单项静拉伸力学性能

第二章材料的静拉伸力学性能 2 1引言 2 2静拉伸试验 2 3弹性变形 2 4塑性变形 2 5材料的断裂 1 2 1前言1 拉伸性能 通过拉伸试验可测材料的弹性 强度 延性 应变硬化和韧度等重要的力学性能指标 它是材料的基本力学性能 2 拉伸性能的作用 用途 a 在工程应用中 拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一 b 提供预测材料的其它力学性能的参量 如抗疲劳 断裂性能 研究新材料 或合理使用现有材料和改善其力学性能时 都要测定材料的拉伸性能 2 2 2应力应变曲线 1 拉伸试验拉伸试验是测定材料在静载荷作用下力学性能的一个最基本最重要的试验 a 拉伸试件的形状和尺寸常用的拉伸试件 为了比较不同尺寸试样所测得的延性 要求试样的几何相似 l0 A01 2要为一常数 其中A0为试件的初始横截面积 光滑圆柱试件 试件的标距长度l0比直径d0要大得多 通常 l0 5d0或l0 10d0板状试件 试件的标距长度l0应满足下列关系式 l0 5 65A01 2或11 3A01 2 具体标准 GB6397 86 3 2 拉伸实验中注意的问题a 拉伸加载速率较低 俗称静拉伸试验 严格按照国家标准进行拉伸试验 其结果方为有效 由不同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较 b 拉伸试验机带有自动记录或绘图装置 记录或绘制试件所受的载荷P和伸长量 L之间的关系曲线 4 3 拉伸试验机 电子式万能试验机用于金属 塑料 橡胶 弹簧 各种绳带等材料及制品的机械性能测试研究 5 4 应力应变曲线 拉伸图 加载后标距间的长度变化量 L 载荷P关系曲线拉伸曲线 应力 应变曲线工程应力 载荷除以试件的原始截面积即得工程应力 P A0工程应变 伸长量除以原始标距长度即得工程应变 L L0 6 拉伸曲线 7 2 2 3典型的拉伸曲线1 材料分类 按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形 将材料分为脆性材料和塑性材料两大类 脆性材料在拉伸断裂前不产生塑性变形 只发生弹性变形 塑性材料在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形 高塑性材料在拉伸断裂前不仅产生均匀的伸长 而且发生颈缩现象 且塑性变形量大 低塑性材料在拉伸断裂前只发生均匀伸长 不发生颈缩 且塑性变形量较小 8 a 脆性材料 脆性材料 如玻璃 陶瓷 岩石 低温下的金属材料 淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等 只发生弹性变形 不发生塑性变形 在最高载荷点断裂 形成平断口 9 b 塑性材料 工程中许多金属材料如调质钢和一些轻合金具有a类应力应变行为 退火低碳钢和某些有色金属具有b类应力应变行为 塑性较低的金属如铝青铜和变形强化能力特别强的金属如高锰钢具有c类应力应变行为 某些低熔质固溶体铝合金和含杂质的铁合金具有d类应力应变行为 10 c 高聚物材料 玻璃态高聚物的拉伸玻璃态高聚物拉伸时 曲线的起始状态是一段直线 应力和应变呈正比 同种材料随不同的测试温度 应力应变行为发生很大的变化 11 2 结晶聚合物的拉伸它比玻璃态聚合物的拉伸具有更明显的转折 整个曲线可分为三段 第一段应力随应变线性增加 试样被均匀拉长 第二段应力不变 应变不断增加 第三段是成颈后的试样重新被均匀拉伸 应力随应变的增加而增加 12 玻璃态聚合物与结晶态聚合物拉伸的相似之处 现象上 两种拉伸过程都经历弹性变形 屈服 发展大变形以及应变硬化等阶段 拉伸的后阶段材料都呈现强烈的各向异性 断裂前的大变形在室温下都不能自发回复 而加热后却能回复到原状 因而本质上讲 两种拉伸过程造成的大变形都是高弹变形 通常把它们统称为冷拉 玻璃态聚合物与结晶态聚合物拉伸的不同之处 它们可被冷拉的温度范围不同 玻璃态高聚物的冷拉温度范围是Tb 脆化温度 至Tg 结晶态高聚物的冷拉温度范围是Tg至Tm 更主要和本质差别在于晶态高聚物的拉伸过程伴随着比玻璃态高聚物拉伸过程复杂得多的分子聚集态结构的变化 13 3 聚合物材料的应力 应变特征 聚合物材料具有明显的非线性黏弹特性 应力 应变曲线有很大的畸变 按拉伸过程中屈服点的变化 伸长率大小及断裂情况 大致可分为5种类型 14 15 由于高分子材料具有松弛性 依赖于温度和变形速率 对破坏过程的影响体现在脆性破坏和延性破坏的转变上 当温度在玻璃化温度以下时 材料呈脆性破坏 当温度在玻璃化温度以上时 材料呈延性破坏 而且随温度的升高塑性变形分量增加 在一定的温度下 低变形速率时 材料呈延性破坏 高变形速率时 材料呈脆性破坏 16 1 硬而脆类型属于这一类的有PS PMMA和高交链度的热固性树脂 常温下它们具有高的弹性模量和相当的拉伸强度 断裂伸长率很小 2 而且没有屈服点 PMMA在不同温度下的应力应变行为 17 2 硬而强的类型这类高分子具有具有高的弹性模量和拉伸强度 断裂伸长率约为5 应力 应变曲线出现屈服点 具有某些轻金属的特征 称为半脆性破坏 例如一些不同配方的硬聚氯乙烯或聚苯乙烯的共混物属于此类 3 硬而韧的类型象PA PC等属于此类型 它们的弹性模量高 屈服点高 断裂伸长率也较大 这类高分子材料出现屈服点后 随应变的增加 应力显著下降 称为应变软化现象 当应变继续增加时 应力保持不变 称为细颈或冷拉现象 最后随应变的增加应力再次上升 称为应变硬化现象 直至断裂破坏 细颈是薄膜或纤维拉伸工艺的依据 18 4 软而韧的类型橡胶和增塑聚氯乙烯等材料在T Tg时进入橡胶态 其应力应变曲线平滑过渡 弹性模量低 没有明显的屈服点 拉伸强度较高 断裂伸长率很大 约为1000 具有大变形特征 5 软而弱的类型高分子凝胶属于此类型 不能作为工程材料使用 19 影响高分子的应力 应变行为的因素颇多 诸如分子链的刚性 结晶与取向 交链度以及温度 试验速率和应力状态等 由以上高分子材料应力 应变曲线特征分析说明 高分子的应力 应变行为随各种内在和外在因素的变化而变化 必须综合考虑各种因素引起的应力 应变变化情况 才能合理设计材料和应用材料 单一温度和单一速率测得的应力 应变曲线不能作为设计和使用材料的依据 20 2 2 4拉伸性能指标 材料拉伸性能指标又称为力学性能指标 用应力 应变曲线上反映变形过程性质发生变化的临界值表示 力学性能指标可分为两类 反映材料对塑性变形和断裂抗力的指标 称为材料的强度指标 反应材料塑性变形能力的指标 称为材料的塑性指标 21 屈服强度指标材料的屈服强度理解为开始塑性变形时的应力值 但实际上对于连续屈服的材料 屈服强度很难作为判断材料屈服的准则 工程上采用规定一定的残留变形量的方法 确定屈服强度 主要有以下三种 比例极限应力 应变曲线上符合线性关系的最高应力值为比例极限 用 p表示 超过 p时 即认为材料开始屈服 22 b 弹性极限试样加载后再卸载 以不出现残留的永久变形为标准 材料能够完全弹性恢复的最高应力值为弹性极限 用 e表示 超过 e时 即认为材料开始屈服 上述二定义并非完全相等 有的材料 如高强度晶须 可以超出应力应变的线性范围 发生较大的弹性变形 橡胶材料可以超过比例极限发生较大的变形后仍能完全恢复 而没有任何永久变形 工程上之所以区分它们 是因为有些设计 如火炮筒材料 要求有高的比例极限 而弹簧材料则要求有高的弹性极限 23 c 屈服强度以规定发生一定的残留变形为标准 如通常以0 2 的残留变形应力作为屈服强度 用 0 2或 ys表示 对于不连续屈服即具有明显屈服点的材料 其应力 应变曲线上的屈服平台就是材料屈服变形的标志 24 2 抗拉强度材料的极限承载能力用抗拉强度表示 拉伸试验时 与最高载荷Pb对应的应力值 b即为抗拉强度 对于脆性材料和不形成颈缩的塑性材料 其拉伸最高载荷就是断裂载荷 因此 其抗拉强度也代表断裂抗力 对于形成颈缩的塑性材料 其抗拉强度代表产生最大均匀变形的抗力 也表示材料在静拉伸条件下的极限承载能力 25 3 实际断裂强度拉伸断裂时的载荷除以断口处的真实截面面积所得的应力值称为实际断裂强度Sk 在这里采用的时试样断裂时的真实界面面积 Sk也是真是应力 其意义是表征材料对断裂的抗力 因此有时也称为断裂真应力 26 S F A 瞬时真应力 de dL L 应变的微分增量 则试棒自L0伸长至L后 总的应变量为 e 0ede L0LdL L InL L0式中的e为真应变 于是 工程应变与真应变之间的关系为 e InL L0 In 1 显然 真应变总小于工程应变 且变形量越大 二者的差距越大 假定材料的拉伸变形是等体积变化的 则真应力与工程应力之间有如下关系 S 1 这说明真应力S大于工程应力 2 2 5 真应力 真应变曲线 27 与工程应力 应变曲线相比较 在弹性变形阶段 由于试棒的伸长和截面收缩都很小 两曲线基本重合 真实屈服应力和工程屈服应力在数值上非常接近 但在塑性变形阶段 两者之间出现了显著的差异 在工程应用中 多数构件的变形量限制在弹性变形范围内 二者的差别可以忽略 同时工程应力 工程应变便于测量和计算 因此 工程设计和材料选用中一般以工程应力 工程应变为依据 但在材料科学研究中 真应力和真应变将具有重要的意义 28 2 3弹性变形与弹性不完整性 2 3 1弹性变形及其实质1 弹性变形定义 当外力去除后 能恢复到原来形状或尺寸的变形 叫弹性变形 特点为 单调 可逆 变形量很小 0 5 1 0 对于金属 陶瓷或结晶态的高分子聚合物 在弹性变形范围内 应力和应变之间可以看成具有单值线性关系 且弹性变形量较小 而橡胶态的高分子聚合物 则在弹性范围内 应力和应变之间不呈线性关系 且变形量较大 29 2 弹性的物理本质金属 陶瓷类晶体的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移 而橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展 30 离子间的相互作用力模型 当外力对离子作用时 合力曲线的0点位置改变 离子的位置亦随之作相应的调整 即产生位移 离子位移的总和在宏观上就表现为材料的变形 当外力去除后 离子依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置 宏观的变形也随之消失 从而变形弹性变形的可逆性 31 3 虎克定律 广义虎克定律根据切应力互等原理 正应力和切应力只有6个独立分量 相应地 正应变和切应变也只有6个独立分量 则每一应力分量可表示成6个应变分量的线性函数 式中Cij i j 1 2 6 是应力分量和应变分量的比例系数 称为刚度常数 32 可见 广义胡克定理中的刚度常数为36个 可以证明 即使各向异性程度最大的晶体 如三斜晶系 也存在Cij Cji的对称关系 所以36个刚度常数中只有21个是独立的 33 工程中应用的金属材料和非金属材料 陶瓷和聚合物 在很多情况下都可看成是各向同性体 因此只有2个独立的弹性常数 由上述两式可以导出各向同性体的广义胡克定律形式 34 4 常用弹性常数及其意义 各种材料弹性行为的不同 表现在弹性常数的差异 工程材料弹性常数除所给出的E G和 外 还有一个体积弹性模量K 弹性模量E 在单项受力状态下 由广义胡克定律得E x x可见E表征材料抵抗正应变的能力 切变弹性模量G 由广义胡克定律得G xy xy可见G表征材料抵抗剪切变形的能力 35 泊松比 在单项受力时 由胡克定律得 y x可见 表示材料受力后横向正应变与受力方向上正应变之比 为材料常数 在0 0 5之间变化 大多数材料得 值在0 2 0 5之间 如果材料在拉伸时体积不变 则 0 5 属于不可压缩材料 属于玻璃态得高分子材料 值在0 2 0 4 36 d 体积弹性模量K 它表示物体在三向压缩下 压强P与体积变化率 V V之间得线性比例关系 根据各向同性体的广义胡克定律前三式中的任一式 37 由于各向同性体只有2个独立的弹性常数 所以上述4个弹性常数必然有2个关系式把它们联系起来 即橡胶材料的泊松比为0 499 0 5 由上式可知 E 3G K 即橡胶的弹性模量是剪切模量的3倍 变形时不产生纯体积变形 具有不可压缩性 38 6 弹性性能的工程意义 工程上把弹性模量E G称做材料的刚度 它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力 在机械设计中 有时刚度是第一位的 精密机床的主轴如果不具有足够的刚度 就不能保证零件的加工精度 若汽车拖拉机中的曲轴弯曲刚度不足 就会影响活塞 连杆及轴承等重要零件的正常工作 通常由刚度决定的尺寸远大于按强度计算的尺寸 所以 曲轴只有在个别情况下 才从轴颈到曲柄的过渡园角处发生断裂 这一般是制造工艺不当所致 39 7 影响弹性模数的因素 材料的弹性模数是构成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志 因此 凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模数 如键合方式 晶体结构 化学成分 微观组织 温度及加载方式和速度等 a 键合方式和原子结构金属与无机非金属材料分别以金属键 共价键或离子键结合 所以它们的弹性模数比较高 而高分子聚合物的分子之间为分子键结合 分子结合力弱 高分子聚合物的弹性模数较低 对于金属元素而言 其弹性模数的大小还与元素在周期表中的位置有关 原子半径越大 E值越小 过渡族元素都有较高的弹性模数 这是由于原子半径较小 且d层电子引起较大的原子间结合力所致 40 b 晶体结构单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上呈各向异性 沿原子排列最密的晶向上弹性常数较大 反之则小 如 Fe晶体沿 111 晶向 E 2 7 105MPa 而沿 100 晶向 E 1 25 105MPa 多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均值 表现为各向同性 但这种各向同性称为伪各向同性 非晶态材料 如非晶态金属 玻璃等 弹性模量是各向同性 41 c 化学成分 材料化学成分的变化将引起原子间距或键合方式的变化 因此也将影响材料的弹性模量 与纯金属相比 合金的弹性模数将随组成元素的质量分数 晶体结构和组织状态的变化而变化 对于固溶体合金 弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构 在两相合金中 弹性模数的变化比较复杂 它与合金成分 第二相的性质 数量 尺寸及分布状态有关 例如在铝中加入Ni 15 硅 13 形成具有较高弹性模数的金属间化合物 使弹性模数由纯铝的6 5 104MPa增高到9 38 104MPa 42 d 微观组织 对于金属材料 在合金成分不变的情况下 显微组织对弹性模数的影响较小 晶粒大小对E值无影响 冷加工可降低金属及合金的弹性模数 但一般改变量在5 以下 只有在形成强的织构时才有明显的影响 并出现弹性各向异性 因此 作为金属材料刚度代表的弹性模数 是一个组织不敏感的力学性能指标 43 e 温度 随着温度的升高 原子震动加剧 体积膨胀 原子间距增大 结合力减弱 使材料的弹性模数降低 例如 碳钢加热时 温度每升高100 E值下降3 5 另外 随着温度变化 材料发生固态相变时 弹性模数将发生显著变化 44 高分子聚合物的物理性质与温度和时间有密切关系 随着温度的变化 在一些特定的温度区间 某些力学性质会发生突然的改变 如由玻璃态到橡胶态转变 由橡胶态向粘流态的转变 随着高聚物力学状态的转变 其弹性模数也相应产生很大变化 橡胶的弹性模数随温度的升高略有增加 这一点与其它材料不同 其原因是高分子链的分子运动随温度升高加剧 力图恢复到卷曲的平衡状态的能量增强所致 45 f 加载条件和负荷持续时间 加载方式 加载速率和负荷持续时间对金属 陶瓷类材料的弹性模数几乎没有影响 因为这类材料的弹性变形速度与声速相同 远远超过常见的加载速率 负荷持续时间的长短也不会影响到原子之间的结合力 只有陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数 这一点与金属材料不同 高分子聚合物材料的弹性模数与时间的关系与其对温度的关系相似 一般说来 随着负载时间的延长 E值逐渐下降 这是由于随着负载时间的延长 高分子链间发生相互滑移 整链发生运动 产生粘性流动 材料的弹性模数降低 46 8 聚合物的弹性模量 a 聚合物晶体的弹性模量不受外力作用时 聚合物晶体中分子链共价键上的原子处于位能最低的状态 受外力作用时 原子之间距离增大 由于共价键键长与键角增大 键的内旋转角也发生一定变化 位能升高 当外力除时 原子回到平衡位置 位能也回到最低状态 这就是高分子材料弹性模量的物理本质 它与金属材料是相似的 由于分子链上原子间为共价键 而分子链之间的作用力 通常是范德瓦尔力 氢键 偶极作用 因此沿聚合物晶体中分子链方向加载与垂直于分于链方向加载时 其弹性模量相差很大 可相差1 2个数量级 47 b 非晶态聚合物的弹性模量 非晶态聚合物弹性模量的大小实质上也是反映了分子链与分子链间的原子间键合力与位能的变化 由于主链向旋转困难而被冻结 因此 在外力作用下 以无规线团的形态即呈相互穿插堆积在一起的分子链 主要发生键长与健角的变化 非晶态聚合物与晶体态不同 沿不同方向加载时差别小 另外 由于分子之间的距离比呈规则排列的晶区中的大 因此它的弹性模量也小 一般只有2 103 3 103MPa 48 聚合物的弹性模量对结构非常敏感 这与金属和陶瓷不同 聚合物的弹性模量随下列因素的变化而增加 1 主键热力学稳定性的增加 2 结晶区百分比的增加 3 分子链填充密度的增加 4 分于链拉伸方向取向程度的增加 5 聚合物晶体中链端适应性增加 6 链折叠程度的减小 49 聚合物受力后产生的变形是通过调整内部分子构象实现的 由于分子构象的改变需要时间 因而受力后除普通弹性变形外 聚合物的变形强烈地与时间有关 表现为应变落后于应力 除瞬间的普通弹性变形外 聚合物往往还有慢性的粘性流变 通常称之为粘弹性 聚合物的粘弹性表现为滞后环 应力松弛和蠕变 但上述现象与温度 时间密切有关 50 聚合物另一种特殊的弹性变形行为是高弹态 高弹态是聚合物特有的基于链段运动的一种力学状态 具有高弹性的聚合物材料 橡胶 橡胶类物质的高弹性与其它固体物质比较有如下特征 1 弹性模量很小 而形变量很大 一般 铜 钢等材料的弹性变形量只有原试样的1 2 而橡胶的高弹形变量则可达1000 橡胶的弹性模量比其它固体物质小一万倍以上 2 形变需要时间 橡胶受到外力压缩或拉伸时 形变总随时间而发展的 最后达到最大形变 拉紧的橡皮带会逐渐变松 这实际上是一种蠕变和应力松驰现象 51 3 形变时有热效应 橡皮在伸长时发热 回缩时吸热 这种热效应随伸长率而增加 通常称为热弹效应 橡胶伸长变形时 分子链或链段由混乱排列变成比较有规则的排列 此时熵值减少 同时由于分子间的内摩擦而产生热量 另外分子规则排列而易发生结晶 在结晶过程中也会放出热量 由于上述3种原因 使橡胶被拉伸时放出热量 52 8 陶瓷的弹性模量 与金属材料相比 陶瓷材料的弹性模量有以下特点 1 陶瓷材料的弹性模量一般高于金属 这是因为陶瓷材料具有强固的离子健和共价键的缘故 应当指出 陶瓷材料耐高温 耐磨损 硬度和强度高等一系列特性是与陶瓷的结合键性质和弹性模量高是相关的 53 2 陶瓷材料的弹性模量 不仅与结合键有关 还与陶瓷结构及气孔率有关 这一点与金属不同 金属的弹性模量是一个极为稳定的力学性能指标 合金化 热外理 冷热加工难以改变它的数值 但是陶瓷的工艺过程却对陶瓷材料的弹性模量有着重大的影响 例如气孔率P较小时 弹性模量随气孔率的增加而线性降低 可用下面的经验式表示式中E0是无气孔时的弹性模量 K为常数 54 55 3 众所周知 金属不论是拉伸还是在压缩状态下 其弹性模量相等 即拉伸与压缩两部分 曲线为一直线 而陶瓷材料 特别是气孔率较高时 压缩时的弹性模量一般高于拉伸时的弹性模量 即压缩时的 曲线斜率比拉伸时大 这与陶瓷材料显微结构的复杂性有关 56 总之 从原子间结合键的本质来看 具有强化学键结合的材料的弹性模量高 而分子间仅有弱范得华力结合的材料的弹性模量很低 所以弹性模量与熔点一样 都取决于其中粒子间的键合强度 二者有相同的变化趋势 57 利用高弹性模量组元制成复合材料 从而获得高弹性模量的材料 这是一个新的研究领域 58 9 弹性比功 弹性比功又称为弹性比能或应变比能 用ae表示 是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力 一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示 其表达式为 ae 1 2 e e e2 2E 59 可以看出 欲提高材料的弹性比功 可以通过提高 e或降低E 对于一般的工程材料 弹性模量不易改变 尤其是金属材料 因此常用提高材料弹性极限的方法来提高弹性比功 橡胶有低的弹性模数和高的弹性应变 因而也有较大的弹性比功 因而作为减震和储能元件 例如电子器件中的按钮弹簧等 60 10 非理想弹性与内耗 对于理想弹性材料 在外载荷作用下 应力和应变服从虎克定律 即 E 并同时满足3个条件即 应变对于应力的响应是线性的 应力和应变同相位 应变是应力的单值函数 实际上 绝大多数固体材料的弹性行为很难满足上述条件 一般都表现为非理想弹性性质 材料的非理性弹性行为可以分为滞弹性 粘弹性 伪弹性及包申格效应等几种类型 61 a 滞弹性 弹性后效 1 滞弹性及其影响因素实际金属材料 弹性变形不仅是应力的函数 而且还是时间的函数 定义在弹性范围内快速加载或卸载后 随时间延长产生附加弹性应变的现象 影响因素 a 晶体中的点缺陷 显微组织的不均匀性 b 切应力越大 影响越大 c 温度升高 变形量增加 危害 长期承载的传感器 影响精度 62 b 粘弹性 粘弹性是指材料在外力作用下 弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为 其特征是应变对应力的响应不是瞬时完成的 需要通过一个弛豫过程 但卸载后 应变恢复到初始值 不留下残余变形 材料的粘弹行为在一些高分子材料中表现得比较突出 这是由于大分子链沿外力场逐渐舒展引起的 在外力去除后这部分蠕变变形可以缓慢地恢复 这也是高分子材料蠕变与金属或陶瓷材料蠕变的明显区别 63 c 伪弹性指在一定的温度条件下 当应力达到一定水平后 金属或合金将产生应力诱发马氏体相变 伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象 伪弹性变形的量级大约在60 左右 大大超过正常的弹性变形 64 d 包申格效应 包辛格效应就是指原先经过变形 然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象 对于某些钢或钛合金 因包辛格效应可使规定残余伸长应力降低15 20 所有退火态或高温回火态的金属都有包申格效应 65 包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关 金属受载产生少量塑性时 运动位错遇临位错而弯曲受阻 并形成位错缠结或胞状组织 如果此时卸载并随即同向加载 在原先加载应力水平下 被缠结的位错线不能作显著运动 因此宏观上表现为规定残余伸长应力增加 但如果卸载后施加反向应力 位错反向运动时前方临位错一类的障碍少 因此可以在较低应力下滑移较大距离 宏观上就表现为规定残余伸长应力较低的现象 66 对于一些预先经受一定程度冷变形的材料 如使用时承受与冷变形方向相反的载荷 就要考虑包申格效应的影响 以免使微量塑变抗力下降而造成有害的结果 另一方面 也可以利用包申格效应 如薄板反向弯曲成型 拉拔的钢棒经过辊压校直等 67 e 循环韧性 弹性滞后环由于应变滞后于应力 使加载曲线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线 称为弹性滞后环 68 物理意义 加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功 或 回线面积为一个循环所消耗的不可逆功 这部分被金属吸收的功 称为内耗 循环韧性若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限 则可得到塑性滞后环 金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力 叫循环韧性 循环韧性又称为消振性 循环韧性不好测量 常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性的大小 循环韧性的应用减振材料 机床床身 缸体等 乐器要求循环韧性小 69 2 4塑性变形与应变硬化 定义 外载荷卸去后 不能恢复的变形 塑性 材料受力 应力超过屈服点后 仍能继续变形而不发生断裂的性质 伸长率 断面收缩率 一 金属塑性变形的方式及特点1 塑性变形的方式滑移最主要的变形机制 孪生重要的变形机制 一般发生在低温形变或快速形变时 晶界滑动和扩散性蠕变只在高温时才起作用 形变带滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用 70 滑移 定义 晶体在切应力的作用下 沿滑移面和滑移方向进行的切变过程滑移面 原子最密排面 滑移向 原子最密排方向 滑移系 滑移面和滑移向的组合 滑移系越多 材料的塑性越好 晶体结构的影响较大 fcc bcc hcp滑移的临界分切应力 P A cos cos 外应力与滑移面法线的夹角 外应力与滑移向的夹角 cos cos 称为取向因子 71 孪生也是晶体在切应力作用下产生的一种塑性变形 孪晶 外形对称 好象由两个相同晶体对接起来的晶体 内部原子排列呈镜面对称于结合面 孪晶可分为自然孪晶和形变孪晶 孪生的特点 比滑移困难 时间很短 变形量很小 孪晶层在试样中仅为狭窄的一层 不一定贯穿整个试样 孪生与滑移的交互作用 可促进金属塑性变形的发展 72 形变带由晶体点阵畸变而使晶体表面出现的弯曲区域 由于该区域贯穿整个试样截面并成带状 所以称为形变带 相邻滑移带的交互作用 多个滑移系同时动作 正常的滑移不能进行 所以产生点阵弯曲 形成形变带 三种变形机制的比较滑移相邻部分滑动 变形前后晶体内部原子的排列不发生变化 孪生变形部分相对未变形部分发生了取向变化 形变带晶体点阵畸变 73 2 塑性变形的特点 1 各晶粒变形的不同时性和不均匀性 各晶粒的取向不同即cos cos 不同 对于具体材料 还存在溶剂相和第二相的种类 数量 尺寸 形态 分布的影响 2 变形的相互协调性多晶体作为一个整体 不允许晶粒仅在一个滑移系中变形 否则将造成晶界开裂 五个独立的滑移系开动 才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形 74 二 陶瓷材料的塑性变形 陶瓷材料的组成主要是晶体材料 原则上可以通过位错的滑移实现塑性变形 但是由于陶瓷晶体多为离子键或共价键 具有明显的方向性 同号离子相遇 斥力极大 只有个别滑移系能满足位错运动的几何条件和静电作用条件 所以陶瓷材料中只有极少数具有简单结构的晶体在室温下具有塑性 陶瓷材料一般呈多晶态 而且还存在气孔 微裂纹 玻璃相等 位错更加不易向周围晶体传播 更易在晶界面塞积而产生应力集中 形成裂纹引起断裂 所以陶瓷材料很难进行塑性变形 非晶态玻璃材料 由于不存在晶体中的滑移和孪生的变形机制 其永久变形是通过分子位置的热激活交换来进行的 属于粘性流动变形机制 塑性变形需要在一定温度下进行 所以普通的无机玻璃在室温下没有塑性 75 三 高分子材料的塑性变形 1 结晶聚合物的变形机制对于单行排列的结晶薄片块 当受到垂直或成夹角的拉应力作用时 变形可能沿着晶体间的非晶边界分离 而其它的结晶薄片束则开始转向应力方向 晶体本身先破碎成小块 但分于链仍保持它的折叠结构 随变形继续进行 这些小束沿着拉应力方向串联排列 形成长的微纤维 76 对于球状结晶 在塑性变形初始阶段之后 球状开始破坏 继而形成微纤维的过程 从而引起形变硬化 因为每个微纤维有很高的强度 再加上微纤维间联系分子链的充分伸展开 微纤维结构的继续变形是非常困难的 这是因为分子或分子链平行于应力方向的排列可使力学性能得到极大改善 这时载荷被沿着分子链的原始共价键所承担 而不是分子链间较弱的范德瓦尔键的承担 77 2 非晶聚合构的变形机制 1 银纹机制聚合物塑性变形的一种特殊机制是产生银纹现象 银纹类似于裂纹又不同于裂纹 裂纹中不含聚合物 银纹中除有空穴外 还有一定取向的聚合物 该聚合物又称银纹质 78 银纹 Craze 现象是聚合物材料特有的 它是聚合物在张应力作用下 在材料某些薄弱处应力集中产生局部塑性变形 而在材料表面或内部出现垂直于应力方向 长度在100微米 宽为10微米左右的 裂纹 现象 引起银纹的基本因素是拉应力作用 纯压应力不会产生银纹 在银纹中仅含有46 左右体积的空穴 在银纹的两个银纹面 银纹与聚合物基体间的界面 之间有银纹质 它是在拉应力方向上高度取向维系两个银纹面的束状或片状聚合物 79 银纹现象是聚合物材料宏观破坏前微观上损伤 破坏的开始 在聚合物材料的断裂 蠕变 环境应力开裂以及疲劳破坏中 银纹都具有十分重要的作用 银纹主要在非晶聚合物中产生 但某些结晶性聚合物 如聚丙烯和尼龙在低温变形时也能产生 热固性环氧树脂也能产生类银纹结构 银纹能在材料表面 内部和裂纹端部形成 在裂纹端形成的银纹 相当于裂纹顶端部塑性屈服区的 种形式 疲劳裂纹的扩展 从本质上许 就是裂纹顶端部银纹的扩展过程 在应力腐蚀的条件下 腐蚀介质能加速银纹的引发和生长 80 2 在多轴应力作用下 非晶聚合物能够以正应力和剪应力两种不同的机制屈服 在正应力屈服条件下 塑性变形首先开始于塑变区纤维在拉应力方向的取向排列 达到极限长度后发生断裂 在剪应力屈服的条件下 在剪应力作用下 塑性变形区的纤维也发生取向性排列 但纤维取向与切应力成45度角左右 81 4 屈服与屈服强度一 屈服在金属塑性变形的开始阶段 外力不增加 甚至下降的情况下 而变形继续进行的现象 称为屈服 上屈服点 下屈服点 吕德丝带 物理屈服现象实际上反映了材料的不均匀变形过程对屈服现象的控制 它对于冷冲压工艺有实际意义 82 二 屈服机理 外应力作用下 晶体中位错萌生 增殖和运动过程 1 柯氏气团位错与溶质原子交互作用 位错被钉扎 溶质原子聚集在位错线的周围 形成气团 提高外应力 位错才能运动 一旦运动 继续发生塑性变形所需的外应力降低 83 2 位错塞积群n个位错同相运动受阻 形成塞积群 导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力 一旦障碍被冲破 继续发生塑性变形所需的外应力降下 3 应变速率与位错密度 位错运动速率的关系金属材料塑性变形的应变速率与位错密度 位错运动速率及柏氏矢量成正比 即 b 位错增值 提高外应力 晶体结构变化 b 84 三 屈服强度 s Fs A由于金属材料存在上下屈服点 或者屈服点不明确 一般将 0 2定为屈服强度 屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据 提高屈服强度 机件不易产生塑性变形 但过高 又不利于某些应力集中部位的应力重新分布 容易引起脆性断裂 85 四 影响屈服强度的因素 一 影响屈服强度的内因 1 金属本性及晶格类型金属材料的屈服过程主要是位错的运动 纯金属单晶体的屈服强度从理论上讲是位错开始运动所需的临界切应力 其值由位错运动所受的各种阻力决定 这些阻力包括晶格阻力 位错间交互作用产生的阻力等 位错运动的阻力 平行位错空位间交互作用产生的阻力 运动位错与临位错交互作用产生的阻力 此外 单晶体中位错运动阻力还与点缺陷 割阶与位错的交互作用有关 它们都对晶体的屈服强度有一定的贡献 86 2 晶界和亚结构实际使用的金属材料几乎都是多晶体材料 晶界也是位错运动的重要障碍 晶界越多 对材料屈服强度的提高贡献越大 因为在首先产生滑移的晶粒中 必须塞积足够数量的位错 形成较大的应力集中 才能使相邻晶粒中的位错产生滑移 形成宏观的屈服 如果晶界增多 也就是晶粒尺寸减小 晶粒内位错塞积的长度将缩短 其应力集中程度不足以推动相邻晶粒内的位错滑移 因此欲使更多的相邻晶粒内位错开动 必须施加更大的外加切应力 即表现为多晶体的屈服强度提高 而且晶粒越小 屈服强度越高 87 许多金属与合金的屈服强度与晶粒大小的关系均符合Hall Petch公式 即 s i kyd 1 2式中 i为位错运动的总阻力 又称摩擦阻力 决定于晶体结构合位错密度 ky为度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数 或表示滑移带端部的应力集中系数 d为晶粒平均直径 i和ky在一定的试验温度和应变速率下均为材料常数 亚晶界的作用与晶界类似 也阻碍位错的运动 试验表明 Hall Petch公式对亚晶界同样适用 只是其中的ky值有所不同 且d为亚晶界的直径 88 3 溶质元素在固溶体合金中 由于溶质原子与溶剂原子直径不同 在溶质原子周围形成晶格畸变应力场 该应力场与位错应力场产生交互作用 使位错受阻 从而使屈服强度提高 产生固溶强化 此外 溶质与溶剂之间的电学交互作用 化学交互作用及有序化作用等也对固溶强化有影响 89 4 第二相金属材料中存在第二相时 对屈服强度也有影响 第二相的强化效果与质点的性质有关 可以分为不可变形的 如钢中的碳化物和氮化物 和可变形的 如时效铝合金中GP区的共格析出物 两类 及第二相细小弥散分布和尺寸与基体相相近的块状分布两种情况 90 对于细小弥散的第二相质点 当位错线绕过不可变形的质点时 必须克服弯曲位错的线张力 线张力的大小与相邻质点间的距离有关 材料屈服强度取决于第二相质点间的距离 当位错线与可变形的第二相质点相遇时 由于位错可以切过 使之与基体一起产生变形 由此也能提高屈服强度 91 5 温度一般情况下 温度随金属材料的屈服强度下降 但是金属晶体结构不同 其变化趋势各异 bcc金属的屈服强度具有剧烈的温度效应 温度下降 屈服强度急剧升高 Fe由室温降至 196 屈服强度提高4倍 而fcc金属的温度效应则较小 如Ni由室温降至 196 屈服强度只提高0 4倍 hcp金属的温度效应与fcc相似 92 6 应变速度与应力状态应变速率对金属材料的屈服强度有明显的影响 在应变速率较高情况下 金属材料的屈服应力将显著升高 通常静拉伸试验使用的应变速率为10 3s 1 在此基础上增大一个数量级 屈服强度不发生显著变化 应力状态也影响金属材料的屈服强度 其规律是 切应力分量越大 越有利于塑性变形 屈服强度就越低 不同应力状态下材料屈服强度不同 并非材料性质发生变化 而是材料在不同条件下表现的力学行为不同而已 93 5 应变硬化 材料在应力作用下进入塑性变形阶段后 随着变形量的增大 形变应力不断提高的现象 称为应变硬化或形变强化 应变硬化是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能 94 一 应变硬化机理 1 金属材料的应变硬化机理金属材料的应变硬化机理 至今尚不完全清楚 有各种不同的理论 但普遍认为 金属材料的应变硬化是塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的 在多系滑移过程中 由于位错交互作用 形成割阶 Lomer Cottrell位错锁和胞状结构等障碍 使位错运动的阻力增大 而产生应变硬化 在交滑移过程中 硬化主要是由于原滑移面中刃位错引起的 因为刃位错不能产生交滑移 因而随应变增加 刃位错密度增大 产生应变硬化 95 2 高分子材料的应变硬化机理 结晶高分子材料发生屈服后原有的结构开始破坏 载荷下降 应力 应变曲线的最低点表示原有结构完全破坏 并出现颈缩 如果在颈缩开始后不迅速发生断裂 则随应变的增加 被破坏的晶体又重新组成方向性好 强度高的微纤维结构 载荷将不再由范得华力承担 而是由强得多得共价键承担 每个微纤维都有很高得强度 再加上微纤维间得联结分子链进一步伸开 微纤维结构得继续变形非常困难 从而造成应变硬化 96 二 应变硬化指数Hollomon关系式 S Ken 真应力与真应变之间的关系 n 应变硬化指数 K 硬化系数应变硬化指数n反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力 n 1 理想弹性体 n 0材料无硬化能力 层错能低的材料应变硬化程度大 高Mn钢 Mn13 层错能力低 n大 97 应变硬化指数 常用直线作图法求得lgS lgK nlge根据lgS lge的直线关系 只要求出拉伸曲线上几个相应的S e值 即可作图求出n值 S e一般用 求得 S 1 e In 1 将某材料制成长50mm 直径5mm的圆柱形拉伸试样 当进行拉伸试验时塑性变形阶段的外力F与长度增量 L的关系为F N6000800010000120000140000 L12 54 57 511 5求该材料的硬化系数K及应变硬化指数 98 三 应变硬化的意义 1 应变硬化和塑性变形适当配合 可使金属进行均匀塑性形变 2 使构件具有一定的抗偶然过载能力 3 强化金属 提高力学性能 4 提高低碳钢的切削加工性能 99 6 颈缩与抗拉强度 应力 应变曲线上的应力达到最大值时即开始出现颈缩 在颈缩前变形沿整个试样长度是均匀的 发生颈缩后变形则主要集中在局部区域 在此区域内横截面越来越细 局部应力越来越高 直至不能承受外加载荷而断裂 100 一 颈缩的判据 出现颈缩时正是相当于负荷 变形曲线上的最大载荷处 因此 应有dF 0dF d S A AdS SdA 0即 dA A dS S又按体积不变定理有dL L dA A d 故有dS d S这就是出现颈缩的条件 即当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩 101 依据颈缩条件 倘若已有真应力 应变曲线 并作出相应的应变硬化速率和应变的关系 这两个曲线的交点即表示在该应变量下将要开始颈缩 在交点的左方dS d S 硬化作用较强 足以补偿因截面之减小所引起的应力升高 而在交点的右方dS d S 加工硬化的能力已经失去或已十分微弱 导致颈缩发生 在发生颈缩时所对应的均匀真应变量 m在数值上等于n 102 应当指出 聚合物中的颈缩现象与金属中有重大差别 金属中 一旦出现颈缩 颈缩处局部塑性变形加剧 最后在颈缩处发生断裂 而在聚合物中 颈缩发生后 在名义应力几乎保持不变的条件下 颈缩后会发生均匀塑性变形 产生颈缩区沿试样长度方向扩展 103 二 抗拉强度 b表示实际材料在静拉伸条件下的最大承载能力 在材料不产生颈缩时抗拉强度代表断裂抗力 脆性材料用于产品设计时 其许用应力是以抗拉强度为依据的 抗拉强度对一般的塑性材料有什么意义呢 虽然抗拉强度只代表产生最大均匀塑性变形抗力 但它表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力 对应于抗拉强度 b的外载荷 是试样所能承受的最大载荷 尽管此后颈缩在不断发展 实际应力在不断增加 但外载荷却是在很快下降的 104 7 塑性的测量及其实际意义 工程上常用条件塑性而不是真实塑性 拉伸时条件塑性以延伸率和断面收缩率表示为均匀变形阶段的最大延伸率 为局集变形时的延伸率 断裂时总延伸率为 相应地断面收缩率表示断裂时的最小截面积 105 二 塑性指标间的关系 塑性指标间的关系要区分颈缩前和颈缩后的这两种情况 对于颈缩前 由于变形前后体积不变 于是得到条件塑性与断面收缩率之间的关系有 可以看出均匀变形时 恒大于 106 107 三 超塑性 材料在一定条件下呈现非常大的伸长率 约1000 而不发生缩颈和断裂的现象 称为超塑性 通常碳钢和合金的断后伸长率不超过30 40 铝及铝合金的断后伸长率也不超过50 60 超塑性现象不仅在很多纯金属和合金中可观察到 而且陶瓷材料在适当的条件下也可以呈现超塑性 利用超塑性技术可以压制形状复杂的机件 从而可以节约材料 提高精度 减小加工工时及能耗 108 产生超塑性的条件 1 超细晶粒 要求晶粒尺寸达到微米量级 且为等轴晶 2 合适的变形条件 变形温度在0 4Tm以上 应变速率一般大于或等于10 3S 1 3 应变速率敏感指数较高 超塑性变形时的一个明显特点是 虽然材料产生了很大的应变 但在应变前后 晶粒基本上保持等轴状态 109 四 塑性的意义和影响因素意义 a 安全 防止产生突然破坏 b 缓和应力集中 c 轧制 挤压等冷热加工变形 影响因素 a 细化晶粒 塑性 b 软的第二相 塑性 c 温度提高 塑性 高 d 固溶 硬的第二相等 塑性 110 8 静力韧度 111 2 5断裂 固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂 材料的断裂是力对材料作用的最终结果 它意味着材料的彻底失效 断裂不仅出现在高应力和高应变条件下 也发生在低应力和无明显塑性变形条件下 因材料断裂而导致的机件失效与其它失效部分相比危害性最大 并且出现灾难性的后果 因此 研究材料断裂的宏观与微观特征 断裂机理 断裂的力学条件 以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义 而且也有很大的实用价值 112 一 断裂的基本类型材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段 由于材料种类的不同 及引起断裂的条件各异 材料断裂的机理与特征也并不相同 为了便于研究 按不同的分类方法 把断裂分为多种类型 1 根据断裂前塑性变形大小分类 脆性断裂 韧性断裂2 根据断裂面的取向分类 正断 切断3 根据裂纹扩展的途径分类 穿晶断裂 沿晶断裂4 根据断裂机理分类微孔聚集型断裂 解理断裂 113 二 金属材料的断裂 1 静拉伸的断口 114 断口特征三要素 纤维区 放射区 剪切唇 115 2 韧性断裂与脆性断裂 宏观 a 韧性断裂 1 断裂特点 断裂前产生明显宏观变形 过程缓慢 断裂面一般平行于最大切应力 并与主应力成45o角 2 断口特征断口呈纤维状 灰暗色 杯锥状 3 危害 不及脆性断裂 断裂前机件已变形失效 116 b 脆性断裂 1 断裂特点断裂前基本不发生塑性变形 无明显前兆 断口与正应力垂直 2 断口特征平齐光亮 常呈放射状或结晶状 人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行 材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变 117 3 韧断机制 微孔聚合 微孔形核 长大 聚合导致材料分离 118 1 微孔形核点缺陷聚集 第二相质点碎裂或脱落 位错引起的应力集中 不均匀塑性形变 2 微孔长大滑移面上的位错向微孔运动 使其长大 3 微孔聚合应力集中处 裂纹向前推进一定长度 119 扫描电镜下 微孔聚合断裂的形貌特征是一个个韧窝 韧窝是微孔长大的结果 韧窝内大多包含着一个夹杂物或第二相 120 微孔的萌生有时并不单纯取决于拉应力 要看具体的组织而定 例如 在研究拉应力和切应力的联合作用产生了微孔 121 由于应力状态和加载方式的不同 微孔聚合物型断裂形成的韧窝可有三种类型 拉伸等轴韧窝 剪切型的伸长韧窝 拉伸撕裂型的韧窝 韧窝的形状取决于应力状态 而韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力 122 123 4 穿晶断裂 解理和准解理 解理断裂穿晶的解理断裂常见于体心立方和密排六方金属中 当处于低温 或者应变速率较高 或者是有三向拉应力状态 都能促使解理断裂 在宏观上表现为脆性断裂 124 解理断裂是沿着一定的结晶学平面发生的 这个平面叫解理面 例如体心立方金属的解理面为 100 解理端面表现为河流状花样 河流的流向即为裂纹扩展方向 裂纹多萌生于晶界或亚晶界 解理台阶 河流花样 还有舌状花样是解理断裂的基本微观特征 125 解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展