材料力学性能第一章
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材料力学性能
试样加载速率：
常用的拉伸试样几何
101 / s
一般采用圆形或板形二种试样。可分为三个部分，即
工作部分、过渡部分和夹持部分。
其中工作部分必须表面光滑，以保证材料表面也是单
向拉伸状态；过渡部分必须有适当的台阶和圆角，以降低
应力集中，避免该处变形和断裂；夹持部分是与试验机夹
头连接的部分，以定位试样。
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
低碳钢典型的应力-应变曲线
均匀塑性变形阶段：屈服后， 欲继续变形，必须不断增加载 荷，此阶段的变形是均匀的， 直到曲线达到最高点，均匀变 形结束，如图中的bc段。
形变硬化：随塑性变形增大， 变形抗力不断增加的现象。 不均匀塑性变形阶段：从试 样承受的最大应力点开始直到 断裂点为止，如图中的cd段。 在此阶段，随变形增大，载荷 不断下降，产生大量不均匀变 形，且集中在颈缩处，最后载 荷达到断裂载荷时，试样断裂。
典型的应力-应变曲线
（b）弹性-不均与塑性-均匀塑性型：与前者不同在于出现 了明显的屈服点aa ′，有时呈屈服平台状，有时呈齿状。应 变约1%~3%。退火低碳钢和某些有色金属具有此行为。
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
3、应力-应变曲线的类型
典型的应力-应变曲线
1、拉伸试验方法
常用的拉伸试样几何
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
2、拉伸曲线 ❖拉伸力-拉伸曲线：由
拉伸试验机自动记录或 绘图装置，将作用在试 样上的力和所引起的伸 长自动记录绘出的力伸长曲线。
❖应力-应变曲线：由拉
（c）弹性-均匀塑性型：未出现颈缩前的均匀变形过程中发 生断裂。主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物 具有此种曲线。
常用的拉伸试样几何
101 / s
一般采用圆形或板形二种试样。可分为三个部分，即
工作部分、过渡部分和夹持部分。
其中工作部分必须表面光滑，以保证材料表面也是单
向拉伸状态；过渡部分必须有适当的台阶和圆角，以降低
应力集中，避免该处变形和断裂；夹持部分是与试验机夹
头连接的部分，以定位试样。
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
低碳钢典型的应力-应变曲线
均匀塑性变形阶段：屈服后， 欲继续变形，必须不断增加载 荷，此阶段的变形是均匀的， 直到曲线达到最高点，均匀变 形结束，如图中的bc段。
形变硬化：随塑性变形增大， 变形抗力不断增加的现象。 不均匀塑性变形阶段：从试 样承受的最大应力点开始直到 断裂点为止，如图中的cd段。 在此阶段，随变形增大，载荷 不断下降，产生大量不均匀变 形，且集中在颈缩处，最后载 荷达到断裂载荷时，试样断裂。
典型的应力-应变曲线
（b）弹性-不均与塑性-均匀塑性型：与前者不同在于出现 了明显的屈服点aa ′，有时呈屈服平台状，有时呈齿状。应 变约1%~3%。退火低碳钢和某些有色金属具有此行为。
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
3、应力-应变曲线的类型
典型的应力-应变曲线
1、拉伸试验方法
常用的拉伸试样几何
1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
2、拉伸曲线 ❖拉伸力-拉伸曲线：由
拉伸试验机自动记录或 绘图装置，将作用在试 样上的力和所引起的伸 长自动记录绘出的力伸长曲线。
❖应力-应变曲线：由拉
（c）弹性-均匀塑性型：未出现颈缩前的均匀变形过程中发 生断裂。主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物 具有此种曲线。
材料力学性能-第一章-塑性变形(1)
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
滑移面－原子最密排的晶面 滑 移
滑移方向－原子最密排方向 系
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 <110>
(111)
体心立方
面心立方
密排六方
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
例如，温度升高时，bcc金属可能沿{112}及 {123}滑移，这是由于高指数晶面上的位错源容 易被激活。轴比为1.587的钛(hcp)中含有氧和氮 等杂质时，若氧含量为0.1％，滑移面为(1010)， 当氧含量为0.01％时，滑移面变为(0001)。由于 hcp金属只有三个滑移系，所以其塑性较差，并 且这类金属塑性变形程度与外加应力方向有很大 关系。
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 τ
图1-15 晶体中通 过位错运动造成 滑移的示意图
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
位错运动过程中滑移面上原子位移情况如
图1-16所示。当晶体通过位错运动产生滑移时，
只在位错中心的少数原子发生移动，而且它们
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 滑移变形的特点： 滑移只能在切应力作用下发生，产生 滑移的最小切应力称为临界切应力；
滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面 和晶向发生，这是因为原子密度最大的 晶面和晶向之间的间距最大，原子结合 力最弱，产生滑移所需切应力最小。
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
为了降低两个不全位错间
《材料力学性能01》PPT课件
塑性材料在拉伸时的力学性能： 对于没有明显屈服
阶段的塑性材料，用 名义屈服极限Rr0.2来 表示。
s
Rr 0.2
o 0.2%
3.塑性:k、k
0
两个塑性指标:
伸长率:
Al1
l0 l0
10% 0
断面收缩率:
ZA0A110% 0 A0
A5%为塑性材料 A5%为脆性材料
塑性材料和脆性材料力学性能比较:
(3)了解正确评价与改善材料力学性能的 方法与途径。
三、先修课程
(1)材料力学： 应力应变状态、弹性变形与本构关系、 强度理论等。 (2)材料科学基础： 晶体学、晶体缺陷、位错理论、变形与 再结晶等。
四、教学内容及要求
材料 力学 性能
力学行
为与物 理本质
基本力学行为(简单加载)：弹性变形、塑性变形、断裂 与环境相关的力学行为：疲劳、蠕变、磨损、应力腐蚀等
塑性材料
延伸率 δ > 5%
断裂前有很大塑性变形
抗压能力与抗拉能力相近 可承受冲击载荷，适合于 锻压和冷加工
脆性材料
延伸率 δ < 5%
断裂前变形很小 抗压能力远大于抗拉能力 适合于做基础构件或外壳
注意： 新、旧标准断后伸长率符号表示的差异
为避免混乱，建议加注旧标准符号：
感谢下 载
晶体取向：部分晶体取向发生演化。
试样II上标记圆环区域变形前后的晶体取向成像图 (a)变形前 ；(b)变形后
矩形框内晶粒晶体取向演化 (a),(c)变形前；(b),(d)变形后
双相多晶钛合金微观塑性变形机制之二
滑移系的开动
• 试样I(2.4%)：滑移开动不均，滑移穿过,协调变形
试样I(2.4%)上滑移系的开动及滑移线的形貌和分布
金属材料力学性能第一章材料的拉伸性能
e
We = e ε e / 2 = e2 / (2E)
0
εe
ε
制造弹簧的材料要求高的弹性比功：（ e
大 ，E 小）
四 弹性不完整性
1、滞弹性 (弹性滞后)
----在弹性范围内 快速加载或卸载后, 随时间延长产生附 加弹永生应变的现 象。
加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成
一封闭回线 ------ 弹性滞后环
s = Fs / A0
对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性 变形硬化过程是连续的，此时将屈服强度定义 为产生0.2% 残余伸长时的应力，记为σ0.2
s = σ0.2 = F0.2 / A0
抗拉强度b：
定义为试件断裂前所能承受的最大工程 应力，以前称为强度极限。取拉伸图上的最大 载荷，即对应于b点的载荷除以试件的原始截 面积，即得抗拉强度之值，记为σb
无机玻璃、陶瓷以及一些处于低温下的 脆性金属材料，在拉伸断裂前只发生弹性变形， 而不发生塑性变形，其拉伸曲线如图1-3(a)所 示。
➢ 在拉伸时，试件发生轴向伸长，也 同时发生横向收缩。将纵向应变el 与 横(径)向应变er之负比值表示为υ，即 υra=t-ioe)r/,e它l ，也是υ 称材料为的波弹桑性常比数(P。oisson’s
外力作用下，产生变形，这种变形在外力去除时随即消失 而恢复原状。 2. 特性： 1） 可逆性：外力去除时，变形消失，恢复原状。 2） 单值线性关系：应力与应变呈单值线性关系。（OE段） 3） 弹性变形量比较小，一般小于1%。 3. 实质： 金属材料弹性变形是其晶格中原子自平衡位置产生可逆位移 的反映。
1
2´
30.1
24.0
0
4
8.5
ε
17.8
材料力学性能-第一章-弹性的不完整性
AB eO
在弹性范围内快速加载或卸 载后，随时间延长产生附加弹 性应变的现象称为滞弹性。
时间
应力
A
B
O
ea
c d
H
应变
b
图1-7. 滞弹性示意图
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
影响因素 材料成分；组织；实验条件；
材料的组织越不均匀，滞弹性越明显。如钢 淬火或塑性变形后，增加了组织的不均匀性，滞 弹性倾向增大。
如图1-9所示，设Tk和 Tk+1为自由振动相邻振幅 的大小，则循环韧性：
ln
Tk Tk 1
图1-9. 自由振动衰减曲线
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
循环韧性的意义：材料的循环韧性越高，则机 件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的 循环韧性对于降低机械噪声，抑制高速机械振 动，防止共振导致疲劳断裂是非常重要的。飞 机螺旋桨、气轮机叶片需要高δ；而追求音响效 果的元件如音叉、簧片等要低δ；灰铸铁的δ 大，常用来作机床的床身、发动机的缸体和支 架等。
p和t是在试样加载时直接从应力-应 变曲线上测量的，而r则要求卸载测量。由
于卸载法测定比较困难，而且效率低，而 加载中测试半径效率高，而且易于实现测 量的自动化，所以在材料屈服抗力评定中
更趋于采用p和t。而t在测试上比p方便， 所以，在大规模工业生产中，一般采用t的
测定方法提高效率。
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
在仪表和精密机械中，选用重要传 感元件的材料时，需要考虑滞弹性问 题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感 件等，如选用的材料滞弹性比较明显， 会使仪表精度不足甚至无法使用。还有 经过较直的工件放置一段时间以后又会 弯曲，就是由于滞弹性造成的。
在弹性范围内快速加载或卸 载后，随时间延长产生附加弹 性应变的现象称为滞弹性。
时间
应力
A
B
O
ea
c d
H
应变
b
图1-7. 滞弹性示意图
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
影响因素 材料成分；组织；实验条件；
材料的组织越不均匀，滞弹性越明显。如钢 淬火或塑性变形后，增加了组织的不均匀性，滞 弹性倾向增大。
如图1-9所示，设Tk和 Tk+1为自由振动相邻振幅 的大小，则循环韧性：
ln
Tk Tk 1
图1-9. 自由振动衰减曲线
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
循环韧性的意义：材料的循环韧性越高，则机 件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的 循环韧性对于降低机械噪声，抑制高速机械振 动，防止共振导致疲劳断裂是非常重要的。飞 机螺旋桨、气轮机叶片需要高δ；而追求音响效 果的元件如音叉、簧片等要低δ；灰铸铁的δ 大，常用来作机床的床身、发动机的缸体和支 架等。
p和t是在试样加载时直接从应力-应 变曲线上测量的，而r则要求卸载测量。由
于卸载法测定比较困难，而且效率低，而 加载中测试半径效率高，而且易于实现测 量的自动化，所以在材料屈服抗力评定中
更趋于采用p和t。而t在测试上比p方便， 所以，在大规模工业生产中，一般采用t的
测定方法提高效率。
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
2021年11月12日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期五
在仪表和精密机械中，选用重要传 感元件的材料时，需要考虑滞弹性问 题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感 件等，如选用的材料滞弹性比较明显， 会使仪表精度不足甚至无法使用。还有 经过较直的工件放置一段时间以后又会 弯曲，就是由于滞弹性造成的。
大连理工大学精品课程-材料力学性能-第一章-金属断裂(2)
解理面(001) 扩展方向[110]
挛晶面(112) 挛晶方向[111]
27
图1-67 解理舌形成示意图
2020年7月26日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期日 准解理
材料中弥散细小的第二
相影响裂纹的形成与扩展，
使裂纹难于严格按一定晶体
学平面扩展，断裂路径不再 与晶粒位向有关，主要与细 小碳化物质点有关。其微观 特征似解理河流但又非真正 28 解理，故称准解理。
24
图1-64 河流通过大角度 晶界时的扇形花样
2020年7月26日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期日
当解理裂纹通过扭转晶界时，因晶界两侧晶
体以边界为公共面转动一个角度，使两侧解理裂
纹存在位向差，故裂纹不能直接越过晶界而必须
重新成核，裂纹将沿若干组
新的相互平行的解理面扩展
而使台阶激增，形成为数众
1
m
E s
a0
2
s——表面能；
a0——原子面间距； E——弹性模量
1
1
形成裂纹的力学条件为： (f
i )
d
2
Es 2
2r a0
可得： f i 2Er s
da0
f——形成裂纹所需
的切应力；
7
2020年7月26日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期日 （二）、解理裂纹的扩展 以上所述主要涉及解理裂纹的形成，并不意味 着由此形成的裂纹将迅速扩展而导致材料断裂。解 理断裂过程包括以下三个阶段：塑性变形形成裂 纹；裂纹在同一晶粒内初期长大；裂纹越过晶界向 相邻晶粒扩展。
多的 “河流”，这与通过大角
度晶界的情况类似。
25
图1-65 河流花样通过扭转晶界
第一章工程材料的力学性能
表示方式：600HBW1/30/20 350HBW5/750
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW 补充说明： （1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为
所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影 响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。 （2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的 距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于 6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍， 对于软金属则不得小于3倍
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度 HBW、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （一）试验原理
布氏硬度试验规范
3 8
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （二）应用范围
布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度 测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对 应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小 直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用 于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成 品检测。
最大力伸长率（Agt)：最大 力时原始标距的伸长与原 始标距之比的百分率。
最大力非比例伸长率（Ag)
二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面 各之比的百分率。
第二节 材料的硬度
材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它 是衡 量材料软硬程序的力学性能指标。
洛氏硬度计
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR （一）实验原理
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR (二)应用范围（共15个标尺） 示例：60HRBW
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW 补充说明： （1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为
所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影 响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。 （2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的 距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于 6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍， 对于软金属则不得小于3倍
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度 HBW、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （一）试验原理
布氏硬度试验规范
3 8
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （二）应用范围
布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度 测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对 应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小 直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用 于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成 品检测。
最大力伸长率（Agt)：最大 力时原始标距的伸长与原 始标距之比的百分率。
最大力非比例伸长率（Ag)
二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面 各之比的百分率。
第二节 材料的硬度
材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它 是衡 量材料软硬程序的力学性能指标。
洛氏硬度计
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR （一）实验原理
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR (二)应用范围（共15个标尺） 示例：60HRBW
第1章材料力学性能
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.7硬度
1.7 硬度 硬度——用来衡量材料软硬程度的性能指标。 测试硬度的方法有多种，相应的也有多种硬
度指标。
第1章材料力学性能
1.布氏硬度 HB
1）试验原理
以压力F 将直径为D的 球形压头压入材料表面， 形成直径为d的压痕，以 压痕单位面积上承受的压 力大小来衡量材料的硬度。
L1L0 10% 0
L0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
2. 断面收缩率Ψ 断面收缩率是试样被拉断后，颈缩处的横截面积
收缩量（S0-S1）与原始横截面积S0之百分比：
S0 S1 100%
S0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
材料的δ、Ψ值越大，表明其塑性越好。 材料的塑性在工程上的实用意义： 1）塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好 的材料才可以进行变形加工。 2）塑性好的材料，不易脆断，应用时安全性比 较好。
能力。 衡量刚度大小的指标是弹性模量E。在拉伸曲线
上，E体现为oe 段的斜率。
第1章材料力学性能
铁 214000
材料的力学性能——1.5刚度
常用材料的弹性模量E/MPa
镍 210000
钛 118010
铝 72000
铜 132400
镁 45000
在一定的载荷作用下，弹性模量（E）大的材料 发生的弹性变形比较小。
1. 屈服强度σs ——材料受静载荷作用时，抵抗塑性 变形的能力。
s
FS S0
MPa
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.4强度
如果材料所受的载荷达到或超过其屈服强度，材 料就会发生塑性变形。
在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作 载荷低于零件材料的屈服强度（σ工作<σs），否则 零件就会发生塑性变形而失效。
材料的力学性能——1.7硬度
1.7 硬度 硬度——用来衡量材料软硬程度的性能指标。 测试硬度的方法有多种，相应的也有多种硬
度指标。
第1章材料力学性能
1.布氏硬度 HB
1）试验原理
以压力F 将直径为D的 球形压头压入材料表面， 形成直径为d的压痕，以 压痕单位面积上承受的压 力大小来衡量材料的硬度。
L1L0 10% 0
L0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
2. 断面收缩率Ψ 断面收缩率是试样被拉断后，颈缩处的横截面积
收缩量（S0-S1）与原始横截面积S0之百分比：
S0 S1 100%
S0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
材料的δ、Ψ值越大，表明其塑性越好。 材料的塑性在工程上的实用意义： 1）塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好 的材料才可以进行变形加工。 2）塑性好的材料，不易脆断，应用时安全性比 较好。
能力。 衡量刚度大小的指标是弹性模量E。在拉伸曲线
上，E体现为oe 段的斜率。
第1章材料力学性能
铁 214000
材料的力学性能——1.5刚度
常用材料的弹性模量E/MPa
镍 210000
钛 118010
铝 72000
铜 132400
镁 45000
在一定的载荷作用下，弹性模量（E）大的材料 发生的弹性变形比较小。
1. 屈服强度σs ——材料受静载荷作用时，抵抗塑性 变形的能力。
s
FS S0
MPa
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.4强度
如果材料所受的载荷达到或超过其屈服强度，材 料就会发生塑性变形。
在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作 载荷低于零件材料的屈服强度（σ工作<σs），否则 零件就会发生塑性变形而失效。
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Ｐ
ａ ｂ ｃ
４、用截面法求内力时，是对 C 建立平衡方程而求解的。 A：截面左段 B：截面右段 C：左段或右段 D：整个杆件 ５、为保证构件正常工作，构件应具有足够的承载力， 固必须满足哪些方面的要求？ ６、下列图示中实线代表变形前，虚线代表变形后，计 算角应变。(各标注角为α)
7、请判断下列简化在什么情形下是正确的，什么情形下是不 正确的？
绪论 １、在下列四种材料中， C：松木不可以应用各向同性假设。 A：铸钢 B：玻璃 C：松木 D：铸铁
２、根据小变形条件，可以认为： D：构件的变形远小于原始尺寸 A：构件不变形 B：构件不破坏 C：构件仅发生弹性变形 D：构件的变形远小于原始尺寸 ３、等直杆在力P作用下： D：一样大 A：Nａ大 B：Nｂ大 C：Nｃ大 D：一样大
8、自行车辐条属于何种变形？
9、撑杆跳中的撑杆发生何种变形？