材料的力学性能

材料的力学性能、材料与材料的力学性能概述、材料概况：材料作为一门大的基础学科，内容广泛，材料加工工程专业的学生不仅要了解金属材料，还要了解非金属材料的力学性能，对今后大家的学习、就业、工作等都有很大的利益。 材料的力学性能、概念：是材料强度的一门学科，涉及材料在施加载荷(外力)的作用下或载荷与环境因素(温度、介质与负荷速度)的联合作用下表现出的变形、损伤与破坏行为规律及其物理本质与评价方法。 材料的力学性能用材料的力学性能指标来表现。 材料力学性能指标：材料是负荷和环境因素抵抗变形和破坏的量化因子，是评价材料质量的主要依据，是结构设计时选材的依据。 一般来说，材料和构件的负荷条件由各种力学参数表示，因此参数的阈值和规定值多被称为力学性能指标。 材料力学性能指标、弹性、强度、塑性、韧性、硬度、耐磨性、缺损敏感性、裂纹扩展速度、寿命等。 第一章材料的单轴拉伸力学性能，1 .引言2 .拉伸试验3 .脆性材料的拉伸曲线和拉伸性能4 .引言5 .弹性变形6 .弹性极限和弹性比功7 .弹性不完全性8 .脆性破坏9 .理论破坏强度和脆性破坏强度理论10 .延性破坏， 第二章材料在其他静载荷下的力学性能和硬度1 .引言2 .扭转试验3 .弯曲试验4 .压缩试验5 .剪切试验6 .布氏硬度7 .维氏硬度8 .维氏硬度9 .显微硬度，第三章材料的冲击韧性和低温脆性，1 .引言2 .切口冲击韧性3 .低温脆性-韧性相变， 第四章断裂韧性1引言2裂纹的应力分析3裂纹扩展力或裂纹扩展的能量释放率4平面应变断裂韧性5裂纹前端塑性区域*6平面应变断裂韧性KIC的测定7断裂韧性的工程应用， 第5章金属的疲劳1引言2金属的对称循环应力下的疲劳3非对称循环应力下的疲劳4疲劳切口感度5疲劳破坏过程和机理6应变疲劳7疲劳裂纹形成寿命的预测*8疲劳裂纹扩展速度和阈值9疲劳延长寿命技术，第6章材料的磨损，第1引言2摩擦和磨损的概念3磨损试验方法4磨损机理和影响因素5接触第7章金属在高温下的力学行为1引言2金属在高温拉伸性能3蠕变极限和持续强度4蠕变过程中合金组织的变化和变形及破坏机理5应力缓和6金属在高温下的疲劳行为，第8章应力腐蚀和氢脆、 1引言2应力腐蚀破坏3氢脆性4腐蚀疲劳第9章高分子材料的力学行为1引言2线性非晶质高分子材料的力学行为3结晶高分子材料的力学行为4高分子材料的粘弹性5高分子材料的强度6高分子材料的破坏韧性7高分子材料的疲劳A(2学时) 10， 第10章陶瓷材料的力学行为1引言2陶瓷材料的拉伸性能3陶瓷材料的切口强度4陶瓷材料的韧性5陶瓷材料的疲劳6陶瓷材料的耐热振动性， 第11章复合材料的力学行为1引言2研究单向连续纤维强化复合材料的力学性能的基本假设3代表体元4复合材料的纵向力学性能5复合材料的横向力学性能6复合材料的面内剪切弹性模量7短纤维复合材料的力学性能8复合材料的破坏、冲击和疲劳性能的特征、实验教学内容和学时分配，1 ) 材料拉伸性能和断口形态观测：测定一些常用塑性和脆性材料的拉伸曲线和相关性能指标，分析宏观断口形态2 )材料压缩性能和样品形态的观测：测定一些常用塑性和脆性材料的压缩曲线和相关性能指标，观测分析样品形态3 ) 宏观和微观切口形态观测：了解切口样品的制作过程，观察各种典型切口的宏观、微观形态，分析比较各自的特点。材料力学性能参考书： 1高建明主编.材料力学性能M .武汉：武汉理工大学出版社，2004.2石德珂，金志浩主编.材料力学性能M .西安：西安交通大学出版社，1998.3刘瑞堂主编.工程材料力学性能M .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社2001.4 陈楷主编.陶瓷材料物理性能M .北京：中国建筑工业出版社，1980.5吴振铎主编.无机材料物理性能M .北京：清华大学出版社，1992 .学时安排，48学时，其中讲座40学时，实验6学时，考试2学时。 第1章材料在静载荷下的力学行为、第1.1材料在静拉伸时的力学行为概要静拉伸是材料力学性能试验中最基本的试验方法。 从静拉伸试验得到的应力应变曲线可以求得很多重要的性能指标。 如弹性模量e，主要用于零件刚度设计的材料屈服强度s和抗拉强度b主要用于零件强度设计，尤其是抗拉强度和弯曲疲劳强度成正比关系，为零件在交变载荷下的应用提供参考，材料的塑性、破坏前应变量主要以材料冷变形时的技术性能为参考。 某些典型材料在温室中的应力-应变曲线，图1-1某些典型材料在温室中的应力-应变曲线，图1-1显示了不同类型材料的某些典型拉伸应力-应变曲线。 显然有差异。 对于退火的低碳钢，在拉伸的应力-应变曲线上出现平台，材料可以在应力不增加的情况下继续变形。 该平台称为屈服平台，平台的拉伸长度随钢的碳含量增加而减小，碳含量增加到0.6%以上时平台消失的类型请参照图1-1a，对于多数塑性金属材料，其拉伸应力-应变曲线为图1-1a 该图是铝镁合金，但铜合金、中碳合金结构钢(淬火及中高温回火处理)也同样，与图1-1a不同点在于，材料从弹性变形连续地转移到塑性变形，塑性变形时没有锯齿，变形时总是伴随加工硬化拉伸开始时应力和应变没有直线关系，参照图1-1c，不按照虎克定律，变形显示粘弹性。 图1-1d为钠钙玻璃的应力应变曲线，仅显示弹性变形，无塑性变形即断裂，这是完全脆弱的情况。 工程结构的陶瓷材料以Al2O3、SiC等为例，淬火状态的高碳钢、普通灰铸铁也为例。 1.2金属材料的弹性变形、弹性定义：材料在外力作用下保持固有形状和尺寸的能力，在外力消除后恢复固有形状和尺寸的能力。 弹性模量e、剪切弹性模量g、比例极限、弹性极限等。1.2.1广义挂钩定律、单向应力状态下应力与应变的关系，一般应力状态下各向同性材料的广义挂钩定律，其中，以主要应力状态表示广义挂钩定律，具有1.2.2弹性模量的技术意义，工程学上称弹性模量e、g为材料刚性，材料在外载荷下弹性变形在机械设计中，刚性有时是第一位的。 如果精密机床的主轴没有足够的刚性，就不能保证零件的加工精度。 如果汽车拖拉机曲轴的弯曲刚性不足，则影响活塞、连杆及轴承等重要部件正常动作的扭转刚性不足，可能发生强扭转振动。 曲轴的结构和尺寸始终由刚性决定，进行强度检查。 通常，刚性确定的尺寸远大于强度计算的尺寸。 因此，曲柄轴只在个别的状况下从轴颈到曲柄的过渡园角不发生断裂，是因为一般制造工艺不适当。 不同类型的材料，因为弹性模量可以大大不同，所以在给定载荷下产生的弹性挠曲变形也大大不同。材料的弹性模量主要取决于键的性质和原子间的键合力，但材料的成分和组织对其影响不大，因此是对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量性能的主要特征(金属弹性模量是对结构不敏感的性能指标，高分子和陶瓷材料的弹性模量对结构和组织敏感)。 改变材料的成分和组织对材料强度(屈服强度、抗拉强度等)有显着影响，但对材料刚度影响不大。 从广泛的范围来说，材料的弹性模量首先由键决定。 由于共价键材料的弹性模量最高，故具有SiC、Si3N4陶瓷材料和碳纤维复合材料一样高的弹性模量。 主要依赖于分子键的高分子，因为键力弱，所以弹性模量最低。 金属键具有较强的键合力，材料易塑性变形，其弹性模量适中，但不同金属原子的键合力存在较大差异。 例如，铁(钢)弹性模量为210GPa，是铝(铝合金)的三倍(EAl70GPa )，钨的弹性模量为铁的两倍(Ew420GPa )。 弹性模量与材料的熔点成正比，不易熔化的材料弹性模量越高。 材料弹性变形的应用实例：交叉弹簧、能发射弹丸的弹子机、弹簧秤和琴瑟(se )、钟鼓等各种乐器的引线是利用材料弹性的实例。 另外，也称为1.2.3弹性比功能、弹性比功能、应变比功能，表示材料吸收弹性变形功能的能力的弹簧部件，与弹簧的形状无关(是螺旋弹簧还是板簧)，要求与受到弹簧的力的方式无关(是否拉扭)，在弹性范围内(弹性界限以下)尽可能高的弹性比功能。 弹性比功是应力-应变曲线下被弹性范围吸收的变形功，即弹性比功，式中e是材料的弹性极限，表示材料弹性变形的极限阻力。 理论上弹性极限的测量应该是加载和卸载直到变形完全恢复的极限载荷。 实际测量弹性极限时，以规定某种少量残留变形(例如0.01% )为基准，与该残留变形对应的应力为弹性极限。 弹性模量是材料的刚性性能，材料的成分和热处理对其影响不大的弹性极限是材料的强度性能，改变材料的成分和热处理可以显着提高材料的弹性极限。 在此，材料的弹性极限规定的残留变形量比一般的屈服强度小，是对组织更敏感的性能指标，例如可以对内应力、钢中残留奥氏体、自由铁素体、贝氏体等敏感地反映材料内部组织的变化。1.2.4滞弹性(二次)，理想的弹性体弹性变形速度快，相当于声音在弹性体中的传播速度。 因此，负荷时变形很快达到应力-应变曲线上的对应值，解除负荷后立即恢复原状，图中的负荷和负荷必须在同一条直线上，也就是说应变和应力总是同步的。 但是，实际材料中存在应变迟于应力的现象，这种现象称为滞弹性。 在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间推移产生的附加弹性应变现象称为滞弹性。 对于多种金属材料，若不在微应变范围内精密测量，其滞后性不够明显，但少量金属，特别是铸铁、高铬不锈钢有明显的滞后性。 例如，普通灰铸铁延伸时，弹性变形范围内的内应力和应变不遵循直线AC关系(参见图1-2 )，加载时沿直线ABC，卸载时不沿原路径，而沿CDA返回原状态。加载时试料贮藏的变形功能为ABCE，卸载时释放的弹性变形能为ADCE，加载和卸载循环，试料贮藏的弹性能为abca，即图中阴影面积。该磁滞环的面积虽小，但对工程中产生振动的部件至关重要，能够减小振动并迅速衰减振幅，因为铸铁具有这一特性，常用于制造机床和内燃机支架。 滞后现象也有不好的一面。 例如，精密仪表的弹簧、液压仪表和气压仪表的负载弹簧要求弹簧薄膜的弹性变形敏感地反映液压和气压的变化，因此材料上不允许有显着的滞后。 追求音响效果的元件，例如音叉或钟等，希望声音不衰减，即振动的持续时间变长的元件，必须尽量减小循环韧性。 在高分子材料中，滞弹性表现为粘弹性，成为材料的普遍特性。 此时，高分子的力学性能都与时间有关，其应变不再是与应力的一值函数而是与时间有关。 高分子材料的粘弹性主要是因为大的分子量减慢了应变对应力的响应。 另外，弹性滞回环的类型由于实际的金属具有滞回性，因此在金属在弹性区域迅速加载卸载时，变形比应力慢，因此以加载线与卸载线不重叠的方式形成闭合环，称为弹性滞回环(弹性滞回环) 施加交变载荷，最大应力低于宏观弹性极限，载荷速度较大时，也得到弹性滞回环(图b )。 当交变载荷中的最大应力超过宏观弹性极限时，得到塑性滞后环(图c )。 1.2.5金属的循环韧性，定义：金属材料在交变载荷(或振动)下吸收不可逆变形功的能力，也称为金属的消耗或消振性。 意义：循环韧性越高，机器越依赖于自身的减振能力，因此高循环韧性降低了机器的噪音，抑制了高速机器的振动，防止了共振引起的疲劳破坏，意义重大。 1.2.6包辛格效应及其使用意义，包辛格效应原本是指经过微量塑性变形后，同向负荷，提高弹性极限，反向负荷时降低弹性极限或屈服强度的现象。 特别是，弹性极限在反负荷时几乎下降到零，反负荷时塑性变形很快就开始了。 包辛格效应在理论上和实际上都有重要意义。 因为理论上是金属变形时的长期内应力测量(长期内应力的大小可以用x射线法测量)，包络效应可用于研究材料加工硬化的机理。 在工程应用中，首先材料加工成形技术要考虑包辛格效应。 其次，包括辛格效应大的材料，内部应力大。包辛格效应一般可以通过第二类内应力的作用来解释。 一定的拉伸力p与Pe大致相同，多晶金属因各晶粒的取向不同，只会使软取向的晶粒产生塑性变形，相邻的硬取向的晶粒处于弹性状态，或者只会产生小的塑性变形。 外力消除后，硬取向的晶粒试图恢复弹性变形，但由于软取向的晶粒的拉伸塑性伸长的限制无法完全恢复，因此在软取向的晶粒上产生了附加的残馀应力，在软取向的晶粒上产生了附加的残馀应力。 在第二次逆压缩负荷中，软取向晶粒由于有残留压应力的作用，开始压缩变形的外力降低，表现为e的降低。 第2次为正方向的拉伸负荷时，为了克服软取向晶粒的残留应力，如果不施加外力，则开始塑性变形，无法表现e的上升。 包辛格效应在很多金属中被发现。 预先经过轻度塑性变形，然后反向施加负荷的部件非常有害。 过载应变疲劳的情况下，由于包括辛格效应材料会慢慢减弱。 消除包辛格效应的方法：采用300400回火，消除第二类内应力，不降低强度。 冷拉弹簧钢丝卷绕弹簧的设置回火(300400)是消除第二类内部应力和卷装机效果的热处理工序。1.3金属材料的塑性变形，1、塑性变形方式和特征1、变形方式： (1)滑移(2)双胞胎、多晶金属中的各晶粒的滑移变形规律与单晶金属相同，但由于多晶金属中存在晶界，各晶粒的取向也不同，因此塑性变形具有以下特征： (1) 单个晶粒变形的同时性和不均匀性(2)单个晶粒变形的相互协调性、塑性变形的应用：古代战争中的各种武器，例如刀、枪、质、钩等日常生活中的木工工具，例如锥、凿、斧、装饰用箔，例如金箔、银箔、铜箔等，是利用材料的塑性变形原理进行锻炼的。 二、屈服现象和屈服点(屈服强度)是屈服现象是材料发生宏观塑性变形的一个标志。 金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡很明显，即使外力一定，