Chapter1金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

1、第一章第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能本章目的：本章目的：（1 1）揭示金属变形和断裂的基本规律；）揭示金属变形和断裂的基本规律；（2 2）阐述静载荷下各种力学性能指标的本）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；质、意义、相互关系及变化规律；（3 3）掌握静拉伸试验方法。）掌握静拉伸试验方法。一、一、静拉伸试验的目的（意义）与条件静拉伸试验的目的（意义）与条件 目的目的：揭示金属变形和断裂的基本规律：揭示金属变形和断裂的基本规律 条件条件： 受力简单、试样理想受力简单、试样理想 具体：具体： 环境环境：常温、空气介质：常温、空气介

2、质 载荷载荷：静负荷、轴向单拉伸：静负荷、轴向单拉伸 试样试样: : 表面光滑、圆棒形表面光滑、圆棒形1 1 力伸长曲线和应力应变曲线力伸长曲线和应力应变曲线 = P/A0 (MPa) = L/L0=(L1-L0)/L0 以以-1987-1987为依据为依据圆棒试样圆棒试样 ：弹性变形：弹性变形 线性、可逆性线性、可逆性 ：屈服阶段：屈服阶段 塑性流动、不可逆塑性流动、不可逆 ：均匀塑性变形：均匀塑性变形 应变硬化应变硬化 ：不均匀集中塑性变形：不均匀集中塑性变形 颈缩现象颈缩现象二、低碳钢拉伸曲线及应力应变曲线二、低碳钢拉伸曲线及应力应变曲线 1 1 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线典型性典型性

3、 拉伸力作用下的变形过程分为拉伸力作用下的变形过程分为四个阶段四个阶段：过程：弹性变形过程：弹性变形弹塑性变形弹塑性变形断裂断裂注意注意：(1)(1)实际使用的金属材料，多数无屈服现象实际使用的金属材料，多数无屈服现象 或四阶段不全；或四阶段不全；(2)(2)拉伸曲线反映了受力后变形的特性，以及材料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。抵抗变形、断裂的能力。l铸铁铸铁退火纯铜退火纯铜冷拔钢丝冷拔钢丝铝青铜铝青铜 基于试样初始截面和初始长度定义的应力、基于试样初始截面和初始长度定义的应力、应变应变称为工程应力和工程应变。称为工程应力和工程应变。2 2 工程应力工程应力-

4、-工程应变曲线工程应变曲线条件应力：条件应力：条件应变条件应变( (以长度表示以长度表示) )： ( (以面积表示以面积表示) )： 0AF0ll0AA图图1-2 1-2 低碳钢的工程应力一工程应变曲线低碳钢的工程应力一工程应变曲线比例极限比例极限: P 弹性极限弹性极限: e屈服极限屈服极限: s抗拉强度抗拉强度: b断裂极限断裂极限: k 工程应力应变曲线意义：可以建立材料经拉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伸条件下的力学性能指标另另：弹性应变量、：弹性应变量、 塑性应变量等塑性应变量等退火低碳钢退火低碳钢正火中碳钢正火中碳钢高碳钢高碳钢 注：注：（1）三者弹性

5、模）三者弹性模量相同，但屈服强量相同，但屈服强度、抗拉强度不同；度、抗拉强度不同； （2） 低碳钢与低碳钢与中碳钢存在明显屈中碳钢存在明显屈服现象，高碳钢无服现象，高碳钢无明显屈服现象明显屈服现象 本章结束后能本章结束后能解释解释1：有机玻璃：硬而脆：有机玻璃：硬而脆退火低碳钢退火低碳钢正火中碳钢正火中碳钢高碳钢高碳钢2：纤维增强热固塑料：纤维增强热固塑料： 硬而强硬而强尼龙：硬而韧尼龙：硬而韧聚四氟乙烯：软而韧聚四氟乙烯：软而韧 注：比较材料的软硬与塑性好坏之间的差别注：比较材料的软硬与塑性好坏之间的差别真实应变真实应变 e e: :真实应力真实应力S S： S =S = AF瞬时瞬时lnl

6、n e e 3 3 真应力真实应变曲线真应力真实应变曲线 -：工程应力应变曲线：工程应力应变曲线1 工程应力工程应力应变曲线中应变曲线中“颈缩颈缩”现象掩盖了现象掩盖了 “加工硬加工硬化化”。2 2 思考：是否曲线不下垂就是思考：是否曲线不下垂就是S Se e曲线。曲线。颈缩颈缩 S -eS -e：真应力真应变曲线：真应力真应变曲线真应力真应变真应力真应变曲线与曲线与工程应力一工程应变工程应力一工程应变曲线之间的差别曲线之间的差别图图1 14 4 典型金属的真实应力真实应变曲线典型金属的真实应力真实应变曲线(1)(1)随变形加剧，变形抗力增大随变形加剧，变形抗力增大形变强化；形变强化；(2)(

7、2)不同金属的形变强化能力各不相同。不同金属的形变强化能力各不相同。思考：思考：哪种材质适于制造哪种材质适于制造矿山用钻头？矿山用钻头？图图1 14 4 典型金属的真实应力真实应变曲线典型金属的真实应力真实应变曲线例如：高锰钢初例如：高锰钢初始强度不高，但始强度不高，但形变强化能力强形变强化能力强适于制造矿适于制造矿山用钻头山用钻头任一零、构件服役中均处于弹性变形状态。任一零、构件服役中均处于弹性变形状态。2 2 弹性变形阶段的力学性能弹性变形阶段的力学性能 其中镗床弹杆、刀架、梁等对弹性其中镗床弹杆、刀架、梁等对弹性变形量有严格要求。变形量有严格要求。刚度要求刚度要求 提高构件刚度的经验提高

8、构件刚度的经验： 改变材质改变材质 增大截面积增大截面积1 1 弹性变形的特点：弹性变形的特点：一、弹性变形及其物理本质一、弹性变形及其物理本质 (1)可逆性可逆性；(2)应力应变间单值对应、应力应变间单值对应、 近线性关系近线性关系 ； 符合虎克定律：符合虎克定律： E (3)变形量小变形量小：0.50.51%1% 原因：材料内部存在原因：材料内部存在 缺陷：位错、缺陷：位错、 裂纹、夹杂等裂纹、夹杂等2 2 弹性变形的物理本质弹性变形的物理本质 固态金属晶体点阵固态金属晶体点阵中的原子，相邻原子间中的原子，相邻原子间同时存在引力和斥力同时存在引力和斥力两种力的大小随原两种力的大小随原子间距

9、离而变化。子间距离而变化。 r r0 0: : 引、斥两力平衡的原子间距引、斥两力平衡的原子间距本质上，弹性变形的实质是外力克服原子间本质上，弹性变形的实质是外力克服原子间作用力使原子间距发生具有可逆性的变化作用力使原子间距发生具有可逆性的变化, ,即外即外力撤除后原子能恢复平衡间距。力撤除后原子能恢复平衡间距。1 1 弹性模量的物理意义：弹性模量的物理意义： 弹性范围内应力与应变的比值，弹性范围内应力与应变的比值，即产生单位弹即产生单位弹性应变所需应力的大小性应变所需应力的大小，是金属对弹性变形的抗力，是金属对弹性变形的抗力，表征了材料弹性变形难易表征了材料弹性变形难易，EE，难。，难。二、

10、弹性模量二、弹性模量 HookeHooke定律：定律： 正应力时：正应力时：E E 切应力时：切应力时：G G正弹性模量正弹性模量切弹性模量切弹性模量2 2 弹性模量的工程技术意义弹性模量的工程技术意义 机床主轴、镗床弹杆、刀架、梁等对弹机床主轴、镗床弹杆、刀架、梁等对弹性变形量性变形量( (挠度挠度) )有严格要求。有严格要求。 刚度要求刚度要求 原因：原因：刚度小刚度小易于弹性变形，过量的弹易于弹性变形，过量的弹性变形导致构件性变形导致构件失稳失稳、加工精度降低加工精度降低等等lPlEAEAP或或 EAEA 工程上工程上 E E 称为材料的刚度称为材料的刚度 EA EA 则为实际构件的刚度

11、则为实际构件的刚度llAP/E E/提高构件刚度的途径：提高构件刚度的途径： 选择高弹性模量材料；选择高弹性模量材料； 加大构件截面积加大构件截面积刚度（刚度（E E）的实用意义：）的实用意义：是衡量构件抵抗弹性变形的能力以及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；构件稳定性的重要指标；例：制造飞机结构的铝合金例：制造飞机结构的铝合金 抗拉强度大约抗拉强度大约650 MN/mm650 MN/mm2 2以下；若提高强度，以下；若提高强度，截面积可减少截面积可减少但刚度不够但刚度不够 工程设计中强度、刚度均需校核工程设计中强度、刚度均需校核 有时宁可选择强度较低、高弹性模量材料有时宁

12、可选择强度较低、高弹性模量材料空间飞行器要求较高的空间飞行器要求较高的比弹性模量比弹性模量E/E/几种材料在常温下的弹性模量（几种材料在常温下的弹性模量（MPaMPa）材料名称材料名称弹性模量弹性模量E材料名称材料名称弹性模量弹性模量E低碳钢低碳钢2.0105石英玻璃石英玻璃0.73105不锈钢不锈钢(1.92.0) 105氧化镁氧化镁2.1105钨钨(3.84.2) 105聚乙烯聚乙烯(4.31.8) 103铝合金铝合金(0.80.6) 105聚氯乙稀聚氯乙稀(2.80.1) 103金刚石金刚石10.39 105皮革皮革(4.01.2) 102碳化硅碳化硅4.14105橡胶橡胶(7.80.2

13、) 10现象现象1 1： 无机非金属材料、金属、合金无机非金属材料、金属、合金EE；高分子聚合物高分子聚合物 E E ；现象现象2 2：超高强度钢较低碳钢强度高十倍。但：超高强度钢较低碳钢强度高十倍。但二者二者E E值基本相同。值基本相同。 主要主要与原子间结合力与原子间结合力( (结合键结合键) )有关有关3 3 影响弹性模量的因素影响弹性模量的因素（1 1）与原子间结合力有关：）与原子间结合力有关： 原子间距离或原子半径原子间距离或原子半径 a a或或r r愈小，愈小， E E 愈大愈大 E = k /E = k / a a m m m1 m1 价电子数：价电子数：价电子数愈多，价电子数愈

14、多， E E 愈大愈大注意特殊注意特殊：过渡族金属较普通金属：过渡族金属较普通金属E E值高值高 原因：原因：d d 层电子较多，原子结合力大，层电子较多，原子结合力大，且随原子半径增大而增大且随原子半径增大而增大 合金元素影响小合金元素影响小（2 2）温）温 度度 TT，a a ，EE 原因：影响原子间距离及原子间结合力原因：影响原子间距离及原子间结合力 Fe: Fe: 每升高每升高100 100 ，E E下降约下降约3 34 4晶界弱化晶界弱化温度的影响总体较小，温度的影响总体较小，故一般不需考虑温度变故一般不需考虑温度变化引起的刚度问题；但化引起的刚度问题；但精密仪表、高精度机床精密仪表

15、、高精度机床中某些零件除外。中某些零件除外。解决方法：恒温环境解决方法：恒温环境 采用采用(3)(3)加载速度加载速度 基本不影响基本不影响 原因：原因： 弹性变形速度相当于声速，金属、无弹性变形速度相当于声速，金属、无机物中达几千机物中达几千m/sm/s，摆锤冲击速度仅，摆锤冲击速度仅46 46 m/sm/s。 应用：冲击负荷的测定应用：冲击负荷的测定 利用弹性模量不变，测定应变值即可：利用弹性模量不变，测定应变值即可： 即即E( (4)4)合金化、热处理、合金化、热处理、 冷加工的影响冷加工的影响 取决于对原子间键合力的影响取决于对原子间键合力的影响 E E为非组织敏感参量，故影响小。为非

16、组织敏感参量，故影响小。 例例: : 中高碳钢淬火后中高碳钢淬火后 E E 下降下降10%;10%; 随回火温度升高，随回火温度升高，E E 逐渐回升逐渐回升。E E是力学性能中组织最不敏感参量。是力学性能中组织最不敏感参量。另：另：单晶体单晶体 E E 值各向异性；值各向异性； 原因：不同晶向原子排列不同原因：不同晶向原子排列不同 沿原子密排晶向上的弹性模量较大。沿原子密排晶向上的弹性模量较大。 多晶体多晶体 E E 伪各向同性伪各向同性 如：如：-Fe-Fe单晶体室温下单晶体室温下 沿沿晶向晶向: E=2.7: E=2.7 105MPaMPa 沿沿晶向晶向: E=1.25: E=1.25

17、105MPaMPa 非晶态材料玻璃等非晶态材料玻璃等各向同性各向同性 1 1 弹性极限弹性极限 e e 弹性变形的抗力弹性变形的抗力 由弹性变形过渡到弹塑性由弹性变形过渡到弹塑性 变形时的应力变形时的应力, , 但但实际难测，实际难测， 规定规定采用非比例伸长应力采用非比例伸长应力 p0.01p0.01或或 p0.05p0.05 ：产：产生规定生规定非比例伸长率非比例伸长率0.01%0.01%或或0.05%0.05%时对应的应力时对应的应力; ; 2 2 弹性模量弹性模量 E E（前已述）（前已述） 弹性变形的难易弹性变形的难易 3 3 最大弹性变形量最大弹性变形量E E三、金属的弹性指标三、

18、金属的弹性指标 e eE E4 4、弹性比功、弹性比功 W WE E（弹性比能、应变比能）（弹性比能、应变比能） 选材时须综合考虑选材时须综合考虑E E、E E、 P P。 引入弹性比功引入弹性比功 W WE E：表示材料吸收弹性：表示材料吸收弹性变形功的能力。变形功的能力。 W W (F(FP PllE E) )，两端各除以两端各除以A A0 0l l0 0 W WE E (P PE E) ) P P2 2/2E/2E单位体积内吸收单位体积内吸收的弹性功的弹性功提高比例极限提高比例极限P P比降低比降低E E更有效更有效弹簧或弹性元件的材料要求高的弹性比功：弹簧或弹性元件的材料要求高的弹性比

19、功： P P 大大 ，E E 小小 例如弹簧钢成分与工艺设计目的均是为例如弹簧钢成分与工艺设计目的均是为 P P （1 1）加）加SiSi、MnMn固溶强化固溶强化; ;（2 2）淬火中温回火）淬火中温回火细小第二相强化、细小第二相强化、 位错强化位错强化; ;（3 3）冷拉）冷拉位错强化位错强化. .弹性比功的意义：金属开始塑性变形前单位体积弹性比功的意义：金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功，也是一个韧度指标。吸收的最大弹性变形功，也是一个韧度指标。 0e1 P P =240N/mm31784287585初始拉伸初始拉伸初始压缩初始压缩初始压缩后卸载，初始压缩后卸载，再进行第二次

20、压缩再进行第二次压缩初始压缩后初始压缩后卸载，第二卸载，第二次进行拉伸次进行拉伸2301初始拉伸后卸初始拉伸后卸载，再进行第载，再进行第二次拉伸二次拉伸第三节第三节 弹性的不完整性弹性的不完整性(1)(1)定义定义： 产生了少量塑性变形（产生了少量塑性变形（1 14 4）的材料，）的材料，再同向加载，则规定残余伸长应力再同向加载，则规定残余伸长应力r r（弹性（弹性极限极限e e与屈服强度与屈服强度s s）升高；反向加载则规）升高；反向加载则规定残余伸长应力定残余伸长应力r r（弹性极限（弹性极限e e与屈服强度与屈服强度s s）降低的现象，称为包申格效应。）降低的现象，称为包申格效应。(2)

21、(2)产生原因产生原因： 与位错运动所受的阻力变化有关。与位错运动所受的阻力变化有关。 预先的少量塑性变形预先的少量塑性变形位错在运动前沿受阻产位错在运动前沿受阻产生聚集，甚至形成位错胞生聚集，甚至形成位错胞提高同向强度；提高同向强度； 反方向上，位错阻力小反方向上，位错阻力小降低反向强度降低反向强度(3)(3)实际意义实际意义： 害处：交变载荷工件强度下降问题；害处：交变载荷工件强度下降问题； 利用：薄板反向弯曲易于成形等利用：薄板反向弯曲易于成形等 (4)(4)消除消除：(1)(1)预先进行较大的塑性变形预先进行较大的塑性变形 （2 2）二次受力前回复或再结晶退火。）二次受力前回复或再结晶

22、退火。 2 2 弹性后效（滞弹性）弹性后效（滞弹性） 实际绝大多数固体材料非理想弹性体实际绝大多数固体材料非理想弹性体（2 2）种类：）种类：正弹性后效正弹性后效：加载时应变落后于应力而：加载时应变落后于应力而和时间有关的现象。和时间有关的现象。反弹性后效反弹性后效：卸载时应变落后于应力而：卸载时应变落后于应力而和时间有关的现象。和时间有关的现象。（1 1）定义：）定义：是指材料在快速加载或卸载是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生附加弹性应变，后，随时间的延长而产生附加弹性应变，即应变落后于应力的性能。即应变落后于应力的性能。（3 3）产生原因：）产生原因： 与金属中点缺陷、线缺陷的

23、运动有关。与金属中点缺陷、线缺陷的运动有关。(5)(5)消除方法：消除方法： 长时间退火长时间退火( (消除各类组织缺陷消除各类组织缺陷) )（4 4）意义）意义 影响精密仪表如影响精密仪表如油压表的测量精度；油压表的测量精度； 校直件放置后又校直件放置后又弯曲现象弯曲现象碳在碳在FeFe中的有序扩散迁移中的有序扩散迁移C C 金属在弹性区内加载卸载时，由于应变金属在弹性区内加载卸载时，由于应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，封闭回线称为成一封闭回线，封闭回线称为弹性滞后环弹性滞后环。 意义：材料吸收的变形功的大小意义：材料吸收的变形功

24、的大小(6) (6) 滞后环与循环韧性滞后环与循环韧性0e内耗内耗：在：在交变载荷交变载荷作用下，若所加载荷的作用下，若所加载荷的最大应力最大应力e e（在塑性区加载），则（在塑性区加载），则得到得到塑性塑性滞后环，称为循环韧性。滞后环，称为循环韧性。 注：实际中大多不区分二者注：实际中大多不区分二者循环韧性（内耗）的意义（循环韧性（内耗）的意义（P7P7）：）：v 循环韧性是金属的力学性能，它表示材循环韧性是金属的力学性能，它表示材料吸收不可逆变形功的能力，又称为消振性。料吸收不可逆变形功的能力，又称为消振性。 低内耗材质低内耗材质振动衰减慢振动衰减慢 音叉、钟、琴弦、簧片等音叉、钟、琴弦、

25、簧片等 高内耗材质高内耗材质振动衰减快振动衰减快 制作消震、消声件（发动机缸体、制作消震、消声件（发动机缸体、飞机螺旋桨、汽轮机叶片）飞机螺旋桨、汽轮机叶片）例：灰口铸铁例：灰口铸铁机床床身、机器支架、机床床身、机器支架、 第四节第四节 塑性变形阶段的力学性能塑性变形阶段的力学性能一、塑性变形的方式一、塑性变形的方式 主要方式：滑移和孪生主要方式：滑移和孪生 滑移是金属在切应力作用下沿滑移面和滑移是金属在切应力作用下沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。滑移方向进行的切变过程。单晶体单晶体滑移示意图滑移示意图滑移线滑移线滑移带滑移带(100个原个原子间距子间距)10000个原子间距个原子间距 孪生

26、是发生在金属晶体内部局部区域的孪生是发生在金属晶体内部局部区域的一个均匀切变过程。切变区的宽度较小，切一个均匀切变过程。切变区的宽度较小，切变后已变形区的晶体取向与未变形区的晶体变后已变形区的晶体取向与未变形区的晶体取向成镜面对称关系。取向成镜面对称关系。孪晶带孪晶带孪生面孪生面孪生面孪生面 孪生示意图孪生示意图 1 1 屈服定义：材料承受载荷时，当载荷不再屈服定义：材料承受载荷时，当载荷不再增加而仍继续发生塑性变形的现象。增加而仍继续发生塑性变形的现象。 宏观塑性变形开始的标志。宏观塑性变形开始的标志。二、屈服现象及产生原因二、屈服现象及产生原因试样局部区域出现吕德斯带2 产生原因产生原因：

27、 理论一：柯氏气团钉扎理论理论一：柯氏气团钉扎理论 C、N原子形成柯氏气团，钉扎位错，原子形成柯氏气团，钉扎位错，使位错运动受阻使位错运动受阻存在上屈服点存在上屈服点 位错从柯氏气团摆脱钉位错从柯氏气团摆脱钉扎后，可低应力运动扎后，可低应力运动 下屈服点下屈服点理论二、低密度可动位错理论理论二、低密度可动位错理论 位错密度位错密度、其运动平均速率、其运动平均速率 、柏氏矢量、柏氏矢量b 和塑性应变速率和塑性应变速率之间的关系：之间的关系：v 一些材料在屈服变形前其内部可动位错一些材料在屈服变形前其内部可动位错很少，很少，很低，而很低，而一定，故位错要开动，一定，故位错要开动，须须很大；一旦开动

28、，位错迅速增殖，很大；一旦开动，位错迅速增殖，减小减小存在上、下屈服点原因存在上、下屈服点原因 。 波动原因波动原因: 变形的不均匀性变形的不均匀性 )/(0mbvb位错运动速率位错运动速率应力敏感指数应力敏感指数3 3 产生屈服现象的条件产生屈服现象的条件(P10)(P10) （1 1）材料变形前可动位错密度很小；）材料变形前可动位错密度很小； （2 2）随塑性变形发生，位错能快速增殖；）随塑性变形发生，位错能快速增殖； （3 3）位错运动速率应力敏感指数）位错运动速率应力敏感指数mm小。小。 其它强化机其它强化机制如第二相制如第二相对位错运动对位错运动的影响更大的影响更大fccfcc结构，

29、结构，mm大大原因：原因：(1)(1)实际位实际位错密度仍较大，错密度仍较大，但大多被钉扎；但大多被钉扎；(2)(2)具有具有bccbcc结结构，其构，其mm小小问题：为什么退火、正火、调质态低碳钢、问题：为什么退火、正火、调质态低碳钢、中碳钢屈服明显，而铜、铝、高碳钢屈服中碳钢屈服明显，而铜、铝、高碳钢屈服不明显？不明显？3 3 屈服现象的意义及消除屈服现象的意义及消除 塑性变形开始的标志；塑性变形开始的标志； 害处：冷成形低碳钢板表面的皱褶现象害处：冷成形低碳钢板表面的皱褶现象 消除方法：消除方法： （1 1）添加少量）添加少量AlAl、TiTi固定固定C C、N N； （2 2）先）先1

30、 12 2的预轧变形，再冲击变形的预轧变形，再冲击变形三、塑性变形阶段的力学性能三、塑性变形阶段的力学性能 1 1 强度指标：强度指标： （1 1）屈服强度）屈服强度s s ：试样出现应力不再增加：试样出现应力不再增加而变形仍在进行的现象时的应力。而变形仍在进行的现象时的应力。 计算式：计算式：s s=F=Fs s/A/A0 0 有屈服平台：屈服点或下屈服点有屈服平台：屈服点或下屈服点 无屈服平台：规定残余伸长应力无屈服平台：规定残余伸长应力r0.2r0.2 残余塑性变形量为残余塑性变形量为0.2%0.2%的应力的应力 条件屈服强度条件屈服强度 材料抵抗微量塑性变形的抗力。材料抵抗微量塑性变形

31、的抗力。低碳钢低碳钢铜铜实际中，比例极限、弹性极限、屈服强度实际中，比例极限、弹性极限、屈服强度均为抵抗微量塑性变形的指标均为抵抗微量塑性变形的指标（2 2）抗拉强度）抗拉强度b b ： 使试样保持最大均匀变形的极限应力，使试样保持最大均匀变形的极限应力，又称为又称为强度极限强度极限。 用拉伸条件下材料所能承受的最大载荷用拉伸条件下材料所能承受的最大载荷的应力值表示，计算式：的应力值表示，计算式： b b=F=Fb b/A/A0 0 表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。注意：非最大真应力，也非断裂负荷注意：非最大真应力，也非断裂负荷 另：另：屈强比屈强比（ s

32、/ b ）：）：0.60.85 屈强比高，强度利用率高；屈强比高，强度利用率高； 屈强比低，安全性高屈强比低，安全性高 综合考虑材料利用率和安全性综合考虑材料利用率和安全性2 2 塑性指标塑性指标： 塑性定义塑性定义：材料断裂前发生永久不可逆变：材料断裂前发生永久不可逆变形的能力称为。形的能力称为。 塑性的意义塑性的意义：偶然过载时，塑性变形造成应变硬化偶然过载时，塑性变形造成应变硬化, ,可一可一定程度上抵抗超负荷；定程度上抵抗超负荷；构件内部存在应力集中构件内部存在应力集中( (沟、槽、台阶等沟、槽、台阶等) )时，时，通过塑性变形使应力缓解、重新分布；通过塑性变形使应力缓解、重新分布；材

33、料可加工、易成型性，可装配、修复材料可加工、易成型性，可装配、修复 良好的塑性（而非强度）是金属作为结良好的塑性（而非强度）是金属作为结构件的主要原因。构件的主要原因。塑性衡量指标有二：塑性衡量指标有二：（1 1） 断后伸长率断后伸长率延伸率延伸率 = L/L0 =(L1-L0)/L0 那么，那么，是否与是否与 试样尺寸无关？试样尺寸无关？ 断裂后的总伸长断裂后的总伸长Lk= LgLN 故：故：Lk/ L L0 0=(L=(L0 0AA0 01/21/2)/L)/L0 0 A A0 01/21/2/ /L L0 0 LNLg：颈缩：颈缩前均匀塑前均匀塑性伸长性伸长与与L L0 0有关有关LN：

34、颈缩：颈缩后局部塑后局部塑性伸长性伸长与与A A0 0有关有关 Lg A A0 01/21/2/ /L L0 0 结论：结论： （1 1）与与A A0 0、L L0 0有关：有关： A A0 0相同时，相同时， L L0 0愈长则愈长则愈小；愈小； L L0 0相同时，相同时， A A0 0愈大则愈大则愈大愈大 （2 2）为使）为使具有可比性，具有可比性， L L0 0/A/A0 01/21/2需为常数：需为常数： 国家标准规定：此值为国家标准规定：此值为5.655.65、11.311.3 分别对应前所述分别对应前所述 L L0 0 = 5d= 5d0 0; L; L0 0 = 10d= 10

35、d0 0; ; (3) (3) 不能用不能用5 5 与与1010相比较：相比较： 同种材料的同种材料的5 5 为为1010的的1.21.21.51.5倍倍（2 2）断面收缩率）断面收缩率 试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。量与原始横截面积的百分比。 =A/A0（A A0 0A A1 1）/A/A0 0100%100%； 问题一、问题一、与与之间相等吗？之间相等吗？与与哪个哪个更接近真实塑性？更接近真实塑性？ 问题二、工程塑性问题二、工程塑性、与真塑性与真塑性 e e、e e之间的关系？之间的关系？均匀变形阶段均匀变形阶段，利用体积不变

36、定律可推导出：，利用体积不变定律可推导出： /(1+);/(1+); 得：得： 均匀均匀+ +不均匀变形不均匀变形即存在颈缩现象时：即存在颈缩现象时： 较较 显著增大，且显著增大，且 即：无论是否存在颈缩，塑性变形阶段即：无论是否存在颈缩，塑性变形阶段两两个工程塑性指标个工程塑性指标、均不相等均不相等均匀变形时均匀变形时与与关系的推导关系的推导: :均匀变形时有：均匀变形时有： L L0 0S S0 0=LS =LS 另：另： L=LL=L0 0+L=L+L=L0 0(1+L/L(1+L/L0 0)=L)=L0 0 (1+) (1+) S=SS=S0 0-S=S-S=S0 0(1-S/S(1-

37、S/S0 0)=S)=S0 0 (1-)(1-)故：故： L L0 0S S0 0=L=L0 0 (1+)S(1+)S0 0 (1-)(1-) 1 1 (1+)(1-)(1+)(1-)有：有： /(1-); /(1-); /(1+);/(1+); 首先需建立首先需建立、与真实塑性指标与真实塑性指标e e 、e e间的关系，均匀变形阶段有：间的关系，均匀变形阶段有： e elnA/AlnA/A0 0；e=lnL/Le=lnL/L0 0 而：而：A/AA/A0 0L L0 0/L /L ； 得：得：e e- e- e即：均匀塑性变形阶段，即：均匀塑性变形阶段，两个真实塑性两个真实塑性 指标指标e

38、e、 e e相等相等问题：问题：与与，哪个更接近真实塑性？，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进一步推导出均匀变形阶段四个塑性指标间的关系为：指标间的关系为： e e -e eln(1+)ln(1+)ln1/(1-)ln1/(1-) 通过数学分析有以下结论：通过数学分析有以下结论：（1 1）仅形变量）仅形变量3% e e =e e（2 2）变形量）变形量30% 且且比比更接近真实塑性更接近真实塑性结论：结论：（1 1）比比更真实反映材料塑性；更真实反映材料塑性；（2 2）根据材料）根据材料与与的大小可判断材料的大小可判断材料是否形成颈缩是否形成颈缩 无颈缩无颈缩 颈缩，差别

39、越大越严重颈缩，差别越大越严重例如：例如： 高锰钢高锰钢: 55: 55，3535，无颈缩，无颈缩 12CrNi3: 2612CrNi3: 26，6565，颈缩，颈缩 屈服过程是位错运动过程，屈服过程是位错运动过程，纯金属单纯金属单晶体的屈服强度理论上讲是位错开始运动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所需的临界切应力，故所有阻碍位错运动，故所有阻碍位错运动的因素均提高屈服强度。的因素均提高屈服强度。位错阻力：位错阻力： 晶格阻力；晶格缺陷的阻力。晶格阻力；晶格缺陷的阻力。 四、影响屈服强度的因素四、影响屈服强度的因素 晶体结构晶体结构 晶格阻力也称派纳力晶格阻力也称派纳力p-

40、np-n理想晶体中理想晶体中仅存在一个位错运动时所须克服的阻力。仅存在一个位错运动时所须克服的阻力。)2exp(12)1 (/2exp12bGbaGnp G: G: 切变模量；切变模量； ：泊松比：泊松比 a: a: 滑移面晶面间距滑移面晶面间距 b b：柏氏矢量的模。：柏氏矢量的模。 =a/(1-)=a/(1-)：位错的宽度：位错的宽度结论：结论：（1 1）晶体滑移所需克服的切应力是很低的：）晶体滑移所需克服的切应力是很低的： 派纳力约为（派纳力约为（10103 310104 4）G;G;（2 2）滑移面间距）滑移面间距a a值越大，柏氏矢量的模值越大，柏氏矢量的模 b b值越小，则晶格阻力

41、越小；值越小，则晶格阻力越小； 滑移系取最密排面滑移系取最密排面a a值最大值最大 最密排晶向最密排晶向b b值最小；值最小；（3 3）位错宽度越小，滑移的晶格阻力越大。）位错宽度越小，滑移的晶格阻力越大。 塑性材料塑性材料位错宽度约位错宽度约1010个原子间距；个原子间距； 陶瓷及定向共价键材料，位错宽度很小陶瓷及定向共价键材料，位错宽度很小 晶格阻力大、脆晶格阻力大、脆 另：另：s(f.c.c,位错宽度大位错宽度大)(bcc)p-np-n(fcc) (fcc) 而而p-np-n受温度影响大受温度影响大W晶体结构晶体结构 -W：稳定晶型，体心立方，：稳定晶型，体心立方，a=(0.316254

42、 0.000004)nm(25)；-W：亚稳晶型，立方：亚稳晶型，立方A15晶格，加热至晶格，加热至600700时转变为时转变为-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，：面心立方，仅发现在溅射最初期的薄层和无定形钨中，a=0.423 nm，700时转变时转变为为-WMo的晶体结构是否存在相变？若有，相变与力学性能有何关系？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）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，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随着变形

43、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机理：位错的增殖与交互作用导致的阻碍 0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.0true strain-stress linePbPmStress / MPaStrain (1)(1)多晶体金属的应力多晶体金属的应力应变曲线应变曲线 (2) (2) 均匀塑性变形阶段应力与应变之间符合均匀塑性变形阶段应力与应变之间符合HollomonHollomon关系式关系式 实验证明：实验证明：S=KeS=Ken n。 真应力真应力真应变真应变应变硬化指数应变硬化指数硬化系数：真实应变等于硬化系数：真实应变等于1.01.

44、0时的真实应力。时的真实应力。 S=K S=Ke en n。讨论：讨论： n=0n=0则则S=KS=K，S S为常数，与为常数，与e e无关无关 无形变强化能力。无形变强化能力。 例如：在室温下即产生再结晶的软例如：在室温下即产生再结晶的软金属如金属如PbPb、SnSn等，或已受强烈加工硬化等，或已受强烈加工硬化的材料。的材料。 n=1n=1则则S=KS=Ke e，S S与与e e线性关系线性关系 理想弹性体。理想弹性体。 n n从从0 0到到1 1区间内，形变强化能力上升。区间内，形变强化能力上升。 大多数金属大多数金属n n在在0.10.10.50.5之间。之间。 （3 3）n n 的意义

45、：的意义： a a、反映了金属材料抵抗、阻止继续塑性变形的、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；能力，是表征金属材料应变硬化的性能指标； b b、n n 较大，变形则较均匀；抗偶然过载能力较较大，变形则较均匀；抗偶然过载能力较强；安全性相对较好；强；安全性相对较好； n n 值的高低表示了材料发生颈缩前依靠硬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。化使材料均匀变形能力的大小。 c c、应变硬化是强化的重要手段之一，尤不能热、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。处理的材料，如纯金属、无固态相

46、变金属等。例如：例如： 喷丸强化喷丸强化 18188 8不锈钢的形不锈钢的形变强化：变强化： 4040时，时， b b22倍，倍， s s 4 45 5倍倍 复相钢复相钢(F+10(F+101515M)M)的形变强化的形变强化在汽在汽车工业上的应用：车工业上的应用： 同时同时、（4 4）n n的测定的测定实验测定法（实验测定法（GB5028-85GB5028-85） 由由S=KeS=Ken n lgSlgS=lgK=lgKn nlgelge 双对数坐标双对数坐标 lgSlgS与与lgelge线性关系，线性关系， 由于由于 S S=(1+); =(1+); e e=ln(1+)=ln(1+) 只

47、要在拉伸曲线上只要在拉伸曲线上 确定几个确定几个、即可。即可。 lgelge0 0 处可求处可求K K值值 直线斜率即为直线斜率即为n n 几种金属的几种金属的 n 值和层错能（值和层错能（mJm-2）金属金属奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢铜铜铝铝铁铁n0.450.550.30.250.15层错能层错能13402002001000 fccfcc金属的金属的n n值比值比bccbcc金属要高金属要高； fccfcc金属中层错能低的材料比层错能高的金属中层错能低的材料比层错能高的硬化能力大硬化能力大实质影响因素是层错能实质影响因素是层错能 原因：层错能低不易交滑移原因：层错能低不易交滑移易位错增殖易位错

48、增殖 层错能低的层错能低的 n n 值较高值较高 （5 5）影响）影响 n n 值的因素值的因素 材料的强度材料的强度： 经验式：经验式： n ns s = = 常数常数反比关系反比关系 经过硬化的材料经过硬化的材料 n n 值会减少值会减少 注：注：拉伸试样出现均匀塑性变形阶段的前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。提是材料必须有足够的应变硬化能力。影响影响b b的因素：的因素：(1)(1)所有影响所有影响s s的因素均影响的因素均影响b b; ;但程度不同但程度不同(2)(2)与裂纹、夹杂等应力集中因素有关与裂纹、夹杂等应力集中因素有关几种强度指标：几种强度指

49、标： s s、0.20.2、p p、e e、b b 机器零件多采用机器零件多采用屈服强度屈服强度；变形要求严；变形要求严的零件如火炮炮镗可采用的零件如火炮炮镗可采用比例极限比例极限；变形要；变形要求不高或对重量限制很严格而服役期很短的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构件如火箭上某些构件可采用抗拉强度；抗拉强度；微量塑变抗力指标微量塑变抗力指标结构结构材料工程设计中最重要指标材料工程设计中最重要指标第五节 金属的断裂 1943 1943年年1 1月，一艘刚通过试船的油轮在码月，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。头停泊时，突然一声巨响折断为二。

50、 核算后当时所受拉应力仅为核算后当时所受拉应力仅为70MN/m70MN/m2 2，而，而低碳钢船体的低碳钢船体的s s为为250MN/m250MN/m2 2，b b为为400400500MN/m500MN/m2 2； 低应力断裂低应力断裂 调查后发现：调查后发现：(1) (1) 气温为气温为55； (2)(2)内部存在内部存在0.10.110mm10mm的裂纹的裂纹 断裂往往与裂纹有关断裂往往与裂纹有关脆性断裂脆性断裂一、断裂的类型及断口的特征一、断裂的类型及断口的特征 (P24)(P24) 1 1 断裂类型断裂类型分类分类方法方法 1断裂类型断裂类型名称名称 断裂断裂示意图示意图断裂特征断裂

51、特征(判断依据判断依据)断裂前断裂前塑性变塑性变形大小形大小韧性韧性断裂断裂断裂前发生断裂前发生明显宏观明显宏观塑性变形塑性变形: : 5%5%脆性脆性断裂断裂断裂前不发生断裂前不发生明显宏明显宏观塑性变形观塑性变形: : 5%5%5%断裂前不发生明显的塑断裂前不发生明显的塑性变形性变形: : 5% s s; ;工作工作s s 低应力断裂低应力断裂裂纹扩展过程较慢，裂纹扩展过程较慢，消耗大量塑性变形能消耗大量塑性变形能裂纹扩展过程较快裂纹扩展过程较快快速、突然性快速、突然性低碳钢等塑性好低碳钢等塑性好的金属材料；的金属材料；高分子材料高分子材料淬火钢、灰铸铁；淬火钢、灰铸铁；陶瓷、玻璃等脆性材

52、料陶瓷、玻璃等脆性材料注意：注意：并不只是脆性材料才发生脆性断裂，塑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：性较好的材料也可能发生脆断： 如：低温时；如：低温时； 加载速度极快时加载速度极快时冲击冲击脆断时局部区域仍存在一定塑性变形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微观区域可能存在韧断特征 该分类具有工程实用意义该分类具有工程实用意义 工程设计的依据不同：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只有塑断可能的金属材料设计时取屈服强度；强度；* * *有脆断可能的钢（高强度钢、低温下使有脆断可能的钢（高强度钢、低温下使用的中强

53、度钢）须从脆断角度计算承载力。用的中强度钢）须从脆断角度计算承载力。 穿晶断裂穿晶断裂宏观上可能是韧性的，也可能是脆宏观上可能是韧性的，也可能是脆性的性的；沿晶断裂通常是脆性断裂。；沿晶断裂通常是脆性断裂。沿晶断裂产生原因：沿晶断裂产生原因： 晶界脆化晶界脆化( (晶界上存在连续或不连续的脆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性第二相、夹杂物，破坏了材料的连续性) ) 或弱化或弱化(Sb(Sb、SnSn、AsAs、P P等元素在晶界富等元素在晶界富集集; ; 含氧较高的低碳钢，晶界形成含氧较高的低碳钢，晶界形成FeOFeO薄层薄层) )沿晶断裂断口形貌沿晶断裂断口形貌

54、沿晶断裂断口典型形貌：沿晶断裂断口典型形貌：冰糖状冰糖状浅坑浅坑局部区域有塑性变形局部区域有塑性变形 1 1 断裂过程断裂过程 中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下中、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。的静拉伸断裂是典型的韧性断裂。 断裂过程如下：断裂过程如下： 二、断口的宏观特征二、断口的宏观特征2 2 断口的宏观特征断口的宏观特征光滑圆柱拉伸试样光滑圆柱拉伸试样断口断口宏观特征宏观特征平板试样断口平板试样断口宏观特征宏观特征宏观断口特征三要素宏观断口特征三要素 1. 1. 纤维区纤维区： 裂纹生核及缓慢生长区裂纹生核及缓慢生长区 韧性断裂区韧性断裂区 2. 2. 放

55、射区放射区： 裂纹快速扩展区。裂纹快速扩展区。 脆性断裂区脆性断裂区3. 3. 剪切唇：剪切唇： 瞬时断裂区瞬时断裂区 韧性断裂区韧性断裂区3 3 实际构件断口分析方法实际构件断口分析方法(1) (1) 观察断口是否存在放射花样或人字纹观察断口是否存在放射花样或人字纹 寻找裂纹源寻找裂纹源(2) (2) 根据放射区与纤维区的相对比例，可根据放射区与纤维区的相对比例，可大致估计断裂性质大致估计断裂性质放射区或人字纹区放射区或人字纹区比例越大，脆性越大；比例越大，脆性越大；(3)(3)观察放射线粗细，放射线越细，脆性越观察放射线粗细，放射线越细，脆性越大；材料完全脆性时，放射线消失大；材料完全脆性

56、时，放射线消失 呈呈“结晶状结晶状”、 “冰糖状冰糖状”特特征。征。(4)(4)观察断口粗糙程度与光泽度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；断口越细平、光泽，脆性解理断裂比例越大；(5)(5)观察断口与最大正应力方向的交角观察断口与最大正应力方向的交角 断口断口 正应力正应力脆断脆断 断口断口 正应力正应力韧断韧断 注意：注意： 纤维区为韧断区，但断口平面纤维区为韧断区，但断口平面正应力正应力 原因：实际由许多小杯锥构成原因：实际由许多小杯锥构成 断口区域的形态、大小和相对位置，因断

57、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：试样形状、尺寸和材料的性能不同而变化：(1)(1)强度强度，塑性，塑性，放射区尺寸，放射区尺寸；(2)(2)试样尺寸试样尺寸，放射区，放射区，纤维区变化小，纤维区变化小(3)(3)韧性断裂时，宏观断口有三个区韧性断裂时，宏观断口有三个区, , 脆性断裂时纤维区很小，剪切唇几乎没脆性断裂时纤维区很小，剪切唇几乎没有有放射区大。放射区大。 韧性好的断口韧性好的断口纤维状。纤维状。 脆性断口脆性断口结晶状、瓷状。结晶状、瓷状。三、断口微观特征三、断口微观特征 1 1 解理断裂的微观断口特征解理断裂的微观断口特征 (1) (1) 存

58、在存在解理面和解理刻面解理面和解理刻面 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，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。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解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面，称解理刻面。面，称解理刻面。 扫描电镜扫描电镜15001500倍倍(2)(2)存在存在河流花样河流花样 每一支流实质对应着一每一支流实质对应着一个不同高度相互平行的解理个不同高度相互平行的解理面之间的台阶面之间的台阶解理断裂基本微观特征解理断裂基本微观特征（3 3）存在）存

59、在舌状花样舌状花样舌状花样舌状花样: : 解理裂纹沿孪晶界扩展解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台。留下的舌头状凹坑或凸台。 注意：注意： 河流花样河流花样 (1)(1)是解理断裂最典型的特征；是解理断裂最典型的特征； (2)(2)判断是否解理断裂的重要微观依据；判断是否解理断裂的重要微观依据； (3)(3)顺河流反方向可找到裂纹源。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、长微孔聚集断裂过程包括微孔成核、长大、聚合，直至断裂。大、聚合，直至断裂。 微孔成核机理：微孔成核机理：a a 晶内或晶界的晶内或晶界的非金属夹杂物非金属夹杂物与基体金属与基体金属结合力很弱，受力后沿

60、界面拉开；结合力很弱，受力后沿界面拉开；b b 硬脆相等硬脆相等与基体有一定结合力，先塑性与基体有一定结合力，先塑性变形，造成应力集中变形，造成应力集中使界面拉开或异使界面拉开或异相折断相折断空坑空坑2 2 韧性断裂微观特征韧性断裂微观特征 微孔聚集断裂的微观特征微孔聚集断裂的微观特征微观基本特征：大量微观基本特征：大量韧窝韧窝( (又称空坑、迭波又称空坑、迭波 ) )电镜下不同形态韧窝电镜下不同形态韧窝%注意：注意： （1 1）微孔聚集断裂一定有韧窝存在微孔聚集断裂一定有韧窝存在； （2 2）但）但微观形态上出现韧窝，其宏观上不微观形态上出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂一定就是韧性断裂。