第1章 材料在单向拉伸下的力学性能

1、1，扬声器：张宁，2，材料力学性质的定义：材料在外部载荷(外力)作用下的行为或载荷与环境因素(如温度、介质和加载速率)的综合作用，也称力学行为。宏观上，它通常以材料的变形或断裂为特征。第一章是关于材料在单轴拉伸下的力学性能，第三章是关于各种力学参数(如应力、断裂韧性等)。)，所以表征材料的力学参数的临界值或规定值称为材料的力学性能指标或判据。材料力学性能的具体数值表示材料的抗变形和抗断裂能力，是评价材料质量的主要依据。第1章材料在单轴拉伸下的力学性能，4，1，拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线2，弹性变形3，塑性变形4，金属断裂，第1章材料在单轴拉伸下的力学性能，5，1.1金属力学性能的基本概念

2、1.2单一静态拉伸试验1.3拉伸力-伸长曲线1.4应力-应变曲线1.5拉伸力学性能指数，第1节拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线，6。作用在材料上的力，弹性变形，弹塑性变形，断裂，1.1金属机械性能的基本概念，7.1金属机械性能的基本概念，拉伸屈服，压缩，弯曲，剪切蠕变，伸长，面积收缩，弯曲曲率，模量，弯曲模量，冲击强度缺口敏感性，耐磨性，疲劳强度，使用性能和机械性能，1.1金属机械性能的基本概念。1.1金属机械性能的基本概念：应力和应力类型、力变形模式的应力类型、单向应力、剪应力、扭矩、弯矩、工程构件可能承受的应力类型有：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲等。9.单轴静态拉伸试验应力状态的特征：单轴

3、拉伸应力、简单应力状态、最基本、应用最广泛的力学性能。拉伸试验反映的信息：弹性变形、塑性变形和断裂(三种基本力学行为)可以综合评价力学性能。材料的弹性、强度、伸长率、加工硬化和韧性可以通过拉伸试验来测量，拉伸试验是材料的基本力学性能。1.2、单轴静态拉伸试验，10、拉伸性能的作用及应用A .在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一。为预测材料的其他机械性能提供参数，如抗疲劳性和抗断裂性。c .在研究新材料或合理使用现有材料并改善其机械性能时，应确定材料的拉伸性能。注意：拉伸试验的应力状态、加载速率、温度和试样均有严格规定(方法：GB/T228-2002；样本：GB/T6397-19

4、86)。1.2单轴静态拉伸试验，11.2单轴静态拉伸试验，12.1.2单轴静态拉伸试验，13。活动梁、样品、载荷和位移读数、载荷和运动控制、试验条件和样品应符合标准工程应力：工程应力=P/A0A0原始横截面积真实应力：应力=p/aa=实时横截面积，1。1.2单轴静态拉伸试验，仪表工业系统(中国)有限公司的CMT5105系列微机控制电子万能试验机，试验机的结构和零件(外部)，15，工程应力载荷除以试件的原始横截面积，工程应力ss=F/A0其中F为载荷，A0为原始横截面积。(单位：n/m2俄耳甫斯卡尔(pa)，1.2单轴静态拉伸试验：应力：16，工程应变e通过将工程应变伸长量除以原始标距长度获得，

5、应变用于描述单位长度塑性变形和弹性变形程度的变化：e=DL/L0，其中DL为样品伸长量，DL=L-L0，L0为样品的原始标距长度，L对应于f，无单位(m/m，mm/mm)，1.2单轴静态拉伸试验：应变18，1.3张力-伸长曲线，19，1.3张力-伸长曲线，20，弹性变形阶段、21，屈服点、22，屈服发生(1)脆性材料：它们在拉伸断裂前不产生塑性变形，而仅产生弹性变形； (2)塑料材料：高塑性材料：在拉伸断裂前，不仅产生均匀的伸长，而且产生颈缩，塑性变形大。低塑性材料：拉伸断裂前只有均匀的伸长，没有颈缩，塑性变形小。1.3，拉力-伸长曲线：26，原子间的距离延长和缩短，但原子间的键结未被破坏。卸

6、载后，变形迅速恢复。1.3张力-伸长曲线：弹性变形，27，相邻原子变化，变化后，它们会很快产生新的平衡。卸载后，它们会产生不可逆的永久变形。有些材料可以承受一定的塑性变形而不损坏。一些材料，如桥梁混凝土、陶瓷等。当它们受到一定的塑性变形时会被损坏。29，基本设计标准，施加的应力必须小于材料的强度，即材料变形和断裂的临界应力，30，1.4应力-应变曲线，31，脆性材料的应力-应变曲线：典型材料：玻璃、各种陶瓷、岩石、低温金属材料、淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等。曲线特征：拉伸断裂前，只发生弹性变形，不发生塑性变形，断裂发生在最高载荷点。断裂特征：平面断裂，断裂平面垂直于拉伸轴。1.4应力-应变曲

7、线，32，塑性材料的应力-应变曲线：1.4应力-应变曲线，33，(1)金属材料最常见的应力-应变曲线是弹性变形阶段、变形强化阶段、颈缩阶段和k点断裂，如图1.7(a)所示。典型的材料是调质钢、黄铜和铝合金。1.4应力-应变曲线，34，(2)屈服点明显的应力-应变曲线具有明显的屈服点aa，屈服点为屈服平台或齿状，对应的应变在1%3%的范围内，如图1.7(b)所示。典型材料：退火低碳钢和一些有色金属。1.4应力-应变曲线，35，(3)无颈缩的应力-应变曲线只有弹性变形oa和均匀塑性变形ak阶段，见图1.7(c)。典型材料：铝青铜和高锰钢。1.4应力-应变曲线，36，(4)不稳定材料的应力-应变曲线

8、在变形强化过程中出现多次局部失稳，这是由于孪晶变形机制的参与。当双应变率超过试验机卡盘的移动速度时，局部应力松弛，产生齿廓特征，如图1.7(d)所示。典型材料：低溶质固溶体铝合金和杂质铁合金。1.4应力-应变曲线，37 .孪晶变形除位错滑移外，晶体变形也可以通过孪晶实现。孪晶变形是特定晶面(孪晶面)中原子沿某一方向(孪晶方向)协同位移(称为剪切)的结果，但不同层中原子移动的距离不同。图中浅棕色的部分是原子运动形成的孪晶。可以看出，孪晶和未变形矩阵具有镜像对称，孪晶平面为对称平面。1.4应力-应变曲线，38，真实应力-应变曲线，1.4应力-应变曲线，39，1.4应力-应变曲线，工程应力-应变曲线

9、不能真实反映变形过程中应力和应变的变化，40，真实应变与工程应变之差：1。工程应变通常不能真实反映或测量应变。2.实际应变可以叠加，中间载荷历史可以忽略，只需要知道样品的初始长度和最终长度。3.工程应变总是大于真实应变。当工程应变约为0.1时，它们是相似的。随着应变的增加，它们之间的差异变得越来越大。在弹塑性变形阶段，只有真实的应力应变曲线才能描述材料的力学形态。1.4应力-应变曲线，41，大部分工程材料可视为弹性体，因此弹性模量具有万能弹性系数和弹性模量之差，1.5拉伸力学性能指数(1)弹性模量E，42，弹性模量E:是简单弹性变形过程中应力与应变之比，它表示材料对弹性变形的抵抗力。(1)弹性

10、模量E，43，材料的弹性模量对组织不敏感！(1)弹性模量E，44，悬臂梁挠度和弹性模量、聚苯乙烯、铝、钢，45，对于拉伸曲线上有明显屈服平台的材料，塑性变形硬化是不连续的，对应于屈服平台的应力为屈服强度，记为ss=Ps/A0。对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形硬化过程是连续的。此时，屈服强度定义为产生0.2%残余伸长率时的应力，记录为0.2s=0.2=P0.2/A0，(2)屈服强度，46，(2)屈服强度，47，小塑性变形抗力指数，(2)屈服强度，48，抗拉强度B:定义为断裂前的试样取拉伸图上的最大载荷，即对应于点B的载荷除以试样的原始横截面积，得到抗拉强度值。 其标记为bb=PmaxA

11、0，(3)拉伸强度，49，拉伸断裂时的真实应力称为真实断裂强度，其标记为F。当测试断裂点处的切割载荷Pf和样品的最小横截面积Af时，测量断裂时的平均真实应力，即平均断裂强度。 f代表以下f=大塑性变形的Pf/Af拉伸指数。(4)真断裂强度，0.50。断裂前无明显塑性变形。脆性玻璃、陶瓷、硬塑性高强度钢在断裂前具有明显的塑性变形韧性。低强度钢、铜、铝、铅。脆性断裂、延性断裂、脆性断裂所需的能量：分离新原子表面的表面能的延性断裂所需的能量：分离新原子表面的表面能的塑性变形所消耗的能量(远远大于前两者的总和)、脆性断裂、延性断裂、脆性断裂、延性断裂、52、应变、应变、应力、应力、应力等。脆性和韧性，

12、53，2.1弹性变形及其本质2.2虎克定律2.3弹性模量2.4弹性比功2.5非弹性2.6包申格效应，第2节弹性变形，54，金属弹性变形是可逆变形(卸载后可恢复变形前形状的变形)；弹性变形的微观解释：变形的基本双原子模型，2.1弹性变形及其本质，55。在图1-4中，当没有外加载荷时，金属中的原子N1和N2在它们的平衡位置附近振动。两个相邻原点之间的力(曲线3)由吸引力(曲线1)和排斥力(曲线2)叠加而成。吸引和排斥都是原子间距的函数。当两个原子由于力而相互靠近时，排斥力开始缓慢增加，然后迅速增加。而吸引力随着原子距离的减小而缓慢增加。合力曲线3在原子平衡位置为零。2.1弹性变形及其本质56。当原

13、子间的相互平衡力被外力破坏时，原子的位置必须相应地调整，即位移会发生，以达到外力、引力和斥力之间的新平衡。原子位移的总和表明宏观上的变形。外力消除后，原子通过它们之间的力回到原来的平衡位置，位移消失，宏观变形也消失。这是弹性变形的可逆性。金属的弹性变形率相对较小，一般不超过0.51。这是因为原子弹的线性位移只是原子距离的一小部分，所以弹性变形小于1。2.1弹性变形及其本质，57，单轴张力=EE:弹性模量剪切和扭转=G:剪切应力G:剪切模量：剪切应变，2.2胡克定律，58，定义：当应变是一个单位时，弹性模量就是弹性应力，即产生100%弹性变形所需的应力。这个定义对金属来说毫无意义，因为金属材料的

14、弹性变形非常小。2.3弹性模量，59，工程中的弹性模量称为材料的刚度，它代表金属材料对弹性变形的抵抗力。其值越大，在相同应力下的弹性变形越小。机器零件或部件的刚度不同于材料的刚度。前者不仅与材料的刚度有关，还与截面的形状和尺寸以及加载方式有关。刚度是金属材料的重要力学性能之一合金化、热处理(微观结构)和冷塑性变形对弹性模量影响不大，因此金属材料的弹性模量是一个对微观结构不敏感的力学性能指标。温度和加载速率等外部因素对其影响很小。2.3弹性模量，60，弹性比能，也称为弹性比能和应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般来说，它用金属开始塑性变形前每单位体积吸收的最大弹性变形功来表示。拉伸过

15、程中金属的弹性比函数如图1-2所示。应力-应变曲线上处于弹性变形阶段的面积，即ae为弹性功，E为弹性极限(材料由弹性变形向弹塑性变形转变时的应力)，E为最大弹性应变。2.4弹性比功，61，弹性极限表示材料对微塑性变形的抵抗力，这是一种对组织敏感的机械性能指标。金属材料的弹性功取决于其弹性模量和弹性极限。因为弹性模量对组织不敏感，所以只能通过增加一般金属材料的弹性极限来提高弹性比功。2.4弹性比功，62、完全弹性应在加载时立即变形，卸载时立即恢复其原始状态。应力-应变曲线上的加载线和卸载线完全重合，即应力和应变同相，变形值与时间无关，即变形的性质确实是完全弹性的。但事实上，如上所述，当弹性变形发

16、生时，加载线与卸载线不重合，应变滞后于应力。有弹性后效、弹性滞后、包辛格效应等。这些现象是弹性变形中的非弹性问题，称为弹性不完全性。2.5滞弹性，63，当一定量的应力突然施加到多晶样品上时，样品立即产生的弹性应变仅仅是由应力引起的总应变(OH)的一部分(Oa)，而剩余应变(aH)在保持应力恒定的条件下逐渐产生，这被称为正弹性后效应。当外力突然消失时，弹性应变消失，但不是所有应变同时消失，只有一部分(eH)先消失，其余部分(Oe)逐渐消失。这种现象被称为反弹性后效。工程中常用的弹性后效指的是这种反弹性后效。2.5无弹性，64。总之，在应力作用下应变随时间发展的这种行为和应力消除后应变逐渐恢复的现

17、象可以统称为弹性后效。在弹性范围内快速加载或卸载后的附加弹性应变现象称为滞弹性。2.5非弹性，65，金属的循环韧性，定义：金属材料在交变载荷(或振动)下吸收不可逆变形功的能力，也称为金属的内耗或振动阻尼。含义：循环韧性越高，机器对自身的减振能力就越强，因此高循环韧性对降低机器噪声、抑制高速机器振动、防止共振引起的疲劳断裂具有重要意义。2.5无弹性，66。下图显示了退火轧制黄铜在不同加载条件下弹性极限的变化。曲线1是初始张力，e=240 MPa曲线2是初始压缩，e=176 MPa如果初始压缩后的样品卸载，然后第二次压缩，e=287兆帕(曲线3)；如果初始压缩后的样品卸载，然后第二次拉伸，e=85兆帕(曲线4)。2.6包辛格效应，67、金属材料在顶