材料力学性能2版课件

材料力学性能能源动力与机械工程学院

材料教研室辛燕Mechanical

Properties

of

Materialsxinyan@2《工程材料力学性能》(第2版)，束德林机械工业出版社，2008参考资料：《金属力学性能》，孙茂才，哈尔滨工业大学出版社，2003《材料的力学性能》，郑修麟，西北工业大学出版社，2001教材及参考资料3

Properties(材料性能/性质)

Processing(制备/加工)

Performance

(使用效能)材料科学：研究材料的组成/结构、性质、加工工艺和

使用效能，以及它们之间相互关系的科学

(成分/结构)

Composition/Structure

结构是制备加工的结果

结构是材料性能的原因

Materials4一、材料的性能

材料性能力学性能物理性能化学性能强度硬刚弹塑度度性性电学性能磁学性能光学性能热学性能声学性能抗氧化性耐腐蚀性催化性能5材料力学性能:

材料抵抗变形和断裂的能力。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。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。《材料力学性能》与《材料力学》的区别？6二、材料力学性能表征材料软硬程度的表征材料脆性的表征材料抵抗外力能力表征材料变形能力的表征含缺陷材料抗断裂能力的表征材料抵抗多次受力能力的表征新材料及特种材料性能的表征特殊条件下材料性能的表征7材料力学性能是关于各类材料或构件在外加载荷作用下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速度）联合作用下表现的变形、损伤与断裂的行为规律及其物理本质和评定方法的学科。8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。塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力。强度:是材料对变形和断裂的抗力。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，使零件在服役期内安全运行。三、材料的基本力学性能9第一部分:第一～四章

阐述金属材料在一次加载条件下的形变和断裂过程。所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力或安全性。第二部分:第五～八章

论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间相关的失效形式。金属材料对这四种形式失效的抗力将决定零件的寿命。第三部分:第九～十一章介绍聚合物材料、陶瓷材料和复合材料的力学性能。四、教材结构和内容10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。某些力学性能指标根据理论考虑定义,而更多指标则按工程实用要求定义。做些练习:

加深理解――巩固所学的知识。五、本课程学习注意问题：六、考核方式平时成绩占30%(包括出勤+作业)期末闭卷考试占70%11第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能12单向静拉伸实验介绍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

金属的断裂主要内容13单向静拉伸试验(Tension

test)特点：

最广泛使用的金属力学性能检测手段试验的温度、应力状态、加载速率和试样等都有严格规定

(GB/T228-2002)最基本的力学行为(弹性、塑性和断裂)可测力学性能指标：屈服强度σ0.2抗拉强度σb断后伸长率δ断面收缩率ψ14常用拉伸试样形状光滑圆柱试样板状试样15常用的拉伸试样:为了比较不同尺寸试样所测得的延性,要求试样的几何相似(比例试样)，L0/A01/2＝Ｋ(常数;通常K取5.65或11.3)．其中A0为试件的初始横截面积，L0为原始标距。光滑圆柱试样:试件的标距长度L0比直径d0要大得多；通常，L0=5d0或L0=10d0板状试样:试件的标距长度L0应满足下列关系式：L0=5.65A01/2或11.3A0

1/2拉伸试样的尺寸16电液伺服万能实验机拉伸试验设备17拉伸实验中注意的问题a.

拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为有效，由不同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较。b.

拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所受的载荷Ｆ和伸长量ΔL之间的关系曲线;dσ

/dt

=1~10MPa/s181.1

拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线拉伸力-伸长曲线：拉伸实验中记录的力(F)对伸长(ΔL)的关系曲线☆退火态低碳钢拉伸变形过程可分为５个阶段：弹性变形(OA)不均匀屈服塑性变形(AC)均匀塑性变形(CB)不均匀集中塑性变形(Bk)断裂(k)正火、退火碳素结构钢和一般低合金结构钢都具有类似的拉伸力-伸长曲线1920注意：并非所有金属材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸力-伸长曲线淬火高碳钢

退火低碳钢在低温下

拉伸时只有弹性变形阶段

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21室温脆性材料

普通灰铸铁22

低塑性材料低塑性材料在拉伸断裂前:

只发生均匀伸长

不发生颈缩

塑性变形量较小

高塑性材料高塑性材料在拉伸断裂前:

不仅产生均匀的伸长

而且发生颈缩现象

且塑性变形量大23工程应力(Stress)工程应变(Strain)σ=F／A0ε=ΔL／L0

工程应力－应变曲线

将拉伸力-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。因均系以一常数相除，故曲线形状不变，称为工程应力－应变曲线。可得到金属在静拉伸条件下的力学性能指标：σkσeδgσsδgtσbδ24拉伸变形过程中横截面积和长度是不断变化的25如果用拉伸时试样的真实断面Ａ和真实长度Ｌ去除得到真应力S和真应变e(ψe)绘制曲线，则得到真实应力-应变曲线(OBK曲线)。真实应力－应变曲线261.2

弹性变形一、弹性变形及其实质弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形特点：可逆性变形加载、卸载期内，应力与应变间都保持单调线性关系金属弹性变形量较小，一般不超过0.5%～1%实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现27弹性变形物理本质弹性变形的可逆性：原子的位移总和＝宏观变形外力去除后，原子靠彼此间作用力又回到平衡位置

位移消失→宏观变形消失ε28二、胡克定律

(一)

简单应力状态的胡克定律

1．单向拉伸σ

y

E

σ

y

y

=

Eε

x

=

ε

z

=

−νε

y

=

−ν(1-1)εy——纵向拉伸应变εx、εz——横向拉伸应变E

——弹性模量ν

——泊松比σy——拉应力292．剪切和扭转(1-3)τ

=

Gγ(1-2)

E2(1+ν)G

=τ

——切应力G

——切变模量

γ

——切应变3．E、G和ν的关系ε

1

=[σ

1

−ν

(σ

2

+

σ

3)]⎪⎪⎨ε

2

=[σ

2

−ν

(σ

3

+

σ

1)]⎪⎪ε

3

=

E

[σ

3

−ν

(σ

1

+

σ

2

)](二)

广义胡克定律

实际上机件的受力较复杂，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：⎧

1⎪

1⎪

1⎩E

E式中σ1,

σ2,

σ3

—主应力

ε1

,

ε2

,

ε3—主应变压应力−拉应力＋

应变为正号(+)时表伸长

负号(−)时表缩短3031弹性模量：工程上亦称为材料的刚度，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。三、弹性模量(Elastic

Modulus)

单纯弹性变形过程中应力与应变的比值E

=σ/ε桥式起重机梁内燃机、离心机、压气机等的曲轴精密机床的主轴、床身等均有刚度要求以免产生过大振动，保证加工精度1.2

弹性变形32E/105MPa

2.17

1.25

0.72

2.0

1.7~1.9

2.0~2.1

1.9~2.0

金属材料

铁

铜

铝

铁及低碳钢

铸铁

低合金钢奥氏体不锈钢表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量33影响弹性模量Ｅ的因素(1)主要取决于金属原子本性和晶格类型不同种类金属原子间的作用不同→Ｅ不同原子密排方向的Ｅ较大（单晶体弹性各向异性）(2)弹性模量为对组织不敏感的力学性能指标合金化、热处理、冷塑性变形等对弹性模量的影响较小(3)温度、加载速率等外在因素对Ｅ影响较小四、弹性比功

弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力，

又称弹性比能、应变比能。

一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变

形功表示。

几何意义：应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积

2

e

2

2E式中——弹性比功；——弹性极限；(组织敏感指标)——最大弹性应变(表征材料弹性)eασ

e

ε

e

弹簧材料应具有较高的弹性比功和良好的弹性343536五、滞弹性1.滞弹性现象纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关与加载方向和加载时间无关实际金属材料弹性变形不仅是应力的函数而且还是时间的函数37滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象2.

滞弹性原因产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动有关。材料组织越不均匀，滞弹性越明显钢经淬火或塑性变形后，滞弹性↑38在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑弹性后效问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等。如选用的材料弹性后效较明显，会使仪表精度不足甚至无法使用。3.

滞弹性的危害39弹性滞后环

实际金属弹性区内快速加、卸载时，加载线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。物理意义：加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。

回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。40循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，也称为内耗。循环韧性又称为消振性。循环韧性的应用机床床身、缸体等选用循环韧性高的材料，减振降噪乐器（簧片、琴弦等）要求材料循环韧性小，保证音质41六、包申格效应(Bauschinger

Effect)包申格效应：金属材料经预先

加载产生少量塑性变形，卸载

后再同向加载，规定残余伸长

应力增加；反向加载规定残余

伸长应力降低(特别是弹性极限在

反向加载时几乎降低到零)的现象

少量塑性变形：残余应变约为1%-4%

规定残余伸长应力：对应弹性极限

或屈服强度

42

屈服强度380MPa→100MPa某些钢和钛合金，因包申格效应可使屈服强度降低15%-20%

α黄铜、铝等有色金属合金

球化高碳钢、低碳钢、管线钢、双相钢

奥氏体不锈钢等

包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象度量包申格效应的基本定量指标是包申格应变包申格应变：在给定应力下，正向加载与反向加载两应力－应变曲线之间的应变差43均有包申格效应

β=bc即为包申格应变44包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同向加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，残余伸长应力降低。包申格效应的微观机理如金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重分布，则在随后反向加载时，不显示包申格效应45危害：交变载荷情况下，显示循环软化(强度极限下降)利用：薄板反向弯曲成形，拉拔的钢棒经轧辊压制较直包申格效应的危害和利用包申格效应的防止方法预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火461.3

塑性变形一、塑性变形方式及特点金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生塑性变形：外载荷卸去后，不能恢复的变形塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质滑移

最主要的变形机制；孪生

重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时1.塑性变形方式47(1)

滑移金属材料在切应力作用下沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。

滑移面：原子最密排面；

滑移向：原子最密排方向。

滑移系：滑移面和滑移向的组合。

滑移系越多，材料的塑性越好。

晶体结构的影响较大，fcc＞bcc＞hcp滑移的临界分切应力

τ=(P/A)cosφcosλ

φ—外应力与滑移面法线的夹角；

λ—外应力与滑移向的夹角；

Ω=

cosφcosλ称为取向因子。φλτ48(2)

孪生孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。孪生的特点：比滑移困难；时间很短；变形量很小；Cd孪生变形量仅7.4%，滑移变形300%也是在切应力作用下沿特定晶面和特定晶向进行的孪晶层在试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展49多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规律与单晶体金属相同。但由于多晶体金属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同塑性变形具有如下特点：2.

塑性变形特点(1)

各晶粒变形的不同时性和不均匀性多晶体中各晶粒取向不同，即

cosφcosλ不同，则应力状态不同；在受外力时，取向有利的晶粒先开始滑移变形，而取向不利的晶粒可能仍处于弹性变形状态；当外力↑，滑移从某些晶粒传播到另外一些晶粒，并不断传播，从而产生宏观可见的塑性变形；若是多相合金，各相晶粒力学性能的差异导致基体与第二相变形量也不同；金属组织愈不均匀，则起始塑性变形不同时性就愈显著，局部越易达到塑性极限而形成裂纹。50(2)

各晶粒变形的相互协调性多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂；每个晶粒必须能同时沿几个滑移系进行滑移，即能进行多系滑移，或在滑移同时进行孪生变形；冯·米赛斯(Von

Mises)指出至少必须有五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形，并维持体积不变；多晶体金属的应变硬化速率比相同的单晶体金属要高；hcp金属滑移系少，变形不易协调，故其塑性极差；金属间化合物的滑移系更少，变形更不易协调，性质更脆。二、屈服现象和屈服点(屈服强度)屈服：在金属塑性变形的开始阶段，

外力不增加、甚至下降的情况

下，而变形继续进行的现象金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志

51屈服点(屈服强度)σs上屈服点下屈服点σsu=Fsu/A0σsl=Fsl/A0屈服伸长

AB段对应的伸长屈服平台(屈服齿)AB段屈服强度表征金属微量塑性变形抗力屈服现象在退火、正火的中、低碳钢

和低合金钢中最为常见2—连续屈服，黄铜不连续屈服

连续屈服0.002L0分为三种指标：(1)规定非比例伸长应力(σp)加载时测量，非比例伸长率达到规定值时的应力，

常用σp0.01,σp0.05,σp0.2,(2)规定残余伸长应力(σr)卸载后测量，常用σr0.2,表示规定残余伸长率为0.2%时的应力(3)规定总伸长应力(σt)加载时测量，常用σt0.5，表示规定总伸长率为0.5%时的应力

52许多具有连续屈服特征的金属材料，拉伸时看不到屈服现象

不连续屈服用规定微量塑性伸长应力表征屈服强度

连续屈服

0.002L02—连续屈服，黄铜s

σ53

屈服强度是金属材料重要的力学性能指标，它是工程上从静强度角度选择韧性材料的基本判据。工程上特别重视材料屈服强度值的大小统一用σs或σ0.2表示材料的屈服强度传统强度设计方法规定：n许用应力

[σ]=

,(n

≥

2)根据机件具体情况，选择具有适当屈服强度的材料。54三、影响屈服强度的因素(1)

金属本性及晶格类型（一）影响屈服强度的内因凡影响位错增殖和运动的各种因素必然要影响屈服强度屈服强度理论上为位错开始运动的临界切应力位错运动的阻力：晶格阻力（P-N力）位错交互作用产生的阻力。不同金属及晶格类型，位错运动所受的以上各阻力不相同55(2)

晶粒大小和亚结构晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。减小晶粒尺寸，障碍数目增加,

σs

↑：霍尔—培奇关系式细化晶粒，可以提高材料的屈服强度。bcc金属较fcc和hcp金属的ky值都高，所以bcc金属细晶强化效果最好，而

fcc和hcp金属则较差σ

s

=σi

+kyd

−1/2(3)

溶质元素溶质元素显著提高屈服强度，即固溶强化。间隙固溶强化效果大于置换固溶。机理：形成晶格畸变，阻碍位错运动56(4)

第二相不可变形的第二相，位错只能绕过它运动，

σs

取决于第二相质点间距。可变形的第二相，位错可以切过。第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标57(二)

影响屈服强度的外在因素(1)

温度温度提高,位错运动容易,σs↓bcc金属的屈服强度具有强烈的温度效应(2)

应变速率应变速率提高，

σs

↑(3)

应力状态切应力τ↑，

σs

↓扭转屈服强度<拉伸屈服强度<弯曲屈服强度四、应变硬化或称形变硬化，加工硬化(4)

提高低碳钢的切削加工性能。2、应变硬化机理位错增殖，运动受阻

58

当外力超过屈服强度之后，需要不断

增加外力才能继续塑性变形。表明金

属材料有一种阻止继续变形的抗力，

即应变硬化性能

1、应变硬化意义(1)使构件具有一定的抗偶然过载能力,

保证机件安全(2)应变硬化和塑性变形适当配合，可

使金属进行均匀塑性形变。(3)

强化金属，提高力学性能。如喷丸

S＝Kenn−−应变硬化指数59大多数金属材料的n值在0.1～0.5之间，fcc金属(铜及黄铜)的n值较大n大的材料，冲压性能好，变形均匀，应变硬化效果突出，eg.18-8不锈钢n≈0.45，40%轧制后，

σs提高3～4倍应变硬化指数n

反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标五、缩颈现象和抗拉强度

(一)

缩颈现象和意义

缩颈：韧性金属材料在拉伸试验时形变集中于局部区域

的特殊现象，它是应变硬化与截面减小共同作用

结果。亦称为颈缩

拉伸力-伸长曲线上最大力点由均匀塑性变形转为不均匀集中塑性变形点缩颈对应

拉伸失稳点或塑性失稳点

dS

de

n

经过积分，得

eB

=

n

即：金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀

塑性应变量时，缩颈便产生。60σb意义：(三)颈缩颈部应力修正

颈缩一旦产生，即在颈缩区出现

三向应力状态

应对真实应力-应变曲线进行修正

(四)

抗拉强度

(1)标志塑性金属材料的实际承载能力，易于测定，重现性好

(2)是脆性材料的断裂强度，是脆性材料的设计依据。

(3)

σb

决定于σs

和n。

σs

一定n↑

→σb

↑

∴σs/

σb

↓。σs/σb(屈强比)

对材料成型加工极为重要（较小有利）。

(4)

σb

≈1/3HBW(布氏硬度)；淬火钢疲劳极限σ-1

≈1/2σb61FbA0抗拉强度：韧性金属试样在拉断过程中的最大力所对应的应力

σb

=

表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力62六、塑性(一)塑性与塑性指标

大多数拉伸时形成缩颈的韧性金属材料，其均匀塑性变形量比集中塑形变形量要小得多，一般均不超过集中变形量的50％。塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。塑性变形均匀塑性变形

(应变硬化阶段)集中塑性变形

(缩颈后缩颈区阶段)δ

=

×100%

常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。断后伸长率：试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。L1

−

L0

L0L0——试样原始标距长度

;L1——试样断裂后的标距长度

两种圆柱比例拉伸试样：

L0=5d0或

L0=10d0

对应的断后伸长率分别为δ5和δ10

,且δ5>δ10

也可用最大力下的总伸长率δgt表示材料的塑性

δgt最大力时标距的总伸长与原始标距的百分比，实际上是金

属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量（工程应变量）

δgt对于评定冲压用板材的成型能力非常有用63ψ

=

×100%64断面收缩率:试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量

与原始横截面积的百分比A0

−

A

1

A0A0——试样原始横截面积;A1——缩颈处最小横截面积可用δ与ψ的相对大小来判定是否发生缩颈现象：差值越大,缩颈越严重δ＜ψ产生缩颈现象δ≥ψ不产生缩颈现象65(二)塑性的意义和影响因素意义：是安全力学性能指标，防止产生突然破坏；缓和应力集中(塑性可松驰裂纹尖端的局部应力)；有塑性才能进行轧制、挤压等冷热加工变形；能反映冶金质量的优劣影响因素：(a)

细化晶粒，塑性↑；(b)

软的第二相，塑性↑；(c)

温度提高，塑性↑；(d)

固溶、硬的第二相等，塑性↓66韧性是金属材料的力学性能，它是指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。J/m2韧度是度量材料韧性的力学性能指标，其中又分静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。静力韧度：金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功，它是强度和塑性的综合指标。

J/m3静力韧度对按屈服强度设计，有可能偶然过载的机件必须考虑。七、静力韧度671.4

金属的断裂

(Fracture)

磨损腐蚀断裂

危害最大机件三大失效形式齿面接触疲劳轴瓦磨损被严重腐蚀损坏的管接头法兰盘完全断裂断裂材料或机件在外力作用下分成两个或几个部分不完全断裂

材料或机件内部存在裂纹

轴承内圈断裂

齿轮轮齿断裂

大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段

研究断裂形貌、机理、断裂的力学条件及内外影响因素6869

断口：试样或零件在试验或使用过程中断裂后形成的相匹配的表面，是断裂失效最主要的残骸，也是断裂失效分析最重要的物证。

断口忠实地记录了材料在载荷与环境作用下断裂前的不可逆变形以及裂纹萌生和扩展直到断裂的全过程

产生了专门研究断口的断口学

研究断口的形貌、性质进而分析断裂类型、方式、路径、过程、性质、原因和机理的科学断口1、根据断裂前塑性变形大小分类2、根据断裂面的取向分类3、根据裂纹扩展的途径分类4、根据断裂机理分类一、断裂的基本类型

脆性断裂韧性断裂正断切断

穿晶断裂

沿晶断裂纯剪切断裂微孔聚集型断裂

解理断裂7071(一)

韧性断裂与脆性断裂

1、韧性断裂

(1)

断裂特点：

断裂前产生明显宏观塑性变形☆；

塑性变形是韧断的前奏，韧断是大量塑性变形的结果

过程缓慢；

o(2)

断口宏观特征

断口呈纤维状，灰暗色。

断口特征三要素：