chapter-1-金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能

1、第一章 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能,本章目的：（1）揭示金屬變形和斷裂的基本規(guī)律；（2）闡述靜載荷下各種力學(xué)性能指標(biāo)的本質(zhì)、意義、相互關(guān)系及變化規(guī)律；（3）掌握靜拉伸試驗(yàn)方法。,一、靜拉伸試驗(yàn)的目的（意義）與條件 目的：揭示金屬變形和斷裂的基本規(guī)律 條件： ——受力簡單、試樣理想 具體： 環(huán)境：常溫、空氣介質(zhì) 載荷：靜負(fù)荷、軸向單拉伸 試樣: 表面光滑、圓

2、棒形,§1 力－伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線,2.1拉伸試樣與拉伸曲線,一般采用圓形或板形二種試樣?？煞譃槿齻€(gè)部分，即工作部分、過渡部分和夾持部分。其中工作部分必須表面光滑，以保證材料表面也是單向拉伸狀態(tài)；過渡部分必須有適當(dāng)?shù)呐_階和圓角，以降低應(yīng)力集中，避免該處變形和斷裂；夾持部分是與試驗(yàn)機(jī)夾頭連接的部分，以定位試樣。,圖2.1 常用的拉伸試樣幾何,比例試樣尺寸要求：,長試樣,短試樣,,,拉伸試驗(yàn)機(jī),拉伸曲線（拉伸圖）：由拉伸試驗(yàn)

3、機(jī)自動記錄或繪圖裝置，將作用在試樣上的力和所引起的伸長自動記錄繪出的力-伸長曲線。應(yīng)力-應(yīng)變曲線：由拉伸曲線經(jīng)換算可以得相應(yīng)的到工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線。,,,圖2.2 低碳鋼典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,相互關(guān)系：二者具有相同或相似的形狀，但坐標(biāo)刻度不同，意義不同；拉伸曲線不能直接給出材料的力學(xué)性能指標(biāo)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線可直接給出材料的力學(xué)性能指標(biāo)。,Ⅰ：彈性變形 線性、可逆性 Ⅱ：屈服階段 塑性流動、不可逆 Ⅲ：均勻

4、塑性變形 應(yīng)變硬化 Ⅳ：不均勻集中塑性變形 ——頸縮現(xiàn)象,二、低碳鋼拉伸曲線及應(yīng)力應(yīng)變曲線 1 低碳鋼拉伸曲線——典型性 拉伸力作用下的變形過程分為四個(gè)階段：,過程：彈性變形→彈塑性變形→斷裂,四個(gè)階段特征：,彈性變形階段：曲線的起始部分，圖中的oa段。多數(shù)情況下呈直線形式，符合虎克定律。屈服階段：超出彈性變形范圍之后，有的材料在塑性變形初期產(chǎn)生明顯的塑性流動。此時(shí)，在外力不增加或增加很小或略有降低的情況下

5、，變形繼續(xù)產(chǎn)生，拉伸圖上出現(xiàn)平臺或呈鋸齒狀，如圖中的ab段。均勻變形階段：屈服后，欲繼續(xù)變形，必須不斷增加載荷，此階段的變形是均勻的，直到曲線達(dá)到最高點(diǎn)，均勻變形結(jié)束，如圖中的bc段。 形變硬化：隨塑性變形增大，變形抗力不斷增加的現(xiàn)象。局部變形階段：從試樣承受的最大應(yīng)力點(diǎn)開始直到斷裂點(diǎn)為止，如圖中的cd段。在此階段，隨變形增大，載荷不斷下降，產(chǎn)生大量不均勻變形，且集中在頸縮處，最后載荷達(dá)到斷裂載荷時(shí)，試樣斷裂。,注意：(1)

6、實(shí)際使用的金屬材料，多數(shù)無屈服現(xiàn)象 或四階段不全；(2)拉伸曲線反映了受力后變形的特性，以及材料抵抗變形、斷裂的能力。,基于試樣初始截面和初始長度定義的應(yīng)力、應(yīng)變——稱為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變。,2 工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線,,,條件應(yīng)力：σ＝條件應(yīng)變(以長度表示)： ε＝ (以面積表示)： ψ＝,圖1-2 低碳鋼的工程應(yīng)力一工程應(yīng)變曲線,比例極限: ?P 彈性極限: ?e屈服極限: ?s抗拉強(qiáng)度: ?b

7、斷裂極限: ?k,——工程應(yīng)力應(yīng)變曲線意義：可以建立材料經(jīng)拉伸條件下的力學(xué)性能指標(biāo),,另：彈性應(yīng)變量、 塑性應(yīng)變量等,,注：（1）三者彈性模量相同，但屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度不同； （2） 低碳鋼與中碳鋼存在明顯屈服現(xiàn)象，高碳鋼無明顯屈服現(xiàn)象 ——本章結(jié)束后能解釋,,注：比較材料的軟硬與塑性好壞之間的差別,真實(shí)應(yīng)變 e:,真實(shí)應(yīng)力S： S =,3 真應(yīng)力－真實(shí)應(yīng)變曲線,= σ(1+ ε),→,→,σ-ε：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線,1 工

8、程應(yīng)力—應(yīng)變曲線中“頸縮”現(xiàn)象掩蓋了 “加工硬化”。2 思考：是否曲線不下垂就是S–e曲線。,S -e：真應(yīng)力真應(yīng)變曲線,真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線與工程應(yīng)力一工程應(yīng)變曲線之間的差別,圖1－4 典型金屬的真實(shí)應(yīng)力－真實(shí)應(yīng)變曲線,(1)隨變形加劇，變形抗力增大——形變強(qiáng)化；(2)不同金屬的形變強(qiáng)化能力各不相同。,思考：哪種材質(zhì)適于制造礦山用鉆頭？,圖1－4 典型金屬的真實(shí)應(yīng)力－真實(shí)應(yīng)變曲線,例如：高錳鋼初始強(qiáng)度不高，但形變強(qiáng)化能力強(qiáng)——

9、適于制造礦山用鉆頭,工程常用彈性常數(shù),彈性模量（E） （單向受力狀態(tài)下） 它反映材料抵抗正應(yīng)變的能力。切變模量（G） （純剪受力狀態(tài)下） 它反映材料抵抗切應(yīng)變的能力。泊松比（ ） （單向-X方向受力狀態(tài)下） 它反映材料橫向正應(yīng)變與受力方向正應(yīng)變的相對比值。,,,,,§2 彈性變形階段的力學(xué)性能,1.1 彈性

10、變形、Hooke 定律和彈性模量,彈性變形：原子系統(tǒng)在外力作用下離開原來的平衡位置達(dá)到新的平衡狀態(tài)的過程。 注意：新的平衡狀態(tài)要由外力來維持，且原子所在的位置并不是它的平衡位置。（可逆性）Hooke定律：金屬彈性變形時(shí)，外力與應(yīng)變成正比。 即：彈性模量：金屬彈性變形時(shí)外力與應(yīng)變的比例因子。（反映產(chǎn)生單位彈性應(yīng)變的抗力） 符號為E，量綱為MPa，在變形曲線上為初始階段直線的斜率，它表征應(yīng)力隨應(yīng)變增長的強(qiáng)度。,,

11、1 彈性變形的特點(diǎn)：,一、彈性變形及其物理本質(zhì),,(1)可逆性；(2)應(yīng)力應(yīng)變間單值對應(yīng)、 近線性關(guān)系 ； 符合虎克定律： σ＝Eε,(3)變形量小：0.5－1% 原因：材料內(nèi)部存在 缺陷：位錯(cuò)、 裂紋、夾雜等,Hooke定律的推導(dǎo)——雙原子模型,圖1.1 二個(gè)原子間的相互作用力,金屬的彈性變形來源于原子間的相互作用——吸引力和排斥力。對以金屬鍵結(jié)合為主的晶體而言，可

12、以認(rèn)為：吸引力是金屬正離子與公有電子之間庫侖引力作用的結(jié)果，因它在比原子間距大得多的距離處仍然起作用并可占優(yōu)勢（圖中曲線1），所以吸引力是長程力；而排斥力則是短程力，它只有在原子間距離很接近時(shí)才起主導(dǎo)作用（曲線2）。二者的合力如圖中曲線3所示。,因此，當(dāng)吸引力和排斥力達(dá)到平衡時(shí)，二原子間平衡距離便確定了，為 ，相應(yīng)地處于最低能量狀態(tài)。,,顯然，當(dāng)外力使原子靠近或分開時(shí)，原子的平衡狀態(tài)就被破壞，于是在外力、吸引力、排斥力之間建立起

13、新的平衡，二原子便穩(wěn)定在新的平衡距離上，假設(shè)為a，相應(yīng)地金屬便產(chǎn)生了彈性變形。,,1 彈性模量的物理意義： 彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即產(chǎn)生單位彈性應(yīng)變所需應(yīng)力的大小，是金屬對彈性變形的抗力，表征了材料彈性變形難易，E↑，難。,二、彈性模量 Hooke定律： 正應(yīng)力時(shí)：σ＝E·ε 切應(yīng)力時(shí)：τ＝G·γ,,正彈性模量,,切彈性模量,2 彈性模量的工程技術(shù)意義 機(jī)床主軸、鏜床彈

14、桿、刀架、梁等對彈性變形量(撓度)有嚴(yán)格要求。 ——?jiǎng)偠纫?原因：剛度小易于彈性變形，過量的彈性變形導(dǎo)致構(gòu)件失穩(wěn)、加工精度降低等,—— 工程上 E 稱為材料的剛度—— EA 則為實(shí)際構(gòu)件的剛度,E＝σ/ε＝,提高構(gòu)件剛度的途徑： ① 選擇高彈性模量材料； ② 加大構(gòu)件截面積,剛度（E）的實(shí)用意義：——是衡量構(gòu)件抵抗彈性變形的能力以及構(gòu)件穩(wěn)定性的重要指標(biāo)；,例：制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)的鋁合金

15、 抗拉強(qiáng)度大約650 MN/mm2以下；若提高強(qiáng)度，截面積可減少——但剛度不夠 ——工程設(shè)計(jì)中強(qiáng)度、剛度均需校核 有時(shí)寧可選擇強(qiáng)度較低、高彈性模量材料,空間飛行器要求較高的比彈性模量＝E/ρ,幾種材料在常溫下的彈性模量（MPa）,現(xiàn)象1： 無機(jī)非金屬材料、金屬、合金E↑；高分子聚合物 E ↓；現(xiàn)象2：超高強(qiáng)度鋼較低碳鋼強(qiáng)度高十倍。但二者E值基本相同。 ——主要與原子間結(jié)合力(結(jié)合鍵)有關(guān),3 影響彈性模量的因素,,,

16、（1）與原子間結(jié)合力有關(guān)： ——原子間距離或原子半徑 a或r愈小， E 愈大 E = k / a m m>1 價(jià)電子數(shù)：價(jià)電子數(shù)愈多， E 愈大注意特殊：過渡族金屬較普通金屬E值高 原因：d 層電子較多，原子結(jié)合力大，且隨原子半徑增大而增大 ——合金元素影響小,,（2）溫 度 T↑，a ↑，E↓ 原因：影響原子間距離及原子間結(jié)合力 Fe: 每升高1

17、00 ℃ ，E下降約3～4％,溫度的影響總體較小，故一般不需考慮溫度變化引起的剛度問題；但精密儀表、高精度機(jī)床中某些零件除外。解決方法：恒溫環(huán)境 采用恒彈合金,(3)加載速度 基本不影響 原因： 彈性變形速度相當(dāng)于聲速，金屬、無機(jī)物中達(dá)幾千m/s，擺錘沖擊速度僅4~6 m/s。 應(yīng)用：沖擊負(fù)荷的測定 利用彈性模量不變，測定應(yīng)變值即可： 即σ＝E·ε,(4)合金

18、化、熱處理、 冷加工的影響 ——取決于對原子間鍵合力的影響 E為非組織敏感參量，故影響小。 例: 中高碳鋼淬火后 E 下降<10%; 隨回火溫度升高，E 逐漸回升。,——E是力學(xué)性能中組織最不敏感參量。,另：單晶體 E 值各向異性； 原因：不同晶向原子排列不同 ——沿原子密排晶向上的彈性模量較大。 多晶體 E 偽各向同性 如：α-Fe單晶體室溫下 沿晶向

19、: E=2.7 ×105MPa 沿晶向: E=1.25 ×105MPa 非晶態(tài)材料玻璃等——各向同性,1 彈性極限? e ——彈性變形的抗力 ——由彈性變形過渡到彈－塑性 變形時(shí)的應(yīng)力, 但實(shí)際難測， 規(guī)定采用非比例伸長應(yīng)力?p0.01或?p0.05 ：產(chǎn)生規(guī)定非比例伸長率0.01%或0.05%時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力; 2 彈性模量 E（前已述） ——彈性變形的難

20、易 3 最大彈性變形量εE,三、金屬的彈性指標(biāo),,4、彈性比功 WE（彈性比能、應(yīng)變比能） 選材時(shí)須綜合考慮E、εE、? P。 ——引入彈性比功 WE：表示材料吸收彈性變形功的能力。,,W ＝ ½(FPΔlE)，兩端各除以A0l0 WE＝ ½(σPεE) ＝σP2/2E,,單位體積內(nèi)吸收的彈性功,提高比例極限σP比降低E更有效,,彈簧或彈性元件的材料要求高的彈性比功： ?P

21、大 ，E 小 例如彈簧鋼成分與工藝設(shè)計(jì)目的均是為↑?P （1）加Si、Mn——固溶強(qiáng)化;（2）淬火＋中溫回火——細(xì)小第二相強(qiáng)化、 位錯(cuò)強(qiáng)化;（3）冷拉——位錯(cuò)強(qiáng)化.,彈性比功的意義：金屬開始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功，也是一個(gè)韌度指標(biāo)。,,,?,0,e,,1,,?P =240N/mm,3,178,4,287,5,85,初始拉伸,初始壓縮,初始壓縮后卸載，再進(jìn)行第二次

22、壓縮,初始壓縮后卸載，第二次進(jìn)行拉伸,1 包申格效應(yīng),2,301,初始拉伸后卸載，再進(jìn)行第二次拉伸,第三節(jié) 彈性的不完整性,實(shí)際材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在各種缺陷——彈性的不完整性,圖1 退火軋制黃銅在不同載荷條件下彈性極限的變化情況,(1)定義： 產(chǎn)生了少量塑性變形（1～4％）的材料，再同向加載，則規(guī)定殘余伸長應(yīng)力σr（彈性極限σe與屈服強(qiáng)度σs）升高；反向加載則規(guī)定殘余伸長應(yīng)力σr（彈性極限σe與屈服強(qiáng)度σs）降低的

23、現(xiàn)象，稱為包申格效應(yīng)。,(2)產(chǎn)生原因： 與位錯(cuò)運(yùn)動所受的阻力變化有關(guān)。 預(yù)先的少量塑性變形→位錯(cuò)在運(yùn)動前沿受阻產(chǎn)生聚集，甚至形成位錯(cuò)胞→提高同向強(qiáng)度； 反方向上，位錯(cuò)阻力小→降低反向強(qiáng)度,(3)實(shí)際意義： 害處：交變載荷工件強(qiáng)度下降問題； 利用：薄板反向彎曲易于成形等 (4)消除：(1)預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形 （2）二次受力前回復(fù)或再結(jié)晶退火。,2 滯彈性變形,理想的彈性體加載時(shí)立即產(chǎn)生變

24、形，卸載后立即恢復(fù)原狀，即載荷和變形的變化完全同步。但對實(shí)際工程材料，在受載后的變形并不是馬上達(dá)到平衡值，卸載后也不是立刻完全恢復(fù)。也就是說，彈性變形過程中的應(yīng)變不僅是應(yīng)力的函數(shù)，而且還是時(shí)間的函數(shù)。滯彈性變形（彈性后效） ：應(yīng)變落后于外加載荷并和時(shí)間有關(guān)的彈性變形。,圖1.1 理想晶體彈性變形示意圖,圖1.2滯彈性變形示意圖,實(shí)際金屬在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，開始時(shí)沿OA線產(chǎn)生瞬時(shí)彈性應(yīng)變oa，如果載荷保持不變，還產(chǎn)生隨時(shí)間延長而

25、逐漸增加的應(yīng)變aH。這種在加載狀態(tài)下產(chǎn)生的滯彈性變形稱為正彈性后效。卸載時(shí)，延BC線只有應(yīng)變Hc立即消失，而應(yīng)變co是卸載后隨時(shí)間延長才緩慢消失的，這種在卸載后產(chǎn)生的滯彈性變形稱為反彈性后效。在滯彈性變形期間產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變稱為滯彈性應(yīng)變。滯彈性應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況如上圖中下半部分所示。其中，正彈性后效ab段和反彈性后效de段的滯彈性應(yīng)變都是時(shí)間的函數(shù)，而瞬時(shí)彈性應(yīng)變oa段和bd段則與時(shí)間無關(guān)。,,,（2）種類：正彈性后效：加載時(shí)應(yīng)

26、變落后于應(yīng)力而和時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象。反彈性后效：卸載時(shí)應(yīng)變落后于應(yīng)力而和時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象。,（1）定義：是指材料在快速加載或卸載后，隨時(shí)間的延長而產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變，即應(yīng)變落后于應(yīng)力的性能。,金屬在彈性區(qū)內(nèi)加載卸載時(shí)，由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，封閉回線稱為彈性滯后環(huán)。 意義：材料吸收的變形功的大小,(6) 滯后環(huán)與循環(huán)韌性,彈性滯后環(huán)與循環(huán)韌性,彈性滯后環(huán)：彈性變形時(shí)因應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，使加載線和卸

27、載線不重合而形成的回線稱為彈性滯后環(huán)。,圖1.3彈性滯后環(huán)的形狀,彈性滯后環(huán)的形狀主要與載荷類型和加載速率有關(guān)!,內(nèi)耗：由彈性滯后環(huán)表征的加載時(shí)消耗于金屬的變形功大于卸載時(shí)金屬釋放的變形功，而殘留在金屬內(nèi)部的部分變形功。其大小可由滯后環(huán)的面積表示。循環(huán)韌性：一個(gè)應(yīng)力循環(huán)中金屬的內(nèi)耗稱為循環(huán)韌性。 意義：反映材料在單向或交變循環(huán)載荷作用下，能以不可逆的能量方式吸收而又不破壞的能力，即有靠自身消除機(jī)械振動的能力（消震性）。

28、應(yīng)用：工程上有截然相反的要求。儀器、儀表中的測力彈簧不允許有彈性后效，以保證其測量精度；而不允許有附加振動的零件（如床身、葉片等）要求使用循環(huán)韌性較大的材料，以達(dá)到消震的目的。,彈性滯后環(huán)與循環(huán)韌性,循環(huán)韌性（內(nèi)耗）的意義（P7）： 循環(huán)韌性是金屬的力學(xué)性能，它表示材料吸收不可逆變形功的能力，又稱為消振性。 低內(nèi)耗材質(zhì)——振動衰減慢 ——音叉、鐘、琴弦、簧片等 高內(nèi)耗材質(zhì)——振動衰減快 ——制

29、作消震、消聲件（發(fā)動機(jī)缸體、飛機(jī)螺旋槳、汽輪機(jī)葉片）例：灰口鑄鐵——機(jī)床床身、機(jī)器支架、,第四節(jié) 塑性變形階段的力學(xué)性能,一、塑性變形的方式 主要方式：滑移和孿生 滑移是金屬在切應(yīng)力作用下沿滑移面和滑移方向進(jìn)行的切變過程。,孿生是發(fā)生在金屬晶體內(nèi)部局部區(qū)域的一個(gè)均勻切變過程。切變區(qū)的寬度較小，切變后已變形區(qū)的晶體取向與未變形區(qū)的晶體取向成鏡面對稱關(guān)系。,,,,,孿晶帶,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

30、,,,,,,,,,,,,,,,,孿生面,孿生面,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,孿生示意圖,,,,,1 屈服定義：材料承受載荷時(shí)，當(dāng)載荷不再增加而仍繼續(xù)發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。 ——宏觀塑性變形開始的標(biāo)志。,二、屈服現(xiàn)象及產(chǎn)生原因,試樣局部區(qū)域出現(xiàn)呂德斯帶,2 產(chǎn)生原因： 理論一：柯氏氣團(tuán)釘扎理論 C、N原子形成柯氏氣團(tuán)，釘扎位錯(cuò)，使位錯(cuò)運(yùn)動受阻——存

31、在上屈服點(diǎn),位錯(cuò)從柯氏氣團(tuán)擺脫釘扎后，可低應(yīng)力運(yùn)動 ——下屈服點(diǎn),理論二、低密度可動位錯(cuò)理論 位錯(cuò)密度ρ、其運(yùn)動平均速率 、柏氏矢量b 和塑性應(yīng)變速率ε之間的關(guān)系：,,,,位錯(cuò)運(yùn)動速率應(yīng)力敏感指數(shù),3 產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的條件(P10) （1）材料變形前可動位錯(cuò)密度很??； （2）隨塑性變形發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖； （3）位錯(cuò)運(yùn)動速率應(yīng)力敏感指數(shù)m′小。,其它強(qiáng)化機(jī)制如第二相對位錯(cuò)運(yùn)動的影響更大,fc

32、c結(jié)構(gòu)，m′大,,,原因：(1)實(shí)際位錯(cuò)密度仍較大，但大多被釘扎；(2)具有bcc結(jié)構(gòu)，其m′小,問題：為什么退火、正火、調(diào)質(zhì)態(tài)低碳鋼、中碳鋼屈服明顯，而銅、鋁、高碳鋼屈服不明顯？,,,,,3 屈服現(xiàn)象的意義及消除 ——塑性變形開始的標(biāo)志； 害處：冷成形低碳鋼板表面的皺褶現(xiàn)象 消除方法： （1）添加少量Al、Ti固定C、N； （2）先1～2％的預(yù)軋變形，再沖擊變形,三、塑性變形階段的力學(xué)性能,1 強(qiáng)度指標(biāo)： （1）屈服

33、強(qiáng)度σs ：試樣出現(xiàn)應(yīng)力不再增加而變形仍在進(jìn)行的現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。 計(jì)算式：σs=Fs/A0 有屈服平臺：屈服點(diǎn)或下屈服點(diǎn) 無屈服平臺：規(guī)定殘余伸長應(yīng)力σr0.2 殘余塑性變形量為0.2%的應(yīng)力 ┗ 條件屈服強(qiáng)度 ——材料抵抗微量塑性變形的抗力。,,低碳鋼,銅,實(shí)際中，比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度均為抵抗微量塑性變形的指標(biāo),,（2）抗拉強(qiáng)度σb ：

34、 使試樣保持最大均勻變形的極限應(yīng)力，又稱為強(qiáng)度極限。 用拉伸條件下材料所能承受的最大載荷的應(yīng)力值表示，計(jì)算式： σb=Fb/A0 ——表征材料對最大均勻塑性變形的抗力。注意：非最大真應(yīng)力，也非斷裂負(fù)荷 另：屈強(qiáng)比（ σs / σb ）：0.6~0.85 屈強(qiáng)比高，強(qiáng)度利用率高； 屈強(qiáng)比低，安全性高 —— 綜合考慮材料利用率和安全性,,2 塑性指標(biāo)： 塑性

35、定義：材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變形的能力稱為～。 塑性的意義：①偶然過載時(shí)，塑性變形造成應(yīng)變硬化,可一定程度上抵抗超負(fù)荷；②構(gòu)件內(nèi)部存在應(yīng)力集中(溝、槽、臺階等)時(shí)，通過塑性變形使應(yīng)力緩解、重新分布；③材料可加工、易成型性，可裝配、修復(fù) ——良好的塑性（而非強(qiáng)度）是金屬作為結(jié)構(gòu)件的主要原因。,塑性衡量指標(biāo)有二：（1） 斷后伸長率δ——延伸率 δ = ΔL/L0 =(L1-L0)/L0,那

36、么，δ是否與 試樣尺寸無關(guān)？,斷裂后的總伸長ΔLk= ΔLg＋ΔLN,故：δ＝ΔLk/ L0=(βL0＋γA01/2)/L0 δ＝ β＋γA01/2/L0,,,ΔLN,ΔLg：頸縮前均勻塑性伸長——與L0有關(guān),ΔLN：頸縮后局部塑性伸長——與A0有關(guān),,ΔLg,δ＝ β＋γA01/2/L0 結(jié)論： （1）δ與A0、L0有關(guān)： A0相同時(shí)， L0愈長則δ愈??； L0相同時(shí)， A0愈大則δ愈大 （

37、2）為使δ具有可比性， L0/A01/2需為常數(shù)： ——國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：此值為5.65、11.3 分別對應(yīng)前所述 L0 = 5d0; L0 = 10d0; (3) 不能用δ5 與δ10相比較： 同種材料的δ5 為δ10的1.2～1.5倍,（2）斷面收縮率ψ 試樣拉斷后頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。 ψ =ΔA/A0＝（A0－A1）/A0×10

38、0%；,問題一、ψ與δ之間相等嗎？ψ與δ哪個(gè)更接近真實(shí)塑性？ 問題二、工程塑性δ、ψ與真塑性 e、ψe之間的關(guān)系？,均勻變形階段，利用體積不變定律可推導(dǎo)出： ψ＝ δ/(1+δ); ——得：δ> ψ均勻+不均勻變形即存在頸縮現(xiàn)象時(shí)： ψ 較 δ顯著增大，且 ψ > δ,即：無論是否存在頸縮，塑性變形階段兩個(gè)工程塑性指標(biāo)δ、ψ均不相等,,均勻變形時(shí)δ與ψ關(guān)系的推導(dǎo):,均勻變形

39、時(shí)有： L0S0=LS 另： L=L0+ΔL=L0(1+ΔL/L0)=L0 (1+δ) S=S0-ΔS=S0(1-ΔS/S0)=S0 (1-ψ)故： L0S0=L0 (1+δ)S0 (1-ψ) 1＝ (1+δ)(1-ψ)有： δ＝ ψ/(1-ψ); ψ＝ δ/(1+δ);,,首先需建立Ψ、δ與真實(shí)塑性指標(biāo)e 、ψe間的關(guān)系，均勻變形階段有： ψe＝lnA/A0；e=ln

40、L/L0 而：A/A0＝L0/L ； ——得：ψe＝- e,即：均勻塑性變形階段，兩個(gè)真實(shí)塑性 指標(biāo)ψe、 e相等,問題：Ψ與δ，哪個(gè)更接近真實(shí)塑性？,進(jìn)一步推導(dǎo)出均勻變形階段四個(gè)塑性指標(biāo)間的關(guān)系為： e ＝-ψe＝ln(1+δ)＝ln1/(1-ψ) 通過數(shù)學(xué)分析有以下結(jié)論：（1）僅形變量 e =ψe>ψ（2）變形量<30%時(shí)，ψ更接近e 、ψe ——以上為均勻塑性變形階段的結(jié)果

41、 那么，存在頸縮現(xiàn)象時(shí)呢？,塑性變形中的“頸縮”現(xiàn)象 定義：拉伸試驗(yàn)中載荷達(dá)最大值后變形集中于局部區(qū)域而導(dǎo)致試樣某一部分截面收縮的現(xiàn)象。 δ= δ均勻＋δ不均勻 ψ=ψ均勻＋ψ不均勻 實(shí)踐表明，存在頸縮時(shí)： ψ>δ 且ψ比δ更接近真實(shí)塑性,結(jié)論：（1）ψ比δ更真實(shí)反映材料塑性；（2）根據(jù)材料δ與ψ的大小可判斷材料是否形成頸縮 δ>ψ——無頸縮

42、 ψ>δ——頸縮，差別越大越嚴(yán)重例如： 高錳鋼: δ≈55％，ψ≈35％，無頸縮 12CrNi3: δ≈26％，ψ≈65％，頸縮,屈服過程是位錯(cuò)運(yùn)動過程，純金屬單晶體的屈服強(qiáng)度理論上講是位錯(cuò)開始運(yùn)動所需的臨界切應(yīng)力，故所有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動的因素均提高屈服強(qiáng)度。位錯(cuò)阻力： 晶格阻力；晶格缺陷的阻力。,四、影響屈服強(qiáng)度的因素,① 晶體結(jié)構(gòu) 晶格阻力也稱派納力τp-n——理想晶體中僅存在一個(gè)位錯(cuò)運(yùn)動時(shí)所須克服的阻力。

43、,G: 切變模量； ν：泊松比 a: 滑移面晶面間距 b：柏氏矢量的模。 ω=a/(1-ν)：位錯(cuò)的寬度,結(jié)論：（1）晶體滑移所需克服的切應(yīng)力是很低的： 派納力約為（10－3～10－4）G;（2）滑移面間距a值越大，柏氏矢量的模 b值越小，則晶格阻力越小； ——滑移系取最密排面——a值最大 最密排晶向——b值最??；（3）位錯(cuò)寬度越小，滑移的晶格阻力越大。,塑性材料——位

44、錯(cuò)寬度約10個(gè)原子間距； 陶瓷及定向共價(jià)鍵材料，位錯(cuò)寬度很小 ——晶格阻力大、脆 另：σs(f.c.c,位錯(cuò)寬度大)< σs(b.c.c),② 位錯(cuò)密度 通過增加位錯(cuò)密度提高金屬強(qiáng)度的方法 ——位錯(cuò)強(qiáng)化： 強(qiáng)化量△σ＝αGbρ1/2 α：強(qiáng)化系數(shù)； G：切彈性模量； b：柏氏矢量； ρ：位錯(cuò)密度,提高位錯(cuò)密度的方法： 塑性變形； 加合金元素：固

45、溶體 第二相,③ 溶質(zhì)原子,在純金屬中加入溶質(zhì)原子形成固溶體合金，將顯著提高屈服強(qiáng)度，稱為固溶強(qiáng)化。,,σi: 決定于晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)密度的位錯(cuò)運(yùn)動總阻力。 用細(xì)化晶粒提高金屬屈服強(qiáng)度的方法叫做細(xì)晶強(qiáng)化。 Ⅰ、亞晶界也適用Hall-Patch公式 Ⅱ、納米尺度仍適用,④ 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) Hall-Patch公式： σs = σi+kyd-1/2,⑤ 第二相,a.

46、 沉淀強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化的相同點(diǎn) 第二相以細(xì)小顆粒形式分布于基體中。,b. 沉淀強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化之間的不同點(diǎn),,,影響第二相強(qiáng)化效果的其它因素 第二相的尺寸、數(shù)量和形狀，以及第二相與基體的強(qiáng)度、塑性和應(yīng)變硬化特征、兩相之間的晶體學(xué)配合和界面能等因素有關(guān)。 綜上所述，表征金屬微量塑性變形抗力的屈服強(qiáng)度是一個(gè)對成分、組織極為敏感的力學(xué)性能指標(biāo)?！赏ㄟ^改變成分或熱處理提高屈服強(qiáng)度。,⑥ 其它外在因素 Ⅰ 溫度:

47、T↑，σs↓。原因：T↑，位錯(cuò)密度↓；同時(shí)晶界弱化,,Ⅱ 應(yīng)變速率增大，σs↑。 原因：塑性變形需時(shí)間，尤滑移面的轉(zhuǎn)動。 Ⅲ 應(yīng)力狀態(tài) 切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度則越低。——非材質(zhì)性質(zhì)的變化,bcc結(jié)構(gòu)金屬的σs對溫度敏感：——低溫脆性大,原因： τp-n(bcc)>>τp-n(fcc) 而τp-n受溫度影響大,W晶體結(jié)構(gòu)       

48、 α-W：穩(wěn)定晶型，體心立方，a=(0.316254 ± 0.000004)nm(25℃)；β-W：亞穩(wěn)晶型，立方A15晶格，加熱至600~700℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?W，a=0.5037~0.509nm；γ-W：面心立方，僅發(fā)現(xiàn)在濺射最初期的薄層和無定形鎢中，a=0.423 nm，>700℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?W,Mo的晶體結(jié)構(gòu)是否存在相變？若有，相變與力學(xué)性能有何關(guān)系？,五、應(yīng)變硬化（形變強(qiáng)化） 材料在應(yīng)力作用下進(jìn)入塑

49、性變形階段后，隨著變形量的增大，形變應(yīng)力不斷提高的現(xiàn)象 機(jī)理：位錯(cuò)的增殖與交互作用導(dǎo)致的阻礙,(1)多晶體金屬的應(yīng)力―應(yīng)變曲線,(2) 均勻塑性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系式 實(shí)驗(yàn)證明：S=Ken。,S=K·en。討論：① n=0則S=K，S為常數(shù)，與e無關(guān) ——無形變強(qiáng)化能力。 例如：在室溫下即產(chǎn)生再結(jié)晶的軟金屬如Pb、Sn等，或已受強(qiáng)烈加工硬化的材料。②

50、n=1則S=K·e，S與e線性關(guān)系 ——理想彈性體。③ n從0到1區(qū)間內(nèi)，形變強(qiáng)化能力上升。 大多數(shù)金屬n在0.1－0.5之間。,（3）n 的意義： a、反映了金屬材料抵抗、阻止繼續(xù)塑性變形的能力，是表征金屬材料應(yīng)變硬化的性能指標(biāo)； b、n 較大，變形則較均勻；抗偶然過載能力較強(qiáng)；安全性相對較好； ——n 值的高低表示了材料發(fā)生頸縮前依靠硬化使材料均勻變形能力的大小。 c、應(yīng)變硬化是強(qiáng)化的重要手段之

51、一，尤不能熱處理的材料，如純金屬、無固態(tài)相變金屬等。,例如：① 噴丸強(qiáng)化② 18－8不銹鋼的形變強(qiáng)化： ψ＝40％時(shí)， σb↑2倍， σs↑ 4～5倍③ 復(fù)相鋼(F+10～15％M)的形變強(qiáng)化在汽車工業(yè)上的應(yīng)用： 同時(shí)↑ψ、σ,（4）n的測定——實(shí)驗(yàn)測定法（GB5028-85） 由S=Ken → lgS=lgK＋nlge —— 雙對數(shù)坐標(biāo) ① lgS與lge線性關(guān)系， 由于 S=

52、(1+ε)σ; e=ln(1+ε) 只要在拉伸曲線上 確定幾個(gè)σ、ε即可。,② lge＝0 處可求K值③ 直線斜率即為n,幾種金屬的 n 值和層錯(cuò)能（mJm-2）,fcc金屬的n值比bcc金屬要高； fcc金屬中層錯(cuò)能低的材料比層錯(cuò)能高的硬化能力大——實(shí)質(zhì)影響因素是層錯(cuò)能 原因：層錯(cuò)能低不易交滑移——易位錯(cuò)增殖 ——① 層錯(cuò)能低的 n 值較高,（5）影響 n 值的因素,② 材料的強(qiáng)度： 經(jīng)

53、驗(yàn)式： n·σs = 常數(shù)——反比關(guān)系 經(jīng)過硬化的材料 n 值會減少 注：拉伸試樣出現(xiàn)均勻塑性變形階段的前提是材料必須有足夠的應(yīng)變硬化能力。,影響σb的因素：(1)所有影響σs的因素均影響σb;但程度不同(2)與裂紋、夾雜等應(yīng)力集中因素有關(guān),幾種強(qiáng)度指標(biāo)： σs、σ0.2、σp、σe、σb 機(jī)器零件多采用屈服強(qiáng)度；變形要求嚴(yán)的零件如火炮炮鏜可采用比例極限；變形要求不高或?qū)χ亓肯拗坪車?yán)格而服役

54、期很短的構(gòu)件如火箭上某些構(gòu)件可采用抗拉強(qiáng)度；,,,微量塑變抗力指標(biāo)——結(jié)構(gòu)材料工程設(shè)計(jì)中最重要指標(biāo),第五節(jié) 金屬的斷裂,1943年1月，一艘剛通過試船的油輪在碼頭停泊時(shí)，突然一聲巨響折斷為二。 核算后當(dāng)時(shí)所受拉應(yīng)力僅為70MN/m2，而低碳鋼船體的σs為250MN/m2，σb為400～500MN/m2； ┗ 低應(yīng)力斷裂 調(diào)查后發(fā)現(xiàn)：(1) 氣溫為－5℃； (2)內(nèi)部存在>0.1～10m

55、m的裂紋 斷裂往往與裂紋有關(guān)——脆性斷裂,一、斷裂的類型及斷口的特征 (P24) 1 斷裂類型,斷口與主應(yīng)力成45°，斷面暗灰色、纖維狀,斷口平齊而光亮，斷面呈放射狀或結(jié)晶狀,,,,,,,,,,,,,,,解理斷裂定義: 在一定條件下，在正應(yīng)力作用下由于原子間結(jié)合鍵力的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂稱為～。,剪切斷裂：材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，一般為韌性斷裂。,注意：①

56、并不只是脆性材料才發(fā)生脆性斷裂，塑性較好的材料也可能發(fā)生脆斷： 如：低溫時(shí)； 加載速度極快時(shí)——沖擊②脆斷時(shí)局部區(qū)域仍存在一定塑性變形 ——微觀區(qū)域可能存在韌斷特征,③ 該分類具有工程實(shí)用意義 ——工程設(shè)計(jì)的依據(jù)不同：**只有塑斷可能的金屬材料設(shè)計(jì)時(shí)取屈服強(qiáng)度；**有脆斷可能的鋼（高強(qiáng)度鋼、低溫下使用的中強(qiáng)度鋼）須從脆斷角度計(jì)算承載力。,穿晶斷裂宏觀上可能是韌性的，也可能是脆性的；沿晶斷

57、裂通常是脆性斷裂。,沿晶斷裂產(chǎn)生原因： 晶界脆化(晶界上存在連續(xù)或不連續(xù)的脆性第二相、夾雜物，破壞了材料的連續(xù)性) 或弱化(Sb、Sn、As、P等元素在晶界富集; 含氧較高的低碳鋼，晶界形成FeO薄層),沿晶斷裂斷口形貌,沿晶斷裂斷口典型形貌：冰糖狀,淺坑——局部區(qū)域有塑性變形,,1 斷裂過程 中、低強(qiáng)度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下的靜拉伸斷裂是典型的韌性斷裂。 斷裂過程如下：,裂紋源,緩慢擴(kuò)展,臨界尺寸,快

58、速擴(kuò)展,失穩(wěn)擴(kuò)展臨界尺寸,失穩(wěn)擴(kuò)展,斷裂,,,,二、斷口的宏觀特征,2 斷口的宏觀特征,光滑圓柱拉伸試樣斷口宏觀特征,平板試樣斷口宏觀特征,,宏觀斷口特征三要素 1. 纖維區(qū)： 裂紋生核及緩慢生長區(qū) ——韌性斷裂區(qū) 2. 放射區(qū)： 裂紋快速擴(kuò)展區(qū)。 ——脆性斷裂區(qū)3. 剪切唇： 瞬時(shí)斷裂區(qū) ——韌性斷裂區(qū),3 實(shí)際構(gòu)件斷口分析方法(1) 觀察斷口是否存在放射花樣或人字紋 ——尋找裂紋源(

59、2) 根據(jù)放射區(qū)與纖維區(qū)的相對比例，可大致估計(jì)斷裂性質(zhì)——放射區(qū)或人字紋區(qū)比例越大，脆性越大；(3)觀察放射線粗細(xì)，放射線越細(xì)，脆性越大；材料完全脆性時(shí)，放射線消失 ——呈“結(jié)晶狀”、 “冰糖狀”特征。,(4)觀察斷口粗糙程度與光澤度 斷口越粗糙、灰暗，韌性纖維斷裂比例越大； 斷口越細(xì)平、光澤，脆性解理斷裂比例越大；(5)觀察斷口與最大正應(yīng)力方向的交角 斷口 ⊥ 正應(yīng)力——脆斷 斷口 ∥ 正應(yīng)力——

60、韌斷 注意： 纖維區(qū)為韌斷區(qū)，但斷口平面⊥正應(yīng)力 原因：實(shí)際由許多小杯錐構(gòu)成,,斷口區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置，因試樣形狀、尺寸和材料的性能不同而變化：(1)強(qiáng)度↑，塑性↓，放射區(qū)尺寸↑；(2)試樣尺寸↑，放射區(qū)↑↑，纖維區(qū)變化小(3)韌性斷裂時(shí)，宏觀斷口有三個(gè)區(qū), 脆性斷裂時(shí)纖維區(qū)很小，剪切唇幾乎沒有——放射區(qū)大。 韌性好的斷口――纖維狀。 脆性斷口――結(jié)晶狀、瓷狀。,三、斷口微觀特征

61、1 解理斷裂的微觀斷口特征,(1) 存在解理面和解理刻面 解理面：在正應(yīng)力作用下沿一定晶體學(xué)平面所產(chǎn)生的穿晶斷裂，因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學(xué)平面為解理面。 解理刻面：大致以晶粒大小為單位的解理面，稱解理刻面。,掃描電鏡1500倍,(2)存在河流花樣,每一支流實(shí)質(zhì)對應(yīng)著一個(gè)不同高度相互平行的解理面之間的臺階——解理斷裂基本微觀特征,（3）存在舌狀花樣,舌狀花樣: 解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的舌頭狀凹坑或

62、凸臺。 注意： 河流花樣 (1)是解理斷裂最典型的特征； (2)判斷是否解理斷裂的重要微觀依據(jù)； (3)順河流反方向可找到裂紋源。,微孔聚集斷裂過程包括微孔成核、長大、聚合，直至斷裂。 微孔成核機(jī)理：a 晶內(nèi)或晶界的非金屬夾雜物與基體金屬結(jié)合力很弱，受力后沿界面拉開；b 硬脆相等與基體有一定結(jié)合力，先塑性變形，造成應(yīng)力集中——使界面拉開或異相折斷——空坑,2 韌性斷裂微觀特征,微孔聚集斷裂的微觀特征,微觀基

63、本特征：大量韌窩(又稱空坑、迭波 ),電鏡下不同形態(tài)韌窩,注意： （1）微孔聚集斷裂一定有韌窩存在； （2）但微觀形態(tài)上出現(xiàn)韌窩，其宏觀上不一定就是韌性斷裂。 原因： 帶裂紋的高強(qiáng)度金屬材料，裂紋前端局部小區(qū)域內(nèi)有塑性變形，從而顯示出部分韌窩形態(tài)。但迅速斷裂，宏觀上斷裂前無明顯塑性變形——脆性斷裂。,四、斷裂強(qiáng)度 1 理論斷裂強(qiáng)度 (1) 基本思路： 晶體內(nèi)部無缺陷，受正應(yīng)力作用后，當(dāng)正應(yīng)力足夠大，彈

64、性狀態(tài)下晶體沿垂直正應(yīng)力的晶面拉斷——理想晶體理論斷裂強(qiáng)度,將晶體的兩個(gè)原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力，稱為理論斷裂強(qiáng)度。它代表的是晶體在彈性狀態(tài)下的最大結(jié)合力。,(2) 計(jì)算方法： 彈性變形階段拉伸力與原子間距的變化值x之間的關(guān)系基本滿足正弦曲線：,因X很小，有：,依虎克定律：,故有：,拉斷力所作功用于形成裂紋新界面:,代入：,,理想晶體解理斷裂的理論斷裂強(qiáng)度:,結(jié)論： E↑，γs↑，a0↓， σm↑注意：

65、 理論斷裂強(qiáng)度——無缺陷晶體,理論斷裂強(qiáng)度,二、斷裂強(qiáng)度的裂紋理論,背景：陶瓷、玻璃的實(shí)際斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論斷裂強(qiáng)度。 ——格雷菲斯裂紋理論理論要點(diǎn)：(1)材料內(nèi)部已有裂紋存在;(2)裂紋尖端存在很高的應(yīng)力集中,(3)裂紋使系統(tǒng)彈性能↓，但↑表面能。當(dāng)裂紋尺寸增加可使系統(tǒng)總能量下降時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。,求偏導(dǎo)數(shù)，并令其為0，得含裂紋物體的斷裂強(qiáng)度：,對比理論斷裂強(qiáng)度：,通常a0=10-9cm, a=0.1mm時(shí),σc≈1

66、0－4σm ——裂紋的存在極大降低材料強(qiáng)度,,,裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界尺寸：,ac、σc表達(dá)式均可作為為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的判據(jù)，但要注意——適用條件為脆性材料 ——因?yàn)楣酵茖?dǎo)的前提是運(yùn)用能量平衡理論，當(dāng)為塑性材料時(shí)，尚存在塑性變形功。,例如：玻璃、陶瓷等無機(jī)晶體材料、高強(qiáng)度鋼等——對裂紋敏感,,例： 玻璃表面有微裂紋、用氫氟酸去除損傷的表層后，斷裂強(qiáng)度大大提高。 將巖鹽晶體浸入溫水中，溶掉表面損傷層，斷裂強(qiáng)度從5 MPa提

67、高到1600 MPa. ——證實(shí)了格雷菲斯理論,三、格雷菲斯－奧羅萬－歐文理論： 1 基本思路： 在格雷菲斯理論基礎(chǔ)上，考慮了裂紋尖端由于應(yīng)力集中局部區(qū)域會產(chǎn)生塑性變形，消耗一部分能量。——對格雷菲斯公式修正,2 裂紋擴(kuò)展力學(xué)條件表達(dá)式,裂紋尖端塑性變形所消耗的塑性功,結(jié)論：多數(shù)金屬材料的γP遠(yuǎn)高于γs,有的大103倍，故其斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)高于陶瓷、玻璃等.,,,,3 應(yīng)用 具有一定塑性變形能力的工程結(jié)構(gòu)材料

68、： 如結(jié)構(gòu)鋼、高分子材料等。,四、位錯(cuò)塞積或位錯(cuò)反應(yīng)理論： ——材料內(nèi)部有位錯(cuò)缺陷存在1 基本思路： 晶體內(nèi)部有位錯(cuò)缺陷存在，位錯(cuò)受力后運(yùn)動，發(fā)生塑性變形，遇晶界等障礙后受阻塞積，或運(yùn)動位錯(cuò)通過相互反應(yīng)形成不動位錯(cuò)，阻礙后續(xù)位錯(cuò)的運(yùn)動，造成塞積。塞積結(jié)果應(yīng)力集中加劇，拉應(yīng)力足夠大時(shí)，塞積附近區(qū)域原子間結(jié)合力被破壞——形成裂紋.,,3 裂紋擴(kuò)展力學(xué)條件表達(dá)式,結(jié)論： d↓， σc↑注意：為屈服時(shí)產(chǎn)生