材料的拉伸性能

1、2121世纪全国高等院校材料类创世纪全国高等院校材料类创 新型应用人才培养规划教材新型应用人才培养规划教材 专业面拓宽，成为适应新形势专业面拓宽，成为适应新形势 需要的综合性教材需要的综合性教材 该教材的编排更加生动活泼，该教材的编排更加生动活泼， 体现时代性和新颖性体现时代性和新颖性 参考教材参考教材: : 【1 1】张帆编著，材料性能学，上海交通大学出版社，张帆编著，材料性能学，上海交通大学出版社，20092009 【2 2】王从曾编著，材料性能学，北京工业大学出版社，王从曾编著，材料性能学，北京工业大学出版社，20072007 教材选择教材选择 课程考核与成绩评定课程考核与成绩评定 总评

2、成绩=平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%） 1.1 引言引言 第一节 材料的性能 材料的性能是指材料的性质和功能。 性质是本身所具有的特质或本性；功能是 人们对材料的某种期待与要求可以承担功效， 以及承担该功效下的表现或能力。 1. 材料性能研究的意义 终极目标 应用 经济性性能达到要求 2. 材料性能的划分 力学性能 物理性能 热学性能 光学性能 电学性能 磁学性能 力学性能 材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温 度、介质等)时，在外力或能量作用下表现出来的变 形和破坏的特征。 材料的性能 材料的主要力学性能有： 力学性能 第一章 材料的拉伸性能（6学时） 弹性变形受力作用后产生

3、变形，卸除载荷后，变形消失 塑性变形-卸除载荷后，试样会保留一部分残余变形 断裂 第二章 材料在其他静载下的力学性能 （4学时） v机器零件或建筑结构实际上往往承受不同形式和大小的外力，机器零件或建筑结构实际上往往承受不同形式和大小的外力， 其内部的应力状态一般也是十分复杂的，仅采用单向静拉伸那其内部的应力状态一般也是十分复杂的，仅采用单向静拉伸那 样的力学性能试验，并不能完全反映材料在不同应力状态下所样的力学性能试验，并不能完全反映材料在不同应力状态下所 表现的弹性变形、塑性变形以及断裂行为等性能特点表现的弹性变形、塑性变形以及断裂行为等性能特点 扭转扭转 弯曲弯曲 压缩压缩 剪切剪切 力学

4、性能 第三章 材料的断裂（4学时） 断裂断裂：固体材料在力的作用下固体材料在力的作用下变形，超过其变形，超过其 塑性极限而呈现完全分开的状态塑性极限而呈现完全分开的状态称为断裂称为断裂 第四章 材料的疲劳性能（4学时） 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损 伤而引起的断裂现象，称为伤而引起的断裂现象，称为疲劳疲劳。 力学性能 第五章 材料的磨损性能（4学时） 当两个工件相对运动当两个工件相对运动( (滑动、滚动滑动、滚动) )时时, ,就产生就产生 磨擦磨擦磨损磨损, , 因磨损而降低机器效率、精度、甚至因磨损而降低机器效率、精度、甚至 失效事故

5、。失效事故。 第六章 材料的热学性能（4学时） 材料在使用过程中，将对环境温度作出响材料在使用过程中，将对环境温度作出响 应，表现出不同的热学性能，包括热容、热膨应，表现出不同的热学性能，包括热容、热膨 胀、热传导、热稳定性等。胀、热传导、热稳定性等。 材料的性能 膨胀珍珠岩板材膨胀珍珠岩板材膨胀蛭石板材膨胀蛭石板材 岩棉管岩棉管玻璃棉玻璃棉 矿物棉保温制品矿物棉保温制品 材料的性能 第七章 材料的电学性能（6学时） 材料的电学性能是材料性能的重要组成部分。电子材料的电学性能是材料性能的重要组成部分。电子 技术技术传感技术传感技术自动控制自动控制信息传输等许多新兴领域信息传输等许多新兴领域 的

6、发展，对材料在电学性能方面提出了新的要求。的发展，对材料在电学性能方面提出了新的要求。 石石 墨墨 炸炸 弹弹 材料的性能 第八章 材料的磁学性能（4学时） 磁性是物质的一种重要的属性。从微观粒子到磁性是物质的一种重要的属性。从微观粒子到 宏观物体，到宇宙天体，无不具有某种程度的磁性宏观物体，到宇宙天体，无不具有某种程度的磁性 。 指南车指南车 磁悬浮列车磁悬浮列车 电磁炉电磁炉 隐身飞机隐身飞机 材料的性能 第九章 材料的光学性能(4学时) 光学材料被人们广为利用，与材料的光学性能有关。光学材料被人们广为利用，与材料的光学性能有关。 材料对可见光的不同吸收和反射性能使我们周围的世界材料对可见

7、光的不同吸收和反射性能使我们周围的世界 呈现五光十色。呈现五光十色。 包括吸收反射折射透射漫反射偏振 液晶显示屏 LED 激光晶体 3.决定材料性能的实质 v构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料 的元素种类以及各自占有的比例。 v材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元 素自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工 过程有密切的关系。 4. 材料性能的影响因素 内因 外因 原子结构 凝聚态结构 温度 介质气氛 组织结构 载荷形式 试样尺寸和形状 电子结构和化电子结构和化 学键性质学键性质 晶体或非晶体，晶晶体或非晶体，晶 体点缺陷或线缺陷体点缺陷或线缺陷 多晶体晶界、多晶体晶界、

8、多相材料相多相材料相 界、形态、界、形态、 大小、分布、大小、分布、 组织缺陷和组织缺陷和 裂纹裂纹 5. 材料性能的测试 v对材料性能的研究建立在实验的基础上，而所有在 产品设计或材料选择的实践活动中，所需参考的性 能数据都必须是由试验测试得到的。 v性能测试试验对所采用的试样试验仪器试验步 骤试验结果处理等均应典型化规范化。 第二节 材料的分类 工程材料：主要利用其力学性能制作结构件。 建筑材料 结构材料 工具材料 按材料用途（性能） 功能材料：主要利用其物理、化学性能或效 应制作具有特定功效的器件。 半导体材料 磁性材料 激光材料 热电材料 光电材料 声电材料 材料的分类 1. 金属材料

9、：纯金属及其合金。合金是由两种或两 种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组 成具有金属性的材料。金属性的关键特征是具有 正的电阻温度系数，这是由于它的导电是自由电 子的运动所决定的。 钢铁材料(黑色金属) 按材料成分： 钢 铸铁 非铁金属材料(有色金属) 轻金属 Al Mg Ca Na 重金属 Cu Ni Pb Sn Zn 贵金属 Ag Au Pb Rb Ir稀有金属 Zr Ti Nb 稀土金属 Re(Y Nd )放射性金属 Ra U Th 材料的分类 Periodic table of the elements with those elements that are inherentl

10、y metallic in nature in color. 材料的分类 2. 高分子材料：有机聚合物。 塑料：聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯 按材料成分： 纤维：聚酰铵纤维 聚胺纤维 聚氯乙烯纤维 橡胶：天然橡胶 合成橡胶 材料的分类 2.2. 高分子材料高分子材料：有机聚合物。：有机聚合物。 热塑性塑料：尼龙热塑性塑料：尼龙 聚乙烯聚乙烯 聚氯乙稀聚氯乙稀 聚丙烯聚丙烯 按材料成分： 热固性塑料：树脂热固性塑料：树脂 聚氨酯聚氨酯 弹性材料：天然橡胶弹性材料：天然橡胶 合成橡胶合成橡胶 材料的分类 按材料成分： 广义陶瓷(特种陶瓷)：金属与氧、碳、氮、硅等化 合物 3. 陶瓷材料：一种或多种金属

11、氧化物或其他化合物。 材料的分类 按材料成分： 材料的分类 按材料成分： 4. 复合材料：两种或两种以上性质不同的材料组合 起来的一种固体材料。 第三节 学习目的 v掌握一些性能的基本概念及影响各种物性的因素 v熟悉其测试方法及其分析方法 v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 开课前调查开课前调查 1.你是否打算考研？是本专业方向还是其它你是否打算考研？是本专业方向还是其它 专业方向？专业方向？ 2.到目前为止，你对大学所学的课程哪门最到目前为止，你对大学所学的课程哪门最 感兴趣感兴趣? ? 3.你喜欢所学的专业？喜欢哪种授课方式？你喜欢所学的专业？喜欢哪种授课方式？ 4.

12、你希望通过本课程的学习在哪方面有所提你希望通过本课程的学习在哪方面有所提 高？高？ 30 材料的单向静拉材料的单向静拉 伸试验通常是在伸试验通常是在室温、室温、 大气大气环境下按常规的环境下按常规的 试验标准，采用试验标准，采用光滑光滑 圆柱圆柱试样沿试样沿轴向轴向缓慢缓慢 施加施加单向拉伸载荷单向拉伸载荷， 使其伸长变形直到断使其伸长变形直到断 裂试验方法和试样裂试验方法和试样 尺寸在试验标准中有尺寸在试验标准中有 明确规定。明确规定。 WDW-200WDW-200电子万能试验机电子万能试验机 1.2 1.2 拉伸试验拉伸试验 31 静拉伸试样：静拉伸试样： 一般为光滑圆柱或者板状试样。试样

13、工一般为光滑圆柱或者板状试样。试样工 作长度一般作长度一般l l0 0=5d=5d0 0或者或者l l0 0=10d=10d0 0. d. d0 0为试样原为试样原 始直径。始直径。 载荷传载荷传 感器感器 位移传位移传 感器感器 33 在拉伸过程中，随着载在拉伸过程中，随着载 荷的不断增加，圆柱试样的荷的不断增加，圆柱试样的 长度将不断的增加，这些量长度将不断的增加，这些量 的变化可由试验机上安装的的变化可由试验机上安装的 自动绘图机构连续描绘出，自动绘图机构连续描绘出， 拉伸力拉伸力F F和绝对伸长量和绝对伸长量LL的的 关 系 曲 线 ， 直 至 试 样 断关 系 曲 线 ， 直 至 试

14、 样 断 裂如图裂如图1 11 1所示。所示。 应力：应力： 单位：MPa（MN/m2）或Pa（N/m2） P载荷 A0试样的原始横截面积 应变：应变： L试样长度方向上的伸长量 L0试样原始标距长度 0A P 0 L L 35 应力应变曲线（工程应力应变曲线）应力应变曲线（工程应力应变曲线） 工程应力一应变曲线对材料在工程中的应用是非常重要的，工程应力一应变曲线对材料在工程中的应用是非常重要的， 根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的基本力学性能指标，根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的基本力学性能指标， 可提供给工程设计或选材应用时参考。可提供给工程设计或选材应用时参考。 36 P e s B

15、K 如何确定残余变形量多少？如何确定残余变形量多少？ 如在如在B B点卸载，一部分弹性变形会恢复，剩下不会恢复点卸载，一部分弹性变形会恢复，剩下不会恢复 的则为残余变形量。从卸载点出发沿平行于弹性变形阶段的则为残余变形量。从卸载点出发沿平行于弹性变形阶段 的方向画线（如图中虚线部分），则与的方向画线（如图中虚线部分），则与x x轴相交点所表示轴相交点所表示 的应变量即为残余变形量。的应变量即为残余变形量。 在在K K点卸载？点卸载？ 弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形 37 P e s B K 断裂阶段：断裂阶段：试样在试样在K点发生断裂。点发生断裂。 因此，在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变

16、形、塑性变因此，在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、塑性变 形及断裂三个基本阶段。形及断裂三个基本阶段。 微塑性变形微塑性变形 屈服现象屈服现象 均匀塑性变形均匀塑性变形 不均匀变形（颈缩阶段）不均匀变形（颈缩阶段） 38 曲线特征：曲线特征：拉伸断裂拉伸断裂 前，只发生弹性变形，前，只发生弹性变形， 无塑性变形，在最高无塑性变形，在最高 载荷点处断裂。载荷点处断裂。 典型材料：典型材料：玻璃、多玻璃、多 种陶瓷、岩石、低温种陶瓷、岩石、低温 下的金属材料下的金属材料 脆性材料的应力应变曲线脆性材料的应力应变曲线 拉伸曲线种类拉伸曲线种类脆性材料脆性材料 39 (1) (1) 最常见的金属材

17、料应力最常见的金属材料应力- -应变曲线（应变曲线（高塑性高塑性）：）： 由弹性变形直接过渡到塑性变形，塑性变形由弹性变形直接过渡到塑性变形，塑性变形 时没有锯齿状屈服平台，如图（时没有锯齿状屈服平台，如图（a a）。）。 典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。 拉伸曲线种类拉伸曲线种类塑性材料塑性材料 40 (2) (2) 具有明显屈服点的应力具有明显屈服点的应力- -应变曲线（应变曲线（高塑性高塑性）：）： 曲线有明显的屈服点曲线有明显的屈服点aa，屈服点呈屈服平台，屈服点呈屈服平台 或呈齿状，图（或呈齿状，图（b b）。）。 典型材料：退火低碳钢和某些有色金属。

18、典型材料：退火低碳钢和某些有色金属。 拉伸曲线种类拉伸曲线种类塑性材料塑性材料 41 (3)(3)不出现缩颈的应力不出现缩颈的应力- -应变曲线（应变曲线（低塑性低塑性）: : 只有弹性变形只有弹性变形OaOa和均匀塑性变形和均匀塑性变形akak阶段，图（阶段，图（c c） 典型材料：铝青铜和高锰钢典型材料：铝青铜和高锰钢 (4)(4)不稳定型材料的应力不稳定型材料的应力- -应变曲线：应变曲线： 锯齿状塑性变形，图（锯齿状塑性变形，图（d d） 某些低溶质固溶体铝合金及含杂质铁合金某些低溶质固溶体铝合金及含杂质铁合金 拉伸曲线种类拉伸曲线种类塑性材料塑性材料 42 拉伸曲线种类拉伸曲线种类高

19、分子材料高分子材料 a 硬而脆硬而脆 b 高弹性低塑性高弹性低塑性 c 较高塑性较高塑性 d 低塑性低塑性 e 软而弱软而弱 o a a b c b c d a b 注意注意: : 对于高分子聚合物材料，由于其在结构对于高分子聚合物材料，由于其在结构 上的力学状态差异及对温度的敏感性，力上的力学状态差异及对温度的敏感性，力 伸长曲线可有多种形式不同的材料或同一伸长曲线可有多种形式不同的材料或同一 材料在不同条件下可有不同形式的力一伸长材料在不同条件下可有不同形式的力一伸长 曲线这主要是由材料的曲线这主要是由材料的键合方式键合方式、化学成化学成 分分和和组织状态组织状态等因素决定的等因素决定的

20、43 真应力真应变曲线（真应力真应变曲线（Se曲线）曲线） v实际上，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，工程应力一应变曲线并不能反 映试验过程中的真实情况 真应力-应变曲线 v如果以如果以瞬时截面积瞬时截面积A除其除其相应的拉伸力相应的拉伸力F，则可得到瞬时，则可得到瞬时 的真应力的真应力S v同样，当拉伸力同样，当拉伸力F有一增量有一增量dF时，试样在瞬时长度时，试样在瞬时长度 L的的 基础上变为基础上变为LdL，于是应变的微分增量应是，于是应变的微分增量应是 dedL L，则试棒自，则试棒自 L0伸长至伸长至L后，后， 总的应变量为总的应变量为 ： A F S

21、 0 0 ln )L L L dL dee eL L 44 真应力真应变曲线（真应力真应变曲线（Se曲线）曲线） v工程应力与真应力之间的关系是工程应力与真应力之间的关系是 真应力总是大于工程应力！ v工程应变与真应变之间的关系工程应变与真应变之间的关系 )1ln()ln(ln 0 0 0 l ll l l e )1 ( / / 0 00 l l lV lV A A A P S 45 真实应变e0.010.100.200.501.04.0 工程应变0.010.1050.220.651.7253.6 真应变总是小于工程应变，且变形量越大，两者差距越大！ 载荷达到最大后，试样发生颈载荷达到最大后，

22、试样发生颈 缩，使得断裂应力反而比抗拉缩，使得断裂应力反而比抗拉 强度低。强度低。 实际上真实断裂强实际上真实断裂强 度是大于工程断裂度是大于工程断裂 强度的强度的 46 真应力真应变曲线（真应力真应变曲线（Se曲线）曲线） 弹性变形阶段，由于试棒的伸长和截面收缩弹性变形阶段，由于试棒的伸长和截面收缩 都很小，真实屈服应力和工程屈服应力在数值都很小，真实屈服应力和工程屈服应力在数值 上非常接近上非常接近 真实断裂强度真实断裂强度Sk大于工程断裂强度大于工程断裂强度k 工程应用中金属材料的变形主要局限于弹性 变形，且工程应力应变容易测量，故一般采用 工程应力、工程应变作为依据。在金属材料的 塑性

23、加工研究中，真应力与真应变将具有重要 意义 一. 金属与陶瓷材料的弹性变形机理 双原子模型 晶格中的离子在平衡位置 做微小的热振动 引力：正离子和自由电子 间的库伦力 斥力：离子间因电子壳层 应变产生 离子间相互作用力 1.3 单向静拉伸基本力学性能指标单向静拉伸基本力学性能指标 离子间相互作用力及势能与 离子间弹性位移的关系图 当F外Fmax时，材料发生断裂 实际材料的弹性变形相当于起始 阶段，胡克定律近似正确 金属和陶瓷材料弹性变形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 50 1、弹性模量、弹性模量 大部分金属在弹性变形阶段表现为主应力大部分金属在弹性变形阶段表现为主应

24、力 与正应变与正应变成正比成正比 胡克定律胡克定律 E弹性模量，又称杨氏模量弹性模量，又称杨氏模量 几何意义：弹性变形阶段的斜率几何意义：弹性变形阶段的斜率 物理意义：产生物理意义：产生100%弹性变形所需要的应力，单弹性变形所需要的应力，单 位与应力单位相同位与应力单位相同 E 51 弹性模量弹性模量 v在工程上，弹性模量表 征材料对弹性变形的抗 力，即材料的刚度。 v其值越大，表示在相同 的应力作用下，材料的 弹性变形量越小，使机 械零件和工程构建不易 发生塑性变形. 金属材料在常温下的弹性模量金属材料在常温下的弹性模量 E 52 弹性模量弹性模量 构件刚度定义： Q= P AEA 刚度表

25、征构件对弹性变形的抗力，值越大，刚度表征构件对弹性变形的抗力，值越大， 相同应力条件下变形越小。相同应力条件下变形越小。 要增加零件的刚度，选用弹性模量要增加零件的刚度，选用弹性模量E较大的较大的 材料，或者增加材料的横截面积材料，或者增加材料的横截面积A。 53 弹性模量弹性模量 v比刚度（了解）比刚度（了解）：材料的弹性模量与其单位体积：材料的弹性模量与其单位体积 质量（密度）的比值，单位为质量（密度）的比值，单位为m或或cm。既要提。既要提 高材料刚度，又要求减轻零件的自重时，就要以高材料刚度，又要求减轻零件的自重时，就要以 材料的材料的比刚度比刚度来评定。来评定。 对于空间受严格限制的

26、场合，往往既要求构对于空间受严格限制的场合，往往既要求构 件件刚度高刚度高，又要求，又要求质量轻质量轻，因此加大截面积是不，因此加大截面积是不 可取的，只有选用高弹性模量的材料才可以提高可取的，只有选用高弹性模量的材料才可以提高 刚度。即是刚度。即是比弹性模量比弹性模量要高。要高。 54 工程设计时，弹性模量是重要力学性能指标工程设计时，弹性模量是重要力学性能指标 v机械设计中，有时刚度是考虑第一位的。机械设计中，有时刚度是考虑第一位的。 v精密机床如果不具有足够的刚度，就不能保精密机床如果不具有足够的刚度，就不能保 证零件的加工精度。证零件的加工精度。 v汽车拖拉机中的曲轴刚度不足，会影响活

27、塞、汽车拖拉机中的曲轴刚度不足，会影响活塞、 连杆及轴承等重要零件的正常工作。连杆及轴承等重要零件的正常工作。 (1) 键合方式和原子结构 共价键、离子键、金属键 E 都较高无机非金 属、金属及其合金E都较高 靠分子键结合的高分子，由于分子键弱，弹性模 量最低。 金属材料弹性模量的影响因素 弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间结合弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间结合 力，而不依赖于成分和显微组织，因此，弹性模力，而不依赖于成分和显微组织，因此，弹性模 量是对量是对组织不敏感组织不敏感的性能指标。的性能指标。 56 v原子半径越大，E值越小 金属弹性模量的周期变化 (2) 晶体结构 各向

28、异性晶体：沿原子排列最密的晶向E值较大 (3) 化学成分 化学成分的变化引起原子间距或键合方式的变化 (4) 微观组织 对金属材料，在合金成分不变的情况下，显微组 织对E的影响较小，晶粒大小对其无影响；在合中， 第二相对E值的影响视其体积比例和分布状态而定 (5) 温度 温度升高，E值降低 对一些需要严格保持线性关系的零件，对一些需要严格保持线性关系的零件， 比例极限很重要，如测力弹簧等。比例极限很重要，如测力弹簧等。 59 2 2、比例极限和弹性极限、比例极限和弹性极限 v比例极限比例极限P：能保持应力与应变成正比关系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的最大应

29、力，即在应力应变曲线上刚开始偏 离直线时的应力。离直线时的应力。 PPP / A0 PP拉伸曲线上开始偏离直线时所对应的载荷；拉伸曲线上开始偏离直线时所对应的载荷； A0试样原始截面积试样原始截面积 60 v弹性极限弹性极限e ：材料发生可逆的弹性变形的上材料发生可逆的弹性变形的上 限值。超过此值，材料开始发生塑性变形。限值。超过此值，材料开始发生塑性变形。 ePe / A0 Pe拉伸曲线上由弹性变形过渡到塑性变形拉伸曲线上由弹性变形过渡到塑性变形 的载荷的载荷 对于工作不允许产生微量塑性变形的零件，弹对于工作不允许产生微量塑性变形的零件，弹 性极限是重要的设计指标。性极限是重要的设计指标。

30、v如果选用的弹簧材料弹性极限较低，产生弹性 变形后不能回复，会导致弹簧失效。 v对于服役时不允许产生微量塑性变形的机件， 设计时按弹性极限来设计材料。 61 v理论上，比例极限低于弹理论上，比例极限低于弹 性极限。性极限。 v但是在常规拉伸试验中，很但是在常规拉伸试验中，很 难精确确定开始偏离直线的难精确确定开始偏离直线的 点（比例极限）和开始产生点（比例极限）和开始产生 塑性变形的点（弹性极限）。塑性变形的点（弹性极限）。 P e s B K 故现在故现在国家标准国家标准中采用规定非比例伸长应力表示中采用规定非比例伸长应力表示p，即试验，即试验 时非比例伸长达到原始标距长度规定的百分数时的应

31、力。时非比例伸长达到原始标距长度规定的百分数时的应力。 up0.01和和p0.05 表示规定非比例伸长率表示规定非比例伸长率0. 01%、0.05% 时的应时的应 力。力。 u比例极限与弹性极限已没有质的区别，只是非比例伸长率比例极限与弹性极限已没有质的区别，只是非比例伸长率 大小不同而已。大小不同而已。 62 3、弹性比功、弹性比功 v弹性比功弹性比功：又称弹性比能：又称弹性比能 或应变比能，表示金属材或应变比能，表示金属材 料吸收弹性变形功的能力。料吸收弹性变形功的能力。 v一般用金属开始塑性变形一般用金属开始塑性变形 前单位体积吸收的最大弹前单位体积吸收的最大弹 性变形功表示。性变形功表

32、示。 v金属拉伸时的弹性比功应金属拉伸时的弹性比功应 力力-应变曲线上弹性变形阶应变曲线上弹性变形阶 段下的面积表示。段下的面积表示。 E a e eee 22 1 2 63 弹性比功弹性比功 v通常以弹性比功的高低来区分材料弹性通常以弹性比功的高低来区分材料弹性 好坏。好坏。 弹簧是典型的弹性元件，主要起减振、储能的弹簧是典型的弹性元件，主要起减振、储能的 功效，要求较高的的弹性比功。功效，要求较高的的弹性比功。 v如何提高弹性比功？如何提高弹性比功？ v弹性比功取决于弹性比功取决于弹性极限弹性极限e e和和弹性模量弹性模量E E，可，可 以用提高以用提高e e或降低或降低E E的方法，但是

33、的方法，但是e e是二次方，是二次方， 所以所以提高提高e e更有效更有效。 64 v弹性与刚度区别：弹性与刚度区别： 刚度：刚度：表示对弹性变形的抗力，表示对弹性变形的抗力，E越大，刚度越高，越大，刚度越高， 弹性变形越困难弹性变形越困难 弹性：弹性：表征材料弹性变形的能力，用弹性比功的高表征材料弹性变形的能力，用弹性比功的高 低来区分低来区分 如橡胶，弹性极限不高，弹性模量也不高，但弹性极限如橡胶，弹性极限不高，弹性模量也不高，但弹性极限 应变高，因此弹性比功高，是很好的弹性材料。但其刚应变高，因此弹性比功高，是很好的弹性材料。但其刚 度太低，不能作为受力结构件。度太低，不能作为受力结构件

34、。 65 弹性比功与刚度弹性比功与刚度 任何一部机器（或构造物）的零构件在服役过任何一部机器（或构造物）的零构件在服役过 程中都是处于弹性变形状态的。结构中的部分程中都是处于弹性变形状态的。结构中的部分 零构件要求将弹性变形量控制在一定的范围内，零构件要求将弹性变形量控制在一定的范围内， 以避免因过量弹性变形而失效。以避免因过量弹性变形而失效。 另一部分零构件，如弹簧，则要求在弹性变形另一部分零构件，如弹簧，则要求在弹性变形 量符合规定的条件下，有足够的承受载荷的能量符合规定的条件下，有足够的承受载荷的能 力，即不仅要求起缓冲和减震的作用，而且要力，即不仅要求起缓冲和减震的作用，而且要 有足够

35、的吸收和释放弹性功的能力，以避免弹有足够的吸收和释放弹性功的能力，以避免弹 力不足而失效力不足而失效 前者反映的是刚度，后者则为弹性比功问题。前者反映的是刚度，后者则为弹性比功问题。 66 v1 1、断裂前材料发生塑性变形的能力、断裂前材料发生塑性变形的能力塑性塑性 v2 2、虽然金属的塑性指标一般不直接用于机件虽然金属的塑性指标一般不直接用于机件 的设计，因为塑性和材料服役之间并无直接联的设计，因为塑性和材料服役之间并无直接联 系。但塑性能反应材料冶金质量的好坏，可以系。但塑性能反应材料冶金质量的好坏，可以 评定材料质量评定材料质量 二、塑性二、塑性 1 1、屈服强度、屈服强度 v材料的屈服

36、是材料在应力作用下由弹性变形向弹塑 性变形过渡的明显标志 v屈服时对应的应力值表征材料抵抗起始塑性变形或 产生微量塑性变形的能力,这一应力值称为材料的屈 服强度或屈服点，用s表示 上屈服点su:试样发生屈服而应 力首次下降前的最大应力值 下屈服点sl : 屈服阶段中最 小应力 屈服平台 (屈服齿): 屈服伸长对 应的水平线 段或曲折线 段 金属材料 有屈服平台，下屈服点作为屈服强度 条件屈服强度 看不到明显屈服现象的材料，其屈服强度由 人为按标准确定 屈服强度的表示及其工程意义 v规定残余伸长应力r 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,常用r 0.2 v规

37、定总伸长应力t 试样标距部分的总伸长达到规定的原始标距百 分比时的应力,常用t 0.5 工程意义 v作为设计和选材的依据。对于不允许材料产生过量 塑性变形的机件，可用屈服强度作为强度指标 v材料的屈服强度与抗拉强度之比（屈强比），可作 为金属材料冷塑性加工的参考，可以衡量材料进一 步塑性变形的倾向 影响屈服强度的因素 （1）晶体结构（晶格阻力） v金属材料的屈服过程主要是位错的运动 v纯金属单晶体的屈服强度是位错开始运动所需的临 界切应力，大小取决于位错运动所受的阻力 v阻力包括晶格阻力，位错间交互作用产生的阻力 （2）摩擦阻力 v平行位错间交互作用产生的阻力 v运动位错与林位错间交互作用产生

38、的阻力 v单晶体中点缺陷、割阶与位错的交互作用 （3）晶界阻力（细晶强化） 晶界增多 （晶粒尺寸减小） 位错塞积长度缩短 应力集中程度降低 不足以推动 位错滑移 欲使更多的相邻晶粒内位错开动，必须施加更大 的外加切应力，材料屈服强度提高，称为细晶强化 （4）溶质元素（固溶强化） v在固溶合金中，溶质原子与溶剂原子直径不同， 溶质原子周围形成晶格畸变应力场，该应力场与 位错应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从 而使屈服强度提高，产生固溶强化 v溶质与溶剂之间的电学交互作用，化学交互作用 及有序化作用等也对固溶强化有影响 v固溶强化的效果与溶质质量分数及溶质原子与位 错交互作用能有关，受溶质质量

39、分数的限制 v空位对材料屈服强度的影响与置换溶质原子相似 （5）第二相 v细小弥散不可变形的第二相 当位错线绕过时，须克服弯曲位错的线张力，屈 服强度提高 v可变形的第二相 位错切过，由于质点与基体间的晶格错排及第二 相质点的新界面需做功等原因，屈服强度提高 v块状第二相 块状第二相阻碍滑移，由于局部塑性约束而导致 屈服强度提高 （6） 温度 v温度升高金属材料的屈 服强度下降 v金属晶体结构不同，其 变化趋势各异 屈服强度随温度的变化 （7）应变速率与应力状态 v应变速率 在应变速率较高的情况下，金属材料的屈服应力将 显著升高 通常静拉伸实验使用的应变速率约为10-3/s,冷轧 拉拔时应变速率可达103/s,材料的屈服强度明显 提高 v应力状态 切应力分量越大，越有利于位错滑移，屈服强度越 低 79 2、抗拉强度、抗拉强度 v抗拉强度抗拉强度b：试样拉断前：试样拉断前最大载荷最大载荷所决定的条所决定的条 件临界应力，即试样所能承受的件临界应力，即试样所能承受的最大载荷最大载荷Pb除除 以原始截面积以原始截面积A0。 0 A P b b P e s B K 1 1、标志塑性金属材、标志塑性金属材 料的料的实际承载能力实际承载能力 抗拉强度的实际意义：抗拉强度的实际意义： 80 3 3、有些场合，使用、有些场合，使用b