第2章_金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
工程材料力学性能第二章
❖ 7〕 缺点 外表切应力大，心部小，变形不均匀。
二、扭转实验 扭转试样：圆柱形式〔d0=10mm，L0=50m或100mm〕 试验方法：对试样施加扭矩T，相对扭转角以Φ表示
弹性范围内外表的切应力和切应变
扭转试验可测定以下主要性能指标： (1) 切变模量G
在弹性范围内,Kt的数值决定于缺口的几何形状和 尺寸 与材料性质无关.
❖ 2.厚板： ❖ εz=0, σz≠0 ❖ 根部:两向拉伸力状态， ❖ 内侧:三向拉伸的立体应力平面应变状态， ❖ σz ＝ν〔σy＋σx〕 ❖ σy>σz >σx
3.缺口效应： 1〕根部应力集中 2〕改变缺口的应力状态，由单向应力状态改变为两
思考题： ❖ 1 缺口效应及其产生原因； ❖ 2 缺口强化； ❖ 3 缺口敏感度。
❖
第六节 硬度
前言 •古时，利用固体互相刻划来区分材料的软硬 •硬度仍用来表示材料的软硬程度。 •硬度值大小取决于材料的性质、成分和显微组织，测
量方法和条件不符合统一标准就不能反映真实硬度。 •目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。 •硬度测定简便，造成的外表损伤小，根本上属于“无
可利用扭转试验研究或检验工件热处理的外表质量和各 种外表强化工艺的效果。
❖ 4)扭转时试样中的最大正应力与最大切应力在数值 上大体相等，而生产上所使用的大局部金属材料的 正断抗力 大于切断抗力 ，扭转试验是测定这些材 料切断抗力最可靠的方法。
❖ 5〕根据扭转试样的宏观断口特征，区分金属材料 最终断裂方式是正断还是切断。
油孔，台阶，螺纹,爆缝等对材料的性能影响有以下 四个方面： ❖ 1 缺口产生应力集中 ❖ 2 引起三向应力状态,使材料脆化 ❖ 3 由应力集中产生应变集中 ❖ 4 使缺口附近的应变速率增高
2 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能-静载拉伸试验,拉伸性能指标解析
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—(绝对)伸长曲线
• 工程应力—应变曲线的作用：根据该曲线可获得 材料静拉伸条件下的力学性能指标：比例极限 σp 、 弹性极限σe 、屈服点σs 、抗拉强度σb 。可提供 给工程设计或选材应用时参考。
• 工程应力—应变曲线的局限：在拉伸过程中，试 棒的截面积和长度随着拉伸力的增大是不断变化 的，工程应力 — 应变曲线并不能反映实验过程 中的真实情况。
退火低碳钢的（条件）应力-应变曲线
b. 弹性极限
试样加载后再卸载，以不出现残留的 永久变形为标准，材料能够完全弹性 恢复的最高应力值为弹性极限，用σe 表示，超过σe时，即认为材料开始屈 服。 上述二定义并非完全相等，有的材料， 如高强度晶须，可以超出应力应变的 线性范围，发生较大的弹性变形。橡 胶材料可以超过比例极限发生较大的 变形后仍能完全恢复，而没有任何永 久变形。 工程上之所以区分它们，是因为有些 设计，如火炮筒材料，要求有高的比 退火低碳钢的（条件）应力-应变曲线 例极限，而弹簧材料则要求有高的弹 性极限。
与工程应力－应变曲线相比较，在弹性变 形阶段，由于试棒的伸长和截面收缩都很 小，两曲线基本重合，真实屈服应力和工 程屈服应力在数值上非常接近，但在塑性 变形阶段，两者之间出现了显著的差异。
在工程应用中，多数构件的变形量限 制在弹性变形范围内，二者的差别可 以忽略，同时工程应力、工程应变便 于测量和计算，因此，工程设计和材 料选用中一般以工程应力、工程应变 为依据，但在材料科学研究中，真应 力和真应变将具有重要的意义。
材料力学性能
材料力学性能
§1- 2 弹性变形
3、说明： ——弹性变形的力学性能指标
1) Pmax一般远大于Pp、Pe（三个数量级）；
实际金属在外力远低于Pmax时就产生了塑性变形甚至断裂。
2) P与Δr = r - rO并非正比关系; 而实际金属拉伸时其Pe、Pp均较小(远小于Pmax)，此时P与Δr近 似直线，故弹性强度指标有比例极限σp与弹性极限σe之分，且 σp <σe σp一般用于计量弹簧设计; σe一般用于工程构件中的弹簧钢设计
3)弹性变形随应力的变化速度为声速。
材料力学性能
§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
二、弹性模量：
表征材料(在弹性变形阶段)对弹性变形的抗力.
1、定义:
拉：σ= Eε
E：弹性模量（杨氐）
扭：剪切应力τ= Gγ G：切变模量
E、G越大，则材料的抗力越大，或变形越小。
弹性模量是组织不敏感因素指标，仅与原子间作用力有关.
原子间作用力：吸引力、相斥力；且二者均与原子间
的相互距离（2r）有关
吸引力：原子核中质子(正离子)与其它原子的电子
云之间的作用力：P1∝1/r²
相斥力：离子之间及电子之间的作用力：P2∝-1/r4
材料力学性能
则有： P = P1+ P2 = A/r²-Ar0²/r4 其中： P1= A/r²为引力项， P2=-Ar0²/r4 为斥力项
滑移：在形变温度不低的情况下产生于滑移系多的晶系，对变
形量的贡献大(>90%)；
孪生：产生于滑移系少的晶系，且须冲击应力(来不及传递开)、
温度较低等条件下才发生，对变形量的贡献小
材料力学性能 河北工业大学
第一章金属在单项静拉伸载荷下的力学性能¨材料是人类赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础与先导，是人类社会进步的里程碑。
历史学家曾用材料来划分时代，如石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代、以及聚合物时代、半导体时代、复合材料时代等，可见材料对人类文明发展的重要作用；¨1986年英国《材料科学与工程百科全书》提出的定义：材料科学与工程是研究有关材料组成（成分、组织与结构）、性质、生产流程（工艺）和使用性能以及它们之间关系的学科。
组成性质使用性能工艺 1.材料的组成是指材料的原子类型和排列方式，其包含四个层次：原子结构、结合键、原子排列方式（晶体与非晶体）和组织。
材料的性能取决于材料的成分及其组织类型； 2.制备合成与加工工艺是指实现特定原子排列的演变过程，相对性能的影响随材料种类的不同而不同； 3.材料的性质是指对材料功能特性和效用（如电、磁、光、热、力学等性质）、化学性能（如抗氧化和抗腐蚀、聚合物的降解）和力学性能（如强度，塑性，韧性）的定量度量和描述； 4.使用性能是指材料性质在使用条件（如受力状态、气氛、介质与温度）下的表现。
它把材料的固有性能和产品设计、工程应用能力联系了起来。
度量使用性能的指标有：寿命、速度、能量利用率、安全可靠程度、利用成本等综合因素，在利用物理性能时包括能量转换效率，灵敏度等。
z材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为。
性能必须参量化，即材料的性能需要定量地加以表述，多数的性能都有单位，通过对单位的分析（量纲分析），可以加深对性能的理解，在不同的外界条件（应力、温度、化学介质、磁场、电场、辐照）下，同一材料也会有不同的性能。
z材料力学性能是关于材料强度的一门学科，即是关于材料在外加载荷（外力）作用下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现的变形、损伤与断裂的行为规律，及其物理本质和评定方法的学科。
z材料的力学性能，常用材料的力学性能指标来表述。
西华大学《材料性能学》总复习题
绪论二、单项选择题1、下列不是材料力学性能的是（）A、强度B、硬度C、韧性D、压力加工性能2、属于材料物理性能的是（）A、强度B、硬度C、热膨胀性D、耐腐蚀性三、填空题1、材料的性能可分为两大类：一类叫_ _，反映材料在使用过程中表现出来的特性，另一类叫_ _，反映材料在加工过程中表现出来的特性。
2、材料在外加载荷（外力）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为，叫做材料_ 。
四、简答题1、材料的性能包括哪些方面？2、什么叫材料的力学性能？常用的金属力学性能有哪些？第一章材料单向静拉伸的力学性能一、名词解释弹性极限：强度:屈服强度：抗拉强度：塑性变形：韧性：二、单项选择题1、根据拉伸实验过程中拉伸实验力和伸长量关系，画出的力——伸长曲线（拉伸图）可以确定出金属的（）A、强度和硬度B、强度和塑性C、强度和韧性D、塑性和韧性2、试样拉断前所承受的最大标称拉应力为（）A、抗压强度B、屈服强度C、疲劳强度D、抗拉强度3、拉伸实验中，试样所受的力为（）A、冲击B、多次冲击C、交变载荷D、静态力4、常用的塑性判断依据是（）A、断后伸长率和断面收缩率B、塑性和韧性C、断面收缩率和塑性D、断后伸长率和塑性5、工程上所用的材料，一般要求其屈强比（）A、越大越好B、越小越好C、大些，但不可过大D、小些，但不可过小6、工程上一般规定，塑性材料的δ为（）A、≥1%B、≥5%C、≥10%D、≥15%7、形变强化是材料的一种特性，是下列（）阶段产生的现象。
A、弹性变形；B、冲击变形；C、均匀塑性变形；D、屈服变形。
8、在拉伸过程中，在工程应用中非常重要的曲线是（）。
A、力—伸长曲线；B、工程应力—应变曲线；C、真应力—真应变曲线。
9、空间飞行器用的材料，既要保证结构的刚度，又要求有较轻的质量，一般情况下使用（）的概念来作为衡量材料弹性性能的指标。
A、杨氏模数；B、切变模数；C、弹性比功；D、比弹性模数。
金属材料在静拉伸载荷下的力学性能
表征材料对弹性变形的抗力
E
相同的σ下:E↑
ε↓
表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量
金属材料 铁 铜 铝 铁及低碳钢 铸铁 低合金钢 奥氏体不锈钢
E/105MPa 2.17 1.25 0.72 2.0 1.7-1.9 2.0-2.1 1.9-2.0
合金化（加入某种金属）对E影响很小
E = σ /ε 应力和应变的关系实质是 原子间作用力和原力间距的关系.
E
拉伸杨氏模量： E = σ /ε
切变模量G =τ/γ
G E 2(1 v)
泊松比：υ= —εX/εZ
对金属υ值约为0.33（或1/3）
广义胡克定律
1
1 E
[1
v( 2
3 )]
2
1 E
[ 2
v( 3
1)]
3
1 E
[ 3
v(1
2 )]
物理意义： 产生单位应变所需的应力
技术意义： E，G称为材料的刚度
弥散型（沉淀和弥散强化） τ=Gb/l
相的性质、数量、大小、形状、分布
外在因素：
温度、应变速率、应力状态
1、温度因素 T ↑ ，屈服强度↓
2、应变速率
ε. ↑ ，屈服强度↑
. σε 、t=C1εm . ε-应变速率 m-应变速率敏感指数
3、应力状态的影响 •切应力分量大， σs小， 如扭转比拉伸小
材料的弹性模量与原子间结合力和原子间距有 关.
首先决定于结合键： 共价键结合的材料弹性模量最高
SiC，Si3N4陶瓷材料有很高的弹性模量。
金属键有较强的键力
其弹性模量适中
金属的原子间作用力取决于原子本性和晶格类型
弹性模量取决于原子本性和晶格类型
工程材料力学性能 第三版课后题答案(束德林)
工程材料力学性能课后题答案第三版（束德林）第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
（1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
（2）滞弹性：金属材料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，也就是应变落后于应力的现象。
（3）循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
（4）包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
（5）解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
（6）塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
（7）解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。
（8）河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
（9）解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
（10）穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
（11）韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变。
2、说明下列力学性能指标的意义。
答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生100％弹性变所需的应力。
σ规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。
（2）rσ名义屈服强度（点），对没有明显屈服阶段的塑性材料通常以产生0.2％的塑性形变对应的应力作为屈2.0服强度或屈服极限。
《材料性能学》课后答案.
《工程材料力学性能》（第二版）课后答案第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能一、解释下列名词滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。
静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。
弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。
比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。
包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(σP)或屈服强度(σS)增加；反向加载时弹性极限(σP)或屈服强度(σS)降低的现象。
解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。
晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。
解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。
韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。
静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。
是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。
二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能?答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。
改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。
三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义?答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。
特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。
包辛格效应可以用位错理论解释。
第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。
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常见的：
低碳钢
铝合金
苏打石灰玻璃
2.3 塑性变形
塑性变形：外载荷卸去后，不能恢复的变形 塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能 继续变形而不发生断裂的性质
2.3.1 塑性变形方式及特点
一、塑性变形方式
金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生
• 1--- 淬火、高温回火后的高碳钢：只 有弹性形变、少量的均匀塑性形变；
• 2--- 低合金结构钢：与低碳钢的曲线 类似；
• 3--- 黄铜：弹性形变、均匀塑性形变 和不均匀塑性形变；
• 4--- 陶瓷、玻璃类材料：只有弹性变 形而没有明显的塑性形变；
• 5--- 橡胶类材料：弹性形变量很大， 高达 100% ；
滑移 最主要的变形机制；
孪生
重要的变形机制，一般发生在低温形 变或快速形变时
2.3.1 塑性变形方式及特点
1、滑移
是金属材料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：原子最密排面； 滑移方向：原子最密排方向； 滑移系：滑移面和滑移方向的组合。 滑移面×滑移方向=滑移系。 滑移系越多，材料的塑性越好。 晶体结构的影响较大，fcc＞bcc＞hcp
应力值为其屈服极限。）
c d
③均匀变形阶段：屈服后，欲继 续变形使试样应变增大，必须
不断增加载荷使应力超过σs，
此阶段的变形明显而均匀的，
直到曲线达到最高点σb，均匀
b
变形结束，如图中的bc段。此
a
最大应力σb称为材料的强度极 限或抗拉强度，它表示材料对
最大均匀塑性变形的抗力。
形变硬化：随塑性变形增大， 塑性变形抗力不断增加的现象。
一、拉伸曲线（拉伸图）：
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拉伸力-伸长曲线。
引伸计
2.2 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
二、应力-应变曲线：
将拉伸力-伸长曲线的纵、 横坐标分别用拉伸试样的原 始截面积A0和原始标距长 度L0去除，则得到应力-应 变曲线。因均系以一常数相 除，故曲线形状不变，称为 工程应力－应变曲线。
铝合金
2.2 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
五、真实应力－应变曲线
拉伸变形过程中 横截面积和长度 是不断变化的
如果用拉伸时试样的真实 断面A和真实长度L去除， 得到真应力S和真应变e(ψe) 绘制曲线，则得到真实应 力-应变曲线(OBK曲线)。
2.2 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
六、应力-应变曲线的类型
工程应力(Stress) 工程应变(Strain)
σ=F／A0 ε=ΔL／L0
2.2 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
三、两曲线相互关系： 二者具有相同或相似的形状，但坐标刻度不同，意义 不同；拉伸曲线不能直接给出材料的力学性能指标， 应力-应变曲线可直接给出材料的力学性能指标。
2.2 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
c d
• 工程应力—应变曲线的作用：根据该曲线可 获得材料静拉伸条件下的力学性能指标：弹 性极限σe 、屈服点σs 、抗拉强度σb 等。可 提供给工程设计或选材应用时参考。
• 工程应力—应变曲线的局限：在拉伸过程中 ，试棒的截面积和长度随着拉伸力的增大是 不断变化的，工程应力 — 应变曲线并不能 反映实验过程中的真实情况。
2.1 单向静拉伸实验简介
• 目的： (1) 揭示金属材料在静载荷作用下常见的力 学行为，即弹性变形、塑性变形和断裂；
(2) 标定基本力学性能指标。
屈服强度σs/0.2
抗拉强度σb 断后伸长率δ 断面收缩率ψ
2.1 单向静拉伸实验简介
• 试验的温度、应力状态、加载速率和试 样等都有严格规定 (GB/T228-2002)外力不增加或增加很小 Nhomakorabea略有降低
的情况下，变形继续产生，拉伸图
b
上出现平台或呈锯齿状，如图中的
a
ab段，称为屈服平台或屈服齿。如
果卸载，试样的变形只能部分恢复，
而保留一部分残余变形，即塑性变
形，这说明钢的变形进入弹塑性变
形阶段。σs称为材料的屈服强度或 屈服点。（对于无明显屈服的金属
材料，规定以产生0.2%残余变形的
2.1 单向静拉伸实验简介
(S0)
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。
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。
2.2 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
c d
2.2 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
四、低碳钢试样的拉伸过程（四个阶段）
④局部变形阶段：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， b a
随变形增大，载荷不断下降，
产生大量不均匀塑性变形，且
集中在颈缩处，缩颈现象产生。
最后应力达到σk时试样断裂。 σk为材料的条件断裂强度，它 表示材料对塑性的极限抗力。
L0—原始标距； I—平行长度； L—试样总长度； R—过渡弧半径；
2.1 单向静拉伸实验简介
常用拉伸试样形状
光滑圆 柱试样
板状 试样
2.1 单向静拉伸实验简介
拉伸试样的尺寸
光滑圆柱试样:试件的标距长度L0比直径d0 要大得多；通常，L0=5d0或L0=10d0
板状试样:试件的标距长度L0应满足下列关 系式：L0 = 5.65 S0 或 L0 = 11.3 S0
四、低碳钢试样的拉伸过程（四个阶段）
①弹性变形阶段：曲线的起始部
分，图中的oa段。当应力低于
b
a
σe时，应力与试样的应变成正
比，应力去除，变形消失，即
试样处于弹性变形阶段，σe为 材料的弹性极限，它表示材料
保持完全弹性变形的最大应力。
c d
四、低碳钢试样的拉伸过程（四个阶段）
②屈服阶段：当应力超过σe 后，应力 与应变之间的直线关系被破坏，在
第2章 金属在单向静拉伸载荷 下的力学性能
2.1 单向静拉伸实验简介 2.2 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线 2.3 塑性变形 2.4 金属的断裂
2.1 单向静拉伸实验简介
单向静拉伸试验：
• 是工业上应用最广泛的金属力学性能试 验方法之一。
温度、应力状态和加载速率确定 • 特点：
试样为标准的光滑圆柱试样