材料力學性能01

材料力學性能哈爾濱工業(yè)大學材料學院朱景川1基本概念——理論力學一、課程內涵與意義力力的平衡運動力學響應物體平動轉動質點系剛體1基本概念——材料力學一、課程內涵與意義力變形斷裂力學響應物體變形體(連續(xù)介質)應力-應變關系1基本概念——材料力學性能一、課程內涵與意義力變形斷裂力學響應材料非連續(xù)介質應力應變關系微觀過程或機制1基本概念——應力與應變狀態(tài)一、課程內涵與意義應力張量（Tensor）

xx

xy

xz

ij=

yx

yy

yx

zx

zy

zz

法向應力

導致材料的伸長或縮短切向應力

引起材料的切向畸變根據剪切應力互等的原理可知：

xy=

yx，某點的應力狀態(tài)由6個應力分量來決定應變張量

xx

xy

xz

ij=

yx

yy

yx

zx

zy

zz

其中

xy=

yx，應變也由6個獨立分量決定1基本概念——材料與構件的失效一、課程內涵與意義力變形斷裂力學響應材料非連續(xù)介質失效失效判據2.材料力學性能的重要性沉淀硬化不銹鋼鍛件存放過程中開裂沉淀硬化不銹鋼鍛件存放過程中開裂(參見“應力腐蝕”動畫)1981年4月12日：第一架航天飛機“哥倫比亞”號首發(fā)成功1986年1月28日：第二架航天飛機“挑戰(zhàn)者”號發(fā)射升空中爆炸失事2003年2月1日：“哥倫比亞”號航天飛機降落時爆炸解體美航天飛機的失事與新一代空天飛機計劃二、教學目的(1)熟悉材料在各種應力狀態(tài)和不同環(huán)境因素下的變形斷裂行為及其微觀機制；(2)掌握各種力學性能指標的物理本質、測試方法與應用，并進一步理解材料力學性能與微觀組織結構之間的相互關系；(3)了解正確評價與改善材料力學性能的方法與途徑。三、先修課程(1)材料力學：應力應變狀態(tài)、彈性變形與本構關系、強度理論等。(2)材料科學基礎：晶體學、晶體缺陷、位錯理論、變形與再結晶等。材料力學性能力學行為與物理本質力學性能指標與應用與環(huán)境相關的力學行為：疲勞、蠕變、磨損、應力腐蝕等基本力學行為(簡單加載)：彈性變形、塑性變形、斷裂韌性：斷裂抗力強度：變形抗力塑性：彈性：變形能力強度設計、剛度設計、斷裂設計、壽命評估、失效判據等四、教學內容及要求(1)理論與實驗相結合：五、教學與學習方法宏觀強度理論微觀強度理論斷裂力學理論應力狀態(tài)變形行為斷裂行為變形判據斷裂判據力學響應微觀機制材料構件純鈦多晶體拉伸變形過程晶體塑性有限元模擬(2)宏觀與微觀相結合：準靜載力學響應材料構件(3)靜態(tài)與動態(tài)相結合：動載準靜載力學行為動載力學行為例1：靜力韌度與材料的強韌性配合A:高強度、低塑性、低韌性B:低強度、高塑性、低韌性C:中強度、中塑性、高韌性(4)教學與科研相結合：材料與狀態(tài)

b（MPa）

s（MPa）

（%）

（%）

b(MPa%)30CrMnSi新工藝1205918049.62720022新工藝21736170712.43921521傳統(tǒng)工藝113793010451136360Si2Mn新工藝1225918976.2914119新工藝21721164910.63118360傳統(tǒng)工藝165515707.9—1307540SiMnCrNiMoV新工藝1239419507.22517237新工藝218921517192235494傳統(tǒng)工藝189015878201568730CrMnSiNi2A新工藝11948177312.243.023766新工藝21644154617.442.828626傳統(tǒng)工藝152012688.2—12464低合金超高強度鋼不同熱處理狀態(tài)的強韌性配合例2：多晶體塑性變形行為多晶體塑性變形機制：位錯晶界塞積應力集中促使相鄰晶粒位錯開動，塑性變形得以傳播。例：雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機制之一

晶粒取向變化試樣II：拉伸變形4.2%晶體取向：部分晶體取向發(fā)生演化。試樣II上標記圓環(huán)區(qū)域變形前后的晶體取向成像圖(a)變形前；(b)變形后矩形框內晶粒晶體取向演化(a),(c)變形前；(b),(d)變形后雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機制之二

滑移系的開動試樣I(2.4%)：滑移開動不均，滑移穿過,協(xié)調變形試樣I(2.4%)上滑移系的開動及滑移線的形貌和分布GrainNo.12345678BasalSF0.1~0.30.2~0.30.05~0.150.05~0.150.05~0.180.15~0.20.1~0.20.47~0.5Prism.SF0.42~0.460.45~0.480.45~0.50.40~0.470.43~0.470.42~0.450.43~0.470.15~0.2某些選定a晶粒的Schmid因子雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機制之二

滑移系的開動試樣II(4.2%)：多滑移系開動，協(xié)調變形變形量為4.2%時滑移系的開動及滑移線的形貌和分布某些選定a晶粒的Schmid因子GrainNo.1234BasalSF0.38~0.430.42~0.480.35~0.420.45~0.50Prism.SF0.30~0.450.28~0.330.30~0.400.20~0.25雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機制之三

滑移的傳播協(xié)調變形機制：滑移的穿過,小變形,Burges關系拉伸變形量為2.4%的試樣I滑移系開動及滑移穿過現(xiàn)象PositionSlipPlaneordirectiona1/a2SlipPlaneordirectiona1/ba2/bPoint1(0002)a1/(0002)a22.76o(0002)a/(-10-1)b9.65o12.40o[-12-10]a1/[-12-10]a21.80o[-12-10]a/[-111]b4.00o3.73oPoint2(0002)a1/(0002)a27.52o(0002)a/(-10-1)b18.47o20.63o[-12-10]a1/[-12-10]a28.70o[-12-10]a/[-111]b4.20o3.19oPoint3(0002)a1/(0002)a28.66o(0002)a/(-10-1)b13.37o18.15o[-12-10]a1/[-12-10]a28.20o[-12-10]a/[-111]b15.37o12.35o相鄰a晶粒間以及與其間b間相關晶面及晶向誤差角度{0002}a//{110}b<11-20>a//<111>b雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機制之三

滑移的傳播協(xié)調變形機制：滑移的穿過,小變形,Burges關系2024/2/1925滑移線穿過的現(xiàn)象及形貌演化a相的(0002)面與b相可能的滑移面之間偏差角及M因子同常，采用M因子來評估某個滑移發(fā)生發(fā)生的可能性；M=cosa·cosbpositionSlipPlaneordirectiona1/a2SlipPlaneordirectiona1/ba2/bPoint1(0002)a1/(0002)a22.76o(0002)a/(-10-1)b9.65o12.40o[-12-10]a1/[-12-10]a21.80o[-12-10]a/[-111]b4.00o3.73oPoint2(0002)a1/(0002)a27.52o(0002)a/(-10-1)b18.47o20.63o[-12-10]a1/[-12-10]a28.70o[-12-10]a/[-111]b4.20o3.19oPoint3(0002)a1/(0002)a28.66o(0002)a/(-10-1)b13.37o18.15o[-12-10]a1/[-12-10]a28.20o[-12-10]a/[-111]b15.37o12.35o雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機制之三

滑移的傳播協(xié)調變形機制：滑移的穿過,大變形,無Burgers關系2024/2/1926滑移線的分叉形貌及機理解釋SlipplaneorSlipdirection(0002)a/(-10-1)b(0002)a/(-112)b(0002)a(-12-3)bMisalignedanglesMfactor20.15o0.9376.20o0.9921.33o0.997a相的(0002)面與b相可能的滑移面之間偏差角及M因子錯配角：>200,Burgers關系喪失，如何穿過？如何協(xié)調？可能一：交滑移？可能二：優(yōu)先進入某一容易進入的滑移面，然后過渡到易于滑移的平面(5)PPT與板書相結合：(1)毛為民、朱景川等，金屬材料結構與性能，清華大學出版社，2008(2)王吉會、鄭俊萍等，材料力學性能，天津大學出版社，2006(3)周益春、鄭學軍，材料的宏微觀力學性能，高等教育出版社，2009(4)鄭修麟，材料的力學性能，西工大出版社，2005第二版(5)王德尊，金屬力學性能，哈工大出版社，1993五、教材與參考書第一章材料靜載力學性能試驗S1-1拉伸試驗與拉伸曲線1.拉伸試驗條件：光滑試樣、軸向(準)靜載2.拉伸曲線:P-L或-3.典型材料拉伸曲線:拉伸試樣1)圓形截面2)矩形截面l0=10d0l0=5d0l0tb或不同材料的應力—應變關系示意圖低碳鋼拉伸曲線線彈性階段冷作硬化頸縮階段強化階段屈服階段無明顯屈服的塑性材料拉伸曲線晶態(tài)聚合物材料拉伸曲線S1-2拉伸性能指標1.彈性模量：E2.強度：

p、e、s、b3.塑性:

k、k第一章材料靜載力學性能試驗(1)比例極限比例極限σp是保證材料的彈性變形按正比關系變化的最大應力，即在拉伸應力-應變曲線上開始偏離直線時的應力值，其表達式為:式中：FP為比例極限對應的試驗力，A0為試棒的原始截面面積。(2)彈性極限彈性極限σe是材料由彈性變形過渡到彈—塑性變形時的應力，應力超過彈性極限以后，材料便開始產生塑性變形。其表達式為：式中：Fe為彈性極限時對應的試驗力，Ao為試棒的原始截面面積。(3)比例極限與彈性極限的意義σp、σe是理論上的物理定義，在實際使用中，很難測出準確而唯一的比例極限和彈性極限數值。為便于實際測量和應用，應以發(fā)生非比例伸長值作定義，故σp在國家標準中稱為“規(guī)定非比例伸長應力”。例如:以σ

p0.01表示非比例伸長率達0.01%時的應力。比例極限和彈性極限與屈服強度的概念基本相同，都表示材料對微量塑性變形的抗力，影響它們的因素基本相同。σp、σe的工程意義是：對于要求服役時其應力應變關系嚴格遵守線性關系的機件，如測力計彈簧，是依靠彈性變形的應力正比于應變的關系顯示載荷大小的，則應以比例極限作為選擇材料的依據。對于服役條件不允許產生微量塑性變形酌機件，設計時應按彈性極限來選擇材料