材料力學性能

徐建林

顧玉芬

材料科學與工程學院第一章緒論一、工程背景（一）工程要求1、現代技術發展的要求：高性能、經濟、安全2、選材的依據3、質量評價的依據（二）服役條件與性能負荷→零件→可能產生損傷→（嚴重時）失效力學負荷（外力作用條件下）→材料內部變形方式、應力分布狀態和缺口效應熱負荷（外界高溫條件下）→材料內部產生熱沖擊、熱應力，T↑→承載能力↓環境介質作用→表面化學腐蝕，電化學腐蝕，摩擦與磨損1、力學負荷（載荷）（1）分類：靜載荷：如機器重量對基礎的作用。動載荷：交變載荷（隨時間做周期變化）；如齒輪傳動。沖擊載荷（物體的運動在瞬時突變所引起的載荷）；如鍛打。（2）零件在靜載荷下變形的基本形式變形：構件在工作時在外力作用下其幾何形狀和尺寸將發生改變的現象。①.拉伸和壓縮：②.剪切：③.扭轉：4.彎曲：5.組合變形2.熱負荷溫度因素：高溫、低溫、熱沖擊高溫下服役的零件熱疲勞：溫度反復急劇變化高溫氧化蠕變現象：溫度上升導致延伸率上升（一般高于0.3T熔顯著）溫度上升導致力學性能下降：普通鋼材從室溫上升到600°C，強度下降一般很多。：

T>0.3Tm,很小應力下的緩慢變形蠕變急熱急冷產生的熱應力低溫下的材料脆化3、環境介質的作用①腐蝕：化學腐蝕、電化學腐蝕、物理溶解②磨擦磨損：接觸零件間相對運動時發生，引起功和能消耗、噪聲等。磨損是零件表面材料的逐漸失去，常見類型有粘著磨損、磨粘磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損。③老化作用：各種環境因素作用下材料性能的逐漸退化、變壞，最終喪失使用價值的現象。輪胎龜裂、發粘，塑料變硬邊脆。老化的環境因素：溫度、日光、電、輻射、應力、化學介質等。（三）、材料的性能：

是一種參量，用來表征材料在給定外界條件下的所表現出的行為特征。

外界條件：在不同的外界條件下，相同的材料也會有不同的性能。

例如：斷裂強度

蠕變斷裂強度----熱學

疲勞斷裂強度----力學

應力腐蝕斷裂強度----化學

外界條件———性能————選材

材料的基本性能1、使用性能：物理性能（光、電、磁……）力學性能（強度、塑性、硬度……）

2、加工性能

（可制造性）熱加工：鑄、鍛、焊、熱處理……冷加工：車、銑、磨……特種加工：電火花、激光、離子……

材料的力學性能:

評價材料在變形、損傷和斷裂的抗力和容量的定量指標。材料的力學行為:

是對材料在外力作用下發生變形、損傷和斷裂過程的描述（可用圖、表、解析式）。

服役過程:

保持設計要求的外形和尺寸，保證在服役期內安全地運行。

生產過程:

要求材料具有優良的加工性能。如壓力加工要求優良的塑性和低的塑性變形抗力。彈性:是指材料在外力作用下保持和恢復固有形狀和尺寸的能力。塑性:是材料在外力作用下發生不可逆的永久變形的能力．強度:是材料對變形和斷裂的抗力。壽命:是指材料在外力的長期或重復作用下抵抗損傷和失效的能力，使零件在服役期內安全運行。不同工況下對各種性能的要求不同（四）、材料的基本力學性能（五）、材料力學性能表征1、材料軟硬程度的表征。2、材料脆性的表征。3、材料抵抗外力能力表征。4、材料變形能力的表征。5、含缺陷材料抗斷裂能力的表征。6、材料抵抗多次受力能力的表征。7、新材料及特種材料性能的表征。8、特殊條件下材料性能的表征。（六）、意義1、材料的安全使用（1）防止失效失效形式：過量變形、斷裂、磨損、腐蝕（2）減少經濟損失美國：1982年為1190億（占GDP4%）研究認為：采用新技術，可減少1/3損失2、評價材料和相關制備工藝3、合理使用材料二、研究內容和研究方法1、研究內容：結合材料的實際服役條件，研究材料在外力作用下力學性能變化的情況。2、研究方法（1）簡單到復雜——研究典型工況、典型試樣A、光滑試樣：基本力學性能的測定，失效機理與判據的研究；B、切口試樣：更具實際性（貼近實際零部件）C、帶裂紋試樣：具有實際性（裂紋存在）（2）聯系實際情況進行研究三、教材結構和內容第一部分:第一～七章

闡述材料在一次加載條件下的形變和斷裂過程。所測定的力學性能指標用于評價零件在服役過程中抗過載失效的能力或安全性。第二部分:第八～十一章

論述疲勞、蠕變、磨損和環境效應四種常見的與時間相關的失效形式。材料對這四種形式失效的抗力將決定零件的壽命。第三部分:第十二～十四章介紹陶瓷材料、高分子材料和復合材料的力學性能。四、本課程學習注意問題：（一）學習要求（目的）1、掌握材料基本力學性能的測試原理和方法；2、理解材料在外力作用下失效過程、機制和力學模型；3、理解評價材料的力學性能治標及評價方法；4、理解選優材料的指標、方法，通過優化工藝改善材料的力學性能；5、了解新材料、新技術的發展對材料的力學性能提出的新的要求；（二）學習方法1、加強前后知識的聯系：相關課程：材料力學、材料科學基礎、機械設計、金屬熱處理、彈塑性力學。2、注重實踐環節（1）掌握一些經驗公式的適用范圍和限制；（2）掌握測試原理、設備和方法；（3）理論聯系實際:是實用性很強的一門課程。某些力學性能指標根據理論考慮定義,而更多指標則按工程實用要求定義。（4）重視實驗:通過實驗既可掌握