《材料性能力学性能》课件

材料性能力学性能课程简介学习目标课程内容12深入了解材料性能，并应用于涵盖材料强度、塑性、韧性、实际工程实践疲劳、断裂等重要概念学习方法3理论讲解、实验分析、案例研讨，结合实际工程应用主要内容大纲材料的基本概念材料的力学性能定义、分类、性质、应用等强度、硬度、韧性、塑性、弹性等材料的失效分析材料的测试方法断裂、疲劳、蠕变等失效机制拉伸试验、冲击试验、疲劳试验等材料的基本概念定义性质材料是指构成物质的物质，具有特定的物理和化学性质，可用于材料的性质包括机械性能、物理性能、化学性能和热性能等，这制造各种产品和结构些性质决定了材料的应用领域材料的重要性现代建筑航空航天电子技术材料决定着建筑物强度和耐用性，高楼大厦轻质、高强度材料是飞机的关键，影响着飞半导体材料是电子设备的核心，驱动着科技依靠高性能材料支撑其结构行安全性和效率进步和社会发展材料的基本分类金属材料非金属材料铁、铝、铜、钛等木材、塑料、陶瓷、橡胶等复合材料纤维增强塑料、金属基复合材料等材料的主要性能指标强度硬度塑性韧性疲劳强度耐腐蚀性材料的主要性能指标包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度和耐腐蚀性等这些指标在实际应用中非常重要，它们决定了材料的适用范围和使用寿命材料的应力应变关系-应力1材料内部抵抗形变的内力应变2材料在外力作用下产生的形变关系曲线3反映材料力学性能的重要指标弹性模量和泊松比指标定义意义弹性模量材料在弹性范围内，反映材料抵抗弹性变E应力与应变之比形的难易程度泊松比材料在单向拉伸或压反映材料在受力时横ν缩时，横向应变与纵向尺寸变化的程度向应变之比的负值材料的屈服强度与抗拉强度σsuby/subσsubb/sub屈服强度抗拉强度材料开始发生塑性变形的应力材料断裂前的最大应力材料的塑性变形金属材料在加载后发生永久变形，不塑性变形是材料内部晶体结构发生滑会恢复到初始状态移和孪生的结果，导致材料的形状和尺寸发生永久改变塑性变形与材料的成分、温度、应变速率等因素有关，是材料重要的力学性能指标之一工程应力应变关系-工程应力1实际载荷与原始截面积的比值工程应变2材料伸长量与原始长度的比值应力应变关系-3材料在受力过程中的应力变化与对应应变变化之间的关系抗拉性能试验试样准备选择标准化的试样，确保形状和尺寸符合要求加载过程将试样固定在测试机上，缓慢施加拉伸载荷，直到断裂数据记录记录载荷和伸长量，绘制应力应变曲线-性能评估根据应力应变曲线，计算材料的强度、韧性和弹性等性能指标-试样形状和尺寸对性能的影响几何形状尺寸效应表面缺陷试样的形状和尺寸会影响应力分布，进尺寸效应是指试样尺寸对材料性能的影表面缺陷，如裂纹或凹坑，会对材料的而影响材料的性能例如，圆形试样比响例如，随着试样尺寸的减小，材料强度产生负面影响这些缺陷会成为应方形试样更容易发生应力集中的强度可能会增加力集中的来源，从而导致材料在较低的应力下发生断裂金属材料的屈服形式屈服点屈服平台屈服强度材料在受力后开始发生塑性变形时的应力一些金属材料在屈服点之后，应力略有下屈服平台消失或应力下降到一定程度后，值，通常用表示降，然后保持在一个较低的应力水平，形继续加载，材料的应力又开始上升，此上σy成一个平台，称为屈服平台升趋势代表材料的屈服强度金属材料的加工硬化塑性变形加工硬化程度应用金属材料在塑性变形过程中，内部晶加工硬化程度取决于材料的性质、变加工硬化广泛应用于金属材料的加工体结构发生变化，导致材料硬度和强形量和温度等因素工艺，例如冷轧、冷拔和冲压等度增加金属材料的动态特性冲击韧性疲劳强度蠕变材料承受冲击载荷的能力，如高速物体碰撞材料在反复载荷作用下抵抗断裂的能力，如材料在高温和长期恒定载荷作用下缓慢发生飞机机翼承受反复起降载荷形变的现象，如高温管道或桥梁脆性断裂与韧性分析脆性断裂韧性断裂12材料在没有明显塑性变形的情材料在断裂前会发生明显的塑况下突然断裂，没有明显的预性变形，断裂过程缓慢，有明兆，断裂过程迅速显的预兆影响因素3材料的成分、结构、温度、应力状态等因素会影响材料的断裂行为材料断裂行为分析脆性断裂韧性断裂断裂前无明显塑性变形，断口平断裂前有明显塑性变形，断口粗整，通常在低温或高应变速率下糙，通常在较高温度或低应变速发生率下发生疲劳断裂在循环载荷下，材料在应力集中处产生微裂纹，裂纹扩展并最终导致断裂断裂力学基本概念应力集中断裂韧性应力强度因子裂纹尖端应力集中现象，导致材料失效材料抵抗裂纹扩展的能力表征裂纹尖端应力场强度的参数断裂力学试验方法裂纹尖端应力场测试1测量裂纹尖端附近应力场大小和分布，例如光弹性法、应变花纹法等断裂韧性测试2确定材料抵抗裂纹扩展的能力，包括、等测试方法KIC GIc裂纹扩展速率测试3研究材料在不同载荷和环境条件下的裂纹扩展速度，例如疲劳裂纹扩展试验断裂力学数值模拟4使用有限元等数值方法分析裂纹扩展过程，预测材料断裂行为断裂力学在工程中的应用结构设计与安全材料选择与评估裂纹控制与修复断裂力学可以评估材料的断裂强度，优化根据工程要求选择合适的材料，预测材料对结构中的裂纹进行评估，制定裂纹控制结构设计，提高安全性的断裂行为，评估材料的可靠性策略，防止裂纹扩展，进行有效的修复疲劳失效分析反复载荷导致材料内部微观裂纹的扩展，最裂纹形成、扩展和最终断裂是疲劳失效的典通过分析疲劳裂纹的形成机理，可以有效预终导致结构失效的过程型特征测材料和结构的疲劳寿命，并采取措施延长其使用寿命疲劳强度设计疲劳强度设计旨在确保结构或部件在交变载荷下能安全可靠地工作疲劳失效模型疲劳裂纹萌生和扩展模型曲线模型S-N疲劳寿命预测模型复合材料力学性能强度刚度复合材料具有高强度，可以承受复合材料具有高刚度，可以抵抗很大的拉伸、压缩和剪切载荷弯曲和扭转变形韧性耐腐蚀性复合材料具有高韧性，可以吸收复合材料具有优异的耐腐蚀性，大量的能量而不发生断裂可以抵抗酸、碱和盐的腐蚀先进陶瓷材料性能高强度和硬度耐腐蚀性耐高温低热膨胀系数先进陶瓷材料具有极高的强度这些材料对大多数化学物质和先进陶瓷材料能够承受极高的它们具有较低的热膨胀系数，和硬度，使其能够承受极端的溶剂具有极高的耐腐蚀性，使温度，使其成为高温应用的理这意味着它们在温度变化时不温度和压力其成为腐蚀性环境中的理想选想选择会发生显著尺寸变化择聚合物材料性能高分子结构力学性能化学性能聚合物是由重复的结构单元组成的长链分子聚合物材料表现出独特的力学性能，例如弹聚合物材料的化学稳定性、耐腐蚀性、耐溶，具有灵活性和可塑性，适合制作各种产品性、韧性、强度和耐疲劳性，广泛应用于机剂性，使它们在涂料、密封剂和胶粘剂等方械、电子和建筑领域面发挥重要作用新型功能材料发展趋势智能化多功能性可持续性123智能材料可以感知周围环境的变化并功能材料集多种功能于一身，例如导随着人们对环境保护的日益重视，可做出反应，例如自修复材料和形状记电、发光、磁性和生物活性生物降解材料、可循环材料和可再生忆材料材料越来越受欢迎课程总结与展望本课程从材料的基本概念出发，深入随着科技的进步，新型材料不断涌现讲解了材料的力学性能，包括弹性、，未来材料力学性能研究将更加注重塑性、断裂、疲劳等方面多学科交叉和应用希望同学们能够将所学知识应用于实际工程实践中，为材料科学的发展贡献力量参考文献《材料力学》胡国定，高等教育出版社《材料科学与工程》王海舟，机械工业出《金属材料》王晓刚，机械工业出版社版社。