材料性能与测试课件-第一章材料单向静拉伸的力学性质

材料性能与测试中南大学粉末冶金研究院 课件制作：曾凡浩

主讲：曾凡浩(zengfanhao608@http://www.77cn.com.cn)

课程目的 在学完材料科学概论、材料科学基础等有关课程 后，通过本课程的学习: 掌握材料各种主要性能的基本概念、物理本质、 变化规律以及性能指标的工程意义， 基本掌握改善或者提高材料性能的主要途径，基 本掌握材料机件失效的基本分析方法， 了解影响材料性能的主要因素，了解材料性能和 化学成分、组织结构之间的关系，了解材料性能 测试原理、方法及相关仪器设备，以培养学生具 有合理选材、开发新型材料的必要基础知识和基 本技能。

性能分类Mechanical 力学(拉、压、扭、 弯、 硬、韧、疲、磨) Thermal 热性能

Properties

Electrical Magnetic Optical

电 磁 光

Physical 物理

Deteriorative 老化 Chemical Corrision 腐蚀 化学3

课程大纲第1章 材料单向静拉伸的力学性质(3学时)1.1 力—伸长曲线和应力—应变曲线; 1.2 弹性变形及性能指标; 1.3 塑性变形及性能指标; 1.4 断裂 难点：弹性模量的影响因素，塑性变形机理，应变硬化机理， 裂纹形核的位错模型，断裂强度的裂纹理论。

第2章 材料在其他静载下的力学性质(2学时)2.1 材料的扭转、弯曲和压缩 2.2 材料的硬度 难点：不同硬度测试的区别和关联。4

第3章 材料的冲击韧性及低温脆性(2学时)3.1 冲击弯曲试验和冲击韧性 3.2 低温脆性 难点是冲击韧性的测试方法，低温脆性的物理本质 和影响因素。

第4章 材料的断裂韧性(2学时)4.1 线弹性下的断裂韧性； 4.2 弹塑性条件下的断裂韧性； 4.3 影响材料断裂韧度的因素； 4.4 断裂韧度在工程中的应用 难点：断裂韧性的概念及在工程中的应用。

第5章 材料的疲劳性能(2学时)5.1 疲劳破坏的一般规律及机理；5.2 疲劳抗力指标及影响因素； 5.3 热疲劳 难点：疲劳破坏的机理。

第6章 材料的磨损性能(2学时)6.1 磨损的基本概念、类型和测量方法 6.2 磨损过程； 6.3 提高材料耐磨性的途径 难点：磨损过程的分析6

第7章 材料的高温力学性能(2学时)7.1 高温蠕变性能； 7.2 其它高温力学性能； 难点：蠕变变形及断裂机理。

第8章 材料的耐腐蚀性能(2学时)8.1 金属材料的电化学腐蚀； 8.2 金属材料的应力腐蚀； 8.3 材料的耐腐蚀措施 难点：金属的电化学腐蚀机理。

第9章 材料的电学性能 (5学时)9.1 导电性能； 9.2 热电性能； 9.3 介质极化与介质损耗； 9.4 材料的超导 9.5 压电与铁电 难点：材料的导电机制7

第10章 材料的磁学性能 (4学时)10.1 材料磁性的分类； 10.2 抗磁性和顺磁性； 10.3 铁磁与反铁磁性 难点：材料的磁化

性质的物理本质

第11章 材料的热学性能 (3学时)11.1 热学性能的物理基础； 11.2 热容； 11.3 热膨胀； 11.4 热传导 难点：热容，热传导的概念和测试原理

第12章 材料的光学性能 (1学时)12.1 线性光学； 12.2 非线性光学； 难点：电磁波(光)的吸收8

实验说明通过测量碳钢、Al合金、复合材料的屈服强度、抗拉强度、 延伸率，掌握不同材料的拉伸性能；通过测量碳钢、Al合 金、复合材料的硬度值，掌握不同材料硬度的区别；通过 测量Al合金和纯铁的磁滞回线，了解不同材料的磁化区别。 学会整理数据，运用所学知识解释实验现象，培养理论联 系实际的能力、培养发展动手能力以及创新能力序号 实验项目名称 内容与要求 计划 学时 实验 要求 必做 每组 人数 15

1

材料拉伸

按照实验指导书操作，测出碳 钢、Al合金、复合材料的屈 3 服强度、抗拉强度、延伸率。 按照实验指导书操作，测出碳 钢、Al合金、复合材料的硬 2 度。 按照实验指导书操作，测定Al 合金和纯铁的磁滞回线，分 3 析材料磁化类型。

2

材料硬度

必做

15

3 9

材料磁性

必做

15

课程说明1、 参考教材： 1) 王从曾主编 材料性能学 北京工业大学出版社 2001; 2)田莳主编：《材料物理性能》,北京航空 航天大学出 版社，2004年 3) 郑修麟、乔生儒编：《材料的力学性能》,西北工业 大学出版社，2000年 4) 韦德骏，《材料力学性能与应力测试》,湖南大学出 版社，1997年 5) Marc A M, Krishan K C. Mechanical behavior of materials. Cambridge University Press.2009 2、期末考核： 闭卷考试，占70%; 3、平时考核： 作业占20%;课堂考勤占10%。

绪论 -改进材料的性能是材料研究永恒的主题Materials are the matter of the universe. These substances have properties that make them useful in structures, machines, devices, products, and systems. (材料内涵是满足性能要求的物 质) 材料科学与工程学科主要任务是揭示材料成分、结构、制 造工艺和性能之间的关系，并以此指导研制具有新性质、新 功能的新材料极其应用。

材料的发展非理性阶段(主要依靠工匠、艺人的经验技术) 石器、陶器、青铜器、铁器

理性阶段(主要依靠大量的科学实验) 工业迅速发展，在物理学、化学、材料力学、 金属学、陶瓷学、高分子材料学。

设计阶段(主要依靠大量的科学计算模拟和 实验，进入材料微观世界)复合材料

材料设计的准则-性能优先1、Does the material possess the necessary mechanical, electrical, and thermal properties? 是否具有所需的性能？ 2、Will the properties of the material alter with time during service? 性能是否稳定？ 3、Can the material be formed to the desired shape?

能否加工成 型？ 4、Will the material be adversely affected by the environmental conditions and resist corrosion and other forms of attack? 环境影 响？ 5、Will the material give sufficient degree of reliability and quality? 质量是否可靠？ 6、 Can the product be made at an acceptable cost? 价格是否合 适？ 7、Can the product be recycled? 能否回收利用？13

§目 录单向静拉伸是应用最广泛的力学性能试验方法， 可以揭示材料在静载荷下的应力应变关系和常见的 三种失效方(过量弹性变形、塑性变形及断裂)的特 点及基本规律，可以评定材料的基本性能指标，如 屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率等，是 材料工程应用的主要依据。 §1.1 力-伸长曲线和应力-应变曲线 §1.2 弹性变形及其性能指标 §1.3 塑性变形及其性能指标

§1.4 断裂15

§1.1 力-伸长曲线和应力-应变曲线静载荷(Static Load) 载荷通常指施加于机械或结构上的外力； 载荷根据大小、方向和作用点是否随时间变化可以分为 静载荷和动载荷；其中静载荷包括不随时间变化的恒载(如自 重)和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载(如锅 炉压力)。动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷(如空气 锤)、随时间作周期性变化的周期载荷(如空气压缩机曲轴) 和非周期变化的随机载荷(如汽车发动机曲轴)。 静态载荷特点： 缓慢加载和低的变形速率。 材料测试使用静载荷的有： 拉伸、扭转、弯曲、压缩等。 单向静拉伸： 是最简单的，也是最有代表性的。16