材料性能學(xué)課件第一章-材料單向靜拉伸的力學(xué)性能1

材料性能學(xué)1課程的目的要求掌握材料各種性能的基本概念、物理本質(zhì)、變化規(guī)律以及性能指標(biāo)的工程意義，了解影響材料性能的主要因素及材料性能與化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，基本掌握改善或提高材料性能指標(biāo)、充分發(fā)揮材料性能潛力的主要途徑，以及材料或機件失效的基本方法，同時對材料性能測試原理、方法及相關(guān)儀器設(shè)備有所了解。2教材：王從曾.材料性能學(xué).北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社.2004.3主要參考書：張帆等，材料性能學(xué)(第2版)，上海：上海交通大學(xué)出版社，2014.4成績評定方法平時10％,其中作業(yè)20％，期末考試70％（無故缺勤三次，本門課程不及格）材料性能學(xué)的重點力學(xué)性能—結(jié)構(gòu)材料物理性能—功能材料宏觀-材料變形、斷裂，微觀-點缺陷-微孔-聚集，線缺陷-滑移松下充氣式外骨骼我們對材料提出高強，高硬，耐溫，耐腐，絕緣和各種電，磁，光及生物相容性等等性能，使之可以廣泛應(yīng)用于機械，電子，宇航，醫(yī)學(xué)工程等各個方面；如此高要求下仍出現(xiàn)意外。例如：挑戰(zhàn)者號航天飛機?；鸺七M器上面的一個O形環(huán)失效，航天服頭盔的盔殼由聚碳酸酯制成，它不僅能隔音（聲學(xué)）、隔熱（熱學(xué)）和防碰撞（力學(xué)），而且還具有減震好、重量輕的性能，頭盔面窗可以為航天員提供良好的視野（光學(xué)），不結(jié)霧、不結(jié)霜，以便隨時可以清晰看到飛船內(nèi)外的景象。材料的熱傳導(dǎo)化學(xué)性能第一章材料單向靜拉伸的力學(xué)性能

LongyanUniversityLongyanUniversity第一節(jié)力一伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線一力－伸長曲線拉伸試件的形狀及尺寸

標(biāo)準(zhǔn)圓柱形拉伸試件L0＞5d0rd0L0Lcr

圓形試樣的主要尺寸及允許偏差（單位mm）試樣直徑d0標(biāo)距部分內(nèi)d0的允許偏差標(biāo)距部分內(nèi)最大與最小直徑的允許差值標(biāo)距長度L0平行部分長度Lc圓弧半徑r短試樣長試樣單，雙肩3±0.050.015d010d0≥L0+d02568±0.10.0233310152025±0.20.054455LongyanUniversity第一節(jié)力一伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線

矩形拉伸試件L0＝5.65a0L0＝11.3a0ra0L0Lcrb0LongyanUniversity第一節(jié)力一伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線萬能試驗機LongyanUniversity第一節(jié)力一伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖1-1低碳鋼的力伸長曲線

彈性變形、屈服變形、均勻塑性變形及不均勻集中塑性變形4個階段。LongyanUniversity第一節(jié)力一伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖1-2幾種典型材料的力－伸長曲線曲線5為橡膠類材料的力—伸長曲線，其特點是彈性變形量很大，只有彈性變形而不產(chǎn)生或產(chǎn)生很微小的塑性變形曲線2為低合金結(jié)構(gòu)鋼（16Mn）曲線1淬火、高溫回火后的高碳鋼。只有彈性變形、少量的均勻塑性變形曲線3為黃銅，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻塑性變形曲線4為陶瓷、玻璃類材料。只有彈性變形而沒有明顯的塑性變形曲線6為工程塑料，彈性變形，均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形曲線5為橡膠類材料的力—伸長曲線，其特點是彈性變形量很大，只有彈性變形而不產(chǎn)生或產(chǎn)生很微小的塑性變形曲線2為低合金結(jié)構(gòu)鋼（16Mn）曲線1淬火、高溫回火后的高碳鋼。只有彈性變形、少量的均勻塑性變形曲線3為黃銅，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻塑性變形曲線4為陶瓷、玻璃類材料。只有彈性變形而沒有明顯的塑性變形曲線6為工程塑料，彈性變形，均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形曲線5為橡膠類材料的力—伸長曲線，其特點是彈性變形量很大，只有彈性變形而不產(chǎn)生或產(chǎn)生很微小的塑性變形曲線2為低合金結(jié)構(gòu)鋼（16Mn）曲線1淬火、高溫回火后的高碳鋼。只有彈性變形、少量的均勻塑性變形曲線3為黃銅，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻塑性變形曲線4為陶瓷、玻璃類材料。只有彈性變形而沒有明顯的塑性變形曲線6為工程塑料，彈性變形，均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形LongyanUniversity第一節(jié)力一伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖1-3低碳鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線比例極限σp、彈性極限σe、屈服點σs、抗拉強度σb

σ＝F／A0

ε＝△L／L0

LongyanUniversity第一節(jié)力一伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線如果以瞬時截面積A除其相應(yīng)的拉伸力F，則可得到瞬時的真應(yīng)力S（S=F／A）。同樣，當(dāng)拉伸力F有一增量dF時，試樣在瞬時長度L的基礎(chǔ)上變?yōu)長+dL，于是應(yīng)變的微分增量應(yīng)是de=dL／L，則試棒自L0伸長至L后，總的應(yīng)變量為式中的e即為真應(yīng)變。于是，工程應(yīng)變和真應(yīng)變之間的關(guān)系為假定材料的拉伸變形是等體積變化過程，則真應(yīng)力和工程應(yīng)力之間就有如下關(guān)系：Aili＝A

0l0σi=F/Ai=F/(A0l0/li)LongyanUniversity第一節(jié)力一伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖1-4真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線

LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

一、彈性變形的本質(zhì)構(gòu)成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映

圖1-5離子間的相互作用力LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

二、彈性模數(shù)拉伸時σ=Eε，剪切時τ=Gγ，E和G分別為拉伸時的楊氏模數(shù)和切變模數(shù)。在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的意義上，當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐粋€單位時，彈性模數(shù)在數(shù)值上等于彈性應(yīng)力，即彈性模數(shù)是產(chǎn)生100％彈性變形所需的應(yīng)力。在工程中彈性模數(shù)是表征材料對彈性變形的抗力，即材料的剛度，其值越大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就越小。

比彈性模數(shù)（比模數(shù)、比剛度）（一般適用于航空業(yè)）材料的彈性模數(shù)與其單位體積質(zhì)量的比值

LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

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三、影響彈性模數(shù)的因素1、鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)

一般來說，在構(gòu)成材料聚集狀態(tài)的4種鍵合方式中，共價鍵、離子鍵都有較高的彈性模數(shù)。無機非金屬材枓大多由共價鍵或離子鍵以及兩種鍵合方式共同作用而成，因而有較高的彈性模數(shù)。金屬及其合金為金屬鍵結(jié)合，也有較高的彈性模數(shù)。而高分子聚合物的分子之間為分子鍵結(jié)合，分子鍵結(jié)合力較弱，高分子聚合物的彈性模數(shù)亦較低。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

圖1-6金屬彈性模數(shù)的周期變化

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2晶體結(jié)構(gòu)單晶體材料的彈性模數(shù)在不同晶體學(xué)方向上呈各向異性，即沿原子排列最密的晶向上彈性模數(shù)較大，反之則小。如α-Fe晶體沿〈111〉晶向，E=2.7×105MPa，而沿〈100〉方向，E=1.25×105MPa。MgO晶體在室溫下沿〈111〉晶向，E=3.48×105MPa，而〈100〉晶向，E=2.48×105MPa。多晶體材料的彈性模數(shù)為各晶粒的統(tǒng)計平均值，表現(xiàn)為各向同性，但這種各向同性稱為偽各向同性。非晶體材料，如非晶態(tài)金屬、玻璃等，彈性模量是各向同性的。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

3．化學(xué)成分與純金屬相比，合金的彈性模數(shù)將隨組成元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)、晶體結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)的變化而變化。對于固溶體合金，彈性模數(shù)主要取決于溶劑元素的性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)。隨著溶質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，雖然固溶體的彈性模數(shù)發(fā)生改變，但在溶解度較小的情況下一般變化不大，例如碳鋼與合金鋼的彈性模數(shù)相差不超過5％。在兩相合金中，彈性模數(shù)的變化比較復(fù)雜。它與合金成分，第二相的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸及分布狀態(tài)有關(guān)。例如在鋁中加入Ni(w=15％)、Si(w=13％)，形成具有較高彈性模數(shù)的金屬間化合物，使彈性模數(shù)由純鋁的約6.5×104MPa增高到9.38×104MPa。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

4．微觀組織對于金屬材料，在合金成分不變的情況下，顯微組織對彈性模數(shù)的影響較小，晶粒大小對E值無影響。鋼經(jīng)過淬火后E值雖有所下降，但回火后E值又恢復(fù)到退火狀態(tài)的數(shù)值。第二相對E值的影響視其體積比例和分布狀態(tài)而定，大致可按兩相混合物體積比例的平均值計算，對鋁合金的研究表明，具有高E值的第二相粒子可以提高合金的彈性模數(shù)，鈹青銅時效后E值可提高20％以上，但對于作為結(jié)構(gòu)材料使用的大多數(shù)金屬材料，其中第二相所占比例較小的情況下，可以忽略其對E值的影響。冷加工可降低金屬及合金的彈性模數(shù)，但一般改變量在5％以下，只有在形成強的織構(gòu)時才有明顯的影響，并出現(xiàn)彈性各向異性。因此，作為金屬材料剛度代表的彈性模數(shù)，是一個組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

工程陶瓷彈性模數(shù)的大小與構(gòu)成陶瓷的相的種類、粒度、分布、比例及氣孔率有關(guān)。因此作為復(fù)雜多相體的陶瓷材料其彈性模數(shù)的理論計算非常困難，一般是通過實際測量而獲得。氣孔率對陶瓷的彈性模數(shù)的影響大致可用下式表示：

E=E0(1-1.9p+0.9p2)

式中：E0為無氣孔時的彈性模數(shù)；p為氣孔率?？梢婋S著氣孔率的增加，陶瓷的E值下降。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

高分子聚合物圖1-7炭黑填料對天然橡膠彈性模數(shù)的影響LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

復(fù)合材料是特殊的多相材料。對于增強相為粒狀的復(fù)合材料，其彈性模數(shù)隨增強相體積分?jǐn)?shù)的增高而增大。對于單向纖維增強復(fù)合材料，其彈性模數(shù)一般用宏觀模量表示，分別為縱向彈性模量E1、橫向彈性模量E2，El和E2分別用下式表示：式中：Ef、Em分別為纖維和基體的彈性模數(shù)，Vf、Vm分別為纖維和基體的體積分?jǐn)?shù)。很顯然無論是縱向彈性模數(shù)還是橫向彈性模數(shù)，均與構(gòu)成復(fù)合材料的纖維和基體的彈性模數(shù)及體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

5溫度一般說來，隨著溫度的升高，原子振動加劇，體積膨脹，原子間距增大，結(jié)合力減弱，使材料彈性模數(shù)降低。例如，碳鋼加熱時，溫度每升高l00℃，E值下降3％～5％。

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高分子聚合物的物理性質(zhì)與溫度和時間有密切的關(guān)系。隨著溫度的變化，在一些特定的溫度區(qū)間，某些力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生突然的改變，這種變化稱為高聚物的力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變。例如，由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變、由橡膠態(tài)向粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變等。隨著高聚物力學(xué)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，其彈性模數(shù)也相應(yīng)產(chǎn)生很大的變化LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

圖1-9聚合物的E-T曲線

此外，橡膠的彈性模數(shù)隨溫度的升高略有增加，這一點與其他材料不同。其原因是溫度升高時，高分子鏈的分子運動加劇，力圖恢復(fù)到卷曲的平衡狀態(tài)的能力增強所致。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

6．加載條件和負(fù)荷持續(xù)時間加載方式（多向應(yīng)力），加載速率和負(fù)荷持續(xù)時間對金屬、陶瓷類材料的彈性模數(shù)幾乎沒有影響。因為這類材料的彈性變形速度與聲速相同，遠(yuǎn)超過常見的加載速率，負(fù)荷持續(xù)時間的長短也不會影響到原子之間的結(jié)合力。只有陶瓷材料的壓縮彈性模數(shù)高于拉伸彈性模數(shù)，這一點與金屬材料不同。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

高分子聚合物材料的彈性模數(shù)與時間的關(guān)系與其對溫度的關(guān)系相似，一般說來，隨著負(fù)荷時間的延長，E值逐漸下降。在此情況下把高聚物的彈性模數(shù)稱為松弛模數(shù)。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

t=0時，材料受到應(yīng)力作用產(chǎn)生瞬時應(yīng)變，高分子鍵內(nèi)的鍵角和鍵長立即發(fā)生變化，這時的E值為玻璃態(tài)的E值。經(jīng)過一段時間以后，卷曲的高分子鏈通過鏈段運動逐步舒展，高彈性變形逐步增加，應(yīng)力不斷下降，此時E值相當(dāng)于由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變的E值。時間進一步延長時，高分子鏈間發(fā)生相互滑移，整鏈發(fā)生運動，產(chǎn)生粘性流動，材料的彈性模數(shù)降得很低。因此高分子聚合物的彈性模數(shù)常用加載一段時間后的數(shù)值E（t）表示，稱為t秒松弛模數(shù)，如10s模數(shù)等。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

四、比例極限與彈性極限比例極限σp是保證材料的彈性變形按正比關(guān)系變化時最大應(yīng)力，即在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上開始偏離直線時的應(yīng)力值式中：Fp為比例極限對應(yīng)的試驗力，A0為試棒的原始截面積。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

彈性極限σe是材料由彈性變形過渡到彈-塑性變形時的應(yīng)力，此時材料開始產(chǎn)生塑性變形。

式中：Fe為彈性極限時對應(yīng)的試驗力，A0為試棒的原始截面面積。LongyanUniversity第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

實際上，σp、σe只是一個理論上的物理定義，因為對于實際使用的工程材料，用普通的測試方法很難測出準(zhǔn)確而唯一的比例極限和彈性極限數(shù)值。因此，為了便于實際測量和應(yīng)用，應(yīng)以發(fā)生非比例伸長值作定義，故σp的新定義在國家標(biāo)準(zhǔn)中稱為“規(guī)定非比例伸長應(yīng)力”，即試驗時非比例伸長達(dá)到原始標(biāo)距長度規(guī)定的百分比時的應(yīng)力，表示此應(yīng)力的符號附以角注說明，例如σp0.01、σp0.05分別表示規(guī)定非比例伸長率0.01％、