材料力学性能09

1、8.为何常用金属材料拉伸试验中弹性变形与塑性变形之间分界点难以确定？涉及哪些性能指标？工程上如何解决此问题？思考题：2.为什么材料微观塑性变形是切变过程？7.多晶塑性变形与单晶相比有何特点？为什么？9.微观塑性变形机制是均匀的还是非均匀的？如何理解拉伸颈缩前塑性变形的均匀性？3.如何实现材料的微观塑性切变？4.临界切应力定律的物理意义？工程意义？5.如何理解微观塑性变形与宏观塑性变形之关系？1.单向正应力和纯剪切应力状态下材料力学行为异同点？6.晶体取向软硬与应力状态软硬有何关系？（1 1）多晶体塑性变形特点）多晶体塑性变形特点 a.a.不同时性和不均匀性不同时性和不均匀性3.3.多晶体的塑性

2、变形多晶体的塑性变形b.b.变形协调性变形协调性zyxd,d,dzyxVdddd0)1 (d)1 (d)1 (ddzyxzyxV)1 (d0zyxVzyxvVdVdV00d0ddddpzPyPxPV应变六面体单元：假设塑性变形体积不变，即：多晶体塑性变形的必要条件：至少5个独立的滑移系。（2 2）多晶体塑性变形过程）多晶体塑性变形过程多晶体塑性变形机制：位错晶界塞积应力集中促使相邻晶粒位错开动，塑性变形得以传播。4.陶瓷材料塑性变形特点陶瓷材料塑性变形特点在共价键键合的陶瓷中，原子之间的键合是特定的并具有方向性。当位错以水平方向运动时，必须破坏这种特殊的原子键合，而共价键的结合力是很强的，位错

3、运动有很高的点阵阻力。因此，以共价键键合的陶瓷，不论是单晶体还是多晶体，都难以发生塑性变形。(a) 共价键共价键 结合键对位错运动的影响结合键对位错运动的影响离子键合的陶瓷，也具有明显的方向性，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。所以只有极少数具有简单晶体结构的单晶体，如MgO、KCl(均为NaCl型结构)在室温下具有塑性，而一般晶体结构复杂的材料在室温下不能进行塑性变形。但是离子键合陶瓷多晶体，由于滑移系统较少不能满足多晶体协调变形条件，导致多晶体难以塑性变形。陶瓷材料陶瓷材料一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂纹

4、、玻璃相等。位错更加不易向周围晶体传播，更易纹、玻璃相等。位错更加不易向周围晶体传播，更易在晶界处塞积而产生应力集中，形成裂纹引起断裂。在晶界处塞积而产生应力集中，形成裂纹引起断裂。所以所以陶瓷材料很难进行塑性变形陶瓷材料很难进行塑性变形。玻璃材料玻璃材料与一般陶瓷材料的塑性变形机理不同与一般陶瓷材料的塑性变形机理不同无机玻璃材料：无机玻璃材料：由于不存在晶体中的滑移和孪生的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，属于来进行的，属于粘性流动粘性流动变形机制，塑性变形需要在变形机制，塑性变形需要在一定的温

5、度下进行。所以一定的温度下进行。所以普通的无机玻璃在室温下没普通的无机玻璃在室温下没有塑性。有塑性。金属玻璃性能特点：高强度、高弹性极限和耐腐蚀等优异的性能。金属玻璃呈现宏观脆性，但能发生，即形变集中于数量很少、宽度只有几十纳米的剪切带内；而且剪切带一旦形成便迅速扩展，导致材料瞬间发生灾难性断裂。在微观尺度下单一剪切带内的局域剪切应变却可以达到102 %-103 %。非晶态金属材料：非晶态金属材料：Al86Ni7Y4.5Co1La1.5块体金属玻璃的压缩行为 (a)表面加工质量较高的样品在均匀形变后剪切断裂；(b)有表面加工缺陷的样品在缺陷处发生颈缩断裂 5.高分子材料塑性变形特点高分子材料塑

6、性变形特点高分子材料的塑性变形机理因其状态不同而异。高分子材料的塑性变形机理因其状态不同而异。结晶态结晶态高分子材料的塑性变形是由高分子材料的塑性变形是由薄晶转变为沿应薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束力方向排列的微纤维束的过程；的过程；非晶态非晶态高分子材料的塑性变形有两种方式，即在高分子材料的塑性变形有两种方式，即在正正应力作用下形成银纹应力作用下形成银纹或在或在切应力作用下无取向分子链切应力作用下无取向分子链局部转变为取向排列的纤维束局部转变为取向排列的纤维束。 无取向的晶态聚合物无取向的晶态聚合物在塑件变在塑件变形过程中。首先是形过程中。首先是晶球的破坏晶球的破坏，使，使与应力垂直的薄

7、晶与无定型相分离，与应力垂直的薄晶与无定型相分离，然后然后薄晶沿应力方向排列薄晶沿应力方向排列。晶体破。晶体破碎成小晶块时，分子链仍然保持折碎成小晶块时，分子链仍然保持折叠结构。叠结构。 随着变形进一步发展，小晶体沿拉伸方向整齐随着变形进一步发展，小晶体沿拉伸方向整齐排列，排列，形成长的纤维形成长的纤维。 当薄晶转变为微纤维束的当薄晶转变为微纤维束的晶块时，分子链沿拉应力方向晶块时，分子链沿拉应力方向伸展开。伸展开。 由于许多串联排列的晶体由于许多串联排列的晶体块是从同一薄晶中撕出来的，块是从同一薄晶中撕出来的，所以晶体块之间有许多伸开的所以晶体块之间有许多伸开的分子链将它们彼此连接在一起。分

8、子链将它们彼此连接在一起。 微纤维的定向排列以及伸展开的分子链的定向排微纤维的定向排列以及伸展开的分子链的定向排列，使高分子材料强度大幅度提高。列，使高分子材料强度大幅度提高。 由于微纤维间的联结，分子链进一步伸展，微纤由于微纤维间的联结，分子链进一步伸展，微纤维结构的继续变形非常困难，从而造成形变硬化。维结构的继续变形非常困难，从而造成形变硬化。 非晶态非晶态( (玻璃态玻璃态) )高分子材料的塑性变形机理主要高分子材料的塑性变形机理主要是形成银纹是形成银纹。银纹银纹是高分子材料在变形过程中产生的是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于一种缺陷，由于它的密度低，对光线的反射能力很高，它的

9、密度低，对光线的反射能力很高，看起来呈银色看起来呈银色，因而得名。，因而得名。 银纹产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位。在银纹产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位。在拉应力作用下，材料弱结构或缺陷部位往往先被拉开，拉应力作用下，材料弱结构或缺陷部位往往先被拉开，形成亚微观裂纹或空洞，这些空洞继续发展便形成肉形成亚微观裂纹或空洞，这些空洞继续发展便形成肉眼可见的银纹。眼可见的银纹。银纹产生和发展的过程l银纹材料银纹材料体密度体密度约比无银纹材料小约比无银纹材料小5050。l在继续变形过程中，银纹的长度在与拉应力垂直的方在继续变形过程中，银纹的长度在与拉应力垂直的方向上生长，其厚度变化不大。向上生长

10、，其厚度变化不大。l随着塑性交形量的增大，银纹的数量不断增多，高密随着塑性交形量的增大，银纹的数量不断增多，高密度的银纹可产生超过度的银纹可产生超过100100的应变。的应变。l由于银纹中的纤维取向排列使强度增高，因由于银纹中的纤维取向排列使强度增高，因而随着变形量的增大，材料将不断产生应变硬而随着变形量的增大，材料将不断产生应变硬化。化。l银纹的尖端可以造成应力集中，将对进一步银纹的尖端可以造成应力集中，将对进一步的变形和断裂产生直接影响。的变形和断裂产生直接影响。简单加载:宏观屈服条件：6.6.宏观屈服条件宏观屈服条件微观屈服条件：复杂应力状态屈服准则？ c s(1)最大剪应力（第三强度）

11、理论最大剪应力（第三强度）理论17731773年，年，CoulombCoulomb提出假设提出假设18681868年，年，TrescaTresca完善完善最大剪应力是引起材料塑性屈服的原因最大剪应力是引起材料塑性屈服的原因具体说具体说不管在什么应力状态下，只要构件内不管在什么应力状态下，只要构件内有一点处的有一点处的max达到材料达到材料s ，就发生塑性屈服。，就发生塑性屈服。（TrescaTresca准则）准则）即即实验表明：理论偏于安全，差异有时达实验表明：理论偏于安全，差异有时达15%15%2231ss 31强度条件强度条件推导推导失效方程（或极限条件）失效方程（或极限条件）2maxss

12、或或31nSsIII评价评价原因：未考虑原因：未考虑 2 2 的影响的影响18561856年年 MaxwellMaxwell提出提出( (其书信出版后才知道其书信出版后才知道) )19041904年年 Huber Huber 提出该理论的准则提出该理论的准则(2)形状改变比能（第四强度）理论形状改变比能（第四强度）理论19131913年年 MisesMises提出，但不相信是正确的提出，但不相信是正确的19251925年年 HenckyHencky以能量观点解释与论证以能量观点解释与论证 形状应变比能是引起材料塑性屈服的原因形状应变比能是引起材料塑性屈服的原因具体说具体说不管在什么应力状态下，

13、只要构件内不管在什么应力状态下，只要构件内有一点处的有一点处的 形状比能形状比能 达到材料单向拉伸塑性屈达到材料单向拉伸塑性屈服时服时形状比能形状比能，就发生塑性屈服，就发生塑性屈服（MisesMises准则）准则）( (单向拉伸单向拉伸) )强度条件强度条件推导失效方程（或极限条件）为失效方程（或极限条件）为则则0ffuu 21323222161 Euf 222206)1(2061sssfEEu sIVS2132322212121213232221IVS28 试验验证试验验证最大切应力理论与畸变能理论与试验结果均相当接近，后者符合更好钢、铝钢、铝二向屈二向屈服试验服试验备注备注SIII是第三

14、强度理论换算应力，是第三强度理论换算应力，又称应力强度又称应力强度(Stress Intensity)SIV是第四强度理论换算应力，是第四强度理论换算应力，又称又称Mises等效应力等效应力( eq)SIII 、SIV均与主切应力有关，说明第三、第四强度理论均认均与主切应力有关，说明第三、第四强度理论均认为塑性变形是切应力作用下发生的为塑性变形是切应力作用下发生的 1.1.物理屈服现象物理屈服现象模型vCH = 0.5mm/min，LB = 0.0603，vLB = 0.1382mm/s(计算值) vLB = 0.1176mm/s(实验值)2.2.物理屈服的本质物理屈服的本质 拉伸曲线所表现的

15、物理屈服点是拉伸曲线所表现的物理屈服点是材料特性材料特性和和特定的拉伸试验条件特定的拉伸试验条件共同作用的结果。共同作用的结果。 (1)(1)试验条件：试验条件： 夹头或横梁位移速度恒定夹头或横梁位移速度恒定(2)(2)材料特性材料特性( (内部因素内部因素) )溶质原子与位错交互作用钉扎机制：柯氏气团切应力作用下位错运动状态切应力作用下位错运动状态vbmv0位错运动机制vbm0/mv位错运动机制 2.2.物理屈服的本质物理屈服的本质 材料具有明显屈服点的条件:(1)塑性变形开始前可动位错密度低；(2)塑性变形开始后位错密度迅速增加 (位错增殖或脱钉)；(3)位错运动速率对外加应力有强烈的依存

16、关系 (位错运动速率应力敏感指数m小)。Ge、Si、LiF、bcc金属等m值较小，屈服现象明显；Fcc金属m值较大(100200)，屈服现象不明显。3.3.应变时效应变时效X80管线钢不同预应变的应变时效行为管线钢不同预应变的应变时效行为位错与溶质原子相互作用的结果。实验依据：(1)应变时效重新产生物理屈服的激活能与C原子在 铁中扩散激活能相同，约84kJ/mol；(2)应变时效所需时间与形成原子气团的时间也在 同一数量级内。 (1)在薄钢板冷冲压成形时，往往因局部变形不均匀，板面吕德斯带导致表面折皱，影响表面质量。4.4.与物理屈服相关的几个工程问题与物理屈服相关的几个工程问题 为避免折皱出

17、现，可对钢板预变形，变形量稍大于屈服应变，然后冲压时将不出现物理屈服，避免折皱。应变时效强化同时发生脆化，一般应予以避免；但若调整成分和工艺以避免塑性下降过多，应变时效亦能用于提高低碳钢的强度。例1：川崎制铁株式会社申请了一系列专利应变时效硬化特性优良的高强度冷轧钢板及其制造方法，CN1366559具有优良应变时效硬化特性的热轧钢板、冷轧钢板和热浸镀锌钢板以及它们的制造方法，01801490.9 冲压成形性和应变时效硬化特性出色的高延展性钢板及其制造方法，02122437.4例2：国家自然科学基金项目(2012-2015)基于动态应变时效的激光温喷丸强化延寿基础研究 (2)应变时效可能导致工程

18、构件脆性增加。继续变形抗力：初始变形抗力：最大强度：fydddymax1.1.点阵阻力点阵阻力bwbdpeGeG2)1(21212位错滑移时核心能量的变化： 2.2.位错间交互作用阻力位错间交互作用阻力Ti合金冷变形位错缠结合金冷变形位错缠结(1)平行位错间交互作用(2)位错林阻力b b1 1b b2 2位错滑移方向位错滑移方向位错交割结果：在位错线上可形成曲折位错交割结果：在位错线上可形成曲折( (割阶或扭折割阶或扭折) )。割阶：位错线上垂直于其滑移面的曲折部分。割阶：位错线上垂直于其滑移面的曲折部分。 割阶阻碍位错的运动。割阶阻碍位错的运动。扭折：位错线上位于其滑移面上的曲折部分。扭折：位错线上位于其滑移面上的曲折部分。 扭折对位错运动影响不大。扭折对位错运动影响不大。b bb b割阶割阶扭折扭折典型的位错交割：典型的位错交割： 不同滑移面上两条相垂直不同滑移面上两条相垂直刃位错交割刃位错交割，使两条位错线上，使两条位错线上各形成大小、方向等于另一条各形成大小、方向等于另一条位错线位错线b b 矢量的螺型扭折。矢量的螺型扭折。不同滑移面上两条相垂不同滑移面上两条相垂直螺位错交割直螺位错交割，使两条位错，使两条位错线上各自形成大小、方向等线上各自形成大小、方向等于另一条位错线于另一条位错线b b 矢量的刃矢量的刃型割阶。该割阶须经攀