1、1,本章內(nèi)容,金屬力學性能基本概念 單向拉伸試驗特點 拉伸曲線 拉伸力學性能指標 幾個基本概念,2,拉伸 屈服 壓縮 彎曲 剪切 蠕變,延伸率 斷面收縮率 彎曲曲率,模量 彎曲模量,沖擊強度 缺口敏感性,磨損阻力 疲勞強度,金屬的服役性能與力學性能相關,金屬力學性能基本概念,3,金屬力學性能基本概念：應力及應力類型,力 變形方式 應力類型,單向應力,剪切應力,扭轉(zhuǎn)力矩,彎曲力矩,工程構件可能受到的應力類型有：拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲 等,4,單向拉伸試驗特點,應力狀態(tài)：單向拉應力，應力狀態(tài)簡單，最常用的力學性能試驗方法 拉伸試驗反映的信息：彈性變形、塑性變形和斷裂（三種基本力學行為），能綜

2、合評定力學性能。 通過拉伸試驗可測材料的彈性、強度、延伸率、加工硬化和韌性等重要的力學性能指標，它是材料的基本力學性能。 a.在工程應用中，拉伸性能是結構靜強度設計的主要依據(jù)之一。 b.提供預測材料的其它力學性能的參量，如抗疲勞、斷裂性能。 c.研究新材料，或合理使用現(xiàn)有材料和改善其力學性能時，都要測定材料的拉伸性能。 注意：拉伸試驗的應力狀態(tài)、加載速率、溫度、試樣等都有嚴格規(guī)定（方法：GB/T228-2002；試樣：GB/T6397-1986）。,5,單向拉伸試驗特點,可移動橫梁,試樣,載荷與位移讀數(shù),載荷和運動控制,試驗條件和樣品要符合標準 工程應力： engstress = P/A0 A

3、0 原始截面積 真應力： truestress = P/A A = 實時截面積,6,單向拉伸試驗特點：應力,s = F/A (單位: N/m2 or Pascal (Pa),7,單向拉伸試驗特點：應變,應變用來描述塑性變形和彈性變形程度 單位長度上的變化量： e = DL / L0 無單位 (m/m, mm/mm),8,單向拉伸試驗特點：應力與應變舉例,圖中絲的截面積為1 mm2, 長度為 100 mm . 在絲的下方懸掛10 Kg物體，絲的長度變成了 100.5 mm. 計算：絲中的應力；絲的應變量,10Kg,9,應力：9.810/1 （N/ mm2)98106 Pa98MPa 應變：(10

4、0.5-100)/100=0.0050.5%,10,拉伸曲線,11,典型的拉伸曲線,12,彈性變形階段,13,屈服點,14,屈服發(fā)生后的卸載,15,均勻塑性變形階段,16,頸縮階段,17,拉伸曲線：彈性變形,原子間的距離發(fā)生伸長和縮短，但原子間的結合鍵并沒有發(fā)生破壞 卸載后變形迅速恢復,加載,卸載,18,拉伸曲線：塑性變形,相鄰原子改變，改變后又會迅速產(chǎn)生新的平衡 卸載后產(chǎn)生不可恢復的永久變形,加載,卸載,19,塑性變形一定導致斷裂嗎？,一些材料可以承受一定的塑性變形而不破壞 一些材料承受一定塑性變形就會發(fā)生破壞，如橋梁混凝土，陶瓷，等,20,基本設計準則, 施加的應力必須小于材料的強度 強度

5、就是材料變形和斷裂的臨界應力,21,大多數(shù)的工程材料都可以看作彈性體，因此彈性模量具有普遍性 彈性系數(shù)和彈性模量的區(qū)別,拉伸力學性能指標（1）彈性模量E,22,彈性模量E: 單純彈性變形過程中應力與應變的比值。,23,stress,strain,A,B,應力,應變,A= 剛度大 B=剛度小,剛度與彈性模量的區(qū)別,24,材料的彈性模量具有組織不敏感性！,25,懸臂梁撓度與彈性模量,聚苯乙烯,鋁,鋼,26,（2）比例極限,定義：滿足線性關系的所能達到的最大應力。 tg1.5tg 偏離50 此時，p50 如果偏離25或10，記做 p25,p10 也可以：P/A0 意義：強調(diào)正比例關系，是彈性零件必須

6、滿足的性能指標。如彈簧秤,p50,27,（3）彈性極限,定義：發(fā)生彈性變形，而不發(fā)生塑性變形的最大應力。 規(guī)定一個小的塑性變形量對應的應力值作為彈性極限，如0.005%, 0.01%, 0.05%. 此時彈性極限分別記做：0.005, 0.01, 0.05 也可以：P/A0 意義：強調(diào)不發(fā)生塑性變形；（比例極限強調(diào)符合正比例關系）。 一般的彈性件，如緊固螺栓,28,對于拉伸曲線上有明顯的屈服平臺的材料，塑性變形硬化不連續(xù)，屈服平臺所對應的應力即為屈服強度，記為s s = Ps / A0,對于拉伸曲線上沒有屈服平臺的材料，塑性變形硬化過程是連續(xù)的，此時將屈服強度定義為產(chǎn)生0.2% 殘余伸長時的應

7、力，記為0.2 s = 0.2 = P0.2 / A0,（4）屈服強度,29,30,31,小塑性變形抗力指標,32,抗拉強度b： 定義為試件斷裂前所能承受的最大工程應力，以前稱為強度極限。取拉伸圖上的最大載荷，即對應于b點的載荷除以試件的原始截面積，即得抗拉強度之值，記為b b = PmaxA0,（5）抗拉強度,33,拉伸斷裂時的真應力稱為真實斷裂強度，記為f 。試驗時測出斷裂點的截荷Pf，試件的最小截面積Af，則斷裂時的平均真應力，即平均斷裂強度值，f表示如下 f = Pf / Af 通常在拉伸試驗中，不測定斷裂強度。在這種情況下，可以根據(jù)下列經(jīng)驗公式估算斷裂強度 f =b（1+k）,（6）

8、真實斷裂強度,34,大塑性變形抗拉指標,35,條件斷面收縮率： 斷面收縮率是評定材料塑性的主要指標。,（7）條件斷面收縮率,36,條件延伸率： 材料的塑性常用延伸率表示。測定方法如下：拉伸試驗前測定試件的標距L0，拉伸斷裂后測得標距為Lk，然而按下式算出延伸率,（8）條件延伸率,37,極限延伸率,極限延伸率等于試樣斷裂后的總條件延伸率， K LK /L0100 其中LK LE LN 試驗總結得出： LEL0，其中是常數(shù) LN A0，其中 是常數(shù)，A0是試樣的原始截面積 因此： K LK /L0100（ L0 A0）/L0100 A0/L0,極限延伸率與試樣尺寸A0和L0的比值有關。如果是細長試

9、樣，A0/F0比值小，試樣極限延伸率??；反之則大。 為此國家標準對拉伸試樣樣品尺寸作出規(guī)定。兩種： 10倍試樣： L010A0，延伸率記為10； 5倍試樣： L05A0，延伸率記為5,38,依據(jù)體積不變原理，縱向伸長，那么橫向必然收縮 n = - 橫向應變 = - ey 范圍： 0 到 0.5 大多數(shù)工程材料 0.3 Al = 0.33, Zr = 0.31, Pb = 0.42, Nylon = 0.4, 硬塑料= 0.43, 反泊松比材料,幾個基本概念：泊松比,縱向應變 ex,39,體模量（壓縮彈性模量）： 0.5的情況 大于0.5的情況 小于0.5的情況,40,脆性與韌性,斷裂前不發(fā)生明

10、顯塑性變形脆性 玻璃、陶瓷、硬塑料 高強度鋼 斷裂前發(fā)生明顯塑性變形韌性 低強度鋼、銅、鋁、鉛,41,Brittle fracture,Ductile fracture,”脆性斷裂”所需的能量：分開原子新表面的表面能 ”韌性斷裂”所需的能量：分開原子新表面的表面能+塑性變形消耗的能量（遠大于前兩者之和）,Brittle fracture,Ductile fracture,脆性斷裂,韌性斷裂,42,應變,應變,應力,應力,塑性材料,脆性材料,玻璃、陶瓷,下面兩種材料強度相近，誰的韌性大？,43,彈性能,x,44,思考,那種材料彈性模量最大？（A） 哪種材料脆性最大？（C） 那種材料塑性最好？（A

11、） 那種材料韌性最好？ （A） 比較強度： 屈服強度 抗拉強度 斷裂強度,應變,應力,45,思考題,1）有頸縮材料的拉伸應力應變曲線分為幾個變形階段？ 2）敘述金屬拉伸力學性能指標的物理意義和測量方法。 3）推導極限延伸率計算公式。說明5倍拉伸試樣和10倍拉伸試樣測量得到的極限延伸率差別的原因？ 4）一個直徑為2.5mm，長度200mm的桿，在載荷2000N作用下，直徑縮小為2.2mm，計算：a）桿的最終長度（體積不變原理）；b）該載荷作用的真應力與真應變；c）該載荷作用下的條件應力與條件應變。,46,思考題,1）美國哥倫比亞號航天飛機解體，從材料上看原因是什么？ 2）彈簧的彈性系數(shù)和彈簧所用材料的彈性模