【学习课件】第七章材料力学性能
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《材料力学性能》PPT课件
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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19
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20
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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17
1.2.4、包申格效应（Bauschinger）
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18
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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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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19
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20
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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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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17
1.2.4、包申格效应（Bauschinger）
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18
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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材料力学性能-第七章-金属的磨损(1)
一、粘着磨损
1.定义与特点：粘着磨损又称咬合磨损，是在 滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小 (1m/s)时发生的。它是因缺乏润滑油，摩擦副 表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接 触应力超过实际接触点的屈服强度而产生的一 种磨损。
2021年11月27日 星期六
第七章 金属的磨损
图7-2 粘着磨损表面损伤形貌
2021年11月27日 星期六
第七章 金属的磨损
由于从较软一方金属材料的表面脱离下来的 碎屑不一定全部成为磨屑，有时碎屑可能仍附于 金属表面上，因此，磨屑形成有个几率问题，设 此几率为K，则单位滑动距离内的磨损体积为：
V l
K
N
d 3
12
··················
式中：V－磨损体积；l－滑动距离；K－磨屑形成几率； d－磨屑直径
2021年11月27日 星期六
第七章 金属的磨损
图7-3中所示的粘着磨损过程是粘着点强
度比摩擦副一方金属强度高的情况，此时常在
较软一方本体内产生剪断，其碎片则转移到较
硬一方金属上，软方金属在硬方金属表面逐步
积累最终使不同金属的摩擦副滑动成为相同金
属间的滑动，故磨损量较大，表面较粗糙，甚
至可能产生咬死现象，铅基合金与钢之间的滑
粘附一层很薄的转移膜并伴有化学成分变化，这
是粘着磨损的重要特征。
2021年11月27日 星期六
第七章 金属的磨损
分三个阶段：
接触面凸起因塑性变形被
碾平，并在接触面之间形成
剪断强度高的分界面；
❖摩擦副一方金属远离分界
面内断裂，从该金属上脱落
并转移到另一方金属表面；
转移的碎屑脱落下来形成
磨屑。
材料力学性能PPT课件
氏体组织 （4）深冷处理：使淬火状态下残余奥氏体继续转变为低碳
马氏体（根据需要确定） （5）沉淀硬化处理 在480 ～550℃ 保温1小时左右，使碳化物析出弥散强化。 23
（四）弹簧的其它强化处理
（1）形变热处理
对于60Si2Mn、55Si2Mn等中碳钢具有较高的形 变强化效果，因此这类弹簧适合于热成型+淬火+回火
19
汽车板簧
扭转弹簧
大型热卷弹簧
弹簧丝
20
三、弹簧热处理 1、工作条件
储存能量和减轻震动,主要承受拉力、压力、扭力、 交变载荷； 2、失效形式： 疲劳断裂，永久变形 3、性能要求：
高的强度极限、弹性极限、疲劳极限、成型加工性 能（塑性成型、热处理性能） 4、常用材料 65、65Mn、60Si2Mn等中碳钢及中碳合金钢
3
3.齿轮的技术要求
齿面高的硬度、接触疲劳、耐磨损性能；
齿轮根部及齿轮具有高的强度和韧性。
4.齿轮用钢:低、中碳
➢ 轻载齿轮：45， 调质或正火
➢ 中载齿轮：45、40Cr， 调质，耐磨部位表面淬火
➢ 重载齿轮：20Cr、20CrMnTi， 渗碳淬火
➢ 高精度齿轮：38CrMoAlA， 调质-渗氮
21
5、热处理工艺 （一）冷成形弹簧（小弹簧）——去应力退火
由强化过的钢丝（铅淬冷拔、冷拔、淬火+回火的钢丝） 冷卷成弹簧，
只需进行去应力退火（加热温度250 ～300℃ ），以消除 变形过程中或淬火中形成的残余应力，稳定尺寸。
——淬火+中温回火（或采用等温淬火）
（二）热成形弹簧
采用热轧钢丝或钢板制成（如汽车板簧）
工艺路线
(2)渗碳 提高表面含碳量 920～930℃保温3～9h
马氏体（根据需要确定） （5）沉淀硬化处理 在480 ～550℃ 保温1小时左右，使碳化物析出弥散强化。 23
（四）弹簧的其它强化处理
（1）形变热处理
对于60Si2Mn、55Si2Mn等中碳钢具有较高的形 变强化效果，因此这类弹簧适合于热成型+淬火+回火
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汽车板簧
扭转弹簧
大型热卷弹簧
弹簧丝
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三、弹簧热处理 1、工作条件
储存能量和减轻震动,主要承受拉力、压力、扭力、 交变载荷； 2、失效形式： 疲劳断裂，永久变形 3、性能要求：
高的强度极限、弹性极限、疲劳极限、成型加工性 能（塑性成型、热处理性能） 4、常用材料 65、65Mn、60Si2Mn等中碳钢及中碳合金钢
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3.齿轮的技术要求
齿面高的硬度、接触疲劳、耐磨损性能；
齿轮根部及齿轮具有高的强度和韧性。
4.齿轮用钢:低、中碳
➢ 轻载齿轮：45， 调质或正火
➢ 中载齿轮：45、40Cr， 调质，耐磨部位表面淬火
➢ 重载齿轮：20Cr、20CrMnTi， 渗碳淬火
➢ 高精度齿轮：38CrMoAlA， 调质-渗氮
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5、热处理工艺 （一）冷成形弹簧（小弹簧）——去应力退火
由强化过的钢丝（铅淬冷拔、冷拔、淬火+回火的钢丝） 冷卷成弹簧，
只需进行去应力退火（加热温度250 ～300℃ ），以消除 变形过程中或淬火中形成的残余应力，稳定尺寸。
——淬火+中温回火（或采用等温淬火）
（二）热成形弹簧
采用热轧钢丝或钢板制成（如汽车板簧）
工艺路线
(2)渗碳 提高表面含碳量 920～930℃保温3～9h
材料性能学 第七章
第
七 章
2.蠕变断裂机理
材
料 的
等强温度：在某一温度下，晶界强度与晶内强度 相等，这个温度称为等强温度。
强度 晶界
高 温 力 学
性 能
晶界滑动和应力 集中模型 晶界断裂 空位聚集模型
晶内
温度
2014年6月12日星期四
第
七 章
晶界滑动和应力集中模型
拉应力
高应力和低温度下
滑动晶界
材
料 的
材
料 的
高
温 力
学
性 能
2014年6月12日星期四
第
七 章
二、高温下材料的粘性流动性能
材
料 的
粘性变形：在高温下产生的不可逆永久变形称为粘性 流动变形。
高
温 力
学
性 能
2014年6月12日星期四
第
七 章
三、高温硬度
1.在硬度计的工作台上加一套试样加热保温装置。
材
料 的
2.持久硬度
高
温 力
学
材
料 的
高
温 力
学
性 能
2014年6月12日星期四
第
七 章
3、高分子材料的蠕变曲线 高分子材料的粘弹性，决定了其与金属、陶瓷材料 不同的蠕变特征。蠕变曲线如图： 应变 C
材
料 的
D
高
温 力
B
学
性 能
A
时间t
应变滞后
2014年6月12日星期四
第
七 章
第一阶段：AB段，为可逆性变阶段，是普通的弹性 变形。σ=Eε
学
性 能
A
时间t
应变滞后
材料力学性能教学课件
05
材料的强度性能
抗拉强度与抗压强度
抗拉强度
材料在拉伸载荷作用下抵抗破坏的能力。
抗压强度
材料在压缩载荷作用下抵抗破坏的能力。
抗剪强度与抗扭强度
抗剪强度
材料在剪切载荷作用下抵抗破坏的能力。
抗扭强度
材料在扭转载荷作用下抵抗破坏的能力。
疲劳强度与持久强度
疲劳强度
材料在交变载荷作用下抵抗破坏的能力。
材料力学性能教学课件
目录
• 材料力学性能概述 • 材料力学性能的测试方法 • 材料的弹性性能 • 材料的塑性性能 • 材料的强度性能 • 材料力学性能的应用
01
材料力学性能概述
材料力学性能的定义
01
02
材料力学性能是指材料在一定条件下，对外界施加的力或应力、应变 和时间等物理量的响应。
这些物理量包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强 度、疲劳强度等。
广泛应用。
高分子材料
根据高分子材料的可加工性、轻 量化和易加工等特点，在汽车、 建筑、航空航天和医疗等领域得
到广泛应用。
功能材料的设计与优化
电学性能
通过添加导电或半导体材料，改 善材料的导电性、电阻率和介电 性能等电学性能，用于制造电子
器件和集成电路等。
光学性能
通过添加光学材料或采用表面处理 技术，改善材料的光学性能，用于 制造光学仪器和显示器等。
02
设备
硬度计，主要有布氏硬度计、洛氏硬 度计、维氏硬度计等类型。
01
03
试样制备
选取所需材质的试样，一般采用圆形 或方形截面，表面应平整、光滑。
数据分析
根据压痕深度或压痕直径，可以计算 出材料的硬度值。
材料力学性能第七章金属的磨损ppt课件
➢形态特征：小针状或痘状凹坑， 45 贝壳状
➢ 根据剥落裂纹起始位置及形态不同，分为：
➢ (1) 麻点剥落（点蚀）
➢ (2) 浅层剥落
➢
(3) 深层剥落（表面压碎）
46
2. 接触应力
➢ 两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力称 为接触应力，也称为赫兹应力。
➢ 线接触（齿轮）与点接触（滚珠轴承）
上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出， 当表面温度达到临界值(约80℃)时, 磨损量 和摩擦系数都急剧增加。
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润滑油、润滑脂的影响
在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂能提高润 滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨 损能力。
油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件 下，吸附在金属表面上形成边界润滑膜，防止金属表 面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。
磨损是一个复杂的系统工程
6
机件正常运行的磨损过程
（a）磨损量与 时间或行程关系曲线；
（b）磨损速率与 时间或行程关系曲线
7
3. 磨损的分类方法
粘着磨损 磨粒磨损
冲蚀磨损 疲劳磨损 微动磨损 腐蚀磨损
8
§7.2 磨损模型
一、粘着磨损 1. 磨损机理 ➢定义：在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速 度较小（钢小于1m/s）时发生的， ➢原因：缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单 位法向载荷很大，σ接触＞σs又称咬合磨损
36
主轴转速 ： 60r/min ～ 12000r/min
主轴转速示值准确度： ± 2r/min
高温炉温度范围： 室温～ 800℃；
高温炉密封性能： 在连续充入氮气（纯度
99.9%以上）的条件下，炉内 氧气含量应能达到1%以下。 最大负荷：
➢ 根据剥落裂纹起始位置及形态不同，分为：
➢ (1) 麻点剥落（点蚀）
➢ (2) 浅层剥落
➢
(3) 深层剥落（表面压碎）
46
2. 接触应力
➢ 两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力称 为接触应力，也称为赫兹应力。
➢ 线接触（齿轮）与点接触（滚珠轴承）
上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出， 当表面温度达到临界值(约80℃)时, 磨损量 和摩擦系数都急剧增加。
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润滑油、润滑脂的影响
在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂能提高润 滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨 损能力。
油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件 下，吸附在金属表面上形成边界润滑膜，防止金属表 面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。
磨损是一个复杂的系统工程
6
机件正常运行的磨损过程
（a）磨损量与 时间或行程关系曲线；
（b）磨损速率与 时间或行程关系曲线
7
3. 磨损的分类方法
粘着磨损 磨粒磨损
冲蚀磨损 疲劳磨损 微动磨损 腐蚀磨损
8
§7.2 磨损模型
一、粘着磨损 1. 磨损机理 ➢定义：在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速 度较小（钢小于1m/s）时发生的， ➢原因：缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单 位法向载荷很大，σ接触＞σs又称咬合磨损
36
主轴转速 ： 60r/min ～ 12000r/min
主轴转速示值准确度： ± 2r/min
高温炉温度范围： 室温～ 800℃；
高温炉密封性能： 在连续充入氮气（纯度
99.9%以上）的条件下，炉内 氧气含量应能达到1%以下。 最大负荷：
材料性能学课件第七章 材料的高温力学性能
蠕变极限，记作
T /t
，其中T表示测试温度，
ε/t 表示在给定的时间t内产生的蠕变应变为ε。
在蠕变时间短而蠕变速率又较大的情况下，
一般采用这种定义方法。
2．持久强度
某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对 变形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断 裂。在这种情况下，要用持久强度作为评价材料、 设计机件的主要依据。
⑷ 粘弹性机理 高分子材料在恒定应力作用下，分子链由卷
曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形，这是体系熵值 减小的过程。当外力减小或去除后，体系自发地 趋向熵值增大的状态，分子链由伸展状态向卷曲 状态回复，表现为高分子材料的蠕变回复特性。
2．蠕变断裂机理
蠕变断裂有两种情况： 一种情况是对于那些不含裂纹的高温机件，
低温下由空位扩散导致的这种断裂过程 十分缓慢，实际上观察不到断裂的发生。
金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为： 一是在断口附近产生塑性变形，有很多裂纹，使断 裂机件表面出现龟裂现象； 另一个特征是由于高温氧化，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。
三、蠕变性能指标
蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等 1．蠕变极限
在高应力高应变速率下，温度低时，金属材 料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂，这 属于一种脆性断裂方式，其断裂应变小。温度高 于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理和晶间 断裂转变为韧性穿晶断裂。
在较低应力和较高温度下，通过在晶界 空位聚集形成空洞和空洞长大的方式发生晶 界蠕变断裂，这种断裂是由扩散控制的。
1. 蠕变变形机理 位错滑移、原子扩散和晶界滑动
高分子材料：分子 链段沿外力的舒展
⑴ 位错滑移蠕变机理
材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起 的。在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动 到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能 继续滑移，也就是只能产生一定的塑性变形。
第七章复合材料力学性能的复合规律ppt课件
u m
（常见情况）
①当 Vf 较低时
单层板中纤维断裂（图7.11（d））而附加到基体 上的额外载荷不足以使基体开裂，而可以全部承受， 此时复合材料的强度为：
1u
muVm
u m
1Vf
②当 Vf 较高时 纤维断裂时，转移载荷大。
u 1
m
u f
m
Vf
1.0 0
u 1
uf Vf
m (1Vf )
1 Vm V f
或
E2 Em E f
E2
EmV f
EmE f E f (1 V f )
⑶单向板的主泊松比ν12
复合材料的主泊松比——是指在轴向外加应力时横 向应变与纵向应变的比值。
横向收缩，纵向伸长
主泊松比
12
2 1
1 —纵向应变
2 —横向应变
横向变形增量 W为：
W W f Wm
W
12
W
1
W f
f
VfW
1
Wm
m
VmW
1
121W V f f 1W Vm m1W
12 V f f Vm m
⑷单层板的面内剪切模量G12
假定纤维和基体所承受的剪切应力相等，并假 定复合材料的剪切特性是线性的，总剪切变量为D。
试样的剪切特性： f m
若试样宽度为W，则有剪切应变：
u 主要依赖于
1
u m
在纤维断裂前先发生
基体断裂，于是所有载荷转移到纤维上。
树脂破坏时（和破坏后）： m 0
刚破坏时： f f
纯树脂破坏时：
u 1
u m
纯纤维破坏时： u 1
u f
当V f 很小时，纤维不能承受这些载荷而破坏，故有：