材料力學(xué)性能哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院朱景川材料科學(xué)與工程的四要素

使用性能制備合成/加工工藝成分/組織結(jié)構(gòu)材料性能一、課程內(nèi)涵與意義晶粒形貌Al-Si合金純鋁錠組織1基本概念——組織與結(jié)構(gòu)高分辯電鏡觀察硅晶體原子排列注意：結(jié)構(gòu)的尺度！不同尺度的材料組織結(jié)構(gòu)1基本概念——理論力學(xué)一、課程內(nèi)涵與意義力力的平衡運(yùn)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)物體平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)系剛體1基本概念——材料力學(xué)一、課程內(nèi)涵與意義力變形斷裂力學(xué)響應(yīng)物體變形體(連續(xù)介質(zhì))應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系1基本概念——材料力學(xué)性能一、課程內(nèi)涵與意義力變形斷裂力學(xué)響應(yīng)材料非連續(xù)介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系微觀過(guò)程或機(jī)制1基本概念——應(yīng)力與應(yīng)變一、課程內(nèi)涵與意義

T(bold)orTijkl（下標(biāo)——階數(shù)）張量符號(hào)階數(shù)m分量數(shù)3m物理量示例TScalar0(標(biāo)量)30=1rTiVector1(矢量)31=3Ei,Pi

Tij2階張量232=9sij

Tijk3階張量

333=27dijk

Tijkl4階張量434=81Cijkl

物理量的種類及其張量表示應(yīng)力張量（Tensor）

xx

xy

xz

ij=

yx

yy

yx

zx

zy

zz

法向應(yīng)力

導(dǎo)致材料的伸長(zhǎng)或縮短切向應(yīng)力

引起材料的切向畸變根據(jù)剪切應(yīng)力互等的原理可知：

xy=

yx，某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由6個(gè)應(yīng)力分量來(lái)決定應(yīng)變張量

xx

xy

xz

ij=

yx

yy

yx

zx

zy

zz

其中

xy=

yx，應(yīng)變也由6個(gè)獨(dú)立分量決定受力體一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)主平面與主應(yīng)力狀態(tài)：

1>2>3力學(xué)描述用任意相互垂直的三個(gè)平面截取P點(diǎn)，以截面法向?yàn)檎较蚪⒌芽栕鴺?biāo)系，得到三個(gè)截面上的應(yīng)力分布的組合——應(yīng)力張量。以此為基礎(chǔ)，可以求得這個(gè)坐標(biāo)系下任意其他截面上的應(yīng)力分布。數(shù)學(xué)描述任意給定一組基后，可以用坐標(biāo)描述截面位置（方向余弦列向量）及截面應(yīng)力（應(yīng)力分量列向量）。在這組基下，存在一個(gè)線性變換，將截面位置映射到截面應(yīng)力。應(yīng)力張量的本質(zhì)同一點(diǎn)的應(yīng)力張量是相似矩陣，并且可以對(duì)角化。

應(yīng)力張量代表一個(gè)線性變換！

張量與材料物理性質(zhì)①各向異性介質(zhì)中兩個(gè)相互作用的矢量之間的線性比例系數(shù)為二階張量，如介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等；②各向異性介質(zhì)中如果一個(gè)矢量與一個(gè)二階張量存在線性關(guān)系，其比例系數(shù)為三階張量,如壓電系數(shù)：壓電極化強(qiáng)度Pi=dijk

jk③各向異性介質(zhì)中如果兩個(gè)二階張量存在線性關(guān)系，其比例系數(shù)為四階張量。

ij=cijkl

kl1基本概念——力學(xué)行為一、課程內(nèi)涵與意義不同材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系材料基本力學(xué)行為：彈性變形、塑性變形、斷裂1基本概念——力學(xué)性能指標(biāo)一、課程內(nèi)涵與意義力學(xué)行為變化臨界點(diǎn)1基本概念——材料與構(gòu)件的失效一、課程內(nèi)涵與意義力變形斷裂力學(xué)響應(yīng)材料非連續(xù)介質(zhì)失效失效判據(jù)零件失效形式2.材料力學(xué)性能的重要性沉淀硬化不銹鋼鍛件存放過(guò)程中開裂沉淀硬化不銹鋼鍛件存放過(guò)程中開裂(參見“應(yīng)力腐蝕”動(dòng)畫)1981年4月12日：第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)首發(fā)成功1986年1月28日：第二架航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)者”號(hào)發(fā)射升空中爆炸失事2003年2月1日：“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)降落時(shí)爆炸解體美航天飛機(jī)的失事與新一代空天飛機(jī)計(jì)劃二、教學(xué)目的(1)熟悉材料在各種應(yīng)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(jī)制；(2)掌握各種力學(xué)性能指標(biāo)的物理本質(zhì)、測(cè)試方法與應(yīng)用，并進(jìn)一步理解材料力學(xué)性能與微觀組織結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系；(3)了解正確評(píng)價(jià)與改善材料力學(xué)性能的方法與途徑。三、先修課程(1)材料力學(xué)：應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、彈性變形與本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度理論等。(2)材料科學(xué)基礎(chǔ)：晶體學(xué)、晶體缺陷、位錯(cuò)理論、變形與再結(jié)晶等。材料力學(xué)性能力學(xué)行為與物理本質(zhì)力學(xué)性能指標(biāo)與應(yīng)用與環(huán)境相關(guān)的力學(xué)行為：疲勞、蠕變、磨損、應(yīng)力腐蝕等基本力學(xué)行為(簡(jiǎn)單加載)：彈性變形、塑性變形、斷裂韌性：斷裂抗力強(qiáng)度：變形抗力塑性：彈性：變形能力強(qiáng)度設(shè)計(jì)、剛度設(shè)計(jì)、斷裂設(shè)計(jì)、壽命評(píng)估、失效判據(jù)等四、教學(xué)內(nèi)容及要求(1)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合：五、教學(xué)與學(xué)習(xí)方法宏觀強(qiáng)度理論微觀強(qiáng)度理論斷裂力學(xué)理論應(yīng)力狀態(tài)變形行為斷裂行為變形判據(jù)斷裂判據(jù)力學(xué)響應(yīng)微觀機(jī)制材料構(gòu)件純鈦多晶體拉伸變形過(guò)程晶體塑性有限元模擬(2)宏觀與微觀相結(jié)合：準(zhǔn)靜載力學(xué)響應(yīng)材料構(gòu)件(3)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合：動(dòng)載準(zhǔn)靜載力學(xué)行為動(dòng)載力學(xué)行為注意力學(xué)行為的發(fā)展、演化、歷程！例1：靜力韌度與材料的強(qiáng)韌性配合A:高強(qiáng)度、低塑性、低韌性B:低強(qiáng)度、高塑性、低韌性C:中強(qiáng)度、中塑性、高韌性(4)教學(xué)與科研相結(jié)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(qiáng)度鋼不同熱處理狀態(tài)的強(qiáng)韌性配合例2：多晶體塑性變形行為多晶體塑性變形機(jī)制：位錯(cuò)晶界塞積應(yīng)力集中促使相鄰晶粒位錯(cuò)開動(dòng)，塑性變形得以傳播。例：雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機(jī)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(biāo)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(nèi)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(jī)制之二

滑移系的開動(dòng)試樣I(2.4%)：滑移開動(dòng)不均，滑移穿過(guò),協(xié)調(diào)變形試樣I(2.4%)上滑移系的開動(dòng)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(jī)制之二

滑移系的開動(dòng)試樣II(4.2%)：多滑移系開動(dòng)，協(xié)調(diào)變形變形量為4.2%時(shí)滑移系的開動(dòng)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(5)PPT與板書相結(jié)合：(1)毛為民、朱景川等，金屬材料結(jié)構(gòu)與性能，清華大學(xué)出版社，2008