材料力学性能(材料科学基础)课件.ppt

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1、材料的力学性能一、材料的力学性能二、强度与塑性三、硬度四、韧性五、疲劳强度六、磨损与耐磨性七、工程材料的高温强度一、材料的力学性能材料的力学性能是指在外加载荷(外力)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为。强度、硬度、塑性、韧性等都属于材料的力学性能。材料的力学性能决定于材料的化学成分、组织结构、冶金质量等内在因素，但外在因素，如载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）、应力状态（拉、压、弯曲、剪切、扭转等）、温度、环境介质等对材料的力学性能也有很大影响。例如低碳钢试样在静拉伸载荷和交变载荷作用下的不同力学行为。二、强度与塑性1.应力-应

2、变曲线拉伸试验：将圆柱形或板状光滑试样装夹在拉伸试验机上，沿试样轴向以一定速度施加载荷，使其发生拉伸变形直至断裂。拉伸曲线：通过力与位移传感器可获得载荷（P）与试样伸长量（△L）之间的关系曲线，称为拉伸曲线或P-△L曲线。应力：σ=P/A0,A0为试样原始截面积应变：ε=ΔL/L0，L0为试样标距应力-应变曲线：纵坐标以σ，横坐标以ε表示，则这时的曲线与试样的尺寸无关。通过拉伸试验可揭示材料在静载荷作用下的力学行为，即弹性变形、塑性变形、断裂三个基本过程，还可确定材料的最基本的力学性能指标－强度与塑性。退火低碳钢的σ－ε曲线2.弹性模量与弹性行为（1）弹性变形：材料

3、在外力作用下产生变形，若外力去除后变形完全消失，材料恢复原状，则这种可逆的变形就叫弹性变形。弹性模量：材料在弹性变形阶段，应力与应变成正比关系，两者的比值称为弹性模量，记为E，且E=σ/εE表征材料对弹性变形的抗力，其值越大，材料产生一定量的弹性变形所需要的应力越大，故工程上也称E为材料的刚度。E主要取决于材料的本性，反映了材料内部原子间结合键的强弱，而材料的组织变化对弹性模量无明显影响。材料的刚度和零件的刚度不是一回事，零件刚度的大小取决于零件的几何形状和材料的弹性模量。（2）弹性行为弹性变形的特点是当载荷卸除后，试样的尺寸形状完全回复到原始状态。根据材料的不同，

4、其变形行为可分为三类：线弹性、非线弹性以及滞弹性。理想的线弹性行为，应力和应变之间满足虎克定律。斜率即弹性模量E。曲线下的阴影面积为单位体积试样在弹性变形过程中所吸收的弹性功。卸载时沿直线可逆回到原点。非线性弹性行为，如橡胶之类的变形能力极好的弹性材料。其应力－应变行为完全偏离了线性关系，但仍然保持弹性的基本性质，卸载时仍沿同样的途径退回到原点。聚合物及某些软金属表现出明显的弹性滞后现象，即加载和卸载曲线都稍稍偏离直线，且两者不重合，形成一个封闭的环形，说明变形过程中应变跟不上应力，称为滞弹性行为。一部分弹性功以热的形式向环境散失。3.强度与塑性（1）强度强度是指材

5、料抵抗变形和断裂的能力。工程上衡量材料强度的指标有：弹性极限σe：材料发生弹性变形的最大应力，高于此值，材料开始发生塑性变形。弹性极限虽然有明确的物理意义，但实际却难以精确测定，工程上定义发生0.01％残留塑性变形时的应力值为条件弹性极限，表示为σ0.01。屈服强度σs：在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服，材料开始屈服时所对应的应力为屈服应力（或称屈服强度）。屈服强度表征材料发生明显塑性变形时的抗力。抗拉强度σb：材料开始发生“颈缩”（试样的直径发生局部收缩）的应力，相当于应力-应变曲线的极大值，也是作用力达到最大值时得到的应力，对于不发生颈

6、缩的材料，就相当于断裂时的应力。断裂强度σf：试样发生断裂的应力值。对于不发生颈缩的材料，σf与σb相等。（2）塑性工程材料根据断裂前是否发生塑性变形，可将它们分成两大类：脆性材料和塑性材料。脆性材料：如陶瓷、玻璃、石头及普通灰铸铁；它们在破断前只发生弹性变形。塑性材料：大多数金属及聚合物，如退火纯铜的拉伸曲线。加工硬化或加工强化：每增加一个小的应变量∆ε，就必须增加应力∆σ才能重新开始塑性变形。随着塑性变形的进行，材料的加工硬化能力逐渐减小，曲线趋于平坦，达到极大值的位置，试样开始发生颈缩，随后颈缩快速发展，直至断裂塑性：断裂前材料发生塑性变形的能力。衡量材料塑性

7、的指标有延伸率（δ）和断面收缩率（ψ）。δ=ΔL/L0=[(L-L0)/L0]×100%（是塑性“伸长”的度量）式中L0为试样原始标距长度；L为试样断裂后标距的长度。ψ=ΔAf/A0=[(A0-Af)/A0]×100%（是塑性“收缩”的度量）式中A0为试样原始截面积；Af为试样断裂处的截面积。材料的延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不被破坏，这样当受力过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，比较安全。三、硬度硬度是材料表面局部抵抗变形的能力。硬度实验方法最常用的有布氏实验法、洛氏实验法和维氏实验法。布氏硬度