纳米材料导论 1

材料力学性能,目录,工程应力应变和真应力应变,加工硬化,强度、塑性、韧性的表征,硬度,单向静拉伸试验,单向静拉伸试验是指在室温、大气环境中，对长棒状试样（横截面可为圆形或矩形）沿轴向缓慢施加单向拉伸载荷，使其伸长变形直到断裂的过程。,一种电子拉伸试验机示意图,工程应力的定义为=P/A0式中，P为载荷；A0为试样工作段的原始横截面积。应力的法定计量单位为MPa或Pa。,工程应变的定义为=l/l0式中，l为试样长度方向上的伸长量；l0为试样工作段的原始标距长度,拉伸曲线,在e点以下为弹性变形阶段,从e点到k点为塑性变形阶段,试样在k点发生断裂,载荷伸长曲线,应力应变曲线,加工硬化,金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象，又称冷作硬化。,产生加工硬化的原因金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。在纳米材料中也会出现加工硬化现象，此时的硬化行为多认为和位错运动密切相关。,真应力应变曲线,真实应力S=,与瞬时截面积相应的拉伸力,瞬时截面积,当拉伸力P有一增量dP时，试样在瞬时长度l的基础上也有一增量dl，于是应变的微分增量应该是de=dl/l,则试样自l0至l后，总的真应变量为,e=ln,工程应变和真应变e之间的关系为,e=ln=ln()=ln(1+),真应力与工程应力之间的关系为,S=（1+）,真应力应变曲线示意图,单向静拉伸力学性能指标,比例极限p是能保持应力与应变成正比关系的最大应力，即在应力应变曲线上刚开始偏离直线时的应力p=弹性极限e是材料发生可逆的弹性变形的上限应力值。应力超过此值，则材料开始发生塑性变形e=屈服极限s是应力应变曲线上屈服平台的应力s=抗拉强度b是由试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力，即试样所能承受的最大载荷Pb除以原始截面积A0b=,伸长率和断面收缩率,断裂前材料发生塑性变形的能力叫做塑性。虽然表示材料塑性变形能力的参数有很多，但在工程上，一般用材料断裂时的最大相对塑性变形来表示，即伸长率和断面收缩率。伸长率是断裂后试样标距长度的相对伸长量=*100式中，l0为原始标距长度；lk为断裂后标距长度。伸长率的测试方法是：试验前，在试样的工作标距长度了l0两端做好记号，拉伸断裂后，将断裂的两截试样在断口处细致地吻合对接，然后再测量出标距间长度lk,再利用上式计算伸长率。,断面收缩率是断裂后试样截面的相对收缩率=*100式中，A0为原始截面积；Ak为断裂后的最小截面积，一般在颈缩处。,断面收缩率的测定对援助而形试样比较简单，在缩颈处两个相互垂直的方向上测量其直径（需要时，应将断裂的两截试样的断裂面处对接起来），用两者的算术平均值计算。对矩形截面试样，用缩颈处的最大宽度b1乘以最小厚度a1来定出断裂后的截面积，实验表明，断面收缩率与试样的尺寸无关。,板状试样断口尺寸的测量,韧度,韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，韧性是指材料断裂前吸收变形功和断裂功的能力。韧性和脆性是相反的概念，韧性愈小，意味着材料断裂所消耗的能量愈小，则材料的脆性愈大。一般情况下，韧度可以理解为应力应变曲线下的面积。根据试样的状态及实验方法，韧度一般分为三类：即静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。冲击韧度夏比缺口冲击试验-,将欲测定的材料先制备成带缺口的标准试样，然后放置在试样机支座上，将具有质量为G的摆锤举至一定高度h，使其获得势能Gh，再将摆锤释放，摆锤下落至最低位置时冲断试样，剩余的动能会将摆锤再扬起一定高度h,即冲断试样后摆锤剩余的能量为Gh。冲断试样所用的能量为冲击功，以Ak(单位N*m)表示：Ak=G(h-h)将冲击功除以试样缺口处截面积A0的值定义为冲击韧度，以ak(单位N*m/m)表示：ak=,硬度,硬度是表征材料软硬程度的一种力学性能指标。测定硬度的试验方法有很多种，大体可分为压入法和刻划法两大类。在压入法中，根据加载速度不同又分为静载压入法和动载压入法，后者又称弹性回跳法。静载压入法的基本原理是：利用机械装置将标准压头在规定载荷下压入待测材料表面，保持一定时间后卸载，然后测量残留在材料表面压痕的某一几何量，如压痕面积、压痕深度或压痕对角线长度等，来表征材料的软硬。显然压痕面积或压痕深度愈大，材料硬度愈低。,布氏硬度,布氏硬度试验是1900年由瑞典工程师J.B.Brinell提出的，是目前最常用的硬度试验方法之一。的人如此布氏硬度的试验原理如图所示，以一定大小的载荷P(kgf或N)将直径为D的球形压入试样表面，经规定保持时间后卸除载荷，根据压痕的表面积A（mm），计算单位面积上所承受的载荷来表征硬度，用符号HB表示，计算公式如下：HB=在实际试验时，由于测量压痕直径d比压痕深度h方便，因此经上式中的h换算成d的表达式。根据几何关系,布氏硬度,h=因此，当载荷单位为kgf时，有HB=当