材料力学第5章材料单向静拉伸的力学性能

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1、1第一章材料单向静拉伸的力学性能§1-1力—伸长曲线和应力—应变曲线§1-2弹性形变及其性能指标§1-3非理想弹性形变与内耗§1-5断裂§1-4塑性变形及其性能指标2材料力学性能的研究任务材料力学性能研究的重要任务，就是研究材料在受载过程中变形和断裂的规律。单向静拉伸试验是工业生产和材料科学研究中应用最广泛的材料力学性能试验方法。通过拉伸试验可以揭示材料在静载作用下的应力应变关系及常见的3种失效形式(过量弹性变形、塑性变形和断裂)的特点和基本规律，还可以评定出材料的基本力学性能指标，如屈服强度、拉伸强度、伸长率和断面收缩率等。3这

2、些性能指标既是材料的工程应用、构件设计和科学研究等方面的计算依据，也是材料的评定和选用以及加工工艺选择的主要依据。本章介绍这些性能指标的物理概念和工程意义，讨论材料弹性变形、塑性变形及断裂行为的基本规律及其与材料组织结构的关系，在此基础上探讨提高材料性能指标的途径和方向。4§1-1力—伸长曲线和应力—应变曲线一、拉伸力-伸长曲线在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形(强化)及不均匀集中塑性变形(局部变形)4个阶段。5退火低碳钢的力一伸长曲线是一种最典型的曲线，除低碳钢外，正火、退火或调质的各种碳素结构钢和一般

3、的合金结构钢都有类似的力一伸长曲线，只是力的大小和变形量的多少不同而已。并非所有的材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸曲线。一、拉伸力-伸长曲线§1-1力—伸长曲线和应力—应变曲线6一、拉伸力-伸长曲线§1-1力—伸长曲线和应力—应变曲线1、淬火高碳钢－弹性形变、少量均匀塑性形变2、低合金结构钢－弹性形变、大量均匀塑性形变。3、黄铜－弹性形变、均匀和不均匀塑性形变。4、陶瓷、玻璃－只有弹性形变。7一、拉伸力-伸长曲线§1-1力—伸长曲线和应力—应变曲线5、橡胶－只有弹性形变，少量或没有塑性形变。6、工程塑料－弹性形变、均

4、匀和不均匀塑性形变。8注意：对于高分子聚合物材料来说：由于其在结构上的力学状态差异及对温度的敏感性，力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曲线。这主要是由材料的键合方式、化学成分和组织状态等多种因素共同决定的。9将图1-1所示的力-伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积A0和原始标距长度L0相除，则得到与力-伸长曲线形状相似的应力(σ＝F／A0)一应变(ε=△l/L0）曲线(图1-3)。这样的应力—应变曲线称为工程应力-应变曲线。10工程应力—应变曲线对材料在工程中的应用是

5、非常重要的，根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的力学性能指标，如图l-3中的比例极限σp、弹性极限σe、屈服点σs、抗拉强度σb等，可提供给工程设计或选材应用时参考。11实际上，在拉伸过程中，试样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。如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力F，则可得到瞬时的真应力S(S=F/A)。同样，当拉伸力F有一增量dF时，试样在瞬时长度L的基础上变为L+dL，于是应变的微分增量应是de＝dL+L，则试件自Lo伸长至L后，总的应变量为:12式中的e为真应变。于是

6、，真应变和工程应变之间的关系为显然，e总是小于ε，且变形量越大，二者的差距越大。13当材料的拉仲变形是等体积变化过程时，真应力S和工程应力σ之间存在如下关系这说明真应力大于工程应力。S=σ(1+)(1–3)14以真应力S和真应变e作为坐标绘制的应力-应变曲线称为真应力一真应变曲线(图l-4)。与工程应力一应变曲线相比较，在弹性变形阶段，由于试样的伸长和截面收缩都很小，两曲线基本重合，真实屈服应力和工程屈服应力在数值上非常接近。在塑性变形阶段，两者出现了显著的差异。15在工程应用中，多数构件的变形量限制在弹性变形范围内，这时二者的

7、差别可以忽略，同时工程应力、工程应变便于测量和计算。因此，工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据。但在材料科学研究中，真应力与真应变将具有重要意义。16§1-2弹性形变及其性能指标一、弹性形变的本质弹性变形的定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。弹性变形的可逆性特点：对于金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物，在弹性变形范围内，应力和应变之间可以看成具有单值线性关系，且弹性变形量都较小。对于橡胶态的高分子聚合物，则在弹性变形范围内，应力和应变之间不呈线性关系，且变形量较大。17无论变形量大小和应力与应

8、变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆变形。材料产生弹性变形的本质，概括说来，都是构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。橡胶类材料是呈卷