金属在单向静拉伸下的力学性能

1、第一章 金属在单向静拉伸下的力学性能单向静载拉伸是应用最广泛的力学性能实验之一，该实验的特点是温度、应力状态和加载速率是确定的，通过该实验可以给出金属材料最基本的力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率。§1.1 拉伸曲线和应力应变曲线一、 应力和应变1 复习应力、应变的定义，包括正应力、切应力、正应变、切应变。2 给出在拉伸条件下工程应力、工程应变（又称为名义应力、名义应变）、真应力、真应变的定义。3 应力状态软性系数二、 拉伸曲线、应力应变曲线1 拉伸曲线：拉伸实验时所记录的载荷-伸长曲线。2 将拉伸曲线的载荷-伸长坐标分别用试样原始截面积和原始标距长度去除，则得到应

2、力应变曲线。真应力应变曲线。3 拉伸实验中金属材料的变形过程通常包括弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。§1.2 弹性变形阶段的力学性能一、 弹性变形及其实质1 弹性变形特点：32 微观实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。二、 弹性模量1 是材料弹性变形阶段应力与应变正比关系的比例系数，表征金属材料对弹性变形的抗力。2 弹性模量与原子间作用力有关，主要决定于金属原子本性和晶格类型。3 弹性模量是一个对组织不敏感的力学参数，合金中溶质原子及热处理工艺对其影响不大，冷塑性变形和升高温度可使其降低。三、 比例极限和弹性极限1 比例极限为拉伸过程中应力与应变成正比关系的最大应力。2

3、弹性极限为材料在拉伸过程中由弹性变形过渡到塑性变形时的应力。四、 弹性比功材料开始塑性变形前单位体积所吸收的最大弹性变形功，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。弹性比功决定于材料的弹性模量和弹性极限。五、 弹性不完整性完全的弹性变形与载荷方向和加载时间无关，而实际的弹性变形与这些因素有关，产生了弹性不完整性：（1）包申格效应（Bauschinger）；（2）弹性后效；（3）弹性滞后。§1.3 塑性变形阶段的力学性能一、金属的塑性变形方式及特点4 常见塑性变形方式有滑移和孪生。fcc, bcc, hcp金属。5 多晶体金属塑性变形特点：（a） 各晶粒变形的不同时性和不均匀性；（b） 各晶

4、粒变形的相互协调性。二、屈服现象、屈服点和屈服强度6 屈服现象的定义：材料在拉伸变形时，从弹性变形到塑性变形存在一个明显的过渡，表现为载荷增加到一定数值时突然下降，随后在载荷不增加或在某一不变值附近波动的情况下，试样继续伸长变形。屈服现象是金属材料开始出现塑性变形的标志。7 上屈服点、下屈服点、屈服伸长、屈服平台、吕得斯(Luders)带或屈服线8 屈服现象产生的原因：（1）间隙原子对位错的钉扎作用；（2） ， 9 屈服强度：上屈服点受实验条件影响大，而下屈服点再现性比较好，通常将下屈服点记作ss 。无明显屈服现象的材料，屈服强度记作s0.2 。10 屈服强度的意义，屈强比。三、 影响屈服强度

5、的因素1 影响屈服强度的内在因素a) 金属本性及晶格类型b) 晶粒大小与亚结构 （细晶强化）c) 溶质原子 （固溶强化）d) 第二相粒子 （弥散强化）2 影响屈服强度的外在因素a) 温度b) 应变速率c) 应力状态四、 屈服判据（屈服条件）1 Tresca最大切应力理论2 Von Mises畸变能理论五、 形变强化1 形变强化的意义：（1） 使机件具有一定的抗偶然过载能力；（2） 使金属进行均匀的塑性变形；（3） 强化金属材料的重要手段；（4） 降低塑性，改善低碳钢的切削加工性能。2 Hollomon关系，形变强化指数 S = K e n 形变强化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。六

6、、 颈缩现象韧性金属材料在拉伸实验时形变集中于局部区域的特殊现象，是形变强化（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。颈缩判据： ， 七、 抗拉强度与真实断裂强度抗拉强度的意义：（1）标志塑性金属材料的实际承载能力；（2）在有些场合，可以使用sb 作为设计依据；（3）sb 与布氏硬度、疲劳强度间有一定的对映关系。八、 金属的塑性塑性是指金属断裂前发生塑性变形的能力。1 伸长率(d)，断面收缩率(y)金属断裂时的塑性变形包括均匀变形与集中变形（颈缩附近）两部分，金属的塑性变形与形变强化同步进行是产生均匀变形的先决条件。颈缩后，由于形变强化跟不上塑性变形的发展，遂由均匀变形转变为集中变形。

7、2 总塑性（最大塑性）均匀变形（eB）与集中变形（eu）两部分。对于形成颈缩的塑性金属有：（1）均匀变形量比集中变形量小很多，前者通常不超过后者的50%，（2）试样标距长度越小，集中变形所占的比例越大。3 塑性的意义和影响因素意义：（1）防止偶然过载时，突然产生破坏，（2）金属材料的塑性变形，可以使金属在轧制、挤压等冷变形压力加工时，得到合格产品，（3）塑性大小可反映材料冶金质量好坏。影响因素：（1）平均晶粒尺寸，（2）溶质原子，间隙式溶质原子对塑性的降低大于置换式溶质原子，（3）碳化物、硫化物等第二相。实验证明，eB主要取决于基体相，eu除取决于基体相外，还受第二相影响。九、 静力韧度韧性是

8、金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，韧度是度量金属材料韧性的力学性能指标，可理解为应力应变曲线下所围成的面积（W=），分为静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。只有在强度与塑性较好配合下，才能获得较好的韧性。§1.4 金属的断裂断裂是金属材料三种失效形式之一（断裂、腐蚀、磨损），危害最大；（2）分为完全断裂和不完全断裂；（3）断裂过程包括裂纹形成与裂纹扩展两个阶段。一、 断裂的类型1 韧性断裂与脆性断裂（根据断裂前是否产生明显宏观塑性变形）断口特征三要素：纤维区F、放射区R和剪切唇S。2 穿晶断裂与沿晶断裂（根据裂纹扩展路径）3 解理断裂、纯剪切断裂与微空聚集型断裂（根据断裂机理）（

9、1）解理断裂是金属材料在一定条件下（如低温），当外加正应力达到一定程度后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。因与大理石的断裂类似，故称为解理断裂，该晶体学平面为解理面（一般是低指数晶面或表面能最低的晶面）。bcc: 001, 112hcp: (0001), (1100), (1124)fcc: 无解理断裂。解理断裂总是脆性断裂。（2）剪切断裂是金属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，分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂（常见的金属断裂形式）。此外，根据断裂面的取向分类：如果断裂面垂直于最大正应力，称为正断断裂，断裂面与最大切应力方向一致而与最大正应力方向成45度角，称为切

10、断断裂。二、 脆性断裂机理与微观特征1 解理裂纹的形成和扩展（1） Zener-Stroh位错塞积理论（2） Cottrel位错反应理论（3） Smith模型2 脆性断裂的微观特征（1） 解理台阶：不同高度解理面相交形成台阶。（2） 河流花样：台阶汇合，同号长大，形成河流，异号相消。（3） 舌状花样：解理面与孪晶面相遇，形成舌状花样。三、 韧性断裂机理与微观特征1 纯剪切断裂与微空聚集型断裂微孔形核、长大和聚合。2 韧性断裂的微观特征韧窝是微孔形核长大和聚合在断口上留下的痕迹，是韧性断裂的基本特征，根据应力状态不同，可分为：等轴韧窝（正应力垂直于微孔），拉长韧窝（扭转或双向不等拉伸切应力），撕

11、裂韧窝（拉、弯联合作用）。四、 断裂强度1 理论断裂强度：在外加正应力作用下，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。E，弹性模量，gS，表面能，a0，相邻原子间平均距离。2 断裂强度的裂纹理论(Griffith)理论2a，裂纹长度，gS，表面能，gP，塑性功。五、 断裂理论的应用为减低金属材料脆断倾向，应提高G、gS、q，降低si、d、ky 。六、 力学状态图屈服和断裂（韧性的或脆性的，正断或切断）是金属材料的失效形式，失效类型取决于应力状态、材料性能、温度和加载速率。力学状态图：统一考虑材料在不同应力状态下的强度极限条件与失效形式，用图解的方法对其关系进行概括和总结。力学状态图（1）温度降低，可提高ts，而tf与sc基本不变。（2）提高加载速率对断裂类型的影响与降低温度等效。提高加载速率、降低温度和造成硬的应力状态（a减小）是使材料变脆的三大因素。力学状态图的应用：（1） 预测断裂类型；（2） 合理选择和利用材料；（3） 正确选择力学性能测试方法。习题一、 名词解释1. 弹性变形；2. 塑性变形；3. 屈服强度；4. 抗拉强度；5. 韧性；6. 延伸率；7. 断面收缩率；8. 形变强化；9. 颈缩现象；10. 应力状态软性系数。二、 简答题1. 弹性变形的特点及微观实质。2. 弹性不完整性主要包括