第一章 材料的拉伸性能
拉伸性能
绘制试件所受的载荷P和伸长量Δl之间的关系曲 线;
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2.0
b
1.5
Pe
Pp
Ps Pm
Pb
Load / KN
1.0
0.5
0.0 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Distance/ mm
图1-2 低碳钢的拉伸图 进入网络实验室
true strain-stress line
2.0
1.5
Stress / MPa
常用的拉伸试件:为了比较不同尺寸试样所测得的延 性 , 要求试样的几何相似， l0 ／ A01/2 要为一常数．其
中A0为试件的初始横截面积。
光滑圆柱试件:试件的标距长度l0比直径d0要大得多； 通常，l0=5d0或l0=10d0 板状试件 : 试件的标距长度 l0 应满足下列关系式： l0=5.65A01/2或11.3A0 1/2 ； 具体标准：GB 6397－86
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2.拉伸实验中注意的问题
a. 拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。
d / dt 1 ~ 10 MPa / s
严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为
有效，由不同的实验室和工作人员测定的拉伸 性能数据才可以互相比较。
b. 拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或
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1．6 塑性材料的拉伸力学行为
当塑性材料所受的应力低于弹性极限， 其力学行为可近似地用虎克定律加以表述。 当材料所受的应力高于弹性极限，虎克定律 不再适用。此时，材料的变形既有弹性变形 又有塑性变形，进入弹塑性变形阶段，其力 学行为需要用弹-塑性变形阶段的数学表达 式，或称本L
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。
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
材料性能学全部复习资料
第一章材料单向静拉伸的力学性能1、各种材料的拉伸曲线：曲线1:淬火、高温回火后的高碳钢曲线2:低碳钢、低合金钢曲线3:黄铜曲线4:陶瓷、玻璃等脆性材料曲线5:橡胶类高弹性材料曲线6:工程塑性2、拉伸曲线的变形过程：拉伸开始后试样的伸长随力的增加而增大。
在P点以下拉伸力F合伸长量ΔL呈直线关系。
当拉伸力超过F p后，曲线开始偏离直线。
拉伸力小于F e时，试样的变形在卸除拉力后可以完全恢复，因此e点以内的变形为弹性变形。
当拉伸力达到F A后，试样便产生不可恢复的永久变形，即出现塑性变形。
在这一阶段的变形过程中，最初试样局部区域产生不均匀的屈服塑性变形，曲线上出现平台式锯齿，直至C点结束。
接着进入均匀塑性变形阶段。
达到最大拉伸力F b时，试样再次出现不均匀塑性变形，并在局部区域产生缩颈。
最后在拉伸力Fk处，试样断裂。
在整个拉伸过程中变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀塑性变形四个阶段。
3、金属、陶瓷及高分子材料性能的差异及机制1）、弹性变形：a、金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物：在弹性变形范围内，应力和应变之间可以看成具有单值线性关系，且弹性变性量都较小。
橡胶态的高分子聚合物：在弹性变形范围内，应力和应变之间不呈线性关系，且变性量较大。
b、材料产生弹性变性的本质：构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。
金属、陶瓷类晶体材料：处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。
橡胶类材料：呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。
2）、塑性变形：a、金属材料的塑性变形机理：晶体的滑移和孪生i、滑移：金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。
滑移面和滑移反向的组成成为滑移系。
滑移系越多，金属的塑性越好，但滑移系的多少不是决定塑性好坏的唯一因素。
金属晶体的滑移面除原子最密排面外，还受到温度、成分和预先变形程度等的影响。
塑变宏观特征：单晶体的滑移塑变微观特征: 原子面在滑移面上滑移,并非某原子面的整体运动,而是借助位移运动来实现,结果出现滑移台阶。
材料力学第一章(二) 拉伸过程中的变形及力学性能指标
（6）滞弹性（anelasticity）：在弹性范围内加快加载或卸载后，随时间
延长产生附加弹性应变的现象。
第三页，共28页。
（c）利用包申格效应，如薄板反向弯曲成型。拉拨的钢棒经过轧辊压制变直等。
第十六页，共28页。
塑性变形
塑性变形的方式及特点
➢ 材料宏观塑性变形来源于微观上大量位错运动的结果。 （原子位移总和—表现—变形）
➢ 金属（陶瓷？）材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生（材料科学基础）。
滑移是材料在切应力作用下沿滑移面（原子最密排面）和滑移方向（原子最密排方向）
应变硬化特性：金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力。 塑性应变是硬化的原因，硬化是塑性变形的结果。
第五页，共28页。
5
一、基本概念
（12）塑性（ plasticity ）：材料断裂前发生塑性变形（不可逆永久变形） 的能力 ，也即固体材料在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性
(不断裂、不破损）的能力。 延展性（ ductility）：材料经受塑性变形而不破坏的能力。
（3）弹性模量（ elastic modulus，modulus of elasticity）：是表征材料弹 性的物理参数，是指材料在弹性变形范围内，应力和对应的应变的比值 E=σ/ε，也是材料内部原子之间结合力强弱的直接量度。
第二页，共28页。
2
一、基本概念
（4）刚度（ stiffness）：指物体（固体）在外力作用下抵抗变形的能力 ，可用使产生单位形变所需的外力值来量度。刚度越高，物体表现越硬。
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。
第01章 单向静拉伸力学性能
37
经典弹性理论：变形完全回复；单值对应；线性关系。
滞弹性体的应力与应变关系仍然是 线性的。它与非弹性体有明显区别。
38
弹性体与滞弹性体区别：
弹性体：每一 σ 值准确对应于一个 ε 值，即 σ 、ε 是 唯一的；
滞弹性体：每个 σ 值对应两个 ε 值，其中之一属加载， 另一则属卸载条件下的 ε 值。
真实应力-应变曲线：
定义式 ： σzh = F/S 定义式： εzh = ΔL/L
22
（1）在Ⅰ区，为直线，真应力与真应变成直线关系。 （2）在Ⅱ区，为均匀塑性变形阶段，是向下弯曲的曲线，
遵循Hollomon关系式: σzh ＝K(εzh)n
K，n均为材料常数；n为形变强化指数；K为硬化系数 一般金属材料，1>n>0 σ= Eε
⑴ 金属原子的种类(非过渡族、过渡族） ⑵ 晶体结构 （单晶体和多晶体） (3) 冷变形（织构） ⑷ 显微组织（热处理后） （5）温度 （6）加载速率 （7）相变
34
四、弹性比功
1、比例极限 2、弹性极限 3、弹性比功（弹性比能、应变比能）
物理意义：吸收弹性变形功的能力。 几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的 面积。 计算式：ae =σeεe/2 =σe2/2E 用途：弹簧
σ 和 ε 的关系表现为一个椭圆。
3、滞弹性的内耗
39
（1）金属的内耗—金属材料在交变载荷下吸收 不可逆变形功的能力。
在机械振动过程中由于滞弹性造成震动能量 损耗，机械能散发为热能。
滞弹性回线中所包围的 面积代表振动一周所产生的 能量损耗，回线面积越大， 则能量损耗也越大。
40 （2）产生内耗的原因：
（1）最广泛使用的力学性能检测手段。 （2）试验的应力状态、加载速率、温度等都是
材料力学性能1
②各晶粒塑性变形的相互制约与协调
原因：各晶粒之间变形具有非同时性。
要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导 致晶体分裂） 条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变 化）
3 形变织构和各向异性
（1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈 择优取向的组织。 丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉 拔时形成） （2）类型 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋 于平行于主变形方向。（轧制时形成）
长时间回火处理: 钢: 300~450℃, 铜合金:150~200 ℃
2、弹性滞后
---- 非瞬间加载条件下的弹性后效。 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
0
e
物理意义
• 加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。 或，回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。 • • 这部分被金属吸收的功，称为内耗。 ⑵循环韧性 若交变载荷中的最大应力超过 金属的弹性极限，则可得到塑性滞后环。
b
均匀变形阶段
典型的应力-应变曲线
s= 0.2 淬火高碳钢、 玻璃、陶 瓷 正火、调质 退火的碳 素结构钢、 低合金结 构钢
有色金属、经 冷变形的钢、 经低中温回 火的结构钢
s
（ a）
e
（ b）
e
（c）
e
高锰钢、铝青铜、 锰青铜
冷拔钢丝、 受强烈硬 化的材料
b 纯铜、纯铝
（ d）
2）屈服点 呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样 在外力不增加(保持恒定)仍能继续伸长 时的应力称为屈服点，记为σs； 3）上屈服点
试样发生屈服而力首次下降前的最大应 力称为上屈服点，记为 4）下屈服点 当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验 力第一次发生下降）时屈服阶段中的最小应力 称为下屈服点，记为σsl
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铜 铝 工程塑料 锰青铜
高塑性材料
0
应变ε / %
25
常见材料的应力应变曲线
弹性材料
应力σ /MPa
线性弹性变形 非线性弹性变形
弹性材料
0
应变ε / %
26
常见材料的应力应变曲线
综合对比
脆性材料 低塑性材料 塑性材料
应力σ /MPa
泊松比
应力σ
10 高分子材料 0 应变ε
18
各个性能指标的特点
延伸率
l k − l0 δl = ×100% = δ b + δ n l0
均匀伸长率 取决于合金基体相状态的常数 局集伸长率 与试件的几何形状有关
δ n = γ A0 / l0
只有几何形状相同的试件 延伸率才可以相互比较！
δκ 0
l/A01/2
材料的拉伸性能
拉伸性能
弹性 塑性 强度 应变硬化 韧性
工程应用
预测其他力学性能，如抗疲劳、断裂性能 结构静强度设计的主要依据 选择材料改善起力学性能的主要依据
评价方法
拉伸试验
2
本章要点
拉伸试验
试验仪器和试样的要求 试验方法和过程 试验的结果与分析——应力应变曲线
应力应变曲线分析
强度指标 弹性指标 塑性指标
断裂真应变
ε f = − ln(1 −ψ k )
30
材料的真应力应变曲线
真应力-应变曲线
韧度 外力使材料断裂所做的功
应力σ /MPa
弹性变性能 塑性变性能 断裂能
真应力应变曲线
Ut = ∫
l
l0
εf Pdl = ∫ Sdε 0 V
0
应变ε / %
根据曲线的面积测定和计算！
31
塑性材料
大多数纯金属 有色金属 冷变形钢 中低温回火钢
塑性材料
应力σ /MPa
弹性变形 均匀塑性变形 缩颈
0
应变ε / %
23
常见材料的应力应变曲线
低塑性材料
低塑性材料
高碳钢 高锰钢 铝青铜 锰青铜
应力σ /MPa
弹性变形 均匀塑性变形
0
应变ε / %
24
常见材料的应力应变曲线
高塑性材料
试样外形的变化
8
拉伸试验概述
拉伸试验过程
拉伸内部应力的变化
9
拉伸试验概述
两个重要现象
缩颈
断裂
10
拉伸试验概述
拉伸试验结果
拉伸曲线
工程应力
σ = P/ A
载荷P/kN
e = ∆l / l0
0 伸长量∆l/mm
11
工程应变
拉伸试验概述
拉伸试验结果
工程应力-工程应变曲线
应力σ /MPa
与拉伸曲线的意义不同！
实际材料的拉伸性能
脆性材料的应力应变曲线 塑性材料的应力应变曲线 真应力与真应变
力学性能指标的特点
3
1. 拉伸试验
4
拉伸试验概述
拉伸试验机
传感器
试样
夹具
5
拉伸试验概述
拉伸试样
GB6397-86 标准圆柱形拉伸试件
试验前
试验后
缩颈
6
拉伸试验概述
拉伸试样
板状拉伸试件
7
拉伸试验概述
拉伸试验过程
弹性模量不同！
高塑性材料
变形过程不同！
0
弹性材料
应变ε / %
27
材料的真应力应变曲线
工程应力-应变曲线的问题
实际截面积减小！ 真应力 真应变
P P A0 σ S= = = = σ (1 + e) A A0 A 1 −ψ l dl 1 l ε =∫ = ln = ln(1 + e) = ln 1 −ψ 0 l l0
Байду номын сангаас
均匀塑性变形时(均匀) 伸长率大于(均匀)断面收缩率 延伸率大于等于断面收缩率——低塑性材料，没有缩颈
20
3. 常见材料的应力应变曲线
21
常见材料的应力应变曲线
脆性材料
脆性材料
玻璃 陶瓷 淬火高碳钢 硬质合金
只有弹性变形 脆性断裂 抗压不抗拉
应力σ /MPa 0
应变ε / %
22
常见材料的应力应变曲线
ν = −el / er
泊松比
E =σ /e
0 应变ε
16
弹性模量
应力应变曲线
塑性指标
抗拉强度σb 屈服强度σs 应力σ
δ k = ∆l / l0 ×100%
延伸率
ψ = ∆A / A0 ×100%
断面收缩率
0
应变ε
17
各个性能指标的特点
弹性模量
400 陶 瓷、 硬 质 合 金 普通金属
G ≈ 2(1 +ν )E
真应力应变与工程应力应变对比 塑性变形阶段，真应力大于工程应力 塑性变形阶段，真应变小于工程应变 缩颈阶段到最后断裂，真应力仍持续增大
28
材料的真应力应变曲线
真应力-应变曲线
真应力应变曲线
应力σ /MPa
修正曲线
工程应力应变曲线
反应材料的真实性质！
0
应变ε / %
29
材料的真应力应变曲线
真应力-应变曲线
Bridgeman真应力修正 缩颈外形为圆弧，半径为R 整个试验中缩颈区界面依然是半径为a的圆 缩颈界面上应变是常数
*
S a / r = 0.76 − 0.94(1 − ε ) S = (1 + 2 R / a )[ln(1 + a / 2 R)]
断裂真应力
σ f = Pf / Af = σ b (1 +ψ k )
19
各个性能指标的特点
断面收缩率
标准圆柱件 板状试件
d 02 − d k2 ψk = ×100% 2 d0 A0 − Ak ab − a1b1 ψk = ×100% = ×100% A0 ab
利用体积不变原理
与伸长率和应变的关系
ψ e= 1 −ψ
e ψ= 1+ e
ψb δb = 1 −ψ b
δb ψb = 1+ δb
0
应变ε / %
12
2. 应力应变曲线
13
应力应变曲线
不同阶段
弹性 屈服 变形 塑性 变形 均匀塑性变形 不均匀塑 性变形
应力σ 0
应变ε
14
应力应变曲线
强度指标
抗拉强度σb 弹性极限σe
应力σ
断裂强度σk 比例极限σp 屈服强度σs
0
应变ε
15
应力应变曲线
弹性指标
弹性极限σe
应力σ
比例极限σp