材料力学性能
材料的力学性能
材料的力学性能
材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出的性能，主要包括强度、韧性、硬度、塑性等指标。
这些性能对于材料的选择、设计和应用具有重要意义。
下面将分别对材料的强度、韧性、硬度和塑性进行介绍。
首先，强度是材料抵抗破坏的能力，通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等
指标来表示。
强度高的材料具有较好的抗破坏能力，适用于承受大外力的场合。
例如，建筑结构中常使用高强度钢材，以保证结构的安全稳定。
其次，韧性是材料抵抗断裂的能力，也可以理解为材料的延展性。
韧性高的材
料在受到外力作用时能够延展变形而不断裂，具有较好的抗震抗冲击能力。
例如，汽车碰撞安全设计中常使用高韧性的材料，以保护乘车人员的安全。
再次，硬度是材料抵抗划伤和压痕的能力，通常用洛氏硬度、巴氏硬度等指标
来表示。
硬度高的材料具有较好的耐磨损性能，适用于制造耐磨损零部件。
例如，机械设备中常使用高硬度的合金材料来制造齿轮、轴承等零部件。
最后，塑性是材料在受力作用下发生塑性变形的能力，通常用延伸率、收缩率
等指标来表示。
具有良好塑性的材料能够在加工过程中较容易地进行成型和加工，适用于复杂零部件的制造。
例如，塑料制品的生产常使用具有良好塑性的材料，以满足复杂形状的加工需求。
综上所述，材料的力学性能是材料工程领域中的重要指标，对于材料的选择、
设计和应用具有重要意义。
强度、韧性、硬度和塑性是衡量材料力学性能的重要指标，不同的应用场合需要选择具有不同力学性能的材料，以满足工程需求。
因此，深入了解和掌握材料的力学性能，对于材料工程师和设计师来说是非常重要的。
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。
材料力学性能
24ΔK:材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关，而且与当时的裂纹尺寸有关。ΔK是由应力范围Δσ和a复合为应力强度因子范围，ΔK=Kmax-Kmin=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a. p105/p120
答：当 增加到某一临界值时， 能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。将 的临界值记作 ，称断裂韧度，表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量，其单位与 相同。
Ｊ判据和 判据一样都是裂纹开始扩展的裂纹判据，而不是裂纹失稳扩展的裂纹判据。P91/P104
3、试述低应力脆断的原因及防止方法。
4弹性模量：工程上被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。实质是产生100%弹性变形所需的应力。
5滞弹性：快速加载或卸载后，材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。
6内耗：加载时材料吸收的变形功大于卸载是材料释放的变形功，即有部分变形功倍材料吸收，这部分被吸收的功称为材料的内耗。
7韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加。影响材料低温脆性的因素有:1．晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。
2．化学成分：能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。3．显微组织：①晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。因为晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减 少，有利于降低应力集中；
材料力学性能
§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。
材料力学性能
填空1-1、金属弹性变形是一种“可逆性变形”，它是金属晶格中原子自平衡位置产生“可逆位移”的反映。
1-2、弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生“100％”弹性变形所需的应力。
1-3、弹性比功表示金属材料吸收“弹性变形功”的能力。
1-4、金属材料常见的塑性变形方式主要为“滑移”和“孪生”。
1-5、滑移面和滑移方向的组合称为“滑移系”。
1-6、影响屈服强度的外在因素有“温度”、“应变速率”和“应力状态”。
1-7、应变硬化是“位错增殖”、“运动受阻”所致。
1-8、缩颈是“应变硬化”与“截面减小”共同作用的结果。
1-9、金属材料断裂前所产生的塑性变形由“均匀塑性变形”和“集中塑性变形”两部分构成。
1-10、金属材料常用的塑性指标为“断后伸长率”和“断面收缩率”。
1-11、韧度是度量材料韧性的力学指标，又分为“静力韧度”、“冲击韧度”、“断裂韧度”。
1-12、机件的三种主要失效形式分别为“磨损”、“腐蚀”和“断裂”。
1-13、断口特征三要素为“纤维区”、“放射区”、“剪切唇”。
1-14、微孔聚集断裂过程包括“微孔成核”、“长大”、“聚合”，直至断裂。
1-15、决定材料强度的最基本因素是“原子间结合力”2-1、金属材料在静载荷下失效的主要形式为“塑性变形”和“断裂”。
2-2、扭转试验测定的主要性能指标有“切变模量”、“扭转屈服点τs”、“抗扭强度τb”。
2-3、缺口试样拉伸试验分为“轴向拉伸”、“偏斜拉伸”。
2-5、压入法硬度试验分为“布氏硬度”、“洛氏硬度”和“维氏硬度”。
2-7、洛氏硬度的表示方法为“硬度值”、符号“HR”、和“标尺字母”。
3-1、冲击载荷与静载荷的主要区别是“加载速率不同”。
3-2、金属材料的韧性指标是“韧脆转变温度tk4-1、裂纹扩展的基本形式为“张开型”、“滑开型”和“撕开型”。
4-2、机件最危险的一种失效形式为“断裂”，尤其是“脆性断裂”极易造成安全事故和经济损失。
4-3、裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据：KI≥KIC 4-4、断裂G判据：GI≥GIC 。
材料的力学性能
材料的力学性能mechanical properties of materials主要是指材料的宏观性能，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。
它们是设计各种工程结构时选用材料的主要依据。
各种工程材料的力学性能是按照有关标准规定的方法和程序，用相应的试验设备和仪器测出的。
表征材料力学性能的各种参量同材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特性（静力、动力、冲击力等）、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。
材料的各种力学性能分述如下：弹性性能材料在外力作用下发生变形，如果外力不超过某个限度，在外力卸除后恢复原状。
材料的这种性能称为弹性。
外力卸除后即可消失的变形，称为弹性变形。
表示材料在静载荷、常温下弹性性能的一些主要参量可以通过拉伸试验进行测定。
拉伸试样常制成圆截面(图1之a)或矩形截面(图1之b)棒体,l为标距,d为圆形试样的直径,h和t分别为矩形截面试样的宽度和厚度,图中截面形状用阴影表示,面积记为A。
长度和横向尺寸的比例关系也有如下规定：对于圆形截面试样,规定l=10d或l=5d；对于矩形截面试样,按照面积换算规定或者。
试样两端的粗大部分用以和材料试验机的夹头相连接。
试验结果通常绘制成拉伸图或应力－应变图。
图2为低碳钢的拉伸图,横坐标表示试样的伸长量Δl(或应变ε=Δl/l)，纵坐标表示载荷P（或应力ζ＝P/A）。
图中的曲线从原点到点p为直线，pe段为曲线，载荷不大于点e所对应的值时,卸载后试样可恢复原状。
反映材料弹性性质的参量有比例极限、弹性极限、弹性模量、剪切弹性模量和泊松比等。
比例极限应力和应变成正比例关系的最大应力称为比例极限，即图中点p所对应的应力,以ζp表示。
在应力低于ζp的情况下，应力和应变保持正比例关系的规律叫胡克定律。
载荷超过点p对应的值后,拉伸曲线开始偏离直线。
弹性极限试样卸载后能恢复原状的最大应力称为弹性极限，即图中点e所对应的应力,以ζe表示。
若在应力超出ζe后卸载，试样中将出现残余变形。
材料力学性能
材料⼒学性能第⼀章⼀.静载拉伸实验拉伸试样⼀般为光滑圆柱试样或板状试样。
若采⽤光滑圆柱试样，试样⼯作长度（标长）l0 =5d0 或l0 =10d0，d0 为原始直径。
⼆.⼯程应⼒：载荷除以试件的原始截⾯积。
σ=F/A0⼯程应变：伸长量除以原始标距长度。
ε=ΔL/L0低碳钢的变形过程：弹性变形、不均匀屈服塑性变形(屈服)、均匀塑性变形(明显塑性变形)、不均匀集中塑性变形、断裂。
三.低碳钢拉伸⼒学性能1．弹性阶段（Ob）（1）直线段（Oa）：线弹性阶段，E=σ/ε（弹性模量，⽐例常数）σp—⽐例极限（2）⾮直线段（ab）：⾮线弹性阶段σe—弹性极限2. 屈服阶段（bc）屈服现象：当应⼒超过b点后，应⼒不再增加，但应变继续增加，此现象称为屈服。
σs—屈服强度（下屈服点），屈服强度为重要的强度指标。
3.强化阶段（ce）材料抵抗变形的能⼒⼜继续增加，即随试件继续变形，外⼒也必须增⼤，此现象称为材料强化。
σb—抗拉强度，材料断裂前能承受的最⼤应⼒4．局部变形阶段（颈缩）（ef）试件局部范围横向尺⼨急剧缩⼩，称为颈缩。
四.主要⼒学性能指标弹性极限（σe）：弹性极限即指⾦属材料抵抗这⼀限度的外⼒的能⼒屈服强度（σs）：抵抗微量塑性变形的应⼒五.铸铁拉伸⼒学性能特点：（1）较低应⼒下被拉断（2）⽆屈服，⽆颈缩（3）延伸率低（4）σb—强度极限（5）抗压不抗拉讨论1：σs 、σr0.2、σb都是机械设计和选材的重要论据。
实际使⽤时怎么办？塑性材料：σs 、σr0.2脆性材料：σb屈强⽐：σs /σb讨论2：屈强⽐σs /σb有何意义？屈强⽐s / b值越⼤，材料强度的有效利⽤率越⾼，但零件的安全可靠性降低。
六.弹性变形及其实质定义：当外⼒去除后，能恢复到原来形状和尺⼨的变形。
特点：单调、可逆、变形量很⼩(<0.5~1.0%)2E 21a 2e e e e σεσ==七.弹性模量1、物理意义：材料对弹性变形的抗⼒。
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材料⼒学性能第⼀章：绪论⼀、需要掌握的概念材料⼒学性能的定义、弹性变形、线弹性、滞弹性、弹性后效、弹性模量、泊松⽐、弹性⽐功、体弹性模量⼆、需要重点掌握的内容 1、弹性模量的物理本质以及影响弹性模量的因素； 2、掌握根据原⼦间势能函数推倒简单结构材料弹性模量的⽅法； 3、弹性⽐功的计算，已知材料的应⼒应变曲线能求出材料卸载前和卸载后的弹性⽐功。
材料⼒学性能的定义 是指材料（⾦属和⾮⾦属等）及由其所加⼯成的⼯件在外⼒（拉、压、弯曲、扭转、剪切、切削等）作⽤下⾬加⼯、成型、使役、实效等过程中表现出来的性能（弹塑性、强韧性、疲劳、断裂及寿命等）。
这些性能通常受到的环境（湿度、温度、压⼒、⽓氛等）的影响。
强度和塑性和结构材料永恒的主题！弹性变形 是指材料的形状和尺⼨在外⼒去除后完全恢复原样的⾏为。
线弹性 是指材料的应⼒和应变成正⽐例关系。
就是上图中弹性变形⾥前⾯的⼀段直线部分。
杨⽒模量（拉伸模量、弹性模量） 我们刚刚谈到了线弹性，在单轴拉伸的条件下，其斜率就是杨⽒模量（E）。
它是⽤来衡量材料刚度的材料系数（显然杨⽒模量越⼤，那么刚度越⼤）。
杨⽒模量的物理本质 样式模量在给定环境（如温度）和测试条件下（如应变速率）下，晶体材料的杨⽒模量通常是常数。
杨⽒模量是原⼦价键强度的直接反应。
共价键结合的材料杨⽒模量最⾼，分⼦键最低，⾦属居中。
对同⼀晶体，其杨⽒模量可能随着晶体⽅向的不同⽽不同，俗称各向异性。
模量和熔点成正⽐例关系。
影响杨⽒模量的因素内部因素 --- 原⼦半径 过渡⾦属的弹性模量较⼤，并且当d层电⼦数为6时模量最⼤。
外部因素1. 温度：温度升⾼、原⼦间距增⼤，原⼦间的结合⼒减弱。
因此，通常来说，杨⽒模量随着温度的上升⽽下降。
2. 加载速率：⼯程技术中的加载速率⼀般不会影响⾦属的弹性模量。
3. 冷变形：冷变形通常会稍稍降低⾦属的弹性模量，如钢在冷变形之后，其表观样式模量会下降4% - 6%。
泊松⽐简单来说，泊松⽐就是单轴拉伸或压缩时材料横向应变和轴向应变⽐值的负数。
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工程中常用的三种屈服标准：
比例极限 弹性极限 屈服强度
三、影响屈服强度的因素
结合键 组织 内在因素 结构 原子本性 陶瓷、高分子材料
温度 外在因素 应变速率
应力状态
固溶强化
四种影响金属材料 屈服强度的强化机 制
形变强化 沉淀强化和弥散强化
晶界和亚晶强化
四、加工硬化（形变强化）
பைடு நூலகம்
定义：
在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度 之后， 塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去， 而需要不断增加外力才能继续进行， 这说明金属有一种阻止继续塑性变形的抗力， 这种抗力就是应变硬化性能。
第二节 弹性变形
一、弹性变形及其实质
弹性变形及其实质：弹性变形是一种可逆变形（即卸载后可以恢复变形前 形状的变形，热力学意义上的可逆变形）。
弹性模量
定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹性应力，即 产生100%弹性变形时所需要的应力。 这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是因为金属材 料所能产生的弹性变形量是很小的。 在弹性变形阶段，大多数金属的应力与应变之间符合虎克 定律的正比关系。它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的 能力。
(1) 各晶粒变形、不同时性和不均匀性 (2) 各晶粒变形的相互协调性
二、屈服现象和屈服点（屈服强度）
屈服现象是材料产生宏观塑性变形的一种标志。 金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡明 显，表明外力保持恒定时试样仍继续伸长，或者外 力增加到一定数值时突然下降，然后外力几乎不变 时，试样仍继续伸长变形，这就是屈服现象。 呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外力保 持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点，又称屈服 强度。
图1-4铝合金（5454-H34）
图1-5 聚氯乙烯
图1-6苏打石灰玻璃
当应力低于σe 时，应力与试样的应变成正比，应力去除，变形消失，即 试样处于弹性变形阶段，σe 为材料的弹性极限，它表示材料保持完全弹 性变形的最大应力。 当应力超过σe 后，应力与应变之间的直线关系被破坏，并出现屈服 平台或屈服齿。如果卸载，试样的变形只能部分恢复，而保留一部分残 余变形，即塑性变形，这说明钢的变形进入弹塑性变形阶段。σs称为材 料的屈服强度或屈服点，对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2% 残余变形的应力值为其屈服极限。 当应力超过σs后，试样发生明显而均匀的塑性变形，若使试样的应 变增大，则必须增加应力值，这种随着塑性变形的增大，塑性变形抗力 不断增加的现象称为加工硬化或形变强化。当应力达到σb时试样的均匀 变形阶段即告终止，此最大应力σb称为材料的强度极限或抗拉强度，它 表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。 在σb值之后，试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈，应力下降， 最后应力达到σk时试样断裂。σk为材料的条件断裂强度，它表示材料对 塑性的极限抗力。
(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。
第三节 塑性变形阶段
一、塑性变形方式和特点
变形方式： (1) 滑移 (2) 孪生
多晶金属中每一晶粒滑移变形的规律 与单晶金属相同，但是多晶金属中存 在晶界，各晶粒的取向也不相同，因 而其塑性变形有如下特点：
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：
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。
1.2.4、包申格效应（Bauschinger）
材料力学性能
材料力学性能的定义:
材料在外加载荷（外力）作用下，或
载荷与环境因素（如温度、介质和加 载速率）联合作用下所表现的行为， 又称为力学行为。 宏观上一般表现为材料的变形或断裂。
材料的力学性能指标或判据。
机器零件（简称机件）的承载条件一般用各 种力学参数（如应力、断裂韧度等），所以 就将表征材料的力学参数的临界值或规定值 称为材料的力学性能指标或判据。
又称弹性比能、应变比能，表示材料吸收弹性变形 功的能力
1.2.3、滞弹性
在弹性范围内快速加 载或卸载后，随着时 间延长产生的附加弹 性应变的现象，称为 滞弹性。
由于实际金属具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时，由于应变落 后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后 环（图a）。 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） 。
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。
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。 拉伸试验是指在室温大气中，光滑试样在缓慢施 加的单向载荷作用下，测定材料的力学性能的方 法。拉伸试验机通常带有自动记录或绘图装置， 用以记录或绘制试样所受载荷与伸长量之间的关 系，这种曲线称为拉伸图或力-伸长曲线。
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； 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。
消除包申格效应的方法：
不同类型的材料，其弹性模量可以差别很大，几种常见材料的弹性模量见书上表1.1。
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。
弹性模量 影响不大 取决于结合键和子 间结合力 共价键的弹性模量最高 材料的成分和组织 对 刚度 影响不大
强度
影响显著
1.2.2弹性比功