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金属力学性能 一、课程的性质和地位 材料力学性能主要研究材料在力或力和其它外界因素共同作用下材料的变形和断裂的本质及其基本规律，研究各种失效抗力指标。该课程为正确选择和合理使用材料、提高产品质量提供理论基础和试验依据，为发展新材料、改进或创建新工艺提供线索、指明方向。 二、课程的教学目标 通过本课程的学习，学生应了解工程材料在静载荷、冲击载荷、交变载荷、环境介质作用下的力学性能以及材料的断裂韧性与耐磨性能等的表征方法。理解材料力学性能的基本参数的物理意义及其本质。掌握宏观规律与微观规律的结合，加强学生对力学性能指标物理意义与工程应用的了解，为材料设计与选择打下良好的基础。 三、参考书 1．石德珂，金志浩编著：《材料力学性能》，西安交通大学出版社，1998年，第1版。 2．高建明主编： 《材料力学性能》，武汉理工大学出版社，2004年，第1版。 3．何肇基主编：《金属的力学性质》，冶金工业出版社，1989年，第2版。 四、学时分配 共40学时，其中实验10学时： 1．悬丝共振法测量弹性模量E 第 5 周 2．材料抗弯试验 第 7 周 3．平面应变断裂韧度KIC测试 第 10周 4．材料磨损试验 第 11 周 第1章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 单向静拉伸试验 特点：温度、应力状态、加载速率确定，试样为标准的 光滑圆柱试样 目的：1）揭示金属材料在静载荷作用下常见力学行为 （弹性变形、塑性变形和断裂）。 2）标定基本力学性能指标 如：弹性模量——主要用于零件的刚度设计中； 屈服强度和抗拉强度——主要用于零件的强度设计中； 材料的塑性，断裂前的应变量——主要为材料在冷热变形 时的工艺性能作参考。 §1.1 材料在静拉伸时的力学行为 退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形四个阶段 不同材料的应力应变曲线： 1）退火低碳钢： 2）多数塑性金属材料 ： 3）高分子材料 ： 4）工程结构陶瓷材料 （象Al2O3，SiC）、淬火态的高碳钢、普通灰铸铁 §1.2 弹性变形 一、弹性变形及其实质 弹性变形：可逆变形，是金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映 弹性变形量较小（一般小于0.5～1%），相当于原子间距的几分之一。 二、虎克定律 在弹性变形阶段，大多数金属的应力-应变之间符合虎克定律的正比关系，如 拉伸时： （ E —弹性模量 ） 剪切时： （ G —切变模量 ） 三、弹性模量 1、物理意义——表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力 工程上E称做材料的刚度 ?，则在相同应力下产生的弹性变形?。 2、影响因素——主要取决于结合键的本性和原子间的结合力 弹性模量和材料的熔点成正比，越是难熔的材料弹性模量也越高 金属的弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对E值影响不大；而高分子和陶瓷材料的弹性模量则对结构与组织很敏感 四、弹性比功（ ） 1、物理意义——表示金属材料吸收弹性变形功的能力 试样或实际机器零件的体积越大，则可吸收的弹性功越多，可储备的弹性能越多。 2、表示方法：应力－应变曲线下弹性变形范围内所吸收的变形功，即 式中σe——弹性极限； ——最大弹性应变 σe表示材料发生弹性变性的极限抗力。 对于一般金属材料只有通过提高σe来提高? 3、实际意义 弹簧零件要求其在弹性范围内（弹性极限以下）有尽可能高的弹性比功 五、滞弹性 1、定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象（即应变落后于应力现象）。 材料组织越不均匀，滞弹性倾向越大。 循环韧性/内耗——金属材料在交变载荷（振动） 下吸收不可逆变形功的能力（消振性） 2、实际意义 应用：减振（此时选用循环韧性较高的材料，如 铸铁、高铬不锈钢） 缺点：如在精密仪表中的弹簧、油压表或气压表的测力弹簧，要求弹簧薄膜的弹性变形能灵敏地反映出油压或气压的变化，因此不允许材料有显著的滞弹性。 六、包申格效应及其意义 1、定义 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1～4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；