Chapter-1-金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,本章目的：（1）揭示金属变形和断裂的基本规律；（2）阐述静载荷下各种力学性能指标的本质、意义、相互关系及变化规律；（3）掌握静拉伸试验方法。,一、静拉伸试验的目的（意义）与条件目的：揭示金属变形和断裂的基本规律条件：受力简单、试样理想具体：环境：常温、空气介质载荷：静负荷、轴向单拉伸试样:表面光滑、圆棒形,1力伸长曲线和应力应变曲线,2.1拉伸试样与拉伸曲线,一般采用圆形或板形二种试样。可分为三个部分，即工作部分、过渡部分和夹持部分。其中工作部分必须表面光滑，以保证材料表面也是单向拉伸状态；过渡部分必须有适当的台阶和圆角，以降低应力集中，避免该处变形和断裂；夹持部分是与试验机夹头连接的部分，以定位试样。,图2.1常用的拉伸试样几何,比例试样尺寸要求：,长试样,短试样,拉伸试验机,拉伸曲线（拉伸图）：由拉伸试验机自动记录或绘图装置，将作用在试样上的力和所引起的伸长自动记录绘出的力-伸长曲线。应力-应变曲线：由拉伸曲线经换算可以得相应的到工程应力-工程应变曲线。,图2.2低碳钢典型的应力-应变曲线,相互关系：二者具有相同或相似的形状，但坐标刻度不同，意义不同；拉伸曲线不能直接给出材料的力学性能指标，应力-应变曲线可直接给出材料的力学性能指标。,：弹性变形线性、可逆性：屈服阶段塑性流动、不可逆：均匀塑性变形应变硬化：不均匀集中塑性变形颈缩现象,二、低碳钢拉伸曲线及应力应变曲线1低碳钢拉伸曲线典型性拉伸力作用下的变形过程分为四个阶段：,过程：弹性变形弹塑性变形断裂,四个阶段特征：,弹性变形阶段：曲线的起始部分，图中的oa段。多数情况下呈直线形式，符合虎克定律。屈服阶段：超出弹性变形范围之后，有的材料在塑性变形初期产生明显的塑性流动。此时，在外力不增加或增加很小或略有降低的情况下，变形继续产生，拉伸图上出现平台或呈锯齿状，如图中的ab段。均匀变形阶段：屈服后，欲继续变形，必须不断增加载荷，此阶段的变形是均匀的，直到曲线达到最高点，均匀变形结束，如图中的bc段。形变硬化：随塑性变形增大，变形抗力不断增加的现象。局部变形阶段：从试样承受的最大应力点开始直到断裂点为止，如图中的cd段。在此阶段，随变形增大，载荷不断下降，产生大量不均匀变形，且集中在颈缩处，最后载荷达到断裂载荷时，试样断裂。,注意：(1)实际使用的金属材料，多数无屈服现象或四阶段不全；(2)拉伸曲线反映了受力后变形的特性，以及材料抵抗变形、断裂的能力。,基于试样初始截面和初始长度定义的应力、应变称为工程应力和工程应变。,2工程应力-工程应变曲线,条件应力：条件应变(以长度表示)：(以面积表示)：,图1-2低碳钢的工程应力一工程应变曲线,比例极限:P弹性极限:e屈服极限:s抗拉强度:b断裂极限:k,工程应力应变曲线意义：可以建立材料经拉伸条件下的力学性能指标,另：弹性应变量、塑性应变量等,注：（1）三者弹性模量相同，但屈服强度、抗拉强度不同；（2）低碳钢与中碳钢存在明显屈服现象，高碳钢无明显屈服现象本章结束后能解释,注：比较材料的软硬与塑性好坏之间的差别,真实应变e:,真实应力S：S=,3真应力真实应变曲线,=(1+),-：工程应力应变曲线,1工程应力应变曲线中“颈缩”现象掩盖了“加工硬化”。2思考：是否曲线不下垂就是Se曲线。,S-e：真应力真应变曲线,真应力真应变曲线与工程应力一工程应变曲线之间的差别,图14典型金属的真实应力真实应变曲线,(1)随变形加剧，变形抗力增大形变强化；(2)不同金属的形变强化能力各不相同。,思考：哪种材质适于制造矿山用钻头？,图14典型金属的真实应力真实应变曲线,例如：高锰钢初始强度不高，但形变强化能力强适于制造矿山用钻头,工程常用弹性常数,弹性模量（E）（单向受力状态下）它反映材料抵抗正应变的能力。切变模量（G）（纯剪受力状态下）它反映材料抵抗切应变的能力。泊松比（）（单向-X方向受力状态下）它反映材料横向正应变与受力方向正应变的相对比值。,2弹性变形阶段的力学性能,1.1弹性变形、Hooke定律和弹性模量,弹性变形：原子系统在外力作用下离开原来的平衡位置达到新的平衡状态的过程。注意：新的平衡状态要由外力来维持，且原子所在的位置并不是它的平衡位置。（可逆性）Hooke定律：金属弹性变形时，外力与应变成正比。即：弹性模量：金属弹性变形时外力与应变的比例因子。（反映产生单位弹性应变的抗力）符号为E，量纲为MPa，在变形曲线上为初始阶段直线的斜率，它表征应力随应变增长的强度。,1弹性变形的特点：,一、弹性变形及其物理本质,(1)可逆性；(2)应力应变间单值对应、近线性关系；符合虎克定律：E,(3)变形量小：0.51%原因：材料内部存在缺陷：位错、裂纹、夹杂等,Hooke定律的推导双原子模型,图1.1二个原子间的相互作用力,金属的弹性变形来源于原子间的相互作用吸引力和排斥力。对以金属键结合为主的晶体而言，可以认为：吸引力是金属正离子与公有电子之间库仑引力作用的结果，因它在比原子间距大得多的距离处仍然起作用并可占优势（图中曲线1），所以吸引力是长程力；而排斥力则是短程力，它只有在原子间距离很接近时才起主导作用（曲线2）。二者的合力如图中曲线3所示。,因此，当吸引力和排斥力达到平衡时，二原子间平衡距离便确定了，为，相应地处于最低能量状态。,显然，当外力使原子靠近或分开时，原子的平衡状态就被破坏，于是在外力、吸引力、排斥力之间建立起新的平衡，二原子便稳定在新的平衡距离上，假设为a，相应地金属便产生了弹性变形。,1弹性模量的物理意义：弹性范围内应力与应变的比值，即产生单位弹性应变所需应力的大小，是金属对弹性变形的抗力，表征了材料弹性变形难易，E，难。,二、弹性模量Hooke定律：正应力时：E切应力时：G,正弹性模量,切弹性模量,2弹性模量的工程技术意义机床主轴、镗床弹杆、刀架、梁等对弹性变形量(挠度)有严格要求。刚度要求原因：刚度小易于弹性变形，过量的弹性变形导致构件失稳、加工精度降低等,工程上E称为材料的刚度EA则为实际构件的刚度,E/,提高构件刚度的途径：选择高弹性模量材料；加大构件截面积,刚度（E）的实用意义：是衡量构件抵抗弹性变形的能力以及构件稳定性的重要指标；,例：制造飞机结构的铝合金抗拉强度大约650MN/mm2以下；若提高强度，截面积可减少但刚度不够工程设计中强度、刚度均需校核有时宁可选择强度较低、高弹性模量材料,空间飞行器要求较高的比弹性模量E/,几种材料在常温下的弹性模量（MPa）,现象1：无机非金属材料、金属、合金E；高分子聚合物E；现象2：超高强度钢较低碳钢强度高十倍。但二者E值基本相同。主要与原子间结合力(结合键)有关,3影响弹性模量的因素,（1）与原子间结合力有关：原子间距离或原子半径a或r愈小，E愈大E=k/amm1价电子数：价电子数愈多，E愈大注意特殊：过渡族金属较普通金属E值高原因：d层电子较多，原子结合力大，且随原子半径增大而增大合金元素影响小,（2）温度T，a，E原因：影响原子间距离及原子间结合力Fe:每升高100，E下降约34,温度的影响总体较小，故一般不需考虑温度变化引起的刚度问题；但精密仪表、高精度机床中某些零件除外。解决方法：恒温环境采用恒弹合金,(3)加载速度基本不影响原因：弹性变形速度相当于声速，金属、无机物中达几千m/s，摆锤冲击速度仅46m/s。应用：冲击负荷的测定利用弹性模量不变，测定应变值即可：即E,(4)合金化、热处理、冷加工的影响取决于对原子间键合力的影响E为非组织敏感参量，故影响小。例:中高碳钢淬火后E下降均匀+不均匀变形即存在颈缩现象时：较显著增大，且,即：无论是否存在颈缩，塑性变形阶段两个工程塑性指标、均不相等,均匀变形时与关系的推导:,均匀变形时有：L0S0=LS另：L=L0+L=L0(1+L/L0)=L0(1+)S=S0-S=S0(1-S/S0)=S0(1-)故：L0S0=L0(1+)S0(1-)1(1+)(1-)有：/(1-);/(1+);,首先需建立、与真实塑性指标e、e间的关系，均匀变形阶段有：elnA/A0；e=lnL/L0而：A/A0L0/L；得：e-e,即：均匀塑性变形阶段，两个真实塑性指标e、e相等,问题：与，哪个更接近真实塑性？,进一步推导出均匀变形阶段四个塑性指标间的关系为：e-eln(1+)ln1/(1-)通过数学分析有以下结论：（1）仅形变量e=e（2）变形量且比更接近真实塑性,结论：（1）比更真实反映材料塑性；（2）根据材料与的大小可判断材料是否形成颈缩无颈缩颈缩，差别越大越严重例如：高锰钢:55，35，无颈缩12CrNi3:26，65，颈缩,屈服过程是位错运动过程，纯金属单晶体的屈服强度理论上讲是位错开始运动所需的临界切应力，故所有阻碍位错运动的因素均提高屈服强度。位错阻力：晶格阻力；晶格缺陷的阻力。,四、影响屈服强度的因素,晶体结构晶格阻力也称派纳力p-n理想晶体中仅存在一个位错运动时所须克服的阻力。,G:切变模量；：泊松比a:滑移面晶面间距b：柏氏矢量的模。=a/(1-)：位错的宽度,结论：（1）晶体滑移所需克服的切应力是很低的：派纳力约为（103104）G;（2）滑移面间距a值越大，柏氏矢量的模b值越小，则晶格阻力越小；滑移系取最密排面a值最大最密排晶向b值最小；（3）位错宽度越小，滑移的晶格阻力越大。,塑性材料位错宽度约10个原子间距；陶瓷及定向共价键材料，位错宽度很小晶格阻力大、脆另：s(f.c.c,位错宽度大)p-n(fcc)而p-n受温度影响大,W晶体结构-W：稳定晶型，体心立方，a=(0.3162540.000004)nm(25)；-W：亚稳晶型，立方A15晶格，加热至600700时转变为-W，a=0.50370.509nm；-W：面心立方，仅发现在溅射最初期的薄层和无定形钨中，a=0.423nm，700时转变为-W,Mo的晶体结构是否存在相变？若有，相变与力学性能有何关系？,五、应变硬化（形变强化）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机理：位错的增殖与交互作用导致的阻碍,(1)多晶体金属的应力应变曲线,(2)均匀塑性变形阶段应力与应变之间符合Hollomon关系式实验证明：S=Ken。,S=Ken。讨论：n=0则S=K，S为常数，与e无关无形变强化能力。例如：在室温下即产生再结晶的软金属如Pb、Sn等，或已受强烈加工硬化的材料。n=1则S=Ke，S与e线性关系理想弹性体。n从0到1区间内，形变强化能力上升。大多数金属n在0.10.5之间。,（3）n的意义：a、反映了金属材料抵抗、阻止继续塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化的性能指标；b、n较大，变形则较均匀；抗偶然过载能力较强；安全性相对较好；n值的高低表示了材料发生颈缩前依靠硬化使材料均匀变形能力的大小。c、应变硬化是强化的重要手段之一，尤不能热处理的材料，如纯金属、无固态相变金属等。,例如：喷丸强化188不锈钢的形变强化：40时，b2倍，s45倍复相钢(F+1015M)的形变强化在汽车工业上的应用：同时、,（4）n的测定实验测定法（GB5028-85）由S=KenlgS=lgKnlge双对数坐标lgS与lge线性关系，由于S=(1+);e=ln(1+)只要在拉伸曲线上确定几个、即可。,lge0处可求K值直线斜率即为n,几种金属的n值和层错能（mJm-2）,fcc金属的n值比bcc金属要高；fcc金属中层错能低的材料比层错能高的硬化能力大实质影响因素是层错能原因：层错能低不易交滑移易位错增殖层错能低的n值较高,（5）影响n值的因素,材料的强度：经验式：ns=常数反比关系经过硬化的材料n值会减少注：拉伸试样出现均匀塑性变形阶段的前提是材料必须有足够的应变硬化能力。,影响b的因素：(1)所有影响s的因素均影响b;但程度不同(2)与裂纹、夹杂等应力集中因素有关,几种强度指标：s、0.2、p、e、b机器零件多采用屈服强度；变形要求严的零件如火炮炮镗可采用比例极限；变形要求不高或对重量限制很严格而服役期很短的构件如火箭上某些构件可采用抗拉强度；,微量塑变抗力指标结构材料工程设计中最重要指标,第五节金属的断裂,1943年1月，一艘刚通过试船的油轮在码头停泊时，突然一声巨响折断为二。核算后当时所受拉应力仅为70MN/m2，而低碳钢船体的s为250MN/m2，b为400500MN/m2；低应力断裂调查后发现：(1)气温为5；(2)内部存在0.110mm的裂纹断裂往往与裂纹有关脆性断裂,一、断裂的类型及断口的特征(P24)1断裂类型,断口与主应力成45，断面暗灰色、纤维状,断口平齐而光亮，断面呈放射状或结晶状,解理断裂定义:在一定条件下，在正应力作用下由于原子间结合键力的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为。,剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，一般为韧性断裂。,注意：并不只是脆性材料才发生脆性断裂，塑性较好的材料也可能发生脆断：如：低温时；加载速度极快时冲击脆断时局部区域仍存在一定塑性变形微观区域可能存在韧断特征,该分类具有工程实用意义工程设计的依据不同：*只有塑断可能的金属材料设计时取屈服强度；*有脆断可能的钢（高强度钢、低温下使用的中强度钢）须从脆断角度计算承载力。,穿晶断裂宏观上可能是韧性的，也可能是脆性的；沿晶断裂通常是脆性断裂。,沿晶断裂产生原因：晶界脆化(晶界上存在连续或不连续的脆性第二相、夹杂物，破坏了材料的连续性)或弱化(Sb、Sn、As、P等元素在晶界富集;含氧较高的低碳钢，晶界形成FeO薄层),沿晶断裂断口形貌,沿晶断裂断口典型形貌：冰糖状,浅坑局部区域有塑性变形,1断裂过程中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂。断裂过程如下：,裂纹源,缓慢扩展,临界尺寸,快速扩展,失稳扩展临界尺寸,失稳扩展,断裂,二、断口的宏观特征,2断口的宏观特征,光滑圆柱拉伸试样断口宏观特征,平板试样断口宏观特征,宏观断口特征三要素1.纤维区：裂纹生核及缓慢生长区韧性断裂区2.放射区：裂纹快速扩展区。脆性断裂区3.剪切唇：瞬时断裂区韧性断裂区,3实际构件断口分析方法(1)观察断口是否存在放射花样或人字纹寻找裂纹源(2)根据放射区与纤维区的相对比例，可大致估计断裂性质放射区或人字纹区比例越大，脆性越大；(3)观察放射线粗细，放射线越细，脆性越大；材料完全脆性时，放射线消失呈“结晶状”、“冰糖状”特征。,(4)观察断口粗糙程度与光泽度断口越粗糙、灰暗，韧性纤维断裂比例越大；断口越细平、光泽，脆性解理断裂比例越大；(5)观察断口与最大正应力方向的交角断口正应力脆断断口正应力韧断注意：纤维区为韧断区，但断口平面正应力原因：实际由许多小杯锥构成,断口区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和材料的性能不同而变化：(1)强度，塑性，放射区尺寸；(2)试样尺寸，放射区，纤维区变化小(3)韧性断裂时，宏观断口有三个区,脆性断裂时纤维区很小，剪切唇几乎没有放射区大。韧性好的断口纤维状。脆性断口结晶状、瓷状。,三、断口微观特征1解理断裂的微观断口特征,(1)存在解理面和解理刻面解理面：在正应力作用下沿一定晶体学平面所产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面，称解理刻面。,扫描电镜1500倍,(2)存在河流花样,每一支流实质对应着一个不同高度相互平行的解理面之间的台阶解理断裂基本微观特征,（3）存在舌状花样,舌状花样:解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台。注意：河流花样(1)是解理断裂最典型的特征；(2)判断是否解理断裂的重要微观依据；(3)顺河流反方向可找到裂纹源。,微孔聚集断裂过程包括微孔成核、长大、聚合，直至断裂。微孔成核机理：a晶内或晶界的非金属夹杂物与基体金属结合力很弱，受力后沿界面拉开；b硬脆相等与基体有一定结合力，先塑性变形，造成应力集中使界面拉开或异相折断空坑,2韧性断裂微观特征,微孔聚集断裂的微观特征,微观基本特征：大量韧窝(又称空坑、迭波),电镜下不同形态韧窝,注意：（1）微孔聚集断裂一定有韧窝存在；（2）但微观形态上出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。原因：带裂纹的高强度金属材料，裂纹前端局部小区域内有塑性变形，从而显示出部分韧窝形态。但迅速断裂，宏观上断裂前无明显塑性变形脆性断裂。,四、断裂强度1理论断裂强度(1)基本思路：晶体内部无缺陷，受正应力作用后，当正应力足够大，弹性状态下晶体沿垂直正应力的晶面拉断理想晶体理论断裂强度,将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力，称为理论断裂强度。它代表的是晶体在弹性状态下的最大结合力。,(2)计算方法：弹性变形阶段拉伸力与原子间距的变化值x之间的关系基本满足正弦曲线：,因X很小，有：,依虎克定律：,故有：,拉断力所作功用于形成裂纹新界面:,代入：,理想晶体解理断裂的理论断裂强度:,结论：E，s，a0，m注意：理论断裂强度无缺陷晶体,理论断裂强度,二、断裂强度的裂纹理论,背景：陶瓷、玻璃的实际断裂强度远远低于理论断裂强度。格雷菲斯裂纹理论理论要点：(1)材料内部已有裂纹存在;(2)裂纹尖端存在很高的应力集中,(3)裂纹使系统弹性能，但