材料的力学行为和性能
工程材料力学性能
工程材料力学性能引言工程材料的力学性能是指材料在受力作用下的力学行为和性质。
工程材料力学性能的研究对于工程设计、材料选择和结构安全等方面具有重要意义。
本文将对工程材料的力学性能进行详细阐述。
工程材料的力学性能指标弹性模量弹性模量是衡量材料抵抗变形的能力的一个重要指标。
它是在材料受压缩或拉伸力作用下，材料内部原子和分子之间的相对位移产生时所产生的应力与应变之比。
弹性模量越大，材料的刚度就越大，抵抗变形的能力越强。
屈服强度屈服强度是指材料在受力作用下开始变形的临界点。
当应力达到一定值时，材料开始发生塑性变形，无法恢复到原来的形状。
屈服强度常用于材料的强度设计和材料性能的比较。
抗拉强度抗拉强度是指材料在受拉力作用下的最大承载能力。
抗拉强度可以反映材料的抵抗拉断能力，是工程结构的安全性能的重要指标。
断裂韧性是指材料在断裂前能吸收的总能量。
它是衡量材料抵抗断裂能力的重要指标。
材料的断裂韧性越高，代表其在受外力作用下具有较好的耐久性和抗冲击性。
硬度硬度是指材料的抵抗划痕、穿刺和压入等形变的能力。
硬度可以反映材料的抗划痕和抗磨损能力。
常用的硬度测试方法包括洛氏硬度、布氏硬度和维氏硬度等。
蠕变性能蠕变性能是指材料在常温和高温下长期受持续载荷作用时的变形行为。
材料的蠕变性能对于结构的稳定性和耐久性具有重要影响。
工程材料力学性能的实验测试方法为了评估材料的力学性能，常常需要进行实验测试。
以下是几种常见的工程材料力学性能测试方法：拉伸测试拉伸测试是评估材料抗拉性能的常用方法。
通过施加恒定的拉力，测量材料的应变和应力，从而得到材料的拉伸强度、屈服强度和延伸率等力学性能参数。
压缩测试是评估材料抗压性能的常用方法。
通过施加恒定的压力，测量材料的应变和应力，从而得到材料的压缩强度和压缩模量等力学性能参数。
弯曲测试弯曲测试是评估材料耐弯曲性能的常用方法。
通过施加力矩，使材料发生弯曲变形，测量材料的应变和应力，从而得到材料的弯曲强度和弯曲模量等力学性能参数。
复合材料的力学行为与性能评估
复合材料的力学行为与性能评估复合材料是由两种或以上的不同材料组成，通过粘接或其他方式结合而成的材料。
由于其独特的结构和组分，复合材料具有比传统材料更好的力学行为和性能。
本文将探讨复合材料的力学行为以及如何评估其性能。
一、复合材料的力学行为复合材料的力学行为与其组成材料的性能有关。
复合材料通常由一种或多种有机或无机纤维增强剂与基体材料组成。
常见的纤维增强剂包括碳纤维、玻璃纤维和聚合物纤维等，基体材料常由金属、陶瓷或聚合物等构成。
1.强度和刚度：复合材料的纤维增强剂赋予其良好的强度和刚度。
纤维的高强度和高模量可以有效地抵抗外部载荷，使复合材料具有出色的结构强度和刚度。
2.断裂韧度：复合材料的断裂韧度是指其抵抗裂纹扩展和破坏的能力。
由于纤维和基体之间的界面相互作用以及纤维层间的结合作用，复合材料在受到应力时能够有效地抵抗裂纹的扩展，具有较高的断裂韧度。
3.疲劳性能：复合材料的疲劳性能是指其在受到交变载荷时的抗疲劳性能。
与金属材料相比，复合材料在高应力范围下具有更好的疲劳强度和寿命。
二、复合材料的性能评估评估复合材料的力学行为和性能是确保其应用的可靠性和安全性的重要步骤。
下面介绍几种常用的方法：1.材料力学试验：通过拉伸、压缩、剪切等材料力学试验，可以获得复合材料的强度、刚度和断裂韧度等参数。
这些试验通常在标准试验设备中进行，结果可以用于评估复合材料的力学性能。
2.非破坏性检测：非破坏性检测技术可以通过无损检测方法评估复合材料的质量和缺陷。
如超声波检测、红外热成像和X射线检测等方法可以用于发现和定位复合材料中的缺陷，并评估其对性能的影响。
3.数值模拟：利用有限元分析等数值模拟方法，可以模拟和预测复合材料在不同载荷条件下的力学行为。
这种方法可以为设计和优化复合材料的结构提供重要的参考和指导。
4.性能参数评估：除了力学性能外，复合材料的其他性能参数，如导热性、耐化学性和耐磨性等也需要进行评估。
这些参数的评估可以通过标准测试方法进行，以确保复合材料在实际应用中的表现符合要求。
复合材料的动态力学行为与性能优化
复合材料的动态力学行为与性能优化在当今科技高速发展的时代，复合材料因其卓越的性能在众多领域得到了广泛应用。
从航空航天到汽车制造，从体育用品到医疗器械，复合材料的身影无处不在。
而要深入理解复合材料的应用潜力，就必须研究其动态力学行为，并在此基础上探索性能优化的方法。
复合材料的动态力学行为，简单来说，就是材料在动态载荷作用下的响应和表现。
这种动态载荷可以是冲击、振动、交变应力等。
与静态力学行为相比，动态力学行为更加复杂，因为它涉及到时间、频率、应变率等多个因素的影响。
在动态载荷作用下，复合材料的力学性能往往会发生显著变化。
例如，其强度和刚度可能会随着加载速率的增加而提高，这被称为应变率强化效应。
同时，材料的阻尼特性也会对动态响应产生重要影响。
阻尼越大，材料在振动过程中能量的耗散就越快，从而减少振动的幅度和持续时间。
为了研究复合材料的动态力学行为，科学家们采用了多种实验方法。
其中，霍普金森杆实验是一种常用的技术。
通过在短时间内施加高应变率的载荷，霍普金森杆实验可以模拟材料在冲击等极端情况下的响应。
此外，还有振动测试、疲劳测试等方法，用于评估材料在不同动态载荷条件下的性能。
在了解了复合材料的动态力学行为之后，我们就可以着手探讨如何对其性能进行优化。
首先，从材料的组成和结构入手是一个重要的方向。
通过选择合适的增强纤维和基体材料，并优化它们之间的界面结合，可以显著提高复合材料的性能。
增强纤维的种类和性能对复合材料的动态力学行为有着关键影响。
例如，碳纤维具有高强度和高模量，能够有效地提高材料的承载能力；玻璃纤维则具有较好的韧性和阻尼性能，可以改善材料的抗冲击性能。
而基体材料的选择也不容忽视，热固性树脂如环氧树脂具有良好的耐热性和机械性能，热塑性树脂如聚碳酸酯则具有较好的韧性和可加工性。
除了材料的选择，复合材料的微观结构也会对其性能产生重要影响。
合理设计纤维的排列方式、纤维的长度和直径，以及纤维与基体的体积分数等参数，可以实现对复合材料性能的精确调控。
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)
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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
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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
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（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
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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
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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。
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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。
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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）。
材料科学中的力学行为研究
材料科学中的力学行为研究材料科学是研究材料的性能、结构和制备方法的学科。
力学行为研究是材料科学中的一个重要方向，旨在理解材料在受力条件下的行为和性能，从而为材料设计和应用提供基础支持。
本文将探讨材料科学中力学行为研究的基本原理、实验手段和应用前景。
力学行为是指材料在外力作用下的变形和破坏行为。
材料的力学行为常常受到多种因素的影响，如材料的组成、晶体结构、缺陷和微观结构等。
为了研究材料的力学行为，科学家们通常使用一系列实验手段和数值模拟方法。
首先，材料科学家可以通过拉伸试验来研究材料的力学行为。
在这种试验中，科学家们将一个试样在一对夹具之间拉伸，以施加外力。
通过对试样受力和变形的测量，可以得到材料的力学性能参数，如杨氏模量、屈服强度和断裂韧性等。
此外，压缩试验也是研究材料力学行为的常用方法之一。
在压缩试验中，材料试样受到垂直于其表面的外力，从而产生压缩应变。
通过测量试样的受力和变形，可以获得材料的抗压强度、抗压模量等重要参数。
除了拉伸和压缩试验，扭转、弯曲和剪切等试验方法也可以用于研究材料的力学行为。
这些试验方法可以提供有关材料在不同加载条件下的性能参数，从而更全面地了解材料的力学行为。
在材料力学行为研究中，数值模拟方法也占据重要地位。
有限元分析是一种常用的数值模拟方法，它可以模拟材料在受力条件下的变形和应力分布。
通过有限元分析，科学家们可以预测材料在不同加载条件下的力学行为，为材料设计和优化提供指导。
材料科学中力学行为研究的应用前景广阔。
首先，对材料力学行为的深入了解可以为新材料的设计和合成提供指导。
通过研究材料的力学行为，科学家们可以优化材料的结构和组成，以满足不同应用需求。
其次，力学行为研究还可以为材料的工程应用提供支持。
例如，在航空航天领域，研究材料在复杂载荷下的力学行为对于设计更轻、更耐用的飞机零件和发动机部件至关重要。
类似地，在汽车工业中，对材料的力学行为进行深入研究可以帮助优化车身结构和提高汽车的安全性能。
材料力学行为
材料力学行为材料力学行为是指材料在外部力作用下产生的形变、应力分布、力学性能和断裂行为等方面的表现。
以下是一些常见的材料力学行为：1.弹性行为：弹性是指材料在外力作用下发生形变，但在去除外力后能够完全恢复原状的性质。
在弹性区域内，材料的应力和应变呈线性关系。
弹性行为可以根据材料的组织结构，如晶体结构和分子排列而变化。
2.塑性行为：塑性是指材料在外力作用下发生形变后，即使去除外力，也无法完全恢复原状的性质。
在塑性区域内，材料经历塑性变形，产生塑性应变和残余应力。
塑性行为通常与材料的应力屈服点（屈服强度）相关。
3.强韧性：强韧性是指材料在受到应力作用时能够承受高强度载荷，并且在发生破坏之前具有较大的能量吸收能力的性质。
具有良好强韧性的材料在遭受外力作用时能够延长断裂，从而允许更多的形变发生。
4.脆性行为：脆性是指材料在受到应力作用时很快发生破坏而不发生明显的塑性变形，通常伴随着断裂的形成。
脆性材料在承受载荷后不能吸收多余的应变能量，容易发生突然失效。
5.粘弹性行为：粘弹性是介于弹性和塑性之间的一种行为，具有时间依赖性。
材料呈现出类似于弹性材料的应变率依赖性以及类似于粘性材料的延展性。
6.疲劳行为：疲劳是指材料在反复加载下产生的失效现象。
疲劳与材料的强度、韧性、断裂性能以及外部载荷的幅值和频率等因素有关。
7.断裂行为：断裂是指材料在受到应力作用后突然失效的现象。
断裂行为与材料的强度、韧性、裂纹敏感性等因素有关。
不同材料在这些力学行为方面表现出不同的特性，理解和研究材料的力学行为对于材料的设计、选择和应用具有重要意义。
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的力学行为和性能表现。
力学性能是材料工程中非常重要的一个指标，它直接关系到材料的使用寿命、安全性和可靠性。
材料的力学性能主要包括强度、韧性、硬度、塑性、蠕变等指标。
首先，强度是材料抵抗外力破坏的能力。
常见的强度指标包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
抗拉强度是材料在拉伸状态下抵抗断裂的能力，抗压强度是材料在受压状态下抵抗破坏的能力，抗弯强度是材料在受弯曲状态下抵抗破坏的能力。
强度指标直接反映了材料的抗破坏能力，是衡量材料力学性能的重要参数。
其次，韧性是材料抵抗断裂的能力。
韧性是指材料在受外力作用下能够吸收大量的变形能量而不断裂的能力。
韧性好的材料具有良好的抗冲击性能和抗疲劳性能，能够在外力作用下保持良好的形状和结构完整性。
再次，硬度是材料抵抗划痕和穿刺的能力。
硬度是材料抵抗外界硬物划破或穿透的能力，是材料抵抗局部破坏的重要指标。
硬度高的材料通常具有较好的耐磨性和耐磨损性能，能够在恶劣环境下保持较长时间的使用寿命。
此外，塑性是材料在受力作用下发生形变的能力。
塑性好的材料能够在外力作用下产生较大的变形，具有良好的加工性能和成形性能。
材料的塑性直接影响到材料的加工工艺和成型工艺，是材料加工和成形的重要指标。
最后，蠕变是材料在长期受力作用下发生变形和破坏的现象。
蠕变是材料在高温、高压、长期受力作用下产生的一种渐进性变形和破坏，是材料在高温高应力环境下的重要性能指标。
综上所述，材料的力学性能是衡量材料质量和可靠性的重要指标，强度、韧性、硬度、塑性和蠕变是材料力学性能的重要方面。
在材料设计、选材和工程应用中，需要充分考虑材料的力学性能，选择合适的材料以满足工程需求。
同时，通过合理的材料处理和改性，可以改善材料的力学性能，提高材料的使用寿命和安全可靠性。
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（2）钢的淬透性 1）淬透性的概念 淬透性是在规定条件下，决定钢材有效淬硬层深度 和硬度分布的特性，它是钢材本身固有的属性，也 是钢重要的热处理工艺性能之一。钢的淬透性主要 取决于马氏体的临界冷却速度。凡是增加过冷奥氏 体的稳定性，减小马氏体临界冷却速度的因素，都 可以提高钢的淬透性。
钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性， 它主要决定于M的碳含量。
3.钢的淬火 （1）淬火工艺 将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为Ac3 以上30 ℃～50 ℃；共析钢和过共析钢为Ac1 以上30 ℃～50 ℃），保温一定时间后快速 冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬 火。 常用的冷却介质是水和油。 常用的淬火方法有单介质淬火，双介质淬火， 分级淬火和等温淬火等。
洛氏硬度
硬度标尺：HRA、HRB、HRC。其中 C标尺最常 用 。 在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用.
维氏硬度 表示方法： 如：640HV30/20 测量精度高、范围广， 但比较麻烦，主要用于 研究工作。
注： 各硬度值之间大致有以下关系： 布氏硬度值在200-600范围内， HBW≈10HRC； 布氏硬度值小于450HBS， HBW≈HV
二、材料的静态力学性能
1、拉伸试验及材料的强度与塑性
左图为拉伸试验机
下图为拉伸试验过 程中试样的变形及 断裂。
由上图可知：在拉伸载荷作用下，试样的变形 分为三个阶段：弹性变形阶段；塑性变形阶段； 断裂阶段。在拉伸试验过程中，可测定的主要 力学性能指标有： 屈服强度σ s，抗拉强度σb ，弹性模量E， 断后伸长率δ 和断面收缩率Ψ 。
2、硬
度
硬度是指材料抵抗其他硬物体压入其表面 的能力。 布什硬度（HBW）
F 2F HBW S D（D D 2 d 2）
表示方法：120HBW10/1000/30； 后面的数字依次表示： （1）球体直径； （2）试验力； （3）试验力保持时间（10~15s不标注）。 主要用于测定组织粗大且不均匀的金属材料 的硬度，如铸钢、铸铁、供应态钢材等。
钢加热时常见的缺陷：过热；氧化；脱碳。
1.退火 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保 温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却）， 以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。 钢的退火主要有完全退火、等温退火、球化退火、 扩散退火和去应力退火等。其中球化退火主要用于 共析钢和过共析钢，目的是使二次渗碳体及珠光体 中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破 碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后 的淬火作组织准备。而 去应力退火是为消除铸造、 锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中 造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力 退火。
第一章 工程材料概述
一、材料在载荷作用下的力学行为
弹性变形、塑性变形和断裂 材料在载荷作用下的行为，称之为力学行 为。当外力作用在固体物质上时，随外力 增加，物体会逐渐改变其原始形状和尺寸 而发生变形，外力增加到一定数值后，物 体将发生断裂，所以变形和断裂是固体物 质受载时，随外力的增加而产生的普遍现 象。
2）淬透性的应用 在机械制造中，一般截面尺寸大、形状较为复杂以 及承受轴向拉伸载荷、压缩应力或交变应力、冲击 载荷的零件，希望在整个截面上性能均匀一致，应 优先选用淬透性好的钢。另外，对于形状复杂、要 求变形较小的零件，常采用淬透性好的材料以便在 缓和的冷却介质中淬火。也就是说，淬透性对材料 选用以及热处理工艺制定都有重要的使用意义。需 要注意：对某些工艺过程而言，如焊接用钢通常并 不希望有高的淬透性，以保证焊接及热影响区不会 自行淬火，有助于防止工件的变形和开裂。
四、热处理
1.热处理的基本概念 2.组织转变临界温度
3.热处理的主要目的:改变钢的性能。 4.热处理的分类 退火;正火; 普通 感应加 热处理 淬火;回火; 热淬火 热处理 表面淬火
表面 热处理 化学 热处理
火焰加 热淬火
渗碳;渗氮; 碳氮共渗;
五、钢在加热和冷却时的转变
1.钢加热时的转变（以共析钢为例） （1）钢的奥氏体化 共析钢加热到727°C（A1)以上，珠光体转变成 奥氏体。转变步骤如下：
3）淬火缺陷及其防止 （1）变形与开裂 在淬火冷却过程中，由于工件内外温差而导致热胀 冷缩不一致，由此而产生的应力称为热应力。除此 之外，在组织转变过程中，由比容的变化而产生的 内应力称为组织应力。热应力和组织应力是是工件 形成淬火内应力的根源。 当工件淬火内应力大于材料的屈服强度时，就会造 成工件的塑性变形；当淬火内应力超过材料的强度 极限时，在应力集中处就会造成工件开裂。变形不 大的零件，可在淬火和回火后进行矫直；变形较大 或出现裂纹时，零件只好报废。在实际生产中，为 减少淬火件变形，防止工件开裂，需注意正确选择 材料和合理设计工件结构。
2.正火
钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对 于过共析钢)以上30 ℃～50 ℃, 保温适当时间后, 在 自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。正 火后的组织：亚共析钢为F+S, 共析钢为S, 过共析 钢为S+Fe3CII。 其主要目的：作为最终热处理 ；提高低碳钢的硬度， 改善切削加工性能 ；对于共析钢和过共析钢采用正 火消除网状的二次渗碳体。
奥氏体 形核 奥氏体 核长大 残余渗碳 体溶解 奥氏 加热温度、保温时间和加热速度。在淬火加 热时，总是希望得到细小的奥氏体晶粒。奥 氏体晶粒越细小，冷却转变产物的组织也越 细小，其强度、韧性越高。所以，除特殊情 况外，总希望得到细小的奥氏体晶粒。奥氏 体晶粒的大小是评定加热质量的指标之一。 在实际生产中，通过控制加热温度、加热时 间和加热速度来控制奥氏体晶粒的大小。
三、材料的动态力学性能
1、冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
2、疲劳强度
表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的 最大应力值。材料所受循环应力和其断裂前的应力 循环次数的关系，即疲劳曲线如下图所示
钢材的循环次数一般取 钢材的循环次数一般取 N N= = 10 10 7 7 有色金属的循环次数一般取 N = 10 8 有色金属的循环次数一般取 N = 10 8