料在塑性变形时断裂前的伸长量与原始长度之比。
冷加工硬化指数是指材料在冷加工过程中硬度的增加量。
二、断裂的工程方法断裂是指材料在受力作用下发生的破裂现象。
断裂的工程方法主要包括断裂韧性和断裂强度。
1.断裂韧性断裂韧性是指材料在断裂前吸收的能量。
断裂韧性越大，材料的抗断裂能力越强。
断裂韧性的工程方法主要包括冲击韧性和拉伸韧性。
冲击韧性是指材料在受冲击载荷作用下的抗冲击能力。
拉伸韧性是指材料在拉伸载荷作用下的抗拉伸能力。
2.断裂强度断裂强度是指材料在断裂时的应力值。
断裂强度越大，材料的抗断裂能力越强。
三、疲劳的工程方法疲劳是指材料在受交变载荷作用下发生的损伤和破坏。
疲劳的工程方法主要包括疲劳寿命和疲劳极限。
1.疲劳寿命疲劳寿命是指材料在受交变载荷作用下能够承受的循环次数。
疲劳寿命越长，材料的抗疲劳能力越强。
材料的力学行为及性能
低温会导致材料收缩，因为原子或分子的振动幅度减小。
腐蚀环境下的力学性能
腐蚀疲劳
在腐蚀环境中，材料会经历周期性的腐 蚀和损伤，导致材料的疲劳性能下降。
腐蚀速率
腐蚀环境会影响材料的腐蚀速率，导 致材料的力学性能随时间发生变化。
应力腐蚀开裂
在腐蚀和应力的共同作用下，材料可 能发生应力腐蚀开裂，即材料在较低 的应力下发生脆性断裂。
人工智能预测
总结词
人工智能预测是一种基于数据和算法的预测 方法，通过机器学习等技术对材料性能进行 预测。
详细描述
随着大数据和机器学习技术的发展，人工智 能在材料科学领域的应用越来越广泛。通过 训练机器学习模型，输入材料的成分、结构 等信息，可以预测材料的力学性能、热学性 能等。这种方法具有快速、准确、可预测性 高等优点，为材料设计和优化提供了新的思 路和方法。
跨学科研究的融合
材料科学与生物医学
将材料科学应用于生物医学领域，如组织工程和药物传递，实现 个性化医疗和精准治疗。
材料科学与环境科学
研究材料的环境适应性，发展环保型材料，降低生产过程中的能 耗和排放。
材料科学与信息科学
探索新型电子材料和光子材料，推动信息技术的发展和革新。
智能化与自动化的应用
材料性能模拟与预测
蠕变
在高温下，材料会经历蠕变，即随着 时间的推移发生缓慢的塑性变形。
热膨胀
高温会导致材料膨胀，因为原子或分 子的振动幅度增大。
低温下的力学性能
弹性模量 屈服强度
脆化 热收缩
随着温度降低，材料的弹性模量通常会增加，导致材料变得更 加刚硬。
低温下，材料的屈服强度通常会增加，因为原子或分子的振动 幅度减小，增强了原子间的相互作用力。
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2、孪生
孪晶（带）：发生切变的晶体部分。
每层原子面相对于相邻原子面的移动量相同，移动距离和离
孪生面的距离成正比，且不是原子间距的整数倍。
孪生变形部分晶体与未变形部分晶体在孪生面两侧呈镜面对
称。
产生孪生所需要的切应力一般高于滑移所需，即是否
产生孪生与晶体是否产生滑移有关。
孪生变形会引起晶格畸变，因此产生的塑性变形量不
迥线包围的面积表示输入的能量，即单位体积的材料在每一周期所 消耗的能量（消耗于加热材料和周围的环境）。
原子移动消耗部分机械能为热能而消散
滞弹性对振动过程起阻尼作用
四、高弹性
一般弹性变形不能超过某一个范围。
如：结晶态物质
弹性体：可逆弹性变形范围大的材料。
如：橡胶→100％以上
特点：弹性变形大，弹性模量小，且弹模随温度升高
流动：材料内部质点调换其相邻质点的切变过程
固体材料的塑性变形→晶体的塑性流动
原子面按照晶体学规律相互滑动
（一）单晶体的塑性流动
1、滑移（主要原因）
晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）的一定方向
（滑移方向）相对于晶体的另一部分发生滑动。
结果：在晶体表面造成相对位移，形成滑移台阶
滑移带 滑移台阶 滑移线
塑性和脆性随温度、含水率、加荷速度而改变
沥青：低温脆性，高温塑性
塑性变形
屈服强度
材料由弹性行为转变为塑性行为时所承受的应力。
σ 屈服强度 σb 弹性变形 ε 塑性变形 破坏
a’— 比例极限
a — 弹性极限 b — 屈服上限 c — 屈服下限 e — 极限强度
二、塑性变形机理
亚微观和微观看，永久变形是结构发生了流动
混凝土的弹性模量
三、滞弹性
——无机固体和金属的与时间有关的弹性
理想的弹性固体→弹性变形→马上恢复 实际材料，尽管弹性变形可逆且呈线性关系， 但存在变形和回复在时间上的滞后。这种与时 间有关的弹性行为称为滞弹性。 滞弹性本质：交变应力导致原子不断换位，而 位移的往返需要一定的时间。
滞性迥线（滞 后迥线）
而增大
橡胶弹性：
可耐非常大的变形而不被破坏 除去外力后可恢复到原来长度
要求分子链长，易于变形，具有交联点
第二节
一、塑性变形
材料的塑性
塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后不
能完全恢复原有形状。
塑性变形（永久变形、残余变形）：不可恢复的变形
与弹性变形不同：外力所做的功没有全部变成内功，
第三章 材料的力学行为
材料在外力作用下所产生的变形、 抵抗力（即强度）及破坏等，又称 为力学性能。
第一节 材料的弹性
一、弹性和弹性变形
材料变形的实质：内部质点在外力作用下，偏
离或改变了原来的平衡位置，产生了相对位移。 应力：单位面积上材料内部产生的平衡外力的 抵抗力。 应变：材料相对变形的大小。
大（≤10％），但速度很快（接近于声速） 。
孪生与滑移的主要区别
1、孪生使晶格位向改变，造成变形晶体与未变 形晶体的对称分布；滑移不引起晶格变化。 2、孪生时原子沿孪生方向的相对位移是原子间 距的分数；滑移时原子在滑移方向的相对位移 是原子间距的整数倍。 3、孪生变形所需切应力比滑移大。
滑移系数量＝滑移面数×滑移方向数 滑移系越多，滑移的可能性越大，塑性越好。 温度影响：温度较高时，滑移系增加。
滑移与位错运动密切相关
位错使屈服强度降低很多。位错运动的结果产生了滑移变形
单晶体的塑性流动
2、孪生
晶体的一部分沿着一定晶面（孪生面）沿一定方向
（孪生方向）发生切变。
E 2G(1 ) 3K (1 )
泊松比
E 2G 3K E 2G 6K
横向收缩系数，固体弹性伸长一定量时其横截面的减少量， 为缩短应变与伸长应变的比值。 上述公式适用于各向同性材料。
二、弹性模量
E、G、K表示材料的弹性变形阻力，即材料的刚度。 材料的弹性模量主要取决于结合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。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。共价键 结合的材料弹性模量最高，而主要依靠分子键结合的 高分子，由于键力弱其弹性模量最低。弹性模量是和 材料的熔点成正比的，越是难熔的材料弹性模量也越 高。 温度的升高导致晶格热运动增强，原子键合刚度下降 →弹性模量随温度上升而稍有降低。
对滑移线的观察也表明了晶体塑性变 形的不均匀性，滑移只是集中发生在 一些晶面上，而滑移带或滑移线之间 的晶体层片则未产生变形，只是彼此 之间作相对位移而已。
单晶体的塑性流动
滑移总是沿着晶体中原子排列密度最大的晶面 进行
最密排晶面间距最大，结合力最弱，滑移阻力最小 发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向 一个滑移面和这个面上的一个滑移方向组成滑移系
一、弹性和弹性变形
弹性：材料在外力作用下产生变形，当外 力除去后，变形随即消失，材料恢复至原 来的形状。
弹性变形（瞬时变形、可恢复变形）：即 刻恢复的变形。
虎克固体模型
l σ E
Hooke定律 ＝E·
二、弹性模量
弹性变形的 力学特点: 小形变、可回复
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、弹性模量
拉应力或压应力：
孪生一般在不易滑移的条件下发生。
4、孪生产生的塑性变形量比滑移小得多。
在外力超过材料质点间的相互作用力后，引起材料部 分结构或构造的破坏，造成不可恢复的永久变形。
圣维南固体模型
σ 上屈服点 下屈服点
τ
静摩擦
动摩擦 ε
A
B
塑性变形曲线
O
b
变形
塑性变形
脆性材料：破坏前无显著变形而突然破坏
砖瓦、生铁
塑性材料：破坏前有显著塑性变形
沥青、低碳钢
混凝土、钢筋混凝土：一种弹、塑、粘性混合 的材料
E
剪切应力：
σ－垂直应力； ε－垂直应变； E －弹性模量（杨氏模量或纵向弹性模量）
τ －剪切应力；
γ －剪切应变； G －剪切模量（刚性模量或横向弹性模量）
G
静水压应力：
σm－静水压应力；
εV－体积应变； K －体积弹性模量（压缩模量）
m KV
二、弹性模量
E、G、K关系：