材料力学性能绪论和第一章
材料科学基础 绪论和第一章
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一、材料科学的重要地位
表0-1 人类使用材料的
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二、各种材料概况
1.金属材料 2.陶瓷材料 3.电子材料、光电子材料和超导材料
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1.金属材料
图0-1 汽车中各种材料的大致比例
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1.金属材料
图0-2 波音767飞机所用的各种材料比例
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2.陶瓷材料
第二节 原子结合键
三、混合键 解：(1) MgO 据表1-2得电负性数据XMg=1.31；XO= 3.44，代入式(1-1)得： (2) GaAs 1)得 据表1-2得XGa=1.81；XAs=2.18，代入式(1表1-3 某些陶瓷化合物的混合键特征
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第二节 原子结合键
图1-8 原子间结合力 a)原子间吸引力、排斥力、合力 b)原子间 作用位能与原子间距的关系
115.tif
图1-15 利用显微镜观察材料的 组织
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第四节 晶体材料的组织
图1-16 单相组织的两种晶粒形状 a)等轴晶 b)柱状晶
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第四节 晶体材料的组织
二、单相组织 三、多相组织
图1-17 两相组织的一些基本组织形态
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第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
图1-18 激活能的物理意义
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第三节 原子排列方式
二、原子排列的研究方法
图1-13 X射线在原子面AA′和BB′上的衍射
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第三节 原子排列方式
图1-14 X射线衍射分析示意及衍射分布图 a) X射线衍射分析示意图 b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图
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第四节 晶体材料的组织
材料力学教学大纲(48学时)
《材料力学》教学大纲制订单位：机械工程学院安全工程系执笔人：李晋一、课程基本信息1．课程中文名称：材料力学2．课程英文名称：Mechanics of materials3．适用专业：非金属材料专业4．总学时：48学时（其中理论40学时，实验8学时）5．总学分：3学分二、本课程在教学计划中的地位、作用与任务本课程是非金属材料管理专业的一门专业基础课，通过本门课程的学习，可以使学生掌握基本受力构件的强度、刚度和稳定性控制方法，从而为工程项目决策提供基本技术手段。
三、理论教学内容与教学基本要求（40学时）1、第一章绪论（2学时）材料力学的任务。
变形固体的基本假设。
外力及其分类。
内力、截面法和应力的概念。
变形与应变。
杆件变形的基本形式。
2、第二章拉伸、压缩与剪切（4学时）轴向拉伸与压缩的概念与实例。
轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力。
直杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力。
材料在拉伸时的力学性能。
材料在压缩时的力学性能。
失效、安全系数和强度计算。
轴向拉伸或压缩时的变形。
轴向拉伸或压缩时的变形能。
拉伸、压缩静不定问题。
3、第三章扭转（4学时）扭转的概念与实例。
外力偶矩的计算、扭矩和扭矩图。
纯剪切。
圆轴扭转时的应力。
圆轴扭转时的变形。
4、第四章弯曲内力（4学时）弯曲的概念与实例。
受弯杆件的简化。
剪力和弯矩。
剪力方程和弯矩方程、剪力图和弯矩图。
载荷集度、剪力和弯矩间的关系。
5、第五章弯曲应力（4学时）纯弯曲。
纯弯曲时的正应力。
横力弯曲时的正应力。
弯曲剪应力。
提高弯曲强度的措施。
6、第六章弯曲变形（6学时）工程中的弯曲变形问题。
挠曲线的微分方程。
用积分法求弯曲变形。
用叠加法求弯曲变形。
简单静不定梁。
提高弯曲刚度的一些措施。
7、第七章应力状态和强度理论（6学时）应力状态概述。
两向和三向应力状态的实例。
两向应力状态分析—解析法。
两向应力状态分析—图解法。
三向应力状态。
广义虎克定律。
强度理论概述。
四种常用强度理论。
8、第八章组合变形（6学时）组合变形和叠加原理。
材料力学知识点总结
三、应力 1.定义 (Definition)：由外力引起的内力的集度 2. 应力 ①平均应力
pm
=
ΔF ΔA
②全应力（总应力）
p lim ΔF dF ΔA0 ΔA dA
③全应力分解为 垂直于截面的应力称为“正应力”
lim ΔFN dFN ΔA0 ΔA dA
位于截面内的应力称为“切应力”
·§3-3 薄壁圆筒的扭转
1 10 r0
姚小宝
薄壁圆筒：壁厚
（r0—圆筒的平均半径）
3.推论 （1）横截面上无正应力，只有切应力；
（2）切应力方向垂直半径或 与圆周相切.
圆周各点处切应力的方向于圆周相切,且数值相等,近似的认为沿壁厚方向各点处
切应力的数值无变化.
4.推导
此式为薄壁圆筒扭转时横截面上切应力的计算公式. 薄壁筒扭转时横截面上的切应力均匀分布,与半径垂直,指向与扭矩的转向一致.
固定铰支座
固定端
5.静定梁的基本形式：
·§4-2 梁的剪力和弯矩
一、内力计算
简支梁 外伸梁
悬臂梁
求内力——截面法
姚小宝
二、内力的符号规定 1.剪力符号
2.弯矩符号
当 dx 微段的弯曲下凸（即该段的下 半部受拉 ）时,横截面 m-m 上的弯矩为 正；
当 dx 微段的弯曲上凸（即该段的下半 部受压）时,横截面 m-m 上的弯矩为负.
2.平面假设
变形前为平面的横截面 ,变形后仍保持为平面.
3.几何关系 倾角 是横截面圆周上任一点 A 处的切应变, d 是 b-b 截面相对于 a-
a 截面象刚性平面一样绕杆的轴线转动的一个角度.
tan
材料性能学课程教学大纲
《材料性能学》课程教学大纲课程名称（英文）：材料性能学（Properties of Materials）课程类型：学科基础课总学时： 72 理论学时： 60 实验（或上机）学时： 12学分：4.5适用对象：金属材料工程一、课程的性质、目的和任务本课程为金属材料工程专业的一门专业基础课，内容包括材料的力学性能和物理性能两大部分。
力学性能以金属材料为主，系统介绍材料的静载拉伸力学性能；其它载荷下的力学性能，包括扭转、弯曲、压缩、缺口、冲击及硬度等；断裂韧性；变动载荷下、环境条件下、高温条件下的力学性能；摩擦、磨损性能以及其它先进材料的力学性能等。
物理性能概括介绍常用物理性能如热学、电学、磁学等的基本参数及物理本质，各种影响因素，测试方法及应用。
通过本课程的学习，使学生掌握材料各种主要性能指标的宏观规律、物理本质及工程意义，了解影响材料性能的主要因素，了解材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备，基本掌握改善或提高材料性能指标、充分发挥材料潜能的主要途径，初步具备合理的选材和设计，开发新型材料所必备的基础知识和基本技能。
在学习本课程之前，学生应学完物理化学、材料力学、材料科学基础、钢的热处理等课程。
二、课程基本要求根据课程的性质与任务，对本课程提出下列基本要求：1．要求学生在学习过程中打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系，并注重建立与同期和后续其它专业课程之间联系以及在生产实际中的应用。
2．能够从各种机器零件最常见的服役条件和失效现象出发，了解不同失效现象的微观机理，掌握工程材料（金属材料为主）各种力学性能指标的宏观规律、物理本质、工程意义和测试方法，明确它们之间的相互关系，并能大致分析出各种内外因素对性能指标的影响。
3．掌握工程材料常用物理性能的基本概念及影响各种物性的因素，熟悉其测试方法及其分析方法，初步具备有合理选择物性分析方法，设计其实验方案的能力。
三、课程内容及学时分配总学时72，课堂教学60学时，实验12学时。
福大机械考研复试材料力学背诵版
《材料力学》简答题第一章绪论1、构件正常工作应满足：①强度要求：在规定载荷作用下的构件不应破坏，构件应有足够的抵抗破坏的能力；②刚度要求：在载荷作用下，构件即使有足够的强度，但若变形过大，仍然不能正常工作，因此要求构件应有足够的抵抗变形的能力。
③稳定性要求：受压力作用的细长杆应该始终维持原有的平衡状态，保证不被压弯。
2、什么是变形固体？材料力学中关于变形固体的基本假设是什么？在外力作用下，一切固体都将发生变形，故称为变形固体。
材料力学中对变形固体所作的基本假设：①连续性假设：认为整个物体体积内毫无空隙地充满物质。
②均匀性假设：认为固体内到处有相同的力学性能。
③各向同性假设：认为无论沿哪个方向，固体力学性能都是相同的。
3、静载荷：若载荷缓慢地由零增加到某一定值，以后即保持不变，或变动很不显著，即为静载荷动载荷：若载荷随时间而变化，则为动载荷。
交变载荷：随时间作周期性变化的动载荷称为交变载荷。
4、内力：物体因受外力作用而变形，其内部各部分之间因相对位置改变而引起的相互作用就是内力。
应力：由外力引起的内力的集度，分为正应力和切应力正应力σ：总应力ｐ沿截面法向的分量。
切应力（剪应力）τ：总应力ｐ沿截面切向的分量。
应变：应变是度量一点处变形程度的基本量，分为线应变和角应变。
正应变（线应变）ε：某点沿某方向单位长度的改变量；切应变（角应变）γ：某点在某平面内直角的改变量（减小为正）5、什么是截面法？简要说明截面法的三个基本步骤。
用一个假想截面，将受力构件分开为两个部分，取其中一部分为研究对象，（将被截截面上的内力以外力的形式显示出来，根据保留部分的平衡条件，）确定该截面内力大小、性质（轴力、剪力、扭转还是弯矩，符号的正负）的一种方法。
截面法的三个基本步骤（截代平）：要求某一截面上的内力时，第一步先沿该截面假象地把构建分为两部分，然后任意取其中一部分作为研究对象，另外一部分舍弃；第二步用作用于截面上的内力代替舍弃部分对取出部分的作用；第三步建立取出部分的平衡方程，从而确定内力。
材料力学性能学习题与解答[教材课后答案]
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度越高。
3、计算： 某低碳钢的摆锤系列冲击实验列于下表， 温度(℃) 60 40 35 25 试计算： a. 绘制冲击功－温度关系曲线； 冲击功(J) 75 75 70 60 温度(℃) 10 0 -20 -50 冲击功(J) 40 20 5 1
冲击吸收功—温度曲线 80 70 60 50
Ak
40 30 20 10 0 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0 0 0 0 0 t/℃
第三章 冲击韧性和低温脆性 1、名词解释： 冲击韧度 冲击吸收功 低温脆性
解： 冲击韧度：一次冲断时，冲击功与缺口处截面积的比值。 冲击吸收功：冲击弯曲试验中，试样变形和断裂所吸收的功。 低温脆性：当试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态。 韧脆转变温度：材料在某一温度 t 下由韧变脆，冲击功明显下降。该温度即韧脆转 变温度。 迟屈服：用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构材料时，瞬 间并不屈服，需在该应力下保持一段时间后才屈服的现象。
2) 简述扭转实验、弯曲实验的特点？渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学 性能常用的方法是什么？ 1 扭转实验的应力状态软性系数较拉伸的应力状态软性系数高。可 解： 扭转实验的特点是○
2 扭转实验 对表面强化处理工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验。 ○ 3 圆柱试样在扭转时，不产生缩颈现象，塑 时试样截面的应力分布为表面最大。○
韧脆转变温度 迟屈服
2、简答 1) 缺口冲击韧性实验能评定哪些材料的低温脆性？哪些材料不能用此方法 检验和评定？[提示：低中强度的体心立方金属、Zn 等对温度敏感的材料，高强 度钢、铝合金以及面心立方金属、陶瓷材料等不能]
解：缺口冲击韧性实验能评定中、低强度机构钢的低温脆性。面心立方金属及合金如氏 体钢和铝合金不能用此方法检验和评定。
材料力学性能
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。
材料力学章节重点和难点
材料力学章节重点和难点第一章绪论1．主要内容：材料力学的任务；强度、刚度和稳定性的概念；截面法、内力、应力，变形和应变的基本概念；变形固体的基本假设；杆件的四种基本变形。
2．重点：强度、刚度、稳定性的概念；变形固体的基本假设、内力、应力、应变的概念。
3．难点：第二章杆件的内力1．主要内容：杆件在拉压、扭转和弯曲时的内力计算；杆件在拉压、扭转和弯曲时的内力图绘制；平面弯曲的概念。
2．重点：剪力方程和弯矩方程、剪力图和弯矩图。
3. 难点：绘制剪力图和弯矩图、剪力和弯矩间的关系。
第三章杆件的应力与强度计算1．主要内容：拉压杆的应力和强度计算；材料拉伸和压缩时的力学性能；圆轴扭转时切应力和强度计算；梁弯曲时正应力和强度计算；梁弯曲时切应力和强度计算；剪切和挤压的实用计算方法；胡克定律和剪切胡克定律。
2．重点：拉压杆的应力和强度计算；材料拉伸和压缩时的力学性能；圆轴扭转时切应力和强度计算；梁弯曲时正应力和强度计算。
3．难点：圆轴扭转时切应力公式推导和应力分布；梁弯曲时应力公式推导和应力分布；第四章杆件的变形简单超静定问题1．主要内容：拉（压）杆的变形计算及单超静定问题的求解方法；圆轴扭转的变形和刚度计算；积分法和叠加法求弯曲变形；用变形比较法解超静定梁。
2．重点：拉（压）杆的变形计算；；圆轴扭转的变形和刚度计算；叠加法求弯曲变形；用变形比较法解超静定梁。
3．难点：积分法和叠加法求弯曲变形；用变形比较法解超静定结构。
第五章应力状态分析? 强度理论1．主要内容：应力状态的概念；平面应力状态分析的解析法和图解法；广义胡克定律；强度理论的概念及常用的四种强度理论。
2．重点：平面应力状态分析的解析法和图解法；广义虎克定律；常用的四种强度理论。
3．难点：主应力方位确定。
第六章组合变形1．主要内容：拉伸(压缩)与弯曲、斜弯曲、扭转与弯曲组合变形的强度计算；2．重点: 弯扭组合变形。
3．难点：截面核心的概念第七章压杆稳定1．主要内容：压杆稳定的概念；各种支座条件下细长压杆的临界载荷；欧拉公式的适用范围和经验公式；压杆的稳定性校核。
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（二）影响屈服强度的外在因素
1. 温度 2. 应变速率 3. 应力状态
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四、应变硬化（形变强化）
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。
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微孔聚集型断裂是通过微孔成核、长大聚合 而导致材料分离。
(2) 解理断裂：
是指金属材料在一定条件下（如低温），当外加 正压力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体 学平面产生的穿晶断裂； 由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平 面为解理面。
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根据断裂面的取向分类：
如果断裂面取向垂直于最大正应力，为正断型 断裂； 如果断裂面取向与最大切应力方向一致，而与 最大正应力方向成45度角，为切断型断裂。
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第四节 金属的断裂
一、断裂的类型 根据断裂前塑性变化大小分类：
（一）韧性断裂和脆性断裂
韧性断裂：指金属断裂前产生明显的宏观塑性变形
的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩 展过程中不断消耗能量。
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第一章 金属在单向静拉伸载荷 下的力学性能
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第一节 力-伸长曲线和应力-应变曲线
力-伸长曲线：是拉伸试验中拉伸力与伸长的 关系曲线
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五、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。
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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） 。
按裂纹扩展的途径分类：
（二）穿晶断裂与沿晶断裂 多晶金属断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿 晶断裂的裂纹穿过晶体内，而沿晶断裂的裂纹沿 晶界扩展。
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根据断裂机理分类：
（三）纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂
(1) 剪切断裂： 金属材料在切应力的作用下，沿滑移面分离而造 成的滑移面分离断裂； 包括滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。
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六、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； 反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
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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。
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材料作为一门大型基础学科，内容涉及广泛， 我们无机非金属材料专业的学生不仅要了解、 掌握无机非金属材料，还需要了解金属材料 的力学性能， 这对以后大家的学习、就业和工作等方面都 是大有益处的。
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关于材料力学性能的参考书：
[1] 高建明 主编. 材料力学性能 [M]. 武汉: 武汉理工大学出 版社, 2004. [2] 石德珂, 金志浩 主编. 材料力学性能 [M]. 西安: 西安交 通大学出版社, 1998. [3] 刘瑞堂 主编. 工程材料力学性能 [M]. 哈尔滨: 哈尔滨工 业大学出版社, 2001. [4] 陈楷 主编. 陶瓷材料物理性能 [M]. 北京: 中国建筑工业 出版社, 1980. [5] 吴振铎 主编. 无机材料物理性能 [M]. 北京: 清华大学出 版社, 1992.
(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
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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。
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第三节 塑性变形
一、塑性变形方式和特点 变形方式： (1) 滑移 (2) 孪生
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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：
第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 第四章 金属的断裂韧度 第五章 金属的疲劳 第六章 金属的应用腐蚀和氢脆断裂 第七章 金属磨损和接触疲劳 第八章 金属高温力学性能 第十章 陶瓷材料的力学性能 第十一章 复合材料的力学性能 普通混凝土的力学性能
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第二节 弹性变形
一、弹性变形及其实质
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二、虎克定律
（一）简单应力状态的虎克定律
（二）广义虎克定律
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三、弹性模量
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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：
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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（二）塑性的意义与影响因素
对机件来讲，都要求材料具有一定的塑性，以防止机件偶 然过载时产生突然破坏。
影响因素：
1. 溶质元素会降低铁素体的塑性； 2. 钢的塑性受碳化物体积比以及形状的影响； 3. 细化颗粒可使材料的塑性增加。
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(1) 通过解理裂纹与螺型位错相交形成， (2) 通过二次解理或撕裂形成。
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2. 准解理
在淬火回火钢中，当裂纹在晶粒内部扩 展时，难于严格的沿一定晶体学平面扩 展， 断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要 与细小的碳化物质点有关，其微观形态， 与解理河流相似，但又不是真正的解理， 所以称为准解理。
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3. 溶质元素 在纯金属中加入溶质原子（间隙型或转换型）形成固 溶合金或多相合金中的基体相，将显著提高屈服强度， 称为固溶强化。
4. 第二相
屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指 标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理 工艺都可使屈服强度产生明显变化。
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。
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三、影响屈服强度的因素