第1章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

1、 静载拉伸试样静载拉伸试样一般为光滑圆柱试样或板状试样。若采用光一般为光滑圆柱试样或板状试样。若采用光滑滑 圆柱试样，试样工作长度（标长）圆柱试样，试样工作长度（标长）l0 =5d0 或或l0 =10d0 ， d0 为原始直径。为原始直径。光滑圆柱试样光滑圆柱试样定义：试验过程中拉伸力定义：试验过程中拉伸力F和试样伸长量和试样伸长量L的关系的关系 应力应力：材料受外力加载荷作用时单位截面面积：材料受外力加载荷作用时单位截面面积上的内力即为应力上的内力即为应力 应变应变：单位长度（或面积）上的伸长（或收缩）：单位长度（或面积）上的伸长（或收缩）称为应变称为应变 工程应力工程应力和和工程应变工程应

2、变：基于式样初始截面和初：基于式样初始截面和初始长度定义的应力、应变。又称始长度定义的应力、应变。又称条件应力条件应力和和条件应条件应变变。 =F/A0 =L/L0和和F-L曲线相似曲线相似1. 变形时的力学行为变形时的力学行为2. 力学性能指标：强度力学性能指标：强度和塑性两大类和塑性两大类视屏视屏00lnln(1)LLdLLedeLL b 材料的极限承载能力。材料的极限承载能力。SK）：拉伸断裂时的载荷除以）：拉伸断裂时的载荷除以断口处的断口处的真实截面积真实截面积所得的应力值。所得的应力值。 kk拉伸时试样的截面积减小率拉伸时试样的截面积减小率F引力项引力项斥力项斥力项A、B分别为与原子

3、特分别为与原子特性和晶格类型有关的性和晶格类型有关的常数常数yyyxzyEE 2(1)EGG在弹性状态下应力与应变之间的线性关系。在弹性状态下应力与应变之间的线性关系。加载方向上的伸加载方向上的伸长，必然导致与长，必然导致与加载方向垂直的加载方向垂直的方向上的收缩方向上的收缩1123223133121()1()1()EEE 24ABFrr202ArFBr22AEBae2122eeeeaE ae eE滞后环的面滞后环的面积表示被金积表示被金属吸收的变属吸收的变形功的大小形功的大小被称为被称为金属金属的内耗或循的内耗或循环韧性环韧性包申格应变包申格应变在给定应力下，在给定应力下，正向加载与反向加载

4、两应正向加载与反向加载两应力力应变曲线之间的应变应变曲线之间的应变差。度量包申格效应的指差。度量包申格效应的指标标塑性变形塑性变形是指外力移去后不能恢复的变形；是指外力移去后不能恢复的变形；塑性塑性是指材料经受此种变形而不破坏的能力。是指材料经受此种变形而不破坏的能力。塑性变形和形变强化是金属材料区别于其它塑性变形和形变强化是金属材料区别于其它工业材料的重要特征。工业材料的重要特征。 滑移滑移是晶体在切应力作用下沿一定的晶是晶体在切应力作用下沿一定的晶面和晶向进行切变的过程，如面心立方结构面和晶向进行切变的过程，如面心立方结构的（的（111）面）面101方向等。一般的滑移系统越方向等。一般的滑

5、移系统越多，材料的塑性越大，但还受其他因素的影多，材料的塑性越大，但还受其他因素的影响。响。视屏视屏 孪生孪生是发生在金属晶体内局部区域的一个是发生在金属晶体内局部区域的一个沿一定的晶面和晶向进行切变过程，切变区域沿一定的晶面和晶向进行切变过程，切变区域宽度较小，切变后形成的变形区的晶体取向与宽度较小，切变后形成的变形区的晶体取向与未变形区成镜面对称关系，点阵类型相同。未变形区成镜面对称关系，点阵类型相同。 孪生可以提供的变形量是有限的，如镉孪孪生可以提供的变形量是有限的，如镉孪生变形只提供约生变形只提供约7.4%的变形量，而滑移变形的变形量，而滑移变形量可达量可达300%。但是，孪生可以改变

6、晶体取向，。但是，孪生可以改变晶体取向，以便启动新的滑移系统，或者使难于滑移的取以便启动新的滑移系统，或者使难于滑移的取向变为易于滑移的取向。向变为易于滑移的取向。1.1. 各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性多晶合金中的晶粒不是统一发生滑移变形的，而是多晶合金中的晶粒不是统一发生滑移变形的，而是有的晶粒先发生有的后发生滑移变形。有的晶粒先发生有的后发生滑移变形。原因原因：多晶合金中各晶粒的取向不同，有的取向有：多晶合金中各晶粒的取向不同，有的取向有利于滑移的启动，优先发生滑移变形。在继续增加利于滑移的启动，优先发生滑移变形。在继续增加外力时滑移变形才能传播到相

7、邻的晶粒使得各晶粒外力时滑移变形才能传播到相邻的晶粒使得各晶粒2.2. 各晶粒塑性变形的相互协调性各晶粒塑性变形的相互协调性为保证材料整体的统一，变形要求各晶粒变形时相为保证材料整体的统一，变形要求各晶粒变形时相互协调。各晶粒进行多滑移。互协调。各晶粒进行多滑移。HcpHcp的独立滑移系只的独立滑移系只有有3 3个少于个少于5 5个，因此个，因此hcphcp结构材料的塑性较差，如结构材料的塑性较差，如MgMg、TiTi等。等。屈服现象屈服现象定义：在金属塑性变定义：在金属塑性变形的开始阶段，外力形的开始阶段，外力不增加、甚至下降的不增加、甚至下降的情况下，而变形继续情况下，而变形继续进行的现象

8、。进行的现象。上下屈服点、屈服延上下屈服点、屈服延伸伸( (吕德斯带扩展吕德斯带扩展) )m (1-6) (1-7)b vv0塑性变塑性变形应变形应变速率速率柏氏矢量的模柏氏矢量的模可动位错密度可动位错密度位错运动平均速率位错运动平均速率所需外加切应力所需外加切应力单位速率所需切应力单位速率所需切应力应力应力敏感敏感指数指数启动启动： 小，要小，要求求 大，要求大，要求 大大变形变形： 升高，升高，要降低要降低 ，使，使 减小，表现出减小，表现出屈服屈服2222122331(-) +(-) +(-) =2s 13-=s 123式中：12 (1-14)Gb可动位错密度可动位错密度2222expe

9、xp (1-13)1(1)1p nGaGbb柏氏矢量的模柏氏矢量的模泊松比泊松比晶面间距晶面间距剪切模量剪切模量 位错宽度位错宽度12siyk d1.温度提高，位错运动容易，温度提高，位错运动容易，s。2.各种材料的温度敏感性不各种材料的温度敏感性不同，同，bcc中中派派纳力高纳力高且为且为主要阻力，主要阻力，短程力对温度短程力对温度敏感敏感。3.应变速率提高，应变速率提高，s应应变速率硬化变速率硬化4.应力状态：分切应力应力状态：分切应力，s。 扭转扭转 拉伸拉伸 bcc hcp层错能低层错能低的材料，在塑性变形过程中，其位错不易产的材料，在塑性变形过程中，其位错不易产生交滑移生交滑移应力集

10、中水平较高应力集中水平较高，因此应变硬化能力强，因此应变硬化能力强 0dF FSA0dFAdSSdA (1-20)dAdSAS VAL0AdLLdA (1-21)dAdLdeAL (1-22)dSSde0dF dSSdenbBSKe1nbBBdSKnededSSde1=nnbBBdSSKeKnede(1-24) en0dF dSSdeBenBen2(1)ln(1)2SSRaaRBridgmen关系式：关系式：修正修正0/bbFA100100%LLL100100%AAA000005.6511.3510LdALdLd值得大小影响 ，通常取值或，对于圆柱形试样或者 晶条锆晶条锆=40%， Zr-2.

11、5Nb20%等轴晶粒一般大于板条状晶粒等轴晶粒一般大于板条状晶粒 30%等轴晶等轴晶TC415%, 板条板条TC45% 材料的设计中，不仅要求材料的强度，而材料的设计中，不仅要求材料的强度，而且对材料的塑性也有要求。缓和应力集中且对材料的塑性也有要求。缓和应力集中以避免突然断裂，保证安全。以避免突然断裂，保证安全。 塑性是制定压力加工和成型工艺的基础塑性是制定压力加工和成型工艺的基础（成形能力）。（成形能力）。 反映冶金质量的好坏反映冶金质量的好坏韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。韧度是度量材料韧性的力学性能指标。对静能力。韧度是度量

12、材料韧性的力学性能指标。对静力拉伸来说，静力韧度可以理解为应力力拉伸来说，静力韧度可以理解为应力-应变曲线应变曲线下的面积下的面积0fWSd因此，只有在强因此，只有在强度和塑性有较好度和塑性有较好的配合时，才能的配合时，才能获得较好的韧性。获得较好的韧性。工程上采用近似计算方法，对韧性材料，静力韧度工程上采用近似计算方法，对韧性材料，静力韧度1 2TbTbsUU 或者静力韧度对于按屈服强度设计，而在服役中有可能静力韧度对于按屈服强度设计，而在服役中有可能遇到偶尔过载的机件，如链条、起重吊钩等是必须遇到偶尔过载的机件，如链条、起重吊钩等是必须考虑的重要指标。考虑的重要指标。l断裂特点：断裂前产生

13、明显宏观变形；过程缓慢；断裂特点：断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢；断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力约成断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力约成45。l断口特征：纤维状、灰暗色。断口特征：纤维状、灰暗色。韧性断裂过程韧性断裂过程韧性断裂断口分区韧性断裂断口分区纤维区纤维区：裂纹：裂纹形成和缓慢扩形成和缓慢扩展。颜色灰暗，展。颜色灰暗，如山脊。如山脊。放射区放射区：裂纹：裂纹快速扩展。表快速扩展。表面光亮平坦，面光亮平坦，细放射条纹。细放射条纹。剪切唇剪切唇：试样：试样边缘，剪切断边缘，剪切断裂，表面光滑裂，表面光滑一般试样的强度提高，塑性降低一般试样的强度提高，塑性降低时，断口中放射区

14、的比列增大时，断口中放射区的比列增大实际上，金属的脆性断裂与韧性断裂并无明实际上，金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限，一般脆性断裂前也会产生微量塑显的界限，一般脆性断裂前也会产生微量塑性变形。因此，一般规定光滑拉伸试样的断性变形。因此，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于面收缩率小于5 5者为脆性断裂；大于者为脆性断裂；大于5 5者者为韧性断裂。由此可见金属的韧性与脆性是为韧性断裂。由此可见金属的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来决定的根据一定条件下的塑性变形量来决定的剪切断裂剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造：材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂（滑断、微孔

15、聚集型断裂）成的断裂（滑断、微孔聚集型断裂）纯金属及单晶体纯金属及单晶体纯剪切断裂纯剪切断裂普通常用金属普通常用金属微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂解理断裂解理断裂 在正应力作用下，由于原于间结合键的破坏引在正应力作用下，由于原于间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。bcc的的Fe001hcp的的Mg0001或或 fcc金属一般不发生解理断裂。金属一般不发生解理断裂。1100解理断裂总是脆性断裂解理断裂总是脆性断裂应用位错塞积引起的渐进应力场理论，可知，最大应用位错塞积

16、引起的渐进应力场理论，可知，最大应力发生在应力发生在-70.5处，且有处，且有12max2fidr滑移面上的有效切应力滑移面上的有效切应力晶粒直径晶粒直径塞积头到裂纹塞积头到裂纹形成点的距离形成点的距离裂纹的穿晶扩展裂纹的穿晶扩展屈服时产生解理断裂的判据：屈服时产生解理断裂的判据：2scGk d晶粒尺寸晶粒尺寸断裂应力断裂应力晶粒尺寸较大时，晶粒尺寸较大时， c s，材料屈服后，材料屈服后断裂断裂对于有第二相存在的合金，式中对于有第二相存在的合金，式中d表示的是质点表示的是质点之间的距离之间的距离1）解理断口）解理断口河流花样河流花样舌状花样舌状花样河流花样的形成过程：河流花样的形成过程：舌状

17、花样的形成过程：舌状花样的形成过程：2）准解理断口）准解理断口在外加正应力作用下。将晶体中的两个原子面沿垂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的应力称为理论断裂强度。直于外力方向拉断所需的应力称为理论断裂强度。120()mEa原子间平原子间平衡间距衡间距弹性模量弹性模量表面能表面能 实际实际 m （1/10 1/1000）存在缺陷存在缺陷1) 出发点出发点2) 格雷菲斯模型格雷菲斯模型存在裂纹，裂纹尖端应力高于平均应力引发快速扩展而存在裂纹，裂纹尖端应力高于平均应力引发快速扩展而断裂断裂格雷菲斯根据格雷菲斯根据能量平衡原能量平衡原理计算出裂纹自动扩展时的理计算出裂纹自动扩展时的应力值，即裂纹体的强度应力值，即裂纹体的强度122()scEa有裂纹体的有裂纹体的断裂强度断裂强度表面能表面能裂纹半长度裂纹半长度格雷菲斯公式的修正：格雷菲斯公式的修正：122+()spcEa122()pcEa对于裂纹尖端产生一定塑性变形的工程金属材料，对于裂纹尖端产生一定塑性变形的工程金属材料，裂纹表面所需要的能量除了表面能裂纹表面所需要的能量除了表面能 s外还有塑性功外还有塑性功