材料力学性能

弹性模量与熔点的关系
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一些材料的弹性模量
Modulus (GPa) Metals:
Tungsten (W) 1000 450 -650 450 390 380 250 160 - 241 145 107 94 69 Chromium (Cr) Berylium (Be) Nickel (Ni) Iron (Fe) Low Alloy Steels Stainless Steels Cast Irons Copper (Cu) Titanium (Ti) Brasses and Bronzes Aluminum (Al) 406 289 200 - 289 214 196 200 - 207 190 - 200 170 - 190 124 116 103 - 124 69
a) 颈缩导致三向应力
b) 微孔形核 c) e) 微孔长大 边缘剪切断裂 d) 微孔连接成锯齿状
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微孔聚集型断裂
等轴韧窝
韧窝底部的颗粒 表明微孔往往在 硬质点处形核。
拉长韧窝
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韧、脆性断口微观形貌
塑性断裂 脆性断裂
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脆性断裂宏观断口形貌
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e—压痕深度残余量 k—常数，0.2 mm
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维氏硬度
维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30， 50，100，120kg等，小于10kg的压力可
以测定显微组织硬度。
适用范围: 测量薄板类
HV≈HBS
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硬度测试仪器
显微Hv
HRc
宏观Hv
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K f l 0
l l0 100%
断面收缩率K——试样拉断后标 距部分截面的相对收缩值
K
A0 Af A0 100%
一般规定延伸率小于5%为脆性材料，大于5%为塑性材料。
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一些金属材料的力学性能
材料力学性能
材料科学与工程学系 王秀丽 wangxl@zju.edu.cn
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材料的力学性能
力学性能也称机械性能(Mechanical property)，是材料抵抗外力作用引
起的变形(Deformation)和断裂(Fracture)的能力。 包括：强度(Strength)、硬度(Hardness)、塑性(Ductility)、韧性
布氏硬度计
适用于未经淬火的钢、铸铁、有色 金属或质地轻软的轴承合金。
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洛氏硬度
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
定义：每0.002mm相当于
洛氏1度
洛氏硬度常用标尺有：B、 C、A三种
h1h0
① HRB 轻金属，未淬火钢
② HRC 较硬，淬硬钢制品 ③ HRA 硬、薄试件
k e HR 0.002
(Toughness)、耐磨性(Wear resistance)等。
力学性能影响因素： 内因——材料的成分、显微组织、应力状况；
外因——载荷大小种类、加载速率、环境温度、介质。
静载荷：静拉伸、压缩、弯曲、扭转 载荷 动载荷 随机变动载荷
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周期变动载荷：如交变载荷，大小方向均作周期性变动
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冷变形纤维组织
冷变形纤维组织使材料性能产生各向异性
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加工硬化
材料经塑性变形后晶粒拉长，晶格变形，形成亚结构；位错增殖缠结；产生
内应力。这些都阻碍位错的运动，使材料的强度增加、塑性降低。这种现象 称加工硬化，又称形变强化。 一般多晶体金属在拉伸应力——应变曲线上均匀塑性变形阶段，应力与应变 之间符合Hollomon关系式，
S Ke n
其中，S为真应力，e为真应变，K为常数，n——形变强化指数。 表：一些金属材料的形变强化指数
材料 n Al ~0.15 -Fe ~ 0.2 Cu ~ 0.30 18-8不锈钢 ~ 0.45
形变强化指数越大，材料的加工硬化效果越显著！
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金属的再结晶
再结晶过程通过两个阶段完成： 1) 回复——位错减少形成亚晶粒，内应力 消失，但保持加工硬化效果； T回＝（0.25~0.30）T熔 2) 再结晶——形成等轴晶粒，强度降低、 塑性提高，加工硬化现象消除。 T再＝0.40T熔
放射状断口 穿晶断裂（脆性）
冰糖状断口 沿晶断裂（脆性）
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解理断裂
沿特定界面发生的脆性穿晶断裂
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疲劳断裂
材料的疲劳——材料在周期性交变载荷作 用下，产生低应力（一般最大应力小于屈 服强度）脆断。

0 sin t
t
疲劳断裂是个损伤累积的过程 -1
循环周次N
A、C—金刚石圆锥 B—淬火钢球
P HV 0.1891 2 d k e HR HRB=HR+30 0.002
P—载荷，F—压痕面积 e—压痕深度残余量 k—常数，0.2 mm
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三种硬度的压头材料及几何形状
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布氏硬度
HB P 0.204P F D( D D 2 d 2 )
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位错线的观察
经缀饰的位错网络
随塑性变形的进行，不断产生新位错，位错密度增加，互相缠结， 使位错运动越来越困难。
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孪生
材料滑移系少或环境温度低，位
错运动不容易进行时，也可在切
应力作用下以孪生方式实现塑性 变形。
孪生变形沿特定晶面（孪生面）
和特定晶向（孪生方向）进行。
几类典型载荷
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应力、应变
应力——材料受外加载荷作用时单位 面积的内力，单位：MPa
= P/F0
P F
应变、 ——材料单位长度（或面积） 上的伸长或收缩，单位：无
F0
l0
l
=（l-l0）/l0， = （F0-F）/F0
P
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材料静拉伸试验
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疲劳曲线
疲劳断口观察
SEM宏观形貌，显示疲劳断 裂过程：疲劳裂纹首先在表 面形核，而后慢慢扩展形成 一光亮区，最后因承受载荷 面积减少而快速扩展。
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TEM微观形貌（疲劳辉纹）， 显示疲劳断口光亮区裂纹缓 慢扩展过程
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疲劳断裂实例
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硬度
mg (h h) KU ( KV ) J/cm2 A • 冲击试验标准试样： • U型缺口（梅氏试样） • V型缺口（夏氏试样）
KU（ KV ）值越大，表明材料断裂前吸
收的能量越大，即材料变形和断裂消耗的 功越多，材料韧性越好。
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韧脆转变温度
当温度低于一临界值TK时，一些材料的 断裂由韧性变为脆性，冲击值下降。这 种现象称材料的低温脆性。TK为材料的 韧脆转变温度。 TK可用系列冲击试验确定。 低温下服役的机件或构件，选用的材料
• 变形不可逆；
• 通过原子价键的断开、重排实 现（晶体材料中，通过滑移和
孪生的方式实现）
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切变强度——理论值和实际值的巨大差异
理论切变强度：G/30 实际纯金属单晶最大切变强度：G/100，000~G/10，000 Why?
2013Байду номын сангаас7-25 13
滑移
滑移一般通过位错运动实现。因 此，材料的塑性变形是通过位错 运动实现的。
/MPa
e
弹性模量——反应材料抵抗弹性变形的能力
正变弹性模量：E=tg=/ （虎克定理） 弹性极限e——材料由弹性变形阶段过渡到塑性 变形时的应力，一般规定以产生一定残余伸长 （如0.01%）时的应力为弹性极限，记为0.01 弹性e——可以回复的最大变形量 弹性比功e——材料吸收弹性变形功的能力 e2 1 e e e 2 2E 2013-7-25
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韧性
表征材料断裂前吸收能量的能 力，可用拉伸应力-应变曲线 与x轴包围的面积来表征。
单位：J/m3
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失效
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失效
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断 裂
断裂分类
按断口宏观形貌：
韧性断裂、脆性断裂； 按断裂模式：
穿晶断裂、沿晶断裂；
按断裂机制： 解理断裂、纯剪切断裂、微孔聚集型断裂
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抗拉强度、断裂强度
抗拉强度（强度极限，UTS）
b——试样断裂前承受的最
大应力 断裂强度K——试样断裂时 的应力
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强度指标总结
强度指标：s、 b （UTS）
、 K
凡是阻碍位错运动的因素都提高材料的强度！
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塑性
塑性指标：
延伸率K——试样拉断后标距长 度的相对伸长量
Polymers:
Polyimides Polyesters Nylon Polystryene Polyethylene Rubbers 3-5 1-5 2-4 3 - 3.4 0.2 -0.7 0.01-0.1
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塑性变形
塑性变形——材料发生的不可
逆变形。
特点： • 应力-应变关系非线形；
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静拉伸应力—应变曲线
塑性材料在静拉伸载荷作用下从开 始变形到断裂可分为三个阶段：
/MPa
b K e
• 弹性变形阶段
• 塑性变形阶段（加工硬化） • 断裂
s
E
e
K

塑性材料拉伸应力—应变曲线
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弹性变形
弹性变形——材料在载荷作用下发生的可以完全回复的变形
实质——反应原子间作用力大小 性能指标：
硬度测试举例
维氏硬度
努氏硬度
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硬度和抗拉强度之间的关系
对钢材， b 3.45HB
硬度测试的优点：
制样简单，设备便宜；
基本上是非破坏性； 可大致预测其它一些力学性能。
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冲击韧性
冲击韧性——表征材料抵抗冲击载荷的能力。 指标：冲击韧性（冲击值）KU（ KV ）
薄板矩形拉伸试样断口：人字纹形貌，其放射 方向与裂纹扩展方向平行，尖顶指向裂纹源。
圆柱拉伸试样断口：相同断裂机制， 人字纹形貌更明显。
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穿晶断裂与沿晶断裂
穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂（低 温下）；沿晶断裂多数是脆性断裂。
微孔型断口 穿晶断裂（韧性）
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断裂
断裂是材料中裂纹形核和扩展的过程
圆柱形静拉伸试样韧性断裂 形貌（杯锥状断口）
圆柱形静拉伸试样脆性断裂 形貌（平直断口）
韧性断裂——断裂前产生明显宏观塑性变形，断裂前吸收大量能量 脆性断裂——断裂前无明显宏观塑性变形，断裂前几乎不吸收能量
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杯锥状断口形成示意图

e

金属材料弹性变形特点 • 变形可完全回复 • 变形量小
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一些材料的非线形弹性变形
高分子材料
弹性变形非线形， 但可回复
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弹性变形原子水平解释
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弹性模量影响因素
弹性模量是组织不敏感参量，主要取 决于原子本性与晶格类型。 原子间作用力越大，弹性模量越大； ——因此，熔点越高，弹性模量越大 原子间距增大，弹性模量减小。 ——因此，温度升高，弹性模量减小
硬度——衡量材料软硬程度的性能指标，分压入法和刻划法两类 压入法硬度表征材料弹性、微量塑性变形抗力及形变强化能力等，常用的有布氏 硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）。 数值
HB P 0.204P F D ( D D 2 d 2 )
淬火钢球
金刚石四棱锥
Material Ceramics, glasses, and semiconductors:
Diamond (C) Tungsten Carbide (WC) Silicon Carbide (SiC) Aluminum Oxide (Al2O3) Berylium Oxide (BeO) Magnesium Oxide (MgO) Zirconium Oxide (ZrO) Mullite (Al6Si2O13) Silicon (Si) Silica glass (SiO2) Soda-lime glass (Na2O SiO2)
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再结晶过程实验观察
冷变形后的Cu 350 °C 再结晶
500 °C 再结晶
800 °C 再结晶
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屈服强度——条件屈服强度
屈服强度s——材料开始产生塑性变形时的应力
条件屈服强度s：
产生0.2%残余变形
时的应力值
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屈服强度
s
低碳钢的拉伸应力-应变曲线 以下屈服点的屈服应力为屈服强度