材料力学性能讲义-1

材料力学性能天津大学材料学院高分子材料科学与工程专业高分子方向讲课教师：黄定海对材料的利用和制造在某种意义上可以说就是人类历史的发展进程的一个缩影第一章概论石器时代陶器时代青铜时代铁器时代聚合物时代半导体时代复合材料时代第一章概论二里头文化出土青铜爵利簋（1976年出土）利簋铭文第一章概论现代文明的三大支柱：信息、材料和能源新技术革命的三大标志：新材料、信息技术、生物技术在到2020年的国家中长期科技发展规划中，以及各国家科技规划中，对新材料的发展也是放在一个非常重要的地位第一章概论

材料的定义：材料是人类社会所能接受的、经济地制造有用器件的物质。材料与其它物质区别的三个判据：作为材料的物质的几个特点：资源判据、能源判据、环保判据1）一定的组成和配比2）成型加工性3）形状保持性4）经济性5）回收和再生性材料的分类第一章概论1.1.2

材料科学与工程的基本要素使用效能(Performance)合成/加工(Synthesis/Processing)组成/结构(Composition/Structure)性质(Properties)第一章概论金六齐（《周礼·考工记》六分其金而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居其一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居其一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居其一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居其二，谓之削杀矢之齐；金锡半而谓之釜燧之齐。第一章概论1.1.3

材料的性能材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为。材料性能简单性能复杂性能复合性能、工艺性能、使用性能物理性能力学性能化学性能第一章概论1.2

材料性能的分析方法黑箱法过程法（白箱法）相关法（灰箱法）环境法第一章概论1.3

材料的力学性能(mechanicalproperties)材料的力学性能是关于材料强度的一门学科，即关于材料在外加载荷（外力）作用下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速率）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。

材料的力学性能指标是材料在载荷和环境因素作用下抵抗变形与断裂的量化因子，是评定材料质量的主要依据，是结构设计时选材的根据。第一章概论1.3.2

材料力学性能的研究内容1)材料在各种服役条件下的力学性能2)材料力学性能的影响因素3)材料力学性能的微观机制4)材料力学性能的测试技术第二章材料的静载拉伸力学性能2.1

静载拉伸试验2.1.1应力-应变曲线(Stress-Straincurve)1)脆性材料的应力-应变曲线2)塑性材料的应力-应变曲线3)高分子材料的应力-应变曲线特征第二章材料的静载拉伸力学性能2.1

静载拉伸试验2.1.1应力-应变曲线(Stress-Straincurve)3-1)不同高分子材料的应力-应变曲线特征3-2)PMMA在不同温度下的应力-应变曲线特征第二章材料的静载拉伸力学性能2.1

静载拉伸试验2.1.2拉伸性能指标力学性能指标分为两类：1)与应力有关：反映材料对塑性变形和断裂的抗力的指标，称为材料的强度指标。材料的拉伸性能指标，又称力学性能指标，用应力-应变曲线上反映变形过程性质发生变化的临界值表示。2)与应变有关：反映材料塑性变形能力的指标，称为材料的塑性指标。第二章材料的静载拉伸力学性能2.1

静载拉伸试验2.1.2拉伸性能指标1.屈服强度指标(YieldStrength)但在实际测量中，由于材料在微观结构上以及受力过程的复杂性，不可能材料的所有部分都同时开始塑性变形，因此实际判定十分困难。1)比例极限:符合线性关系的最高应力值从理论上严格来讲，屈服强度就是材料开始塑性变形时所对应的应力值。2)弹性极限:材料能够完全弹性回复的最高应力值

屈服强度:以规定发生一定的残留变形时所对应的应力值(0.2%)第二章材料的静载拉伸力学性能2.1

静载拉伸试验2.1.2拉伸性能指标2.抗拉强度(TensileStrength)脆性材料:抗拉强度等于断裂强度3.实际断裂强度(FractureStrength)抗拉强度表示材料的极限承载能力。塑性材料:抗拉强度代表产生最大均匀变形的抗力拉伸断裂时的载荷除以断口处的真实截面面积所得的应力值第二章材料的静载拉伸力学性能2.1

静载拉伸试验2.1.3塑性指标及其意义1)延伸率2)断面收缩率3)塑性指标间的关系(要求课后自己推导)4)塑性指标的意义防止偶然过载或局部应力水平过高时材料断裂,保证安全第二章材料的静载拉伸力学性能2.2

弹性变形(elasticdeformation)2.2.1弹性变形及其物理本质1)弹性变形过程材料受外力作用发生尺寸和形状的变化，称为变形。外力去除后，随之消失的变形为弹性变形，而不能回复的永久性变形为塑性变形(plasticdeformation)。第二章材料的静载拉伸力学性能2.2

弹性变形(elasticdeformation)2.2.1弹性变形及其物理本质2)胡克定律3)常用弹性常数及其意义a.弹性模量E(elasticmodulus)b.切变模量G(shearmodulus)c.泊松比(Poisson’sratio)d.体积弹性模量K第二章材料的静载拉伸力学性能2.2

弹性变形1)刚度2)弹性比功3)橡胶高弹性2.2.2弹性性能的工程意义

弹性模量很小，而形变量很大

变形需要时间

变形时有热效应第二章材料的静载拉伸力学性能2.2

弹性变形1)弹性后效2)弹性滞后环2.2.3弹性不完整性以不可逆方式吸收能量而不破坏的能力,即金属靠自身来消除机械振动的能力第二章材料的静载拉伸力学性能2.2

弹性变形2.2.3弹性不完整性3)Bauschinger效应经过预先加载变形,然后再反向加载变形时弹性极限(屈服强度)降低的现象第二章材料的静载拉伸力学性能2.2

弹性变形3)高分子材料的滞后和内耗2.2.3弹性不完整性

滞后

内耗第二章材料的静载拉伸力学性能