材料力学性能绪论及第一章.

工程材料力学性能课 时： 48 （含 6 学时实验）授课对象： 金属材料工程专业教 材： 工程材料力学性能 , 束德林，机械工业出版社， 2007.05授课学院： 机械工程学院授课教师： 王 松 林0 绪 言0.1 材料的性能与材料的力学性能0.2 本课程的研究内容0.3 学习本课程的目的0.4 教材内容及参考书 0.5 本课程学习注意问题 0.1 材料的性能与材料的力学性能一、材料的种类按 物理化学属性 分：金属材料；无机非金属材料；有机高分子出来；复合材料。按 用途 分：结构材料；功能材料 。结构材料 是以 力学性能 为基础，制造受力构件所用的材料。功能材料主要是利用物质独特的物理、化学性质或生物功能等形成的一类材料。二、材料的性能物理性能 ：热学性能、 光学性能、 电学性能、磁性性能，等；化学性能 ：耐腐蚀性、高温抗氧化性、抗老化性、降解性，等；力学性能 ：弹性、塑性、硬度、韧性，等；工艺性能 ：铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性，等；生物性能 ：生物反应性、生物相容性，等。三、材料的力学性能1、定义材料在外加载荷作用下，或者在载荷与环境因素的联合作用下表现出的 力学行为 。宏观上一般表现为材料的变形和断裂。2、力学性能的指标弹性、塑性、强度、硬度、寿命、韧性等。(1) 弹性 :是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。(2) 塑性 :是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力(3) 强度 :是材料对变形和断裂的抗力。(4) 寿命 :是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力。内部因素 材质因素。(1) 成 分 ：化学元素种类及含量。 (2) 组织结构 ：各元素原子组成的方式；内部的缺陷、残余应力等3、影响材料力学性能的主要因素返回外部因素 （载荷与环境因素） ：(1) 加载速度（静、冲击、交变 ）(2) 加载方式即应力状态 (拉、压、弯、扭等 )(3) 温度 (4) 环境介质 0.2 本课程的研究内容主要研究在 力 或 力和其它外界因素 （温度、介质和加载速率）的共同作用下材料发生 变形 和 断裂 的本质及其基本规律 ，即： 力学过程的微观本质和宏观规律； 研究各种力学性能指标的物理技术意义以及内在因素和外在条件对它们的影响及变化规律。具体：1、材料的弹性、塑性、屈服与硬化、断裂、硬度、疲劳、蠕变 等力学性能指标的物理含义、微观机理（结构与状态）；2、影响材料力学性能的主要因素，以及提高其性能所采取的措施；3、材料力学性能的测试技术 0.3 学习本课程的目的1、掌握材料的力学性能及其变化规律；2、了解材料力学性能的微观机理； 3、能正确地选用材料；4、具有研究开发新型结构材料的能力。 0.4 教材内容及参考书教学内容 第一章：金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 第二章：金属在其它静载荷下的力学性能 第三章：金属在冲击载荷下的力学性能 第四章：金属的断裂韧性 第五章：金属的疲劳 第六章：金属的应力腐蚀和氢脆断裂 第七章：金属的磨损和接触疲劳 第八章：金属的高温力学性能 第九章：聚合物子材料的力学性能 第十章：陶瓷材料的力学性能 第十一章：复合材料的力学性能参 考 书1. 高建明 材料力学性能，武汉理工大版 20042. 郑修麟 材料的力学性能，西北工大版 20013. 匡震邦 材料的力学行为，高教版 19984. 冯端 金属物理学（第三卷 金属力学性能），科学版 19995. 张清纯 陶瓷材料的力学性能，科学版 19876. 吴人洁 复合材料，天津大版 20007. Courtney, Thomas H. Mechanical Behaviorof Materials,机工版 20040.5 本课程学习注意问题预备知识 ： 材料力学和金属学方面的基本理论知识。理论联系实际 :是实用性很强的一门课程。某些力学性指能标根据理论考虑定义 ,而更多指标则按工程实用要求定义。重视实验 : 通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又可掌握测试技术，了解测试设备，进一步理解所测力学性能指标的物理与实用意义。做些练习 : 加深理解 巩固所学的知识。第一章金属在 单向 静 拉伸载荷下的力学性能 1.1 拉伸力 -伸长曲线和应力 -应变曲线 1.2 弹性变形 1.3 塑性变形 1.4 金属的断裂1.1 拉伸力 -伸长曲线和应力 -应变曲线拉伸力 -伸长曲线是拉伸实验中记录的力对伸长的关系曲线。图 1-1为我们熟知的退火态低碳钢 拉伸力 -伸长曲线。Oe:弹性变形阶段；AC：不均匀变形阶段；CB：均匀塑性变形阶段；Bk：不均匀塑性变形阶段K：断裂将 图 1-1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 (图 1-2)。因均系以一常数相除，故曲 线 形状不 变 。 这样 的曲 线 称 为 工程 应 力 应变 曲 线 。根据该 曲 线 便可建立金属材料在静拉伸条件下的力学性能指标 。如果用真应力 S和真应变 e( )绘制曲线，则得到真实应力 -应变曲线，如 图 1-3中的 OBK曲线。注意：并非所有的金属材料单向静拉伸曲线均呈现以上的变形特点，例如灰铸铁、淬火高碳钢等脆性材料。1.2 弹性变形一、弹性变形及其实质二、胡克定律三、弹性模量四、弹性比功五、滞弹性六、包申格（ Bauschinger）效应一、 弹性变形 及其实质1.弹性变形表现： 可逆性变形 。不论是在加载期还是卸载期内，应力与应变之间都保持 单值线性 关系，且弹性变形量比较小，一般不超过 0.5% 1%。 2.实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。（ 原子间作用力 ）3. 解释：双原子模型。如下图 1 4。原子间相互作用功 F 与原子间距 r 的关系为式中 与 原子本性或晶体、晶格类型有关 的常数。原子的位移总和在宏观上就表现为变形。外力去除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来的平衡位置，位移消失，宏观上变形也就消失。这就是 弹性变形的可逆性 。二、胡克定律 （ 弹性变形过程中应力与应变保持单值线性关系 ）(一 ) 简单应力状态的胡克定律1单向拉伸纵向拉伸应变： （ 1-1）横向收缩应变 ： 2剪切和扭转（ 1-2） 3 E（ 弹性模量 ） 、 G（ 切变模量 ） 的关系 （ 1-3）(二 ) 广义胡克定律实际上机件的受力状态都比较复杂，应力往往是两向或三向的。在复杂应力状态下，用广义胡克定律描述应力与应变的关系：式中 、 、 主应力 ；、 、 主应变 。如果主应力中有压应力时，其前方应冠以负号。求得的应变为正号时表示伸长，负号则为缩短。1. 弹性模量 工程上被称为 材料的刚度 ，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。与零件刚度相区别！2. 单晶体金属刚度的各向异性，多晶体金属刚度的各向同性；3. 本质和特性 ：弹性模量与原子作用力有关（ 决定于原子本性和晶格类型 ），所以金属材料的弹性模量对组织、温度、加载速率等不敏感。三、 弹性模量表 1-1几种金属材料在常温下的弹性模量金属材料 E/105MPa铁 2.17铜 1.25铝 0.72铁 及低碳 钢 2.0铸铁 1.71.9低合金 钢 2.02.1奥氏体不 锈钢 1.92.0 合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响不大，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的