材料科学与工程基础 教学课件 作者 杨庆祥 第二章 材料的力学性能.pptVIP

第一节 弹性变形 二、弹性的物理本质 金属材料、陶瓷材料和玻璃化温度以下的高分子材料属于能弹性，弹性回复力是键长和键角的微小改变所引起的焓变所引起的，而熵的变化所引起的弹性回复力可忽略。处于高弹态的橡胶则属于熵弹性。无应力作用时大分子链呈无规线团状，构象数最大，因此熵值最大。拉伸时，大分子链的伸展使构象数减少，熵值下降，自由焓增高，有自发回复到自由焓低的原始卷曲状的趋势，这是弹性回复力产生的主要原因。能弹性也称普弹性，能弹性材料弹性模量大，弹性变形量小，其应力-应变关系符合虎克定律。与能弹性材料不同，具有熵弹性的材料的弹性模量小，弹性变形量大，例如天然橡胶，其弹性模量仅为一般固体材料的万分之一左右，而延伸率高达500～1000%。 弹性比功表示材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比能或应变比能。一般用材料开始塑变前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。拉伸时，应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积代表弹性比功的大小，如图2-1中的阴影面积。 四、弹性的不完整性 第二节 塑性变形 大量位错的滑移，就会产生宏观的塑性变形。将发生滑移后试样表面产生高低不平的滑移台阶造成的，称为滑移带。实际上滑移带是由许多密集的滑移线构成的，如下图。 2. 滑移系 3. 滑移的临界分切应力 4. 多滑移与交滑移 (二)孪生 二、多晶体塑变机制 室温变形时，由于晶界强度高于晶内，使每个晶粒的变形也不均匀。拉伸时双晶的竹节状变形，如图2-12。所以室温变形时晶界具有明显强化作用。金属材料晶粒越细小，单位体积的晶界面积越多，晶界强化作用越明显。同时晶粒越细小，变形协调性越好，塑性也越好。 三、金属的强化机制 (二)固溶强化 (三)应变硬化 第三节 静载力学性能 图（a）为塑性材料低碳钢的应力-应变曲线。由图可知，应力低于?p，?与?呈直线关系，即?=E?。超过?p，?-?曲线开始偏离直线，故?p被称为比例极限。 图（b）中的曲线1为脆性材料铸铁的应力-应变曲线，?与?呈线性关系，只有弹性变形，不发生塑变，在最高载荷点处发生断裂，即抗拉强度与断裂强度相同，塑性指标为零。 图（b）中的曲线2为黄铜的应力-应变曲线，无明显屈服现象，此时常以0.2%残余变形时的应力作为条件屈服强度，并用?0.2表示。?0.2与?s都是表征材料对微量塑变的抗力。 (二)真应力-真应变曲线 （三）屈服现象的本质 屈服强度是一个对成分、组织结构十分敏感的力学性能指标。凡是影响位错运动的因素均对屈服强度有影响。除金属的本性与晶格类型、晶粒的大小及亚结构、第二相形态及分布等内在因素影响屈服强度外，变形温度、变形速率和应力状态等外部因素对屈服强度也有重要影响。例如降低温度可使体心立方金属的屈服强度急剧升高；提高应变速率也可明显提高材料屈服强度；不同应力状态下的屈服强度也有显著差别，其中三向不等拉伸屈服强度最高。 二、其它静载下的力学性能 (二)单向压缩 图中曲线1为脆性材料，根据压缩曲线可求出压缩的一系列强度指标，对于脆性材料一般只求抗压强度?bc、相对压缩率?ck和相对断面扩张率?ck。 图中曲线2为韧性材料，由于Ak﹥A0，承载面积的急剧增加，导致压缩载荷也急剧升高，甚至不会发生断裂。 (三)弯曲 (四)扭转 3. 扭转实验及测定的力学性能 4. 扭转试样断口 三、硬度 (二)洛氏硬度 (三)维氏硬度与显微硬度 (四)其它硬度 努氏硬度实验属于低载荷压入硬度实验，实验原理与维氏硬度实验相同，所不同的是金刚石四角棱锥压头的两个相对面间夹角不等，分别为172.5?和130?。菱形压痕的长对角线是短对角线的7.11倍，测量时只测定长对角线l，按下式计算努氏硬度 HK= 肖氏硬度实验测定原理是将一定重量的具有淬火钢球或金刚石圆球的标准冲头从一定高度自由落到试样表面，靠试样的弹性恢复力使其回跳到一定高度，回跳高度越大硬度值越高。用HS表示肖氏硬度。肖氏硬度的刻度是将具有淬火钢球的标准冲头在淬火工具钢表面上回跳的高度定为100，然后将此高度等分100格，并将刻度向上延伸到140格，每格为一个肖氏硬度单位。其优点使用方便，可带到现场进行无损检测， 硬度实验简便迅速，利用硬度值判定材料的强度指标无疑是十分重要的。虽然至今在理论上仍不能确定金属的硬度与强度指标的内在关系，但由大量实验得出许多经验公式。例如对于钢铁材料抗拉强度?b≈3.3HB、对称应力循环下的弯曲疲劳极限?-1≈1.6HB。 第四节 冲击载荷下的力学性能 一、缺口试样冲击弯曲实验 二、低温脆性及其评定 (二)韧脆转变温度 2. 按断口形貌定义tk 三、影响韧脆转变温度的因素 (二)外部因素 温度的降低是材料