材料单向静拉伸力学性能

1、 材料的力学性能：指材料的弹性、塑性、强度、韧性材料的力学性能：指材料的弹性、塑性、强度、韧性及寿命，是材料与力量对话的结果。及寿命，是材料与力量对话的结果。第一章第一章 第一节第一节 力力 伸伸 长长 曲曲 线线 和和 应应 力力 应应 变变 曲曲 线线 静拉伸：室温和轴向加载条件下，在应变速率静拉伸：室温和轴向加载条件下，在应变速率10-1/s的情况下进行的，由于这种应变速率较低，所以俗称的情况下进行的，由于这种应变速率较低，所以俗称静拉伸试验。静拉伸试验。第一节第一节 力力伸长曲线和应力伸长曲线和应力应变曲线应变曲线第一章第一章 第一节第一节 力力 伸伸 长长 曲曲 线线 和和 应应 力

2、力 应应 变变 曲曲 线线 一、力一、力伸长曲线伸长曲线低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线FL FpFeFb0FsFk第一章第一章 第一节第一节 力力 伸伸 长长 曲曲 线线 和和 应应 力力 应应 变变 曲曲 线线 其它几种典型材料的力其它几种典型材料的力伸长曲线图伸长曲线图FL0淬火淬火+高温回火高碳钢高温回火高碳钢16Mn陶瓷、玻璃黄铜铸铁橡胶工程塑料AF外力外力，单位单位 ；应力应力，单位单位 ； 面积面积，单位单位 . 定义：名义应力：定义：名义应力：00AF材料受力前的初始面积材料受力前的初始面积0AFAPam2kg第一章第一章 第一节第一节 力力 伸伸 长长 曲曲 线线 和和

3、应应 力力 应应 变变 曲曲 线线 1.应力的基本概念：应力的基本概念： 单位面积上所受的内力单位面积上所受的内力0001)(LLLLL第一章第一章 第一节第一节 力力 伸伸 长长 曲曲 线线 和和 应应 力力 应应 变变 曲曲 线线 l4、应变、应变l应变是用来描述物体内部各质点之间的相对位移。应变是用来描述物体内部各质点之间的相对位移。l（1）正应变）正应变2. 剪应变剪应变定义：定义：物体内部一体积元上的二个面元之间的夹物体内部一体积元上的二个面元之间的夹角的变化。角的变化。形变未发生时线元形变未发生时线元 及及 之间的夹角之间的夹角 形变后为形变后为 ，则，则 间的剪应变定义为：间的剪

4、应变定义为：xyBOAOAOBAOByx,注意：卸载曲线与加载曲线的区别注意：卸载曲线与加载曲线的区别第一章第一章 第一节第一节 力力 伸伸 长长 曲曲 线线 和和 应应 力力 应应 变变 曲曲 线线 0epsbkggt为什么？为什么？低碳钢的应力低碳钢的应力应变曲线应变曲线假设材料在拉伸过程中是等体积变化，试推假设材料在拉伸过程中是等体积变化，试推导出真应力与工程应力的关系：导出真应力与工程应力的关系：S=(1+ ) 10000000LLLLLAAAFAFSALLA 1lnln00llldldeell显然，真应力总是大于工程应力，真应变总显然，真应力总是大于工程应力，真应变总是小于工程应变。

5、是小于工程应变。第一章第一章 第一节第一节 力力 伸伸 长长 曲曲 线线 和和 应应 力力 应应 变变 曲曲 线线 第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 一、弹性变形的本质一、弹性变形的本质1.特点：可逆的（不一定呈线性）特点：可逆的（不一定呈线性）2.本质：材料产生本质：材料产生是是构成材料的原子构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。例：金属、陶瓷晶体：处于晶格结点的离子在力的作例：金属、陶瓷晶体：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微小位移。用下在其平衡位置附近

6、产生微小位移。 橡胶类材料：呈卷曲状的分子链在力的作用下通过橡胶类材料：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。链段的运动沿受力方向产生的伸展。第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 二、弹性模数二、弹性模数拉伸时拉伸时 =E 剪切时剪切时 =G E、 G弹性模数（或弹性系数、弹性模量）弹性模数（或弹性系数、弹性模量） 比弹性模数（比刚度）：材料的弹性模数与其密度比弹性模数（比刚度）：材料的弹性模数与其密度的比值。的比值。 第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 三、

7、影响材料弹性模数的因素三、影响材料弹性模数的因素1、键合方式和原子结构键合方式和原子结构a、以、以共价健、离子键、金属键共价健、离子键、金属键结合的材料有结合的材料有较高较高的弹性模量。的弹性模量。如无机非金属材料，金属材料。如无机非金属材料，金属材料。b、以、以分子键分子键结合的材料，弹性模量结合的材料，弹性模量较低较低。如高分子材料（橡胶态）。如高分子材料（橡胶态）。第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 c原原子子结结构构（a）非过渡金属）非过渡金属（b）过渡族金属）过渡族金属mrkE 原子半径较小，且原子半径较小，且d层电子引起较大的

8、原层电子引起较大的原子间结合力，弹性模数较高。且当子间结合力，弹性模数较高。且当d层电层电子等于子等于6时，时，E有最大值有最大值第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 2晶晶体体结结构构a、单晶体材料单晶体材料，由于在不同的方由于在不同的方向上原子排列的向上原子排列的密度不同，故呈密度不同，故呈。体心立方晶格：体心立方晶格：沿沿111晶向晶向面心立方晶格：面心立方晶格：沿沿110晶向晶向弹弹性性模模量量高高沿此晶向原子排列最紧密。沿此晶向原子排列最紧密。b、多晶体材料，、多晶体材料，E为各晶粒的统计平均值，为各晶粒的统计平均值，。C、非晶态

9、材料弹性模量、非晶态材料弹性模量。3、 化学成分化学成分弹性模量弹性模量改变改变引起原子间距或引起原子间距或键合方式的变化键合方式的变化（1）纯金属纯金属主要取决于主要取决于（2）固溶体合金固溶体合金：主要取决于：主要取决于，弹性模，弹性模量变化不大量变化不大（3）两相合金两相合金：与：与有关。有关。 （4）高分子高分子：对对E影响很大。影响很大。第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 4微微观观组组织织第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 金金属属微观组织对弹性模量的影响较微观组织对弹性

10、模量的影响较小小,晶粒大小对晶粒大小对E无影响；无影响；第二相对第二相对E值影响，可按两相混合值影响，可按两相混合物体积比例的平均值计算。物体积比例的平均值计算。E=x1E1+x2E2，陶陶瓷瓷工程陶瓷弹性模数与相的种类、粒工程陶瓷弹性模数与相的种类、粒度、分布、比例、气孔率等有关。度、分布、比例、气孔率等有关。其中，气孔率的影响较大。其中，气孔率的影响较大。 E=E0（1-1.9+0.92）。）。复复合合材材料料增强相为颗粒状，弹性模数随增增强相为颗粒状，弹性模数随增强相体积分数的增高而增大强相体积分数的增高而增大单向纤维增单向纤维增强复合材料强复合材料E1 =EfVf +EmVm1/E2

11、= Vf /Ef +Vm /Em第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 5、温度温度a、温度升高温度升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距 增大，结合力减弱，增大，结合力减弱，材料的弹性模量降低材料的弹性模量降低。如碳钢，。如碳钢， 每升高每升高100，E值下降值下降35%（软化）。（软化）。b、当温度变化、当温度变化引起材料的固态相变引起材料的固态相变时，弹性模数时，弹性模数显著变化。如碳钢的奥氏体、马氏体相变。显著变化。如碳钢的奥氏体、马氏体相变。第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及

12、及 其其 性性 能能 指指 标标 第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 a、 加载方式（多向应力），加载速率和负荷持续时加载方式（多向应力），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。间对金属、陶瓷类材料的弹性模数几乎没有影响。 陶瓷材料的陶瓷材料的压缩压缩弹性模数高于弹性模数高于拉伸拉伸弹性模数弹性模数（与金属不同）。（与金属不同）。四、比例极限与弹性极限四、比例极限与弹性极限1、比例极限比例极限p：是保证材料的弹性变形是保证材料的弹性变形符合虎克符合虎克定律定律的最大应力的最大应力。p=Fp/Ao 2、弹性极限弹性

13、极限e：材料材料不发生塑性变形不发生塑性变形的应力最高的应力最高限。限。e=Fe/Ao，应力超过，应力超过e，开始产生塑性变形开始产生塑性变形。0epsbkggt第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 p0.01非比例伸长率非比例伸长率0.01%时的应力。时的应力。p0.05非比例伸长率非比例伸长率0.05%时的应力。时的应力。因此，因此，p、e没有质的区别没有质的区别 。 3、 p、e工程意义工程意义p弹簧秤的设计依据。弹簧秤的设计依据。e不允许产生

14、微量塑性变形的机件的设计不允许产生微量塑性变形的机件的设计第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 五、弹性比功（弹性比能、应变比能）五、弹性比功（弹性比能、应变比能）1、定义：是指材料在弹性变形过程中吸收变形功的、定义：是指材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力（即材料弹性变形达到弹性极限时，单位体积能力（即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）。吸收的弹性变形功）。弹性比功是衡量材料弹性弹性比功是衡量材料弹性好坏的重要指标。好坏的重要指标。Eeeee2212 0ee第一章第一章 第第 二二 节节 弹弹 性性 变变 形形 及及

15、其其 性性 能能 指指 标标 2、影响材料弹性比功的因素、影响材料弹性比功的因素Eeeee2212 对于大多数工程材料，对于大多数工程材料，E不易改变（尤其金属材料）；不易改变（尤其金属材料）；要提高弹性比功要提高弹性比功 ，常采用，常采用提高材料弹性极限提高材料弹性极限e的的方法。方法。eeeE.2.1第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗弹弹性性理想理想弹性弹性非理想非理想弹性弹性 应变对于应力的响应是线性的应变对于应力的响应是线性的 应力应变同相位（同步）应力应变同相位（同步） 应变是应力的单值函数应

16、变是应力的单值函数滞弹性滞弹性粘弹性粘弹性伪弹性伪弹性包申格效应包申格效应第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 一、滞弹性一、滞弹性1、定义：材料在、定义：材料在快速快速加载或卸载后，随时间的延长加载或卸载后，随时间的延长而产生附加弹性变形的性能。而产生附加弹性变形的性能。 即应变与应力不同步（相位），应变滞后即应变与应力不同步（相位），应变滞后 。2分分类类（1）正弹性后效：）正弹性后效：加载加载时，应变落后于应时，应变落后于应力的现象，而与时间有关的滞弹性力的现象，而与时间有关的滞弹性称为称为正弹性后效（弹性蠕变）。正弹性后效（弹性蠕变）。(蠕变：

17、变形随时间的延长而变化的现象蠕变：变形随时间的延长而变化的现象）。）。（2）反弹性后效：）反弹性后效：卸载卸载时，应变落后于应时，应变落后于应力的现象，成为反弹性后效。力的现象，成为反弹性后效。第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 二、粘弹性二、粘弹性1、定义：是指材料在外力作用下变形机理，既表现、定义：是指材料在外力作用下变形机理，既表现出粘性流体又表现出弹性固体两者的特性，弹性和出粘性流体又

18、表现出弹性固体两者的特性，弹性和粘性两种变形机理同时存在（时间效应）。粘性两种变形机理同时存在（时间效应）。 2、特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的，、特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的， 应变与应力的关系与时间有关，但卸载后，应变与应力的关系与时间有关，但卸载后， 应变恢复，应变恢复，无残余变形无残余变形。0 tt000恒应变下的应力松弛恒应变下的应力松弛恒应力下的蠕变恒应力下的蠕变4、应用：高分子材料、应用：高分子材料第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 3、 分类：分类： 恒应变下的应力松弛恒应变下的应力松弛 恒应力下的蠕变。恒应力下的蠕变。

19、第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 1.定义：是指在一定的温度条件下，当定义：是指在一定的温度条件下，当应力应力达到一达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变,从而产生从而产生大幅度的弹性变形大幅度的弹性变形的现象。的现象。 3.应用：形状记忆合金应用：形状记忆合金常规弹性变形常规弹性变形相变开始应力相变开始应力马氏体相变结束马氏体相变结束马氏体弹性变形阶段马氏体弹性变形阶段逆向相变开始应力逆向相变开始应力卸载卸载马氏体逆向相变马氏体逆向相变完全恢复为初始组织完全恢复为初始组织初始组织的弹性恢复阶

20、段初始组织的弹性恢复阶段无残留变形无残留变形第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 四、包申格效应（四、包申格效应（Bauschinger）1.定义：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变定义：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于形（残余应变小于4%），然后再），然后再同向加载规定残同向加载规定残余伸长应力（余伸长应力（0.01）增加）增加；反向加载，规定残余反向加载，规定残余伸长应力（伸长应力（0.01）降低）降低的现象。的现象。2.产生原因：包申格效应是多晶

21、体金属的普遍现象产生原因：包申格效应是多晶体金属的普遍现象与位错运动的阻力变化有关，因此冷变形金属，与位错运动的阻力变化有关，因此冷变形金属，工作载荷相反时，需考虑包申格效应（强度下降工作载荷相反时，需考虑包申格效应（强度下降15%20%）。）。再结晶退火再结晶退火第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 第一章第一章 第第 三三 节节 非非 理理 想想 弹弹 性性 与与 内内 耗耗 五、内耗五、内耗1.弹性滞后环：在非理想弹性的情况下，应力与应变弹性滞后环：在非理想弹性的情况下，应力与应变不同步，使加载与卸载线不重合，而形成封闭回线不同步，使加载与卸载线

22、不重合，而形成封闭回线弹性滞后环。弹性滞后环。2.内耗：这部分内耗：这部分在变形过程中被吸收的功在变形过程中被吸收的功称为材料的称为材料的内耗。内耗。其大小用滞后环面积度量：其大小用滞后环面积度量：面积越大，内耗越大面积越大，内耗越大。3.应用：应用：（1）消振材料：灰铸铁，消振性好，内耗大）消振材料：灰铸铁，消振性好，内耗大（2）追求音响效果的元件：循环韧性小）追求音响效果的元件：循环韧性小第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标塑性变形塑性变形:指在足够大的外力作用下，材料能发生指在足

23、够大的外力作用下，材料能发生不可逆的永久变形，并不引起材料破裂的现象。不可逆的永久变形，并不引起材料破裂的现象。塑性大小就是指材料在断裂前能承受的变形能力。塑性大小就是指材料在断裂前能承受的变形能力。一、塑性变形机理一、塑性变形机理第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 1 金金属材属材料的料的塑性塑性变形变形（1）滑移：这种由大量位错移动而导致晶体）滑移：这种由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着某一定晶面和的一部分相对于另一部分，沿着某一定晶面和晶向做相对的移动，就是晶体的塑性变形的滑晶向做相对的移动，就是晶体的塑性变形的滑

24、移机制。移机制。（2）孪生：在切应力作用下发生孪生变形时，）孪生：在切应力作用下发生孪生变形时，晶体的一部分沿一定的晶面（成为孪晶面或孪晶体的一部分沿一定的晶面（成为孪晶面或孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向）相对于生面）和一定的晶向（称为孪生方向）相对于另一部分晶体作均匀的切变另一部分晶体作均匀的切变（3）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍滑移变形具有以下特点滑移变形具有以下特点（1）滑移在切应力作用下产生）滑移在切应力作用下产生（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生滑移系数目与材料塑性的关系滑移系

25、数目与材料塑性的关系 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好； 与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关； 与同时开动滑移系数目有关（与同时开动滑移系数目有关（ k）。）。多晶体金属材料的塑性变形的特点：多晶体金属材料的塑性变形的特点：（1） 各晶粒变形的不同时性和不均匀性各晶粒变形的不同时性和不均匀性（2） 各晶粒变形的相互制约与协调性各晶粒变形的相互制约与协调性第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 2 陶陶瓷材瓷材料的料的塑性塑性变形变形键和方式键和方式:弹性模量大弹性模量大共价键具有方向性和饱

26、和性共价键具有方向性和饱和性离子键：位错运动时不仅要离子键：位错运动时不仅要受到密排面和密排方向的限受到密排面和密排方向的限制，而且要受到静电作用力制，而且要受到静电作用力的限制。的限制。（2）晶体的滑移系少）晶体的滑移系少（3）位错宽度小，柏氏矢量大）位错宽度小，柏氏矢量大bwGm2exp12第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 二、屈服现象与屈服强度二、屈服现象与屈服强度 1、屈服现象：在外力不增加或上下波动的情况下，、屈服现象：在外力不增加或上下波动的情况下，试样可以继续伸长变形，这种现象称为屈服。试样可以继续伸长变形，这种现象称为屈

27、服。2、屈服强度（屈服点）：材料屈服或产生微量塑性、屈服强度（屈服点）：材料屈服或产生微量塑性变形时的应力值，变形时的应力值，s或或0.2反映材料抵抗起始塑性变形或微量塑性变形反映材料抵抗起始塑性变形或微量塑性变形 的能力。的能力。第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 条件屈条件屈服强度：服强度：表示残余伸长达到原始标距的百分之表示残余伸长达到原始标距的百分之几时的应力如：几时的应力如：r0.05、r0.1、r0.2表示总伸长（弹性表示总伸长（弹性+塑性）达到原塑性）达到原始标距的百分之几时的应力始标距的百分之几时的应力规定残余伸长应力规定

28、残余伸长应力r规定总伸长应力规定总伸长应力t第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 产生产生屈服屈服的原的原因：因：（1）从试验机看：）从试验机看：（2）从材料方面考虑：）从材料方面考虑：:b v塑性应变速率：可动位错密度b:柏氏矢量00wmv为沿滑移面的切应力为位错以单位速率运动所需的切应力m为位错运动速率应力敏感系数，表明位错速度对应力的依赖程度第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 四、影响金属材料屈服强度的因素四、影响金属材料屈服强度的因素1、纯金、纯金属的屈属的屈服强度服强度12e

29、xp12awbwGNpGbGb（1）点阵阻力点阵阻力（a）平行位错间交互）平行位错间交互作用产生的阻力作用产生的阻力（b）运动位错与林位）运动位错与林位错（穿过滑移面的位错）错（穿过滑移面的位错）交互作用产生的阻力交互作用产生的阻力（2）位错间的）位错间的相互作用力相互作用力晶界阻力晶界阻力细晶强化细晶强化21dkyis第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 2合合金的金的屈服屈服强度强度固溶合金中，溶质原子与溶剂原子直径不同，固溶合金中，溶质原子与溶剂原子直径不同，随着溶质原子的进入，晶格产生畸变，使得随着溶质原子的进入，晶格产生畸变，使得

30、位错运动受阻，屈服强度升高（位错运动受阻，屈服强度升高（s）（1）固溶强化）固溶强化（2）第）第二相强化二相强化（1）聚合型合金：其强度决定于）聚合型合金：其强度决定于第二相对位错运动的阻力。第二第二相对位错运动的阻力。第二相阻碍滑移使基体产生不均匀变形，相阻碍滑移使基体产生不均匀变形，由于局部塑性约束而导致强化。由于局部塑性约束而导致强化。（2）弥散型合金：第二相质点的）弥散型合金：第二相质点的强化作用主要是因为在质点周围强化作用主要是因为在质点周围形成应力场，而这些局部应力场形成应力场，而这些局部应力场随位错运动有阻碍作用。随位错运动有阻碍作用。置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体第一

31、章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 3、环境因素对屈服强度的影响、环境因素对屈服强度的影响（1）温度）温度体心立方晶格金属，屈服强度具有体心立方晶格金属，屈服强度具有强烈的温度效应，强烈的温度效应，Fe室温室温-196， s提高提高4倍倍面心立方晶格的金属，屈服强度温面心立方晶格的金属，屈服强度温度效应较小。度效应较小。 Ni室温室温 -196，s提高提高0.4倍倍第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标

32、标 第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 （2） 应变应变速率速率与应与应力状力状态态较高的应变速率较高的应变速率s（显著）（显著）当当d/dt=10-2 s-1 时，时，s不显著变化，不显著变化，静拉伸：静拉伸：d/dt=10-3 s-1当当d/dt=103 s-1 ，s（冷轧、冷拔（冷轧、冷拔)应力应力状态状态切应力分量越大，越有利于塑性变切应力分量越大，越有利于塑性变形（滑移的动力），即形（滑移的动力），即s（3）加载速度加载速度的影响的影响加载速度越大，屈服强度越大加载速度越大，屈服强度越大第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性

33、 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 四、应变硬化四、应变硬化材料产生塑性变形后，随着变形量的增大，应力不材料产生塑性变形后，随着变形量的增大，应力不断提高的现象（冷加工硬化、应变强化、形变强化）断提高的现象（冷加工硬化、应变强化、形变强化）1应应变变硬硬化化机机理理近似为直线，斜率近似为直线，斜率1很小，单滑移系滑移，很小，单滑移系滑移，加工硬化率很小，这一阶段称为易滑移阶段。加工硬化率很小，这一阶段称为易滑移阶段。加工硬化率显著增加，多滑移系，位错钉扎加工硬化率显著增加，多滑移系，位错钉扎加工硬化率随应加工硬化率随应变的增加而减小，变的增加而减小，领先位错绕过障碍领先位错绕过障

34、碍物，继续运动。物，继续运动。123第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 2、应变硬化指数、应变硬化指数金属材料：金属材料：Hollomon公式公式 S=Ken应变硬化指数应变硬化指数n反映材料抵抗继续塑性变形的能力反映材料抵抗继续塑性变形的能力 n=1，表示材料为完全理想的弹性体（，表示材料为完全理想的弹性体（S=Ee虎克定律）虎克定律）n=0，S=K=常数，表示材料无应变硬化能力（室温常数，表示材料无应变硬化能力（室温下再结晶的软金属，铅）下再结晶的软金属，铅）大多数金属的大多数金属的n值在值在0.10.5之间。之间。第一章第一章 第第

35、 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 3应应变变硬硬化化的的意意义义 应变硬化与塑性变形相配合，保证应变硬化与塑性变形相配合，保证了金属材料在截面上的均匀变形，得到了金属材料在截面上的均匀变形，得到均匀一致的冷变形产品。均匀一致的冷变形产品。 应变硬化可以降低碳钢的塑性，改善应变硬化可以降低碳钢的塑性，改善切削加工性能。切削加工性能。 应变强化是金属强化的一种重要手段应变强化是金属强化的一种重要手段（不能热处理强化的金属）。（不能热处理强化的金属）。应变硬化性能使金属制件在工作中具应变硬化性能使金属制件在工作中具有适当的抗偶然过载的能力，保证了机有适当的抗偶

36、然过载的能力，保证了机件的安全工作。件的安全工作。第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 五、抗拉强度与缩颈条件五、抗拉强度与缩颈条件 1、 定义：定义： b：抗拉强度是试样拉伸过程中，所能承受：抗拉强度是试样拉伸过程中，所能承受 的最大应力。的最大应力。b=Fb/A0缩颈：材料拉伸过程中缩颈：材料拉伸过程中,塑性变形集中于局部区塑性变形集中于局部区 域的现象域的现象 。第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 缩颈形成点对应于力缩颈形成点对应于力载荷载荷曲线上最大载荷点，曲线上最大载荷点，

37、因此因此dF=0，依据这一关系，依据这一关系可导出缩颈的条件：可导出缩颈的条件：enendedeAdAldldeendeAdAdeeFndAAFedenKAeAdAKeAdeKAnedAKedFKAeFKeSSAFnnnnnn000001第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 nnbbKnKeSenendedeAdAldldeendeAdAdeeFndAAFedenKAeAdAKeAdeKAnedAKedFKAeFKeSSAFnnnnnn000001产生缩颈的载荷为：产生缩颈的载荷为：nnnbnebbbbnbbnbbbbnnbbenKeKne

38、eAAAAeAAKnAKnASAFKnKeSb0000ln第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 第五节第五节 断断 裂裂 固体材料在力的作用下，分解成若干部分的现象固体材料在力的作用下，分解成若干部分的现象称为断裂。断裂是材料彻底失效。称为断裂。断裂是材料彻底失效。一、断裂的类型及断口特征一、断裂的类型及断口特征1、断裂的类型、断裂的类型 按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形程度，按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形程度， 分为：韧性断裂（分为：韧性断裂（5%）和脆性断裂（）和脆性断裂（ 5%） 按晶体材料断裂时裂纹的扩展途径，分为按晶

39、体材料断裂时裂纹的扩展途径，分为 ： 穿晶断裂和沿晶断裂穿晶断裂和沿晶断裂第一章第一章 第第 四四 节节 塑塑 性性 变变 形形 及及 其其 性性 能能 指指 标标 按照材料断裂的微观机理，分为：按照材料断裂的微观机理，分为： 解理断裂解理断裂和剪切断裂和剪切断裂按作用力的性质，分为：正断和切断按作用力的性质，分为：正断和切断2、断口分析法、断口分析法材料的断裂表面称为断口。材料的断裂表面称为断口。端口分析法：用肉眼，放大镜或电子显微镜等手段端口分析法：用肉眼，放大镜或电子显微镜等手段对材料断口进行宏观及微观的观察分析，以了解材对材料断口进行宏观及微观的观察分析，以了解材料发生断裂的原因、条件

40、、断裂机理以及与断裂有料发生断裂的原因、条件、断裂机理以及与断裂有关的各种信息的方法，称为断口分析法。关的各种信息的方法，称为断口分析法。 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 3、韧性韧性断裂断裂与与脆性脆性断裂断裂 韧性断裂：断裂前材料有明显宏观韧性断裂：断裂前材料有明显宏观塑性变形。塑性变形。 裂纹扩展过程较慢裂纹扩展过程较慢.（晶粒变形（晶粒变形拉断）拉断） 断口呈暗灰色，纤维状断口呈暗灰色，纤维状脆性断裂：断裂前材料没有明显的宏脆性断裂：断裂前材料没有明显的宏观塑性变形。观塑性变形。 裂纹扩展速度极快（没有预兆）。裂纹扩展速度极快（没有预兆）。 断口平齐，光亮（呈放射状或结

41、晶状）断口平齐，光亮（呈放射状或结晶状）x 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 4、穿晶穿晶断裂断裂与沿与沿晶断晶断裂裂穿晶断裂：可以穿晶断裂：可以韧性断裂韧性断裂，也可以，也可以脆性脆性断裂断裂。 断裂穿过晶粒。断裂穿过晶粒。沿晶断裂：断裂沿晶界发生，多为脆性沿晶断裂：断裂沿晶界发生，多为脆性断裂。断裂。 晶界结合较弱。晶界结合较弱。穿晶断裂沿晶断裂 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 5、剪切断裂与解理断裂、剪切断裂与解理断裂剪切断裂：材料在切应力作用下，沿滑移面分离而剪切断裂：材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的断裂。造成的断裂。剪切断裂也常以微孔聚集型发生，

42、断口上分布大量的剪切断裂也常以微孔聚集型发生，断口上分布大量的“韧窝韧窝”（宏观上呈暗灰色、纤维状）。（宏观上呈暗灰色、纤维状）。 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 解理断裂：材料在正应力作用下，由于原子间结合解理断裂：材料在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起沿特定晶面发生的键的破坏引起沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂脆性穿晶断裂。解理裂纹的扩展经常是沿着晶面指数相同的一族互相解理裂纹的扩展经常是沿着晶面指数相同的一族互相平行，但不同高度的晶面进行，不同高度的解理面之平行，但不同高度的晶面进行，不同高度的解理面之间存在台阶，众多台阶的汇合变形呈河流花样；当解间存在台阶，众多台阶

43、的汇合变形呈河流花样；当解理裂纹高速扩展，温度较低时在裂纹前端可能形成孪理裂纹高速扩展，温度较低时在裂纹前端可能形成孪晶，裂纹沿孪晶与基体界面扩展时常会形成晶，裂纹沿孪晶与基体界面扩展时常会形成“舌舌”状花状花样。样。解理台阶，河流花样，舌状花样是解理断口的基本解理台阶，河流花样，舌状花样是解理断口的基本微观特征。微观特征。 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 由于晶内存在硬质点，当裂纹在晶内扩展时，难以由于晶内存在硬质点，当裂纹在晶内扩展时，难以严格沿一定晶面扩展，微观上类似于解理河流花样严格沿一定晶面扩展，微观上类似于解理河流花样

44、但又非真正解理但又非真正解理准解理。准解理。准解理断裂准解理断裂主要区别主要区别解理裂纹源于晶界解理裂纹源于晶界 准解理裂纹起源于晶内硬质点准解理裂纹起源于晶内硬质点（自硬质点放射状河流花样）（自硬质点放射状河流花样） 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 6正断与切断正断与切断 宏观断裂宏观断裂微观断裂微观断裂正断与剪断的宏观与微观形式正断与剪断的宏观与微观形式 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 7、 断口分析断口分析 韧性断裂断口（低碳钢）韧性断裂断口（低碳钢）断口呈断口呈杯锥状杯锥状：由纤维区、：由纤维区、放射区、剪切唇三个区放射区、剪切唇三个区组成。组成。 第第

45、 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 当试样拉伸力达到最大时，局部开始产生缩颈，当试样拉伸力达到最大时，局部开始产生缩颈，中心的应力状态由中心的应力状态由单向单向变为变为三向应力三向应力，且轴向力，且轴向力最大，在三向应力作用下，试样中心部分的夹杂最大，在三向应力作用下，试样中心部分的夹杂物或硬质第二相质点破裂或基体界面脱离而形成物或硬质第二相质点破裂或基体界面脱离而形成微孔，微孔不断长大，合并形成微裂纹；微裂纹微孔，微孔不断长大，合并形成微裂纹；微裂纹形成后，由于尖端应力集中，产生更大的塑性变形成后，由于尖端应力集中，产生更大的塑性变形，引起新的裂纹的形核、形，引起新的裂纹的形核、长大

46、和聚合，当其与己产长大和聚合，当其与己产生的裂纹连接时，裂纹便生的裂纹连接时，裂纹便向前扩展，这一过程反复向前扩展，这一过程反复进行结果形成纤维区，纤进行结果形成纤维区，纤维区所在平面垂直于拉应维区所在平面垂直于拉应力方向，纤维区的微观特力方向，纤维区的微观特征为韧窝。征为韧窝。 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 纤维区中裂纹扩展速度较慢，当裂纹长度达到某一纤维区中裂纹扩展速度较慢，当裂纹长度达到某一临界尺寸后，产生了更大的应力集中，裂纹以低能临界尺寸后，产生了更大的应力集中，裂纹以低能量撕裂的方式快速发展，形成量撕裂的方式快速发展，形成放射区放射区放射线花样放射线花样特征特征。

47、微观上可以看到撕裂韧窝，撕裂时塑性变形量越大，微观上可以看到撕裂韧窝，撕裂时塑性变形量越大，放射线越粗。对于几乎不产生塑性变形的材料放射线越粗。对于几乎不产生塑性变形的材料（脆性材料），放射线小时，微观断口呈解理特征。（脆性材料），放射线小时，微观断口呈解理特征。试样拉伸断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇。试样拉伸断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇。剪切唇表面光滑，剪切唇表面光滑，与拉神轴呈与拉神轴呈45，属于典型，属于典型切断型切断型断裂断裂。 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 一般规定：一般规定： 拉伸试样的断面收缩率拉伸试样的断面收缩率 5%为韧性断裂。为韧性断裂。 脆

48、性断口纤维区很小，剪切唇几乎没有。材料脆性断口纤维区很小，剪切唇几乎没有。材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大。强度提高，塑性降低，则放射区比例增大。 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 二、断裂强度二、断裂强度1、理论断裂强度（材料中无裂纹）、理论断裂强度（材料中无裂纹）在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需要的应力，称为理论断裂强度。于外力方向拉断所需要的应力，称为理论断裂强度。两相邻原子面在拉力两相邻原子面在拉力作用下，克服原子间键合力作作用下，克服原子间键合力作用用 ，使原子面分开的应力。，使原子面

49、分开的应力。)/2(xSinm晶体中的内聚力与原子晶体中的内聚力与原子间距的关系间距的关系210002/02222,sin, 022/)/2(aEaExaxEExxxxdxxSinsmsmmmmmssmm断裂后出现两个新的断裂面，表面能为断裂后出现两个新的断裂面，表面能为2s 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 2、断裂强度的裂纹理论（格里菲斯裂纹理论）、断裂强度的裂纹理论（格里菲斯裂纹理论）为了解释玻璃、陶瓷等脆性材料断裂强度的理论值与为了解释玻璃、陶瓷等脆性材料断裂强度的理论值与实际值的巨大差异，格里菲斯实际值的巨大差异，格里菲斯

50、A.Griffith，1921年提出，年提出，实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，裂实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，裂纹尖端的应力集中已达到很高值，从而使裂纹快速扩纹尖端的应力集中已达到很高值，从而使裂纹快速扩展并脆性断裂。展并脆性断裂。Griffith根据能量平衡原理计算出裂纹自动扩展时的根据能量平衡原理计算出裂纹自动扩展时的应力值。应力值。2 22 22 2211224440242esesesssscaUEWaaU WaEddaU WadadaEaEEEaa 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 表明：在一定的应力水平下，存在一个临界裂纹表明：在一定的应力水平

51、下，存在一个临界裂纹2aC，aC可以作为脆性断裂的判据。可以作为脆性断裂的判据。 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 即：一定的裂纹长度即：一定的裂纹长度ac；一定的应力水平；一定的应力水平aC。将断裂强度与理论断裂强度对比：将断裂强度与理论断裂强度对比：120mcaa210aEsm21csmaE说明裂纹在其两端引起的应力集说明裂纹在其两端引起的应力集中，将外加应力放大中，将外加应力放大 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 三、真实断裂强度与静力韧度三、真实断裂强度与静力韧度1、 真实断裂强度真实断裂强度SK =FK/AK若断裂前不发生塑性或塑性变形很小，没有缩颈产若断

52、裂前不发生塑性或塑性变形很小，没有缩颈产生，材料发生脆性断裂，则生，材料发生脆性断裂，则SK =b，在此情况下，在此情况下，SK代表材料的实际断裂强度代表材料的实际断裂强度c，表征材料对正断，表征材料对正断的抗力大小。的抗力大小。若材料断裂前出现缩颈，则若材料断裂前出现缩颈，则SK主要反映材料抵抗主要反映材料抵抗切断的能力。切断的能力。 SK实际应用不多。实际应用不多。 第第 一一 章章 第第 五五 节节 断断 裂裂 2、静力韧度、静力韧度 韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标。韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标。包括：静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。包括：静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。韧性是

53、指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。韧性是指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。静力韧度静力韧度：将静拉伸的：将静拉伸的曲线下包围的面积减去曲线下包围的面积减去试样断裂前吸收的弹性能定义为静力韧度。试样断裂前吸收的弹性能定义为静力韧度。第二节第二节 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能一、扭转及其性能指标一、扭转及其性能指标第二章第二章 材料在其他静载下的力学性能材料在其他静载下的力学性能1 应力：应力：切应力：切应力：=M/W M扭矩扭矩 W抗扭截面模量（试样截面系数）抗扭截面模量（试样截面系数）规定非比例扭转应力：规定非比例扭转应力：p= Mp/ W 表示材料对扭

54、转塑性变形的抗力表示材料对扭转塑性变形的抗力（扭转曲线上对（扭转曲线上对M轴的正切值较直线部分正切值大轴的正切值较直线部分正切值大50%时，该点的扭矩时，该点的扭矩Mp）扭矩：使物体发生转动的力。扭矩：使物体发生转动的力。扭转屈服强度：扭转屈服强度：s = Ms/ WMs残余扭转切应变为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩。时的扭矩。（相当于拉伸残余应变（相当于拉伸残余应变0.2%） 扭转强度极限：扭转强度极限：b = Mb/ WMb扭断前的最大扭矩扭断前的最大扭矩故用故用b = Mb/ W计算的计算的b（按弹性理论）（按弹性理论） 与真实与真实情况有偏差，故称条件强度极限（脆性材料相符）情况有偏

55、差，故称条件强度极限（脆性材料相符）扭转试验的特点及应用扭转试验的特点及应用 扭转的应力状态软性系数扭转的应力状态软性系数=0.8，较高，较高，可用来测定可用来测定那些在拉伸时呈现脆性的材料那些在拉伸时呈现脆性的材料（f/c=0.50.8）的强的强度和塑性度和塑性。 截面应力分布表面最大，心部最低，因此扭转试验对截面应力分布表面最大，心部最低，因此扭转试验对材料表面强化和表面缺陷的反映十分敏感，适用于表面材料表面强化和表面缺陷的反映十分敏感，适用于表面强化材料的性能检验强化材料的性能检验。二、弯曲及其性能指标二、弯曲及其性能指标对于直径为对于直径为d0的圆截面试样：的圆截面试样：对于宽为对于宽

56、为b，高为，高为h的矩形截面试样：的矩形截面试样：maxmaxMW36bhW W为试样抗弯截面系数为试样抗弯截面系数3032dWWMbbbMb为试样断裂时的弯矩（为试样断裂时的弯矩（Nm）材料的塑性可用最大弯曲挠度材料的塑性可用最大弯曲挠度fmax表示，表示， fmax值可由百值可由百分表或挠度计直接读出。分表或挠度计直接读出。最大正应力最大正应力抗弯强度抗弯强度弯曲加载时受拉弯曲加载时受拉-侧的应力状态与静拉伸基本相同，侧的应力状态与静拉伸基本相同，且不存在拉伸时试样偏斜对试验结果的影响，故且不存在拉伸时试样偏斜对试验结果的影响，故弯曲弯曲试验常用于测量硬度很高试验常用于测量硬度很高，难以加工成拉伸试样的脆难以加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度性