1th 材料在静载下的力学行为

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1、第1章材料在静载下的力学行为1.1应力一应变曲线静拉伸是材料力学性能试验中最基本的试验方法。用静拉伸试验得到的应力－应变曲线，可以求出许多重要性能指标。如弹性模量E，主要用于零件的刚度设计中；材料的屈服强度σs和抗拉强度σb则主要用于零件的强度设计中，特别是抗拉强度和弯曲疲劳强度有一定的比例关系，这就进一步为零件在交变载荷下使用提供参考；而材料的塑性，断裂前的应变量，主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。1.单向静拉伸试验特点:1）最广泛使用的力学性能检测手段;2）试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定（方法：GB/

2、T228-2002；试样：GB/T6397-1986）。3）最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）；4）可测力学性能指标：强度（σ）、塑性（δ、ψ、f）等。2.不同材料的应力—应变曲线1）脆性材料的应力—应变曲线v典型材料：玻璃、多种陶瓷、岩石，低温下的金属材料、淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等。v曲线特征：在拉伸断裂前，只发生弹性变形，不发生塑性变形，在最高载荷点处断裂2）塑性材料的应力—应变曲线1-111-113）高分子材料的应力—应变曲线1.2弹性变形阶段1.2.1弹性变形及其实质1.弹性变形定义：当外力去除后，能恢复到原来形状

3、或尺寸的变形（应力与应变之间都保持单值线性关系），叫弹性变形。特点为：单调、可逆、变形量很小（＜0.5~1.0%）2.弹性的物理本质1-11其实质是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。3.解释：双原子模型原子间相互作用力F与原子间距r的关系为：弹性模量双原子模型式中A、B分别为与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数。原子的位移总和在宏观上就表现为变形。外力去除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来的平衡位置，位移消失，宏观上变形也就消失。这就是弹性变形的可逆性。

4、4.胡克定律l单向拉伸l剪切和扭转lE、G的关系5.弹性模量的影响因素工程上把弹性模量E、G称为材料的刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力1-11，在机械设计中，有时刚度是第一位的。精密机床的主轴如果不具有足够的刚度，就不能保证零件的加上精度。若汽车拖拉机中的曲轴弯曲刚度不足，就会影响活塞、连杆及轴承等重要零件的正常工作。1-11影响因素l材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的

5、强度（如屈服强度、抗拉强度）影响显著，但对材料的刚度影响不大。从大的范围说，材料的弹性模量首先决定于结合键。l合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响不大，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，外在因素变化对它的影响也比较小。l键合方式：共价键、离子键和金属键具有较高的E,分子键的E较低。如陶瓷材料，E高但ε很小；橡胶的E很小，但ε很大，金属介于两者之间。共价键结合的材料弹性模量最高，所以像SiC。陶瓷材料和碳纤维的复合材料有很高的弹性模量。而主要依靠分子键结合的高分子，由一分子键力弱，其弹性模量最低。金属键有较强的

6、键力，材料容易塑性变形，其弹性模量适中，但由于各种金属原子结合力不同，也会有较强的键力，材料容易塑性变形，其弹性模量适中，但由于各种金属原子结合力不同，也会有很大的差别，例如铁（钢的弹性模量为210GPa），是铝(铝合金)的3倍（E=70GPa1-11），而钨的弹性模量是铁的两倍（E=420GPa），弹性模量是与材料的熔点成正比的，越是难熔的材料其弹性模量也越高。l原子半径E=k/rml晶体结构：对各向异性晶体，沿原子密排面E较大。l化学成分与微观组织：对金属材料，变化很小。l温度：金属的弹性模量随温度升高的下降速度比陶瓷材料高出大

7、约1倍—高温下，希望用陶瓷材料替代金属。l加载速度：影响小。1.2.2弹性比功又称弹性比能或应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。金属拉伸时的弹性比功用应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积表示。εe材料最大弹性应变；σe为材料的弹性极限，它表示材料发生弹性变性的极限抗力。理论上弹性极限的测定应该是通过不断加载与卸载，直到能使变形完全恢复的极限载荷。实际上在测定弹性极限时是以规定某一少量的残留变形(如0.01%)为标准，对应此残留变形的应力即为弹性极限。欲提高材料的弹性比功，途径有二：提高σe,或者降低E。由于σe是二次方，所以

8、提高σe对提高弹性比功的作用更显著。1-11v弹簧的分类：l硬弹簧：弹簧钢制造，通过合金化、热处理和冷加工，提高其弹性极限的方法来增大弹性比功。l软弹簧（仪表弹簧）：磷青铜或铍青铜制作，具有较高的弹性极限和较小的弹性模量，因而弹性比功