材料力学性能第一章

1、Mechanical properties of materials12（Mechanical properties of materials）n引引 言言n第一章第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能材料在单向静拉伸载荷下的力学性能n第二章第二章 材料在其他静载荷下的力学性能材料在其他静载荷下的力学性能n第三章第三章 材料的冲击载荷下的力学性能材料的冲击载荷下的力学性能n第四章第四章 材料的断裂韧度材料的断裂韧度 n第五章第五章 材料的疲劳性能材料的疲劳性能n第六章第六章 材料在环境介质作用下的力学性能材料在环境介质作用下的力学性能 n第七章第七章 材料的耐磨性能材料的耐磨性能n第八章第八

2、章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能3材料性能：材料性能：对材料在一定的外界条件下表现出的对材料在一定的外界条件下表现出的行为行为人为规定人为规定的的定量评价指标定量评价指标称为称为材材料的性能料的性能。包括包括力学性能、物理性能力学性能、物理性能和和化学化学- -电电化学性能（腐蚀）化学性能（腐蚀）。4在载荷（在载荷（拉伸、压缩、扭转、弯曲、剪切、拉伸、压缩、扭转、弯曲、剪切、疲劳、磨损疲劳、磨损）作用下表现出的力学行为有）作用下表现出的力学行为有变变形、断裂、磨损形、断裂、磨损等；等；在在热、磁、电、光热、磁、电、光等条件下表现出的物理等条件下表现出的物理行为有行为有热膨胀、磁化、导电

3、、折射、反射、热膨胀、磁化、导电、折射、反射、干涉干涉等。等。在在外界环境和介质外界环境和介质的作用下，材料表面因发的作用下，材料表面因发生生化学或电化学反应化学或电化学反应而受到破坏的行为腐而受到破坏的行为腐蚀性能。蚀性能。5材料性能学研究的内容：材料性能学研究的内容：1 1）在各种物理、化学、）在各种物理、化学、力学力学刺激作用下，材刺激作用下，材料的表现行为，即材料各种性能行为的料的表现行为，即材料各种性能行为的宏观宏观规律规律； 2 2）用什么样的指标来描述和衡量这些行为表）用什么样的指标来描述和衡量这些行为表现，即现，即定量化定量化。3 3）这些行为表现在材料内部的）这些行为表现在材

4、料内部的微观机制微观机制。4 4）如何进行材料性能的）如何进行材料性能的实际测量实际测量，即测，即测试原理，技术，设备，手段等试验技术。试原理，技术，设备，手段等试验技术。6 学习材料力学性能的用途？学习材料力学性能的用途？评定材料优劣的依据评定材料优劣的依据工程设计中选材的依据工程设计中选材的依据失效分析的依据失效分析的依据为研究新材料、改进新工艺，充分为研究新材料、改进新工艺，充分发挥材料性能潜力提供研究依据。发挥材料性能潜力提供研究依据。7举例：泰坦尼克号（举例：泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海 1995年2月美国 Popular Science 杂志杂志发表了R Gannon

5、 的文章，标题是What Really Sank The Titanic。 Titanic 号钢板（左图）和现代船用钢板（右图）的冲击试验结果高含硫量81、使用性能：、使用性能：力学性能 （强度、塑性、硬度）材料的力学性能：材料抵抗外加载荷（外力）引起变形和断裂的能力。服役过程: 保持设计要求的外形和尺寸，保证在服役期内安全地运行。9生产过程: 要求材料具有优良的加工性能。如压力加工要求优良的塑性和低的塑性变形抗力。2、加工性能、加工性能 （可制造性） 热加工：铸、锻、焊、热处理 冷加工：车、铣、磨 特种加工：电火花、激光、离子10n材料的力学性能指标：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感

6、性等。内在因素内在因素：化学成分、组织结构、残余应力、表面和内部缺陷等。外在因素外在因素：载荷性质（静、冲击、交变）、应力状态（拉、压、弯曲、扭转）、温度、环境介质等。影响因素影响因素11n按服役温度分类：低温、常温和高温力学性能。一般以所处温度与材料熔点的相对值为高、低温的分界。n按加载速度分类：静态、准静态和动态力学性能。一般以应变速率进行划分材料力学性能的基本分类可由材料的主要服役条件来确定。s/101小于101s为静载性能大于101s为动载性能12n按服役介质的腐蚀性分类：普通和环境介质下的力学性能。前者通常指在干燥空气介质下，后者则指有腐蚀性的介质下（如腐蚀疲劳、应力腐蚀等）。n按应

7、力状态（或加载方式）分类：拉伸、压缩、弯曲、扭转等。如拉伸强度与弯曲强度是不能等同的。13描述应力状态的参数：应力状态软性系数：maxmax14maxmax一般地，切应力引起塑性变形，使材料发生韧性断裂；正应力则通常引起弹性变形，导致材料产生脆性断裂。从宏观上讲，可以利用不同应力状态中最大切应力与最大正应力的比值来判断在所受加载方式下材料更趋向于哪种变形和断裂。 15n 越大，表示应力状态越大，表示应力状态愈软愈软，材料愈易产生塑性变形和韧，材料愈易产生塑性变形和韧性断裂。性断裂。n 越小，表示应力状态越小，表示应力状态愈硬愈硬，材料愈易产生脆性断裂。，材料愈易产生脆性断裂。意义：意义：应力状

8、态软性系数应力状态软性系数 表征了材料在一定应力状表征了材料在一定应力状态下的变形与断裂倾向。态下的变形与断裂倾向。16单元六面体上的应力分量单元六面体上的应力分量zzxzyxxzxyyxyzy17可分别由材料力学所给出的第二强度理论和第三强度理论确定：可分别由材料力学所给出的第二强度理论和第三强度理论确定：max131()2)(321max1、 2、 3分别是按大小顺序排列的三个主应力分别是按大小顺序排列的三个主应力；是泊松比。是泊松比。 18力学性能研究材料在受力学性能研究材料在受载荷载荷过程中过程中变形变形和断裂的规律。和断裂的规律。 静拉伸试验是材料力学性能试验中最基本静拉伸试验是材料

9、力学性能试验中最基本的试验方法，也是操作最简单，最直观，的试验方法，也是操作最简单，最直观，宏观规律最明显，数据处理简单且有代表宏观规律最明显，数据处理简单且有代表性的试验。性的试验。19本章的意义本章的意义 揭示材料在静载下的应力应变关系及常见的三种失效形式（过弹性变形、塑性变形和断裂过弹性变形、塑性变形和断裂）的特点和基本规律，评定出材料的基本力学性基本力学性能指标能指标，如屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。 这些性能指标即是材料的这些性能指标即是材料的工程应用、构件设工程应用、构件设计计和和 科学研究科学研究等方面的计算依据，也是材料等方面的计算依据，也是材料的的评定评定和和选用选

10、用以及以及加工工艺选择加工工艺选择的主要依据。的主要依据。20n举例： 弹性模量E，主要用于零件的刚度设计中； 材料的屈服强度s和抗拉强度b则主要用于零件的强度设计中； 材料的塑性，断裂前的应变量，主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。21本章的内容： 介绍拉伸性能的介绍拉伸性能的物理概念物理概念、物理意义物理意义及及工程意义工程意义，讨论材料，讨论材料弹性变形弹性变形，塑性变形塑性变形及及断裂行为断裂行为的的基本规律及其与材料组织结构的基本规律及其与材料组织结构的关系，关系，并在此基础上探讨提高材料性能指标并在此基础上探讨提高材料性能指标的途径和方向。的途径和方向。22n第一节第一节 力

11、力伸长曲线和应力伸长曲线和应力应变曲线应变曲线n第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标n第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗n第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标n第五节第五节 断断 裂裂23一、力伸长曲线（拉伸图）F-L 曲线是静拉伸试验得到的第一手资料。在整个拉伸过程中，x-y记录仪的两个坐标分别记录下力与位移的变化过程。2425设备：多功能材料试验机26虽然载荷和变形曲线作为描述变形过程的参量真实地表现了试件或实物加载变形以至断裂的全过程，但也有明显的不足之处不足之处：即试样或被试机件实物的尺寸和形状是各式各样的，载荷是对试件所加的总载荷，变形

12、是加载过程中所测载荷相应的总变形，所以它们不能清楚地说明材料受载的严重程度，不具有可比性不具有可比性；评价材料和进行力学分析时很不方便很不方便。27如何规定各种材料的力学性能指标： 原则：1 可比性；2 测量方便。 怎样利用上述测定的结果并满足上述原怎样利用上述测定的结果并满足上述原则呢则呢？较好的方法是建立以应力和应变作为描述变形过程参量的应力应变曲线。 28 二、应力二、应力应变曲线（工程应力应变曲线（工程应力应变曲线）应变曲线） 应力应变曲线力伸长曲线29 比较一下图1和图2，看看有何区别？ 1 形状完全相似；2 坐标单位有区别 其中，A0、L0为原始截面积和原始长度。 00LLAF 3

13、0国标GB/T228-2002 试样板：l0=5.65A01/2或11.3A0 1/2圆柱：l0=5d0或 l0=10d00000kALLLL、对于对于同一材料制成同一材料制成的的几何几何形状相似形状相似的试样来说是常数的试样来说是常数断后伸长率断后伸长率31要回答这个问题，我们先要搞清楚变形过程中经历的每个阶段，即变形行为。低碳钢的拉伸变形过程低碳钢的拉伸变形过程包括了所有材料拉伸过程中可能出现可能出现的变形行为。在这条曲线上能得到哪些对材料力学性能进在这条曲线上能得到哪些对材料力学性能进行评价的定量指标行评价的定量指标？32应力应力应变曲线应变曲线OE：弹性段E点：弹性极限 e过E：塑性变

14、形A点：上屈服点C点：下屈服点CD：屈服。屈服强度 sDB：形变强化B点：抗拉强度 bK点：断裂。弹性变形 塑性变形 断裂无屈服平台时，取0.2%变形量时的应力为屈服强度 屈服阶段均匀塑性变形阶段不均匀集中塑性变形阶段（缩颈）33强度指标：强度指标：屈服强度：材料产生明显塑性变形时的应力抗拉强度：材料断裂前所能承受的最大应力强度：材料抵抗塑性变形和开裂的能力34塑性指标：塑性指标：“断后伸长率”k：k=(Lk-L0)/L0 “断面收缩率”k ：k=(A0-Ak)/A0断裂时长度 标距断面面积断面面积 原始面积原始面积韧性指标：韧性指标：拉伸曲线的面积。35根据该曲线可以获得材料静拉伸条件根据该

15、曲线可以获得材料静拉伸条件下的力学性能指标：比例极限、弹性下的力学性能指标：比例极限、弹性极限、屈服强度、抗拉强度等极限、屈服强度、抗拉强度等强度设强度设计指标计指标， 、 安全校核指标安全校核指标。 36是不是所有材料在室温下的应力-应变曲线或者说是拉伸变形行为都是一样的呢？3738 几种典型材料的应力几种典型材料的应力-应变曲线应变曲线 39 材料分类：材料分类： 按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形拉伸断裂前是否发生塑性变形，将材料分为脆性材料脆性材料和塑性材料和塑性材料两大类。脆性材料在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹性变形；塑性材料在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形。 高塑性材料高塑

16、性材料在拉伸断裂前不仅产生均匀的伸长，而且发生缩颈现象，且塑性变形量大。低塑性材料低塑性材料在拉伸断裂前只发生均匀伸长，不发生缩颈，且塑性变形量较小。40不同材料或同种材料在不同条件下可有不同形式的应力应变曲线，这主要是由材料的键合方式、化学成分和组键合方式、化学成分和组织状态织状态等因素决定的。41Tb：脆化温度Tg：玻璃化温度Tf：粘流温度A：玻璃态C：高弹态E：粘流态特点：与温度密切相关举例：高分子的拉伸性能举例：高分子的拉伸性能42图 高分子的拉伸曲线应力应变成正比，直至断裂出现屈服点，随后应力降低屈服点后试样能发生很大的应变，随后应力上升至断裂高弹态，无屈服点，在不明显增加应力时，应

17、变变化很大远小于TgT小于TgT接近TgT大于Tg43三、真应力应变曲线 在变形过程中，截面积在减少，而伸长量在增加，所以工程应力和工程应变并非是真实或瞬时应力和应变，在此引入真应力应变曲线。44真应力应变曲线图4500ln0LLLdLdeeeLL1lnlnln000LLLLLe工程应变和真应变之间的关系： 真应变：形变的微分增量为de=dL/L，则试样自L0伸长至L后，总的应变量为：46假设材料的拉伸变形是等体积变化过程，则真应力和工程应力之间就有如下关系： 1S真应变总是小于工程应变，真应力总是大于工程应力。真应力：SF/A 47两曲线形状的对比：两曲线形状的对比：在弹性变形阶段，两线基本

18、重合在弹性变形阶段，两线基本重合，真实屈服，真实屈服应力和工程屈服应力非常接近，为什么？应力和工程屈服应力非常接近，为什么？伸长和截面积变化很小。伸长和截面积变化很小。但在塑性变形阶段，两者之间就出现了显著但在塑性变形阶段，两者之间就出现了显著的差异。的差异。4849四、三条曲线的应用1、 力伸长曲线：基本数据第一手资料。2、 工程应力应变曲线：工程设计和材料选用的依据。在工程应用中，因为多数构件的变形量限制在弹性变形范围内，与真应力应变的区别可以忽略，而且测量和计算简单。3、 真应力应变曲线：材料科学研究，应变硬化行为研究。50n各种拉伸曲线铜合金 陶瓷 高锰钢 纯铜 钢丝51第二节第二节

19、弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标52第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标一、弹性变形的本质 定义：定义：弹性变形外力去处后，变形消失而恢复原状。 特点：特点：弹性变形有可逆性。 应力应变之间的关系应力应变之间的关系： 金属、陶瓷、结晶态高分子 弹性变形量较小，应力和应变呈单值线性关系。 橡胶态的高分子 弹性变形量较大，应力和应变之间呈非线性。53第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标弹性变形的本质：概括说来，构成材料的原原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映的反映。晶体材料处于晶格结点的原子（或离子）在力的

20、作用下，在其平衡位置附近产生的微小位移。橡胶类材料呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿着受力方向产生的伸展。54第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标2双原子模型双原子模型mnABPrrA、B、m、 n分别为与分别为与原子本性和原子本性和晶格类型有晶格类型有关的常数。关的常数。弹性状态弹性状态下的断裂下的断裂载荷载荷55第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标弹性变形过程其实就是，外力(F)与原子间引力(A / r m)、斥力(B / r n)的平衡过程。0mnABFPFnmrr56二、弹性模量 1 定义： E和G分别为拉 伸时的杨氏模量（弹性模量，弹性系

21、数，弹 性模数）和剪切时的切变模量。第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标广义虎克定律 泊松比泊松比当应力为两向或三向时？EG57第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标 2 工程意义：表征材料对弹性变形的抗力， 即材料的刚度。E越大，相同应力下产生弹性变形越小。在工程设计中，为保证结构不产生过量的弹性变形，都要考虑结构材料的这一重要力学性能指标。58第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标减小长度、增加截面尺寸或改变截面形状。但是，当零件的形状尺寸一定时，零件的刚度不够就只能改变材料了。零件的刚度：具体零件抵抗变形的能力，除了与零件的截面尺寸与形状

22、以及加载方式有关外，还和构成零件的材料的刚度有关。当零件的刚度不够怎么办不够怎么办？59第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标 3 比模量（比刚度） 材料的比模量：弹性模量弹性模量/密度密度 载荷形式：载荷形式：拉伸时E/，悬臂梁时E1/2/， 板受弯曲时E1/3/，单位为m或cm 既要刚度好，又要重量轻时，用此指标。例如选择空间飞行器材料等。60第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标材料密度(g/cm3)杨氏模量E(GPa)E/E1/2/E1/3/CFRP，58单向碳纤维在环氧树脂中1.518912693.8GFRP，50单向玻璃纤维在聚酯中2.048243.

23、51.8高强度钢7.8207271.80.76铝合金2.871253.01.561第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标 4 刚度的重要性：刚度的重要性：许多情况下，对材料刚度的要求在性能上是第一重要的，在设计时刚度要求的零件尺寸会远远大于强度要求的尺寸，为什么？为什么？举例： 精密机床的主轴如果不具有足够的刚度，就不能保证零件的加工精度。如果汽车的曲轴弯曲刚度不足，就会影响活塞、连杆及轴承等重要零件的正常工作。62第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标三、影响弹性模量的因素1 键合方式 离子键和共价键 金属键 分子键2 原子结构 金属键结合的材料E还和原子结构

24、有关。原子半径越大，E越小。3 晶体结构 单晶体E为各向异性，原子排列最密的晶向E大，反之较小。多晶体材料E表现为各向同性，非晶体材料E是各向同性的。E = k/r m m163第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标4 化学成分 化学成分的变化如果引起了原子间距或键合方式的变化，E 将改变。一般来说，合金的微小成分变化对E的影响不大（碳钢和合金钢），但当第二强化相的量较大时，E会有一定影响（铝中加入镍、硅）。64第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标5 微观组织 作为结构材料使用的大多数金属材料，E是组织结构不敏感的力学性能指标。但是，陶瓷则不同，E一般通过实际

25、测得，随着气孔率的上升而下降。 高分子材料的E可通过添加增强性填料而提高。复合材料的E由组成相的弹性模量和组成相的体积分数共同决定。65第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标孔隙率对陶瓷材料弹性模量的影响孔隙率对陶瓷材料弹性模量的影响0(1)12.5effEpEpp为孔隙率为孔隙率66第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标复合材料67第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标68第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标6 温度 温度变化会引起相变和力学状态改变 （高分子材料，玻璃态橡胶态粘流态）， E会显著改变。对金属和陶瓷，无相变时，

26、温度升高，E减小。对橡胶态高分子材料，温度升高，E略有升高。69第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标ET关系图关系图70第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标7 加载条件和负荷持续时间金属和陶瓷对加载方式和持续时间不敏感，陶瓷的压缩弹性模量大于拉伸。但对高分子材料，E随负荷持续时间延长而减小，松弛模量。因此高分子聚合物的弹性模数常用加载一段时间后的数值量E(t)表示。71第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标四、比例极限与弹性极限比例极限是保证材料的弹性变形按正比 关系变化的最大应力，即在拉伸应力应变曲线上开始偏离直线时的应力值，其表达式为：

27、0AFpp72第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标OE：弹性段E点：弹性极限 e过E：塑性变形A点：上屈服点C点：下屈服点CD：屈服。屈服强度 sDB：形变强化B点：抗拉强度 bK点：断裂。断裂强度 k 弹性变形 塑性变形 断裂无屈服平台时，取0.2%变形量时的应力为屈服强度 屈服阶段均匀塑性变形阶段颈缩断裂阶段（集中塑性变形断裂段）73第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标 弹性极限是材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力，应力超过弹性极限以后，材料便开始塑性变形，其表达式为：0AFee74第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标比例极限和弹性

28、极限的工程意义 对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比与应变的关系显示载荷大小的，则应以比例极限作为选择材料的依据； 对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机件，设计时应按弹性极限来选择材料。75 实际测量时，以发生非比例伸长值实际测量时，以发生非比例伸长值达到原始标距长度一定的百分比定义达到原始标距长度一定的百分比定义比例极限比例极限，将非比例伸长值以下角注，将非比例伸长值以下角注形式给出。如形式给出。如 ， 表示非比表示非比例伸长量为例伸长量为0.01和和0.05。第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标01. 0p05. 0

29、p76 实际测量时，以发生残留变形（即塑性变形）值达到原始标距长度一定的百分比定义弹性极限，将残留变形值以下角注形式给出。 如 ， 表示残留变形量为0.01和0.05。第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标01. 0e05. 0e77第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标五、弹性比功 1.定义：弹性比功是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功来表示。表达式为 日常所说的弹性好坏实际上就是指弹性比功的大小，弹性比功还可以在拉伸曲线上表示出来。如何表示？2122eeeeWE 78第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹

30、性变形及其性能指标e0e We = e e / 2 = e2 / (2E)制造弹簧的材料要求高的弹性比功：（ e 大 ，E 小）79第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标2.从上定义总结提高材料（零件）弹性的方法？ 一 提高e，如何提高？ 变化成分、热处理、冷加工 例如：选用碳含量较高的钢，加入Si、Mn等合金强化铁素体基体，并经淬火加中温回火获得回火屈氏体，以及冷变形强化，可有效提高弹性极限。80第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标二 降低E，材料确定，E确定，不易改变。材料改变，E可改变，但E要满足刚度要求，刚度低，有时不行（沙发一坐就深陷下去了，虽然弹性

31、很好，但不能用。）81第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标 3. 实际应用 弹性比功是评价弹簧材料最重要的指标。弹簧钢用来减震或储能（撑杆跳高），铍青铜制作仪表弹簧（1无磁性，2 耐腐蚀，3 高弹性比功），还有橡胶，低E和高弹性应变，也可做减震和储存能量元件，如电子器件中的按钮弹（如计算器按键）。82第二节第二节 弹性变形及其性能指标弹性变形及其性能指标问：某汽车弹簧，在未装满载时已变形到最大位置，缺问：某汽车弹簧，在未装满载时已变形到最大位置，缺载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产

32、生了塑性变形，时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。改变措施。答：第一种故障主要是材料的刚度（弹性模量）不足，抵抗弹性变形能力不够。改进措施：（1）更换弹性模量高的材料；（2）改变材料的截面形状尺寸。第二种故障主要是材料的弹性极限偏低所致。改进措施：（1）更换弹性极限高的材料；（2）对材料进行适当热处理。83第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗 弹性的概念弹性的概念: 材料受载后产生一定的变形，卸载后这部分 变形消失，材料恢复到原来的状态的性质称 为材料的弹性弹性。 根

33、据材料在弹性弹性变形过程中应力和应变 的的响应响应特点，弹性可分为：特点，弹性可分为： 84 理想弹性理想弹性（完全弹性） 应力和应变服从胡克定律，满足： 1 应力对于应变的响应是线性的； 2 应力和应变同相位； 3 应变是应力的单值函数。第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗85非理想弹性非理想弹性（弹性不完整性）（弹性不完整性） 应力应变非线性响应、不同位相、应应力应变非线性响应、不同位相、应变非应力的单值函数。变非应力的单值函数。 包括包括滞弹性；粘弹性；伪弹性；包申格效应滞弹性；粘弹性；伪弹性；包申格效应等几种类型。等几种类型。 实际上绝大部分固体材料都表现出实际上绝大部分固体

34、材料都表现出非理想非理想弹性弹性性质，工程中的材料按理想弹性处理只性质，工程中的材料按理想弹性处理只是一种近似处理。是一种近似处理。第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗86一、滞弹性（弹性后效）一、滞弹性（弹性后效） 材料在材料在快速快速加载或卸加载或卸 载后，随时间的延长载后，随时间的延长而产生附加弹性应变而产生附加弹性应变的性能。其应力应的性能。其应力应变曲线与时间的关系变曲线与时间的关系如图所示如图所示。 滞弹性示意图滞弹性示意图第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗87一、滞弹性（弹性后效一、滞弹性（弹性后效） 特点特点：在弹性应力范围内，与所加应力在弹性应力范围内，

35、与所加应力对应一个初始应变，在保持应力时，产对应一个初始应变，在保持应力时，产生附加应变。生附加应变。 应力加载条件：应力加载条件：瞬间加载或卸载瞬间加载或卸载 主要影响因素：主要影响因素：材料成分、组织的均匀材料成分、组织的均匀性、温度、应力状态。性、温度、应力状态。 第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗88第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗n-Fe Fe 中的中的C C处于八面体空处于八面体空隙及等效位置上，施加隙及等效位置上，施加 z z向拉应力后向拉应力后x x、y y轴上的轴轴上的轴上的碳原子就会向上的碳原子就会向z z轴扩散轴扩散迁移，使迁移，使z z轴方向继

36、续伸长轴方向继续伸长变形变形. .因扩散迁移需要时间因扩散迁移需要时间，故附加应变为滞弹性，故附加应变为滞弹性. .卸卸载后载后z z轴多余的碳原子又会轴多余的碳原子又会扩散回到原来的扩散回到原来的x x、y y轴上轴上，滞弹性应变消失，滞弹性应变消失. .金属材料产生滞弹性的原因 89 滞弹性有利之处：滞弹性有利之处： 消振性，例如：铸铁作为机床支座；消振性，例如：铸铁作为机床支座； 1Cr13钢做汽轮机叶片。钢做汽轮机叶片。 不利之处：不利之处： 精密精密仪表中的弹簧仪表中的弹簧，油压表，气压表中的，油压表，气压表中的 测力弹簧要求灵敏地反应指针数的变化，测力弹簧要求灵敏地反应指针数的变化

37、， 不允许有滞弹性。不允许有滞弹性。第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗90二、粘弹性二、粘弹性 定义：定义：粘弹性是指材料在外力作用下粘弹性是指材料在外力作用下，弹性弹性和和粘性粘性两种变形机理同时存在的力学两种变形机理同时存在的力学行为行为。（。（针对高分子材料针对高分子材料） 特征：特征：应变对应力的应变对应力的响应响应不是瞬时完不是瞬时完成的，有一个弛豫过程，但卸载后，应变成的，有一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值。恢复到初始值。第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗91应力与应变的关系与时应力与应变的关系与时间有关，可分为：间有关，可分为：恒应变下的应力松弛恒

38、应变下的应力松弛 加载一加载一恒定弹性范围恒定弹性范围的的应变后，有一初始应力应变后，有一初始应力值，但应变保持不变，值，但应变保持不变，应力缓慢下降到某一恒应力缓慢下降到某一恒定值，如图定值，如图a。应力与时间的关系应力与时间的关系应力松弛应力松弛第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗92 恒应力下的蠕变恒应力下的蠕变 加载一加载一恒定弹性范围恒定弹性范围的应力后，有一初始的应力后，有一初始应变值，但应力保持应变值，但应力保持不变，应变缓慢增加不变，应变缓慢增加到某一恒定值，如图到某一恒定值，如图b。应变与时间的关系应变与时间的关系蠕变变形蠕变变形第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想

39、弹性与内耗93第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗0t 1 2 1 2滞弹性滞弹性 粘弹性粘弹性 94三、伪弹性三、伪弹性 伪弹性伪弹性是指在是指在一定温度下一定温度下，当，当应力达应力达到一定水平到一定水平后，金属或合金将产生后，金属或合金将产生应应力诱发马氏体相变力诱发马氏体相变，伴随应力诱发马，伴随应力诱发马氏体相变产生大幅度（氏体相变产生大幅度（60）弹性）弹性变形现象。大大超过正常弹性变形。变形现象。大大超过正常弹性变形。 应用：形状记忆合金。应用：形状记忆合金。 第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗95伪弹性示意图伪弹性示意图第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想

40、弹性与内耗960理想弹性行为，理想弹性行为，循环变形过程没循环变形过程没有能量损失有能量损失四、内耗四、内耗第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗97第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回线 - 弹性滞后环弹性滞后环98第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗弹性滞后环说明加载时材料吸收的弹性滞后环说明加载时材料吸收的变形功（能）大于卸载时材料释放变形功（能）大于卸载时材料释放的变形功，有一部分变形功被材料的变形功，有一部分变形功被材料吸收，称为吸收，称为内耗内耗（又叫消振性），（又叫消振性），用回线的面积大小度量。用回线的面积

41、大小度量。9900( )sin( )sin()tttt内耗的计算：内耗的计算：第三节第三节 非理想弹性与内非理想弹性与内耗耗循环应力应变与时间的关系循环应力应变与时间的关系1002/00000( )( ) sincos() sin Wt dtttdt 常用力学损耗角正切常用力学损耗角正切tantan来表示内耗的大小。来表示内耗的大小。第三节第三节 非理想弹性与内非理想弹性与内耗耗101第三节第三节 非理想弹性与内非理想弹性与内耗耗n测量角比较复杂，通常采用振动试样自由角比较复杂，通常采用振动试样自由振动振幅衰减的自然对数值振动振幅衰减的自然对数值 来表示内耗来表示内耗的大小的大小1lnkkTT

42、Tk和和Tk+1表示自由振动表示自由振动相邻振幅的大小。相邻振幅的大小。102对于高聚物而言，内耗的大小与本身的结构对于高聚物而言，内耗的大小与本身的结构有关。有关。顺丁橡胶内耗较小，因为它的分子链上顺丁橡胶内耗较小，因为它的分子链上没有取代基没有取代基团团，链段运动的，链段运动的内摩擦阻力较小内摩擦阻力较小；丁苯橡胶和丁腈橡胶的内耗比较大，因为丁苯胶有丁苯橡胶和丁腈橡胶的内耗比较大，因为丁苯胶有庞大的庞大的侧苯基侧苯基；丁腈橡胶有极性较强的；丁腈橡胶有极性较强的侧氰基侧氰基，因，因而它们的链段运动时而它们的链段运动时内摩擦阻力较大内摩擦阻力较大。内耗较大的橡胶，吸收冲击能量较大，回弹性内耗较

43、大的橡胶，吸收冲击能量较大，回弹性就就 。较差较差第三节第三节 非理想弹性与内非理想弹性与内耗耗103高聚物的变形和内耗与温度的关系高聚物的变形和内耗与温度的关系内耗峰内耗峰第三节第三节 非理想弹性与内非理想弹性与内耗耗内内耗耗与与温温度度有有关关104高聚物的内耗与频率的关系高聚物的内耗与频率的关系高高弹弹性性区区黏弹区黏弹区刚刚性性区区第三节第三节 非理想弹性与内非理想弹性与内耗耗内内耗耗与与振振动动频频率率有有关关105 工程应用：工程应用： 音叉在真空中做弹性振动，但是由于内耗的音叉在真空中做弹性振动，但是由于内耗的作用，振幅逐渐衰减，最后停止（乐器的制作用，振幅逐渐衰减，最后停止（乐

44、器的制作）作） 。利用材料的内耗性高，消振性好，有。利用材料的内耗性高，消振性好，有利于防止共振导致疲劳断裂（机床床身材料利于防止共振导致疲劳断裂（机床床身材料的选择）的选择） 。第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗106第三节第三节 非理想弹性与内非理想弹性与内耗耗产生了产生了少量塑性变形少量塑性变形的材料（残余应变的材料（残余应变4%），再），再同向加载则弹性极限（屈服强度）升高；反向加载同向加载则弹性极限（屈服强度）升高；反向加载则弹性极限（屈服强度）降低的现象。则弹性极限（屈服强度）降低的现象。 01240217832874852 301退火轧制黄铜退火轧制黄铜五、包申格效应

45、107第三节第三节 非理想弹性与内非理想弹性与内耗耗包申格应变包申格应变是度量是度量包申格效应的包申格效应的定量定量指标指标。它是指在给。它是指在给定应力下，拉伸卸定应力下，拉伸卸载后第二次再拉伸载后第二次再拉伸与拉伸卸载后再压与拉伸卸载后再压缩两曲线之间的应缩两曲线之间的应变差。变差。108 工程意义：工程意义： 不利：不利：经经拉伸拉伸变形成型的构件要考虑其承受变形成型的构件要考虑其承受压缩压缩载荷的能力，以免使微量塑性变形抗力载荷的能力，以免使微量塑性变形抗力下降造成危害。特别是承受应变疲劳载荷作下降造成危害。特别是承受应变疲劳载荷作用的机件，呈现循环软化现象。用的机件，呈现循环软化现象

46、。 有利：有利：如薄板反向弯曲成型，拉拔的钢棒经如薄板反向弯曲成型，拉拔的钢棒经辊压校直等。辊压校直等。 第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗109林位错对位错运动的影响林位错对位错运动的影响 包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。有关。因为经过正向变形后，晶内位错最后总是停因为经过正向变形后，晶内位错最后总是停留在障碍密度较高处，一旦有反向变形，则位错很留在障碍密度较高处，一旦有反向变形，则位错很容易克服曾经扫过的障碍密度较低处。容易克服曾经扫过的障碍密度较低处。第三节第三节 非理想弹性与内非理想弹性与内耗耗110第三节第三节

47、 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗n消除包申格效应的方法：预先进行较大的消除包申格效应的方法：预先进行较大的塑性变形，或在第二次受力前先使金属材塑性变形，或在第二次受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火，如钢在料于回复或再结晶温度下退火，如钢在400500，铜合金在，铜合金在250270退火。退火。111材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产生材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。材永久性位移，并不引起材料破裂的现象。材料的种类和性质不同，其塑性变形机理也不料的种类和性质不同，其塑性变形机理也不相同。相同。第四节第四节 塑性变形及其性能塑性变形及其性能指标

48、指标112一、塑性变形的机理一、塑性变形的机理 1 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 金属常见的塑性变形机理为金属常见的塑性变形机理为滑移孪生滑移孪生 滑移是在切应力作用下，沿着滑移面和滑移方向滑移是在切应力作用下，沿着滑移面和滑移方向进行的切变过程。进行的切变过程。思考：何为滑移系？哪些面可做滑移面思考：何为滑移系？哪些面可做滑移面 ？fcc，bcc，hcp的滑移系有几个？室温与高温下有何区别？的滑移系有几个？室温与高温下有何区别？滑移系的多少与金属的塑性好坏有何关系？滑移系的多少与金属的塑性好坏有何关系？第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标113 孪生孪生是金属在切应

49、力作用下的另外一是金属在切应力作用下的另外一种塑性变形方式。孪生变形可以调整种塑性变形方式。孪生变形可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动，滑移面的方向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。间接对塑性变形有贡献。 思考：在什么条件下金属会以孪生方思考：在什么条件下金属会以孪生方式塑性变形？为什么？式塑性变形？为什么？金属的滑移系较少、低温、高速变形的条件下。金属的滑移系较少、低温、高速变形的条件下。第四节第四节 塑性变形及其性能塑性变形及其性能指标指标114第四节第四节 塑性变形及其性能塑性变形及其性能指标指标在切应力下孪晶中的晶格位向变化在切应力下孪晶中的晶格位向变化 1151.金属塑性

50、变形的特点金属塑性变形的特点1）各晶粒塑性变形的非同时性）各晶粒塑性变形的非同时性 金属多晶体中，不同相、不同晶粒在外金属多晶体中，不同相、不同晶粒在外力作用下由弹性变形向塑性变形的过渡力作用下由弹性变形向塑性变形的过渡不可能同时开始。不可能同时开始。 所以人为规定了一些微量残留变形量条所以人为规定了一些微量残留变形量条件，如件，如0.05，表示力学性能。，表示力学性能。第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标1162 ）塑性变形量的不均匀性）塑性变形量的不均匀性 不同组织的塑性变形程度不同，在外部宏观变形不同组织的塑性变形程度不同，在外部宏观变形量不大的情况下，有些晶粒可能已经

51、达到极限，量不大的情况下，有些晶粒可能已经达到极限，出现早期开裂。出现早期开裂。补充：取向因子补充：取向因子coscos组织越不均匀，塑性变形不同时性和不均匀性越组织越不均匀，塑性变形不同时性和不均匀性越严重。严重。 第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标117第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标拉应力与分切应力关系图拉应力与分切应力关系图分切应力分切应力=(P/A)coscos 临界临界 外应力与滑移面法线外应力与滑移面法线的夹角；的夹角； 外应力与滑移方向的外应力与滑移方向的夹角；夹角； = coscos称为取向因称为取向因子。子。取向因子取向因子cosc

52、os118第四节第四节 塑性变形及其性能塑性变形及其性能指标指标3）各晶粒塑性变形的相互协调性）各晶粒塑性变形的相互协调性 多晶体金属作为一个连续整体，不允许各个晶粒多晶体金属作为一个连续整体，不允许各个晶粒在任一滑移系自由变形，否则必将导致晶界开裂，在任一滑移系自由变形，否则必将导致晶界开裂，这就要求各晶粒之间能协调变形。每个晶粒必须这就要求各晶粒之间能协调变形。每个晶粒必须能能同时沿几个滑移系进行滑移同时沿几个滑移系进行滑移，或在滑移的同时，或在滑移的同时产生孪生变形产生孪生变形，以保持材料的整体性。，以保持材料的整体性。4）变形过程中金属的力学性能和其它物理性能、）变形过程中金属的力学性

53、能和其它物理性能、化学性能会发生变化。化学性能会发生变化。如密度降低、电阻和矫顽如密度降低、电阻和矫顽力增加、化学活性增大以及抗腐蚀性能降低等。力增加、化学活性增大以及抗腐蚀性能降低等。119 2. 2. 陶瓷材料的塑性变形陶瓷材料的塑性变形 陶瓷材料最大的缺点是脆即塑性变形很难，为陶瓷材料最大的缺点是脆即塑性变形很难，为什么？什么？n共价键共价键具有方向性，且是强固的结合键，使晶体具有具有方向性，且是强固的结合键，使晶体具有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的能力。较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的能力。离子键离子键方方向性虽不明显，但受静电作用力的限制，其实际可动向性虽不明显，但受静电作用力的限

54、制，其实际可动滑移系较少。滑移系较少。n多晶材料，还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。位错不多晶材料，还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。位错不易向周围晶粒传播，更易在晶界处塞积而产生应力集易向周围晶粒传播，更易在晶界处塞积而产生应力集中，形成裂纹。中，形成裂纹。 第四节第四节 塑性变形及其性能塑性变形及其性能指标指标120第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标化合物 LiFMgO Al2O3SiO2Si3N4SiCSi负电性差3.02.32.01.71.20.70离子键（）8973635130110共价键（）112737497089100陶瓷材料离子键与共价键的混合比陶瓷材料离子键与共价

55、键的混合比121 非晶态玻璃，在室温下没有塑性，为什么？非晶态玻璃，在室温下没有塑性，为什么？ 没有晶体的滑移系，塑性变形通过分子没有晶体的滑移系，塑性变形通过分子（原子）位置的热激活交换来进行的，（原子）位置的热激活交换来进行的，属于粘性流动变形机制，塑性变形需要属于粘性流动变形机制，塑性变形需要在一定温度下进行。在一定温度下进行。非晶的非晶的原子排原子排布布第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标1223. 3. 高分子材料的塑性变形高分子材料的塑性变形 结晶态高分子结晶态高分子 塑变过程薄晶转变为塑变过程薄晶转变为 沿应力方向排列的微纤维束。沿应力方向排列的微纤维束。 非晶

56、态高分子非晶态高分子 塑变过程正应力作用下塑变过程正应力作用下形成银纹，切应力作用下无取向分子链转变为形成银纹，切应力作用下无取向分子链转变为排列的纤维束。排列的纤维束。第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标123n银纹银纹（craze）：银纹是高分子材料在变形银纹是高分子材料在变形过程中产生的一种过程中产生的一种缺陷缺陷，由于它的密度低，由于它的密度低，对光线的反射能力很高，看起来呈银色，对光线的反射能力很高，看起来呈银色，因而得名。银纹因而得名。银纹产生于高分子材料的弱结产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位，构或缺陷部位，银纹内部为有取向的纤维银纹内部为有取向的纤维和空洞交织

57、分布。和空洞交织分布。银纹裂纹银纹裂纹 ？第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标124聚苯乙烯板中的银纹图中箭头指主应力方向；聚苯乙烯板中的银纹图中箭头指主应力方向；（b）是图（）是图（a）中一段的放大照片）中一段的放大照片(a)(b)第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标125二、屈服现象与屈服强度 1 1 屈服现象屈服现象 在材料拉伸曲线上，弹性变形向塑性变在材料拉伸曲线上，弹性变形向塑性变形的过渡阶段有一个平台或锯齿。在外力形的过渡阶段有一个平台或锯齿。在外力不增加或上下波动的情况下试样可以继续不增加或上下波动的情况下试样可以继续伸长，伸长，这种现象称为材

58、料在拉伸实验时的这种现象称为材料在拉伸实验时的屈服现象。屈服现象。许多铁基合金、有色金属和高许多铁基合金、有色金属和高分子材料中会出现屈服现象。分子材料中会出现屈服现象。第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标1262 2 屈服强度屈服强度 定义：屈服强度材料开始塑性变形的应力。定义：屈服强度材料开始塑性变形的应力。 通常用下屈服点的应力值表示。通常用下屈服点的应力值表示。 何为上、下屈服点？何为上、下屈服点？ 定义式：定义式： 物理意义：材料抵抗物理意义：材料抵抗起始起始塑性变形的能力或产塑性变形的能力或产生微量塑性变形的能力。生微量塑性变形的能力。 0/ AFsusu0/ A

59、Fslsl第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标127吕德斯带吕德斯带屈服伸长变形是不均匀的屈服伸长变形是不均匀的第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标128第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标吕德斯带的显微照片吕德斯带的显微照片129第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标n材料变形前可动位错密度很小n随塑性变形发生，位错能快速增殖n位错运动速率与外加应力有强烈依存关系屈服现象发生的三个要素：屈服现象发生的三个要素：塑性应塑性应变速率变速率柏氏矢量的模柏氏矢量的模可动位错密度可动位错密度位错运动平均速率位错运动平均速率bv130

60、第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标沿滑移面上的切应力沿滑移面上的切应力位错以单位速率运动位错以单位速率运动所需的切应力所需的切应力位错运动速率位错运动速率应力敏感指数应力敏感指数m值越低，则使位错运动速率变化所值越低，则使位错运动速率变化所需之应力变化越大，屈服现象越明显。需之应力变化越大，屈服现象越明显。0( /)mv 131对于看不到明显屈服现象的材料，工程上其屈服对于看不到明显屈服现象的材料，工程上其屈服强度由人为按标准规定，称为条件屈服强度。强度由人为按标准规定，称为条件屈服强度。(1)比例极限比例极限 应力超过p时即认为材料开始屈服。(2)弹性极限弹性极限 应力超