绪论§0.1 工程材料工程材料分类（按其应用分）➢结构材料依靠其力学性能得以发展和应用的材料。

➢功能材料利用物质的声、光、电、磁、化学乃至生物性能得以发展和应用的材料。

（本课程所研究和讲述的重点在第一种，尤其是结构材料中的金属材料）§0.2 力学性能材料抵抗外加载荷（不仅指外力和能量的作用，而且还包括环境因素例如温度、介质、加载速率等的影响）所引起的变形和断裂的能力。

§0.3 研究内容研究材料在外力作用下的变形、断裂和寿命。

➢弹性材料在外力作用下保持固有形状和尺寸的能力；以及在外力去除后恢复固有形状和尺寸的能力。

➢塑性材料在外力作用下发生永久不可逆变形的能力。

➢强度材料对塑性变形和断裂的抗力。

➢寿命材料在外力的长期和重复作用下，或在外力和环境因素的复合作用下，抵抗失效的能力（时间长短）。

（以上只是定性地说明这些力学性能，如果要定量地说明它就必须用一些力学参量（应力、应变、应力场强度因子等）来表示这些力学性能。

如果我们说某材料的力学性能好，就是指这些力学参量的值高或低，所以人们通常将力学参量的临界值或规定值称为材料的力学性能指标。

声学材料：隔音层光学材料：玻璃，镜片电学材料：金属导线，电子元器件磁学材料：磁头、磁卡化学材料：高分子材料催化剂生物材料：人工关节、人工骨骼生活中常指后者如：强度指标、塑性指标、韧性指标）具体研究涉及的内容：➢材料（包括金属材料和非金属材料）在不同形式外力作用下，或者外力、温度、环境等因素的共同作用下，发生变形、损伤和断裂的过程、机理和力学模型；➢评定力学性能的各项指标的意义（物理意义和工程实用意义）、各指标间的相互关系以及具体的测试技术；➢研究力学性能指标机理、影响因素以及改善或提高这些力学性能指标的方法和途径。

（注：材料力学性能的影响因素内因：化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力、表面和内部缺陷。

外因：载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等。

）§0.4学习和研究材料力学性能的目的和意义机械和工程结构的设计，应当达到所要求的性能，并且在规定的服役期内安全可靠地运行，同时也要具有经济性，即低的设计、制造和维修费用。

①达到使用要求；②安全性；③经济性然而，各种机械和结构零部件的使用条件各不相同，因而要选用不同的的材料制成零件，也需要采用不同的工艺手段来完成零件的实际制作。

而材料的力学性能及其评定指标，是结构设计时选用材料、制订加工工艺的主要依据，也是评价结构质量的主要依据。

➢在零部件使用中，要求材料具有高的变形和断裂抗力，使零部件在受外力作用时能保持设计所要求的外形和尺寸，并保证在服役期内安全地运行；➢在零部件的生产过程中，则要求材料具有优良的可加工性。

（例如，在金属的塑性成形中，要求材料具有优良的塑性和低的塑性变形抗力）对于学生，必须具有材料力学性能方面的知识，以便在研究新材料和改善材料的过程中，能根据材料的使用要求，选用合适的现有材料或研制新材料，制订合适的加工工艺。

§0.5研究方法➢理论分析➢试验测定➢数值模拟§0.6课程的内容安排➢第一部分材料在一次静加载条件下的形变和断裂过程、机制和基本理论；试样有光滑、缺口和含裂纹的；➢第二部分论述材料的疲劳、蠕变、环境效应和磨损；➢第三部分简要介绍复合材料、高分子材料和陶瓷材料的力学性能。

§0.7学习要求➢注重温故而知新（和其他课程的关系）➢掌握基本概念和基本理论（对公式做理解性记忆）➢注重理论和试验相结合（试验原理，方法，设备以及结果分析等）➢做练习第一章材料在静拉伸条件下的力学性能拉伸试验是最简单，但却是最重要的力学性能试验方法，可测定材料的弹性、强度、塑性、应变硬化和韧性等许多重要的力学性能指标。

（拉伸性能）§1.1 拉伸试验室温大气中，在缓慢施加（1～10MPa/s）的单向拉伸载荷作用下，用光滑试件测定材料力学性能的方法。

标准圆棒形拉伸标准板状拉伸试样原国标：GB/T 228-87 GB 6397-86 现国标：GB/T 228-02 GB/T 228-2010 <20MPa/s<0.0025/s<10mm/min退火低碳钢的拉伸图①弹性变形②屈服③均匀塑性变形④局集塑性变形⑤断裂 工程应力：0P Aσ=；工程应变：0e l l =∆工程应力－应变曲线真应力：S P A =； 真应变：()00ln ln 1ll dl ld e l l εε====+⎰⎰由于材料具有不同的化学成份和微观组织，在相同的试验条件00005.6511.3l A l A ==比例试样下，也会显示出不同的应力应变响应。

脆性材料铸铁、玻璃等不存在屈服平台，有色金属（铝合金），焊接接头无颈缩、局集的塑变高锰钢，铝青铜无均匀塑性变形，冷拔钢丝存在非线性弹性变形聚氯乙烯工程实践中，常按材料在拉伸断裂前有无塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料。

§1.2 弹性变形变形：材料在外力作用下发生尺寸或形状的变化，称为变形；弹性变形：若外力除去后，变形随之消失（恢复原形状、尺寸，变形可逆），称为弹性变形。

一、物理本质原子间的相互作用力当原子偏离其平衡位置较小时，原子间的相互作用力与原子间的距离近似成正比。

虎克定律：E Eeσεσ==二、弹性常数弹性模量：E ；泊松比：ν r l e e ν=-； 切变（剪切）模量：G ()21EG ν=+体积弹性模量：K ()312EK ν=-广义虎克定律：()1x x y z E εσνσσ⎡⎤=-+⎣⎦()1y y x z Eεσνσσ⎡⎤=-+⎣⎦ ()1z z x y Eεσνσσ⎡⎤=-+⎣⎦ 1xy xy G γτ=；1xz xz G γτ=；1yz yz Gγτ={}[]{}E σε=（本构方程，物理方程，弹性矩阵）三、弹性模量的影响因素弹性模量E 越高，在相同应力作用下，弹性变形越小，因此E代表了材料对弹性变形的抗力，或者说代表了材料的刚度（注意：和构件的刚度不同）1. 随原子序数做周期性变化；m k E r=表明E 随原子半径增大而减小（同族元素，原子核最外层电子排列方式相同），亦即随原子间的距离增大而减小。

（各向异性）2. 合金元素和热处理对E 影响较小；即合金化（如果不影响原子间距的话）和热处理对E 基本无影响；3. 温度↑→E ↓（钢：3~4%/100℃）4. 一般的加载速率不影响Es Ev ρ=（钢：v s =5000m/s ，摆锤冲击：4～6m/s ，子弹出膛：1000m/s ） 5. 冷变形稍微降低金属的弹性模量 （钢：下降4％～6％） 四、弹性指标1. 比例极限（σp ）（proportion ） 非比例伸长应力材料弹性变形时应力和应变成严格的正比关系的上限应力（弹性应变和应力成正比关系的最大抗力）p p P A σ=条件（规定）比例极限的确定2. 弹性极限（σe ）材料发生可逆的弹性变形的上限应力值理论上，弹性极限的测定应该是通过不断的加载与卸载，直到能使变形恢复的极限载荷为止；实际上，工程中通常规定以产生规定的某一少量残留变形（如0.005％，0.01％，0.05％）时的应力做为弹性极限，称为条件弹性极限。

（均表征材料对微量塑性变形的抗力）弹性元件（仪表）需要应力应变呈严格线性关系，即灵敏系数为定值应力超过弹性极限，材料便开始发生塑性变形50p σ 1.5tg tg θθ'=固体中的弹性变形以介质中的声速传播ee P A σ=条件弹性极限的确定（有些不允许出现残留变形的工件，例如机床的导轨） 3. 屈服强度（屈服极限）（σs σy 或σ0.2）屈服强度标志着金属对塑性变形的抗力，是工程技术上最为重要的力学性能指标之一。

对于拉伸时出现屈服平台的材料，由于下屈服点再现性较好，故以下屈服应力做为材料的屈服强度。

记为σs 。

但是，更多的材料在拉伸时看不到屈服平台，因而人为地规定当试件发生一定残余塑性变形量时的应力做为材料的屈服强度，称为条件屈服强度。

允许的残余变形量可因机件的服役条件而异。

常用的条件屈服强度为σ0.2，表示残余变形量为0.2％时的应力。

（对于一些特殊机件，如高压容器，为保持严格气密性，其紧固螺栓不允许有微小的残余伸长，要采用σ0.01甚至σ0.001做为条件屈服强度；而对于桥梁、建筑物等大型工程结构的构件则可以容许更大的残余变形量如σ0.5。

因此可见，条件屈服强度和条件弹性极限没有本质的区别。

）4. 弹性比功（W e ）又称弹性应变能密度，弹性比能，弹性应变比能。

金属材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力；是在开始塑性变形前单位体积材料所能吸收的最大弹性变形功。

20122ee e e e e W de e Eσσσ===⎰提高σe ，或降低E 均可提高材料的弹性比功，而提高σe 作用更大（因其为平方），且E 很难改变（如前述）。

弹性元件要求在低应力条件下发生较大的可见变形而又不发生塑性变形。

硅锰钢σe =1200MPa~1600MPa （如60Si2Mn ）弹性元件还多用磷青铜，铍青铜，优点是无磁性，高的σe（1000MPa ），低的弹性模量E （110GPa ），因此灵敏度高。

五、弹性不完善性（弹性不完整性）完善弹性指受到应力作用时立即产生相应的弹性应变，去除应力时弹性应变也随之消失；在应力应变曲线上，加载线和卸载线完全重合，即应力和应变严格同相位。

然而实际的金属材料，即使在弹性变形范围内，应变与应力也并非呈严格的对应关系，即应变不仅和应力有关，还和时间以及加载方式有关，这些与完善弹性性质不同的现象，称为弹性不完善性。

主要包括弹性后效、弹性滞后以及包申格效应（Bauschinger ）。

1. 弹性后效（滞弹性）减震和储能，既要吸收大量变形功，又不允许发生塑性变形淬火+中温回火正弹性后效（111e e e ∆+∆），弹性蠕变；反弹性后效（222e e e ∆+∆）（用于表示弹性后效的大小）应变落后于应力的变化。

对于多晶金属材料，弹性后效与起始变形的非同时性有关，即与各晶粒中应变不一致不均一性有关。

（因此，材料的成分和组织不均匀，弹性后效增大。

具有密排六方晶格的镁，晶格对称性较低（与立方晶格相比），弹性后效强烈；经淬火或冷作硬化的碳钢，弹性后效高达30％（回火300～450℃，弹性后效消失）；另外温度和应力状态对弹性后效也有明显影响）弹性后效明显，会影响仪表中弹性原件的灵敏度。

2. 弹性滞后和内耗相对滞后系数maxB e γ=循环韧性弹性滞后环➢优点弹性滞后，加载时金属所吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即有一部分能量被不可逆地吸收（滞后环面积），称为内耗。

可用于减震（减震元件，例如灰口铸铁，做机器或结构的底座或支架）➢缺点有内耗，如果做为仪表的弹性元件，将降低其灵敏度，另外，乐器中元件（例如琴弦），要求其内耗低，以使声音共鸣而不衰减，音响效果好。