《材料的力學(xué)性能》

固體對外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較各種材料軟硬的指標(biāo)。由于規(guī)定了不同的測試方法，所以有不同的硬度標(biāo)準(zhǔn)?？偟膩砜?，可分為劃痕硬度、壓入硬度和回跳硬度。各種硬度標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)含義不同，相互不能直接換算，但可通過試驗加以對比。

材料的力學(xué)性能劃痕硬度

主要用于比較不同礦物的軟硬程度，方法是選一根一端硬一端軟的棒，將被測材料沿棒劃過，根據(jù)出現(xiàn)劃痕的位置確定被測材料的軟硬。定性地說，硬物體劃出的劃痕長，軟物體劃出的劃痕短。

材料的力學(xué)性能壓入硬度

主要用于金屬材料，方格是用一定的載荷將規(guī)定的壓頭壓入被測材料，以材料表面局部塑性變形的大小比較被測材料的軟硬。由于壓頭、載荷以及載荷持續(xù)時間的不同，壓入硬度有多種，主要是布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等幾種。

材料的力學(xué)性能回跳硬度

主要用于金屬材料，方法是使一特制的小錘從一定高度自由下落沖擊被測材料的試樣，并以試樣在沖擊過程中儲存(繼而釋放)應(yīng)變能的多少(通過小錘的回跳高度測定)確定材料的硬度。

許多機器或其構(gòu)件如鍛錘、沖床、鑿巖機、鉚釘槍和炮筒、裝甲板等，在工作中要承受沖擊載荷，它是以很大速度施加到結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的載荷。由于加載速度很大，所以構(gòu)件應(yīng)變的速度也很大。研究表明，若應(yīng)變速率小于10^-4～10^-2秒^-1，可看成靜載問題；若大于10^-2秒^-1，就必須作為沖擊問題。

受沖擊時彈性變形是以聲速在介質(zhì)中傳播的，所以大多數(shù)材料(尤其是金屬)的彈性變形的變化可以跟上沖擊載荷的變化；而塑性變形的變化難以跟上載荷的變化，所以在沖擊載荷下原來塑性較好的材料也會出現(xiàn)脆化的趨向。脆化顯著地降低了材料抗沖擊的能力。一種材料能否承受沖擊載荷，不僅要看所承受的瞬時載荷值，而且要看載荷在沖擊延續(xù)時間內(nèi)造成的材料變形量。表示材料抵抗沖擊載荷能力的參量有沖擊功和沖擊韌性，可由材料的沖擊試驗來確定。

材料的力學(xué)性能沖擊功

使試樣在沖擊載荷下破斷所必須的有效功，通常由沖擊試驗求得。試驗中所用的帶缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣和沖擊試驗機如圖5和圖6所示。試驗中擺錘沖斷試樣過程中所作的功就是沖擊功A_K，其值為：

A_K=W(H₁-H₂)，

式中W為擺錘重量，H₁為擺錘開始下落時的高度；H₂為試樣沖斷后擺錘擺起的高度。除了標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試樣外，有時也用非標(biāo)準(zhǔn)試樣，它們主要是缺口的形式有些不同。對于某些脆性材料，常采用無缺口沖擊試樣。在研究工作中，有時還采用拉伸沖擊試驗和扭轉(zhuǎn)沖擊試驗。

材料的力學(xué)性能沖擊韌性

記為α_K，它等于沖擊功AK除以試樣缺口處在沖擊前的截面積F，即

α_K=A_K/F。

沖擊韌性是評定材料沖擊抗力的實用指標(biāo)，它的大小不僅取決于材料的性能，而且還隨試樣的形狀、尺寸、缺口形式等在很大范圍內(nèi)變化。擺錘消耗的能量并不全為試樣吸收，有一部分轉(zhuǎn)化為其他形式的耗散功，所以并不能精確地表示材料在沖擊載荷作用下破壞時所吸收的總沖擊能量。另外，被試樣吸收的能量也主要為缺口附近材料的塑性變形所消耗。因此，沖擊韌性只能作為工程上比較材料抗沖擊性能的相對標(biāo)準(zhǔn)，不同尺寸和缺口形狀的試樣的沖擊韌性不能相互換算。在使用非標(biāo)準(zhǔn)試樣時，對試驗條件須作說明。

α_K值對材料的某些缺陷很敏感，能夠反映出材料品質(zhì)，宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化，因而在生產(chǎn)上常用來檢驗冶煉，熱加工和熱處理等的工藝質(zhì)量。

材料在外力作用下發(fā)生變形，如果外力不超過某個限度，在外力卸除后恢復(fù)原狀。材料的這種性能稱為彈性。外力卸除后即可消失的變形，稱為彈性變形，表示材料在靜載荷、常溫下彈性性能的一些主要參量可以通過拉伸試驗進行測定。

拉伸試樣常制成圓截面(圖1a)或矩形截面(圖lb)棒體．L為標(biāo)距，d為圓形試樣的直徑，h和t分別為矩形截面試樣的寬度和厚度，圖中截面形狀用陰影表示，面積記為A。長度和橫向尺寸的比例關(guān)系也有如下規(guī)定l=10d或l=5d；對于矩形截面試樣，按照面積換算規(guī)定l=11.3或l=5.65。試樣兩端的粗大部分用以和材料試驗機的夾頭相連接。試驗結(jié)果通常繪制成拉伸圖或應(yīng)力-應(yīng)變圖。圖2為低碳鋼的拉伸圖，橫坐標(biāo)表示試樣的伸長量△l(或莊變ε=△l/l)，縱坐標(biāo)表示載荷P(或應(yīng)力σ=P/A)。圖中的曲線從原點到點p為直線，pe段為曲線，載荷不大于點e所對應(yīng)的值時，卸載后試樣可恢復(fù)原狀。反映材料彈性性質(zhì)的參量有比例極限、彈性極限、彈性模量、剪切彈性模量和泊松比等。

材料的力學(xué)性能比例極限

應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系的最大應(yīng)力稱為比例極限，印圖中點p所對應(yīng)的應(yīng)力，以σ_p表示。在應(yīng)力低于σ_p的情況下，應(yīng)力和應(yīng)變保持正比例關(guān)系的規(guī)律叫胡克定律。載荷超過點p對應(yīng)的值后，拉伸曲線開始偏離直線。

材料的力學(xué)性能彈性極限

試樣卸載后能恢復(fù)原狀的最大應(yīng)力稱為彈性極限，即圖中點e所對應(yīng)的應(yīng)力，以σ_e表示。若在應(yīng)力超出σ_e后卸載，試樣中將出現(xiàn)殘余變形。

比例極限和彈性極限的測試值敏感地受測試精度的影響，并不易測準(zhǔn)，所以在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對于拉伸曲線的直線部分產(chǎn)生規(guī)定偏離量(用切線斜率的偏差表示)的應(yīng)力作為“規(guī)定比例極限”。對子彈性極限，規(guī)定以產(chǎn)生某一微量殘余變形對應(yīng)的應(yīng)力作為“規(guī)定彈性極限”，例如，以產(chǎn)生0．01%殘余變形所對應(yīng)的應(yīng)力為規(guī)定彈性極限，記為σ_0.01v實際上，比例極限和彈性極限很接近。

材料的力學(xué)性能彈性模量

材料在彈性變形階段內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變的比值稱為彈性模量。以E表示彈性模量，則E=σ/δ或σ=Eδ。因英國的T·楊首先給出彈性模量的定義，所以彈性模量又稱楊氏模量。

材料的力學(xué)性能剪切彈性模量

處在剪切彈性變形階段的材料中剪應(yīng)力τ和剪應(yīng)變γ也存在正比例關(guān)系，其比值稱為剪切彈性模量，簡稱剪切模量。以G表示剪切彈性模量，則G=τ/γ或τ=Gγ。

泊松比

材料沿載荷方向產(chǎn)生伸長(或縮短)變形的同時，在垂直于載荷的方向會產(chǎn)生縮短(或伸長)變形。垂直方向上的應(yīng)變εl與載荷方向上的應(yīng)變ε之比的負(fù)值稱為材料的泊松比。以v表示泊松比，則v=-εl/ε。在材料彈性變形階段內(nèi)，v是一個常數(shù)。理論上，材料的三個彈性常數(shù)E、G、v中，只有兩個是獨立的，因為它們之間存在如下關(guān)系：

G=E/2(1 v)。

載荷卸除后不能消失的變形稱為殘余變形。材料保持殘余變形的能力稱為塑性，因而殘余變形又稱為塑性變形。反映材料塑性性能的參量有屈服極限、延伸率和斷面收縮率等。此外，與塑性性能有關(guān)的現(xiàn)象有材料的強化現(xiàn)象和拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象。若加載在材料中引起的應(yīng)力超過

材料的力學(xué)性能屈服極限

在拉伸試驗中，若試樣中的應(yīng)力到達圖2中y點所對應(yīng)的值，即使載荷不再增大，試樣仍繼續(xù)伸長，因而在拉伸曲線上出現(xiàn)一水平段(ys段)，這種現(xiàn)象稱為屈服或流動。屈服現(xiàn)象是由于金屬中晶體的滑移造成的。曲線上點y的應(yīng)力值σ_y稱為材料的屈服極限，也稱流動極限。對于無屈服現(xiàn)象的材料，工程上規(guī)定，用對應(yīng)于0．2%塑性變形量的應(yīng)力作為“規(guī)定屈服極限”，常稱為屈服強度，記為σ_0.2。

材料的力學(xué)性能強化

屈服階段結(jié)束后，拉伸曲線又呈上升狀，即要使試樣繼續(xù)變形，就須增大載荷，這種現(xiàn)象稱為材料強化。圖2中sb段曲線為強化階段。在點b以前，試樣的塑性變形是各處均勻的，點b對應(yīng)于載荷最大值，其值Pb除以試樣原橫截面積A，所得的應(yīng)力稱為材料的強度極限，以σ_b表示，即σ_b=p_b/A。

材料的力學(xué)性能頸縮

應(yīng)力到達強度極限后，試樣的塑性變形開始集中于某一部位，該處的截面積逐漸縮小，這種現(xiàn)象稱為頸縮(圖3)。由于局部截面積收縮，試樣能承受的載荷也就不斷下降，最后到達曲線上的點k時試樣被拉斷。

若考慮試樣的頸縮，則應(yīng)力應(yīng)為瞬時載荷除以相應(yīng)瞬時的實際最小面積，這樣作出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2中虛線所示。

材料的力學(xué)性能延伸率

試樣拉斷后標(biāo)距長度l1與原長l之差為總殘余伸長量，它與原長的比值稱為延伸率。以δ表示延伸率，一般寫成百分比的形式，即

由于試樣斷裂前經(jīng)歷了局部塑性變形，所以延伸率的大小同試樣原長和橫截面積有關(guān)。為了進行比較，規(guī)定對于長度是直徑10倍的圓截面試樣和l=11．3

材料的力學(xué)性能斷面收縮率

設(shè)試樣拉斷后斷口處的最小面積為A1，則截面收縮量A-A1與原截面面積A之比值的百分?jǐn)?shù)稱為斷面收縮率。以表示斷面收縮率，則有：

對圓形截面試樣，規(guī)定用斷口處的最小直徑計算A1；矩形截面試樣則用斷口處的最大寬度h₁與最小厚度t₁的乘積表示A₁，即A₁=h₁×t₁，(圖4)。

工程上常將材料區(qū)分為兩類，常溫靜載荷下破壞時塑性變形較大(一般為δ>5%)的材料稱為塑性材料；塑性變形較小的材料稱為脆性材料。低碳鋼是典型的塑性材料，它在拉伸試驗過程中表現(xiàn)出的各種力學(xué)性能最為復(fù)雜。試驗表明，低碳鋼在壓縮時的彈性模量E、屈服極限σ_v都與拉伸時相同。屈服后試樣越壓越扁，橫截面不斷增大，所以低碳鋼無壓縮強度極限。鑄鐵是典型的脆性材料，拉伸和壓縮時均無屈服現(xiàn)象，破壞時塑性變形量很小。鑄鐵試樣在拉伸破壞時沿橫截面斷裂，強度極限較低，壓縮時沿大約與軸線成45°角的斜面破壞，且壓縮時的強度極限比拉伸時高4～5倍。

工程中的許多結(jié)構(gòu)處于高溫或低溫環(huán)境，如發(fā)動機、核反應(yīng)堆、化工設(shè)備、火箭和高速飛機等。溫度對材料的各種力學(xué)性能都有影響。就金屬而言，溫度升高往往使其彈性模量和硬度減小，延伸率加大，蠕變和松弛(見蠕變)現(xiàn)象更加明顯，而溫度降低則往往使材料脆化。在選擇工程材料時必須考慮到：每一種材料只是在一定的溫度范圍內(nèi)具有較高的強度。如某些普通塑料只能在40～50℃以下使用，超出此范圍，強度會明顯降低，甚至不能保持自身形狀。多數(shù)鋁臺金在200℃以上強度會明顯下降，在低溫下，抗拉，抗剪能力會顯著下降而容易發(fā)生脆斷。對于各種在高溫或低溫下工作的結(jié)構(gòu)材料，必須通過試驗測定其力學(xué)性能，試驗的加載方式與常溫試驗大體相同。

工程中所采用的材料日益廣泛，材料所處的環(huán)境也日益復(fù)雜，因此還要從更多的方面研究材料的力學(xué)性能，如研究蠕變性能，斷裂韌性以及沖擊載荷下材料的力學(xué)性能 。

作品目錄

緒論

第一篇 金屬的力學(xué)性能

第一章 靜拉伸下的力學(xué)性能

第二章 其他靜載下的力學(xué)性能

第三章 沖擊韌性與冷脆轉(zhuǎn)變

第四章 斷裂韌性

第五章 疲勞

第六章 蠕變

第七章 應(yīng)力腐蝕與腐蝕疲勞

……

第二篇 復(fù)合材料的力學(xué)性能

第九章 復(fù)合材料的一般特性、增強機理和分類

第十章 單向復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能

第十一章 復(fù)合材料層合板的靜態(tài)力學(xué)性能

……

附錄

參考資料

《材料的宏微觀力學(xué)性能實驗指導(dǎo)》是國家精品課程、國家“十一五”規(guī)劃教材《材料的宏微觀力學(xué)性能》(高等教育出版社出版)的配套實驗指導(dǎo)教材。全書共分三部分：基礎(chǔ)性實驗部分、綜合性實驗部分和創(chuàng)新性實驗部分。全書共45個實驗，內(nèi)容涉及材料的常規(guī)力學(xué)性能測試，如基本力學(xué)性能、硬度、斷裂韌性和殘余應(yīng)力；在工程中應(yīng)用最廣的金屬材料的力學(xué)性能表征，如金屬的疲勞、蠕變、疲勞和蠕變的交互作用以及金屬材料在環(huán)境介質(zhì)中的力學(xué)性能；一些特殊材料如智能材料、薄膜材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料的某些宏微觀力學(xué)性能的表征；設(shè)計了一些采用專門的計算軟件來模擬分析材料的宏微觀力學(xué)性能方面的實驗。在每個實驗中，對實驗原理、實驗?zāi)康?、實驗方法與步驟等均有較詳細(xì)的敘述和較嚴(yán)格的要求。

全書共十四章，可分為三大部分。第一部分包括第一章至第七章，主要介紹與評價金屬結(jié)構(gòu)件安全性相關(guān)的力學(xué)性。第二部分包括第八章至第十一章，介紹與評價金屬結(jié)構(gòu)件使用壽命相關(guān)的力學(xué)性能?？紤]到復(fù)合材料、高分子材料與陶瓷材料將作為結(jié)構(gòu)材料在工程中應(yīng)用，故第三部分介紹這些材料的力學(xué)性能?！恫牧系牧W(xué)性能》可作為高等院校材料科學(xué)與工程各專業(yè)的教材，也可作為從事金屬與非金屬制作加工、機械與結(jié)構(gòu)設(shè)計等領(lǐng)域內(nèi)工作的工程技術(shù)人員的參考書 。