材料力學(xué)性能哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院朱景川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)變狀態(tài)一、課程內(nèi)涵與意義應(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)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(kāi)裂沉淀硬化不銹鋼鍛件存放過(guò)程中開(kāi)裂(參見(jiàn)“應(yīng)力腐蝕”動(dòng)畫(huà))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(kāi)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(kāi)動(dòng)試樣I(2.4%)：滑移開(kāi)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(kāi)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(kāi)動(dòng)試樣II(4.2%)：多滑移系開(kāi)動(dòng)，協(xié)調(diào)變形變形量為4.2%時(shí)滑移系的開(kāi)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雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機(jī)制之三

滑移的傳播協(xié)調(diào)變形機(jī)制：滑移的穿過(guò),小變形,Burges關(guān)系拉伸變形量為2.4%的試樣I滑移系開(kāi)動(dòng)及滑移穿過(guò)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(guān)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(jī)制之三

滑移的傳播協(xié)調(diào)變形機(jī)制：滑移的穿過(guò),小變形,Burges關(guān)系2024/2/1925滑移線穿過(guò)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(lái)評(píng)估某個(gè)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(jī)制之三

滑移的傳播協(xié)調(diào)變形機(jī)制：滑移的穿過(guò),大變形,無(wú)Burgers關(guān)系2024/2/1926滑移線的分叉形貌及機(jī)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(cuò)配角：>200,Burgers關(guān)系喪失，如何穿過(guò)？如何協(xié)調(diào)？可能一：交滑移？可能二：優(yōu)先進(jìn)入某一容易進(jìn)入的滑移面，然后過(guò)渡到易于滑移的平面(5)PPT與板書(shū)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(2)王吉會(huì)、鄭俊萍等，材料力學(xué)性能，天津大學(xué)出版社，2006(3)周益春、鄭學(xué)軍，材料的宏微觀力學(xué)性能，高等教育出版社，2009(4)鄭修麟，材料的力學(xué)性能，西工大出版社，2005第二版(5)王德尊，金屬力學(xué)性能，哈工大出版社，1993五、教材與參考書(shū)第一章材料靜載力學(xué)性能試驗(yàn)S1-1拉伸試驗(yàn)與拉伸曲線1.拉伸試驗(yàn)條件：光滑試樣、軸向(準(zhǔn))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(yīng)力—應(yīng)變關(guān)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(qiáng)化階段屈服階段無(wú)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(biāo)1.彈性模量：E2.強(qiáng)度：

p、e、s、b3.塑性:

k、k第一章材料靜載力學(xué)性能試驗(yàn)(1)比例極限比例極限σp是保證材料的彈性變形按正比關(guān)系變化的最大應(yīng)力，即在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上開(kāi)始偏離直線時(shí)的應(yīng)力值，其表達(dá)式為:式中：FP為比例極限對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)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(guò)渡到彈—塑性變形時(shí)的應(yīng)力，應(yīng)力超過(guò)彈性極限以后，材料便開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形。其表達(dá)式為：式中：Fe為彈性極限時(shí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)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(shí)際使用中，很難測(cè)出準(zhǔn)確而唯一的比例極限和彈性極限數(shù)值。為便于實(shí)際測(cè)量和應(yīng)用，應(yīng)以發(fā)生非比例伸長(zhǎng)值作定義，故σp在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中稱(chēng)為“規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力”。例如:以σ

p0.01表示非比例伸長(zhǎng)率達(dá)0.01%時(shí)的應(yīng)力。比例極限和彈性極限與屈服強(qiáng)度的概念基本相同，都表示材料對(duì)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(duì)于要求服役時(shí)其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系嚴(yán)格遵守線性關(guān)系的機(jī)件，如測(cè)力計(jì)彈簧，是依靠彈性變形的應(yīng)力正比于應(yīng)變的關(guān)系顯示載荷大小的，則應(yīng)以比例極限作為選擇材料的依據(jù)。對(duì)于服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形酌機(jī)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按彈性極限來(lái)選擇材料