第一章材料强度基本知识.ppt

材 料 强 度 学 天津大学材料科学与工程学院 2009年11月 目 录 第一章 材料强度的基本知识 第二章 线弹性断裂力学 第三章 弹塑性断裂力学 第四章 防断裂设计与应用 第五章 损伤的概念与理论基础 第六章 连续损伤力学 第七章 细观损伤力学 第八章 损伤的测量 第九章 损伤与断裂力学的互补 第十章 材料的强化与韧化 第一章 材料强度的基本知识 第一节 概 念 第二节 弹性力学基础 第三节 材料的力学性能 第四节 材料的理论断裂强度 第五节 缺陷对材料强度的影响 第六节 材料强度的发展历史 第七节 课程主要内容与参考文献 第一节 概 念 1) 强 度 是材料力学性能的一种；而性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为。 性能具备定量化、从行为过程去理解；并重视环境对性能的影响。 * 强 度： 指材料对变形和断裂的抗力，如材料的屈服强度 、抗拉强度 、抗弯强度 、抗压强度 、抗扭强度和抗剪强度 、疲劳强度 、持久强度 等。 * 影响因素： （1）化学成分：不同的合金，强度也不同。 （2）微观结构（组织）： （3）应力状态：如在三向应力下，材料很难发生变形，断裂韧性明显降低。 （4）环 境：应力腐蚀破裂、腐蚀疲劳、腐蚀磨损、高温蠕变等。 * 用 途： 将强度或强度和韧性，作为进行材料或构件（安全）设计的性能指标（依据）。 2）材料强度学 * 是研究材料力学行为的一个分支。 * 主要研究材料变形与断裂行为及其与应力、环境等外部因素的关系，探明变形与断裂行为的微观机制，建立变形与断裂的定量理论。 * 目的与任务：研究材料强度的本质，探索提高材料强度的途径， 开发在不同环境下具有更高强度的材料。 第二节 弹性力学基础 1）应力分量 （1）体 力：重力、电磁力等。 （2）面 力：风力、接触力、液体压力等。 （3）正应力和切应力： 物体内部单元体六个面上的应力，共有九个应力分量：三个正应力分量（ ）和六个切应力分量( )。这九个应力分量代表了一点的应力状态。 根据切应力互等定理，有 , 所以九个应力分量中，实际上只有六个是独立的，即 。 2）应变分量 （1）位移分量：u、v、w （2）正应变： （3）切应变： 3）平面应力 对薄板，由于板很薄，可以认为在薄板内部所有各点处都有 。这样就只剩下平行于xoy面的三个应力分量 ,而且这三个应力分量都只是x和y的函数，不随z而变化。 应该指出，在平面应力问题中，虽然沿z方向的应力 ,但由于板很薄，前后板面为自由表面，不受任何约束，因而沿z方向的应变并不等于零，即 ，板将随着外力作用变厚或变薄，所以平面应力问题是一个三向应变问题。 4）平面应变 对厚板，由于横截面的形状、大小和外力都与z坐标无关，因此，应力分量和应变分量也与z无关，只是x和y的函数。在距离端部较远的地方，每一薄片单元在z方向的变形都要受到两侧材料的阻止，变形只能发生在薄片平面内，即 。 应该指出，在平面应变问题中，虽然沿z方向的应变等于零，但由于在z方向的伸缩受到阻止，因此沿z方向的应力就不等于零，即 ,所以平面应变问题是一个三向应力问题。 5）虎克定律 第三节 材料的力学性能 1）材料的应力-应变曲线 分为弹性变形、屈服、应变（形变）强化、颈缩和断裂等阶段。 2）弹性变形 物理机制：原子系统在外力作用下离开其平衡位置达到新的平衡状态的过程，因此，对弹性变形的讨论，必须从原子间的结合力模型开始。 　　假定有两个原子，原子之间存在长程的吸引力和短程的排斥力，作用力P随原子间距的变化关系如下： 　　 式中，A和B分别为与原子本性和晶格类型有关的常数。式中第一项为引力，第二项为斥力。 　　原子间作用力与原子间距的关系为抛物线，并不是线性关系。 当原子间距与平衡位置r0的偏离很小时，由数学处理