Chapter 1金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

1、1/93本章目的： (1) 揭示金属变形和断裂的基本规律； (2) 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； (3) 静拉伸试验方法。2/93 (1) 测试的是材料的“短期”(与时间无关)力学行为； (2) 采用的是光滑试样； (3) 常温、大气介质，单调、单向拉伸载荷； (4) 可以测得材料的弹性、强度和塑性性能。引言引言: 单向静拉伸试验的特点单向静拉伸试验的特点3/931.1 应力应力-应变曲线应变曲线一、拉伸力-伸长曲线图1-1 退火低碳钢的拉伸力-伸长曲线4/93 拉伸曲线拉伸曲线0FA00lll5/93 在静拉伸作用的力-伸长曲线可分为弹性变形、不均匀屈服塑性

2、变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形和断裂几个阶段。 图1-2 几种典型材料的拉伸力-伸长曲线1-高碳钢(淬火+高温回火)；2-低合金结构钢；3-黄铜；4-陶瓷、玻璃；5-橡胶；6-工程塑料6/93二、工程应力-工程应变曲线 应力：材料受外加载荷作用时单位截面面积上的内力即为应力； 应变：单位长度(或面积)上的伸长(或收缩)称为应变。 工程应力和工程应变：基于试样初始截面和初始长度定义的应力、应变。又称条件应力和条件应变。7/938/93条件应力：条件应变（以长度表示）条件应变（以面积表示）0LL00A -AA0FA9/93三、真实应力-真实应变曲线 按拉伸时试样的真实断面A和真实长度L，可

3、得到真实应力-应变曲线。 真实应力：用载荷F除以某一变形瞬间的截面积A，称为真应力S。 真实应变：在拉伸过程中，在某一瞬间，当载荷增加dF时伸长dL，则瞬时真应变为de=dL/L，则e即为真应变。10/93图1-4 真实应力一应变曲线11/9300lnLLdLLedeLL面积表示真实应变e ：00lnAeAdAAAA长度表示的真实应变e：真实应力S：AFS 12/93 1、弹性变形的定义 定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。 2、弹性变形的特点 (1)可逆； (2)在弹性变形范围内，应力和应变之间呈单值线性关系，符合胡克定律，且弹性变形量都较小。 (0.51.0%)。

4、1.2 弹性变形弹性变形13/93 3、胡克定律EGEG2 1（）单向拉伸剪切扭转相互关系14/93 4、弹性变形的物理本质双原子模型 金属的弹性变形是晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反应。图1-5 弹性变形的双原子模型15/93 5、弹性模量 产生100%弹性变形所需要的应力称为弹性模量。 (1) 物理意义：工程上亦称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。 (2) 用途：工程上是度量零件或构件刚度的系数，是重要的力学性能指标之一。 构件的刚度：构件产生单位弹性变形所需载荷的大小。16/931FEE A FEA 提高构件刚度进而减少弹性变形的途径：选择高弹性模量材料；加大构件截面积。 (3

5、) 构件刚度的意义 是构件抵抗弹性变形的能力。刚度小易于弹性变形，过量的弹性变形导致构件失稳。17/93 小结小结 (1) 弹性模量主要决定于原子或分子本性和晶格类型。 (2) 合金化、热处理(获得不同的显微组织)、冷塑性变形对弹性模量的影响较小。 (3) 金属的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。 温度、加载速率等外在因素对其影响也不大。18/93 6、弹性比功(弹性比能、应变比能) 弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。 2E21a2eeee 几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。 弹性极限：在应力-应变曲线中，试件卸载后能恢复原状的最大应力。 19/93图1-6 金属拉

6、伸弹性极限及弹性比功20/93 弹性不完整性：金属的弹性变形与载荷方向和加载时间有关而表现出的非弹性性质。 金属在弹性变形中存在滞弹性(弹性后效)和包申格效应等弹性不完整现象。1.3 弹性不完整性21/93图1-8 滞弹性示意图一、滞弹性(弹性后效) 1、定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变，即应变落后于应力的现象。22/93 组织越不均匀，弹性后效越显著。可以采用长时间回火处理，增加组织均匀性，降低弹性后效效果。23/93 2、滞弹性产生的原因 金属产生滞弹性的原因可能与晶体中点缺陷的移动有关。图1-9 碳在-Fe中的迁移 24/93 3、弹性滞后环和循环韧性

7、 (1) 弹性滞后环：金属在弹性区内单向或交变快速加载，紧接着快速卸载时，由于应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，封闭回线称为弹性滞后环。 (2) 内耗：弹性滞后环的存在，说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属放出的变形功，有一部分变形功为金属所吸收，这部分功称之为内耗。25/93图1-10 滞后环的类型 (a) 单向加载弹性滞后环-(吸收的功称为内耗)；(b) 交变加载弹性滞后环-(吸收的功称为内耗) ；(c)交变加载塑性滞后环-(吸收的功称为循环韧性) (3) 循环韧性：金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，叫做循环韧性，也称为内耗。26/93 (3) 循

8、环韧性与内耗的区别 循环韧性指金属在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。 内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。 (4) 循环韧性(内耗)的意义 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，又称消振性。循环韧性越高，消振性越好。 27/93二、包申格效应 1、定义 材料经预先加载并产生少量塑性变形(残余应变为1%4%)，卸载后，再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。28/93图1-11 包申格效应 初始拉伸初始拉伸初始压缩初始压缩初始压缩后卸载，再进行初始压缩后卸载，再进行第二次压缩第二次压缩初始压缩后卸载，第初始压

9、缩后卸载，第二次进行拉伸二次进行拉伸初始拉伸后卸载，初始拉伸后卸载，再进行第二次拉伸再进行第二次拉伸29/93 2、 包申格效应产生的原因 图1-12 包申格效应的林位错理论30/93 3、包申格效应的弊与利 (1) 弊：交变载荷情况下，显示循环软化，从而使强度极限下降。 (2) 利：薄板反向弯曲成形、拉拔的钢棒经过轧辊压制变直，可以降低成形或压制应力。 4、消除方法 (1) 预先进行较大的塑性变形； (2) 第二次受力前先在引起回复或再结晶的温度下退火。 31/931.3 塑性变形与应变硬化塑性变形与应变硬化一、塑性变形的主要方式 1、滑移 滑移：指的是金属在切应力作用下沿一定晶面(滑移面)

10、和一定晶向(滑移方向)进行的切变过程。 滑移系：滑移面和滑移方向的组合。32/93 2、孪生 孪生：指的是金属在切应力作用下，在金属晶体内部局部区域内，沿特定晶面和特定晶向进行的一个均匀切变过程。 孪生提供大直接变形很小，一般不超过10%，但其间接贡献却很大。二、多晶体塑性变形的特点 1、各晶粒变形的不同时性和不均匀性； 2、变形的相互协调性。33/93三、屈服现象 (一) 屈服现象 屈服：是指达到一定的变形应力之后，金属开始从弹性变形过渡到稳定的塑性变形，它标志着宏观塑性变形的开始。 根据应力-应变曲线的特征，可将屈服分为非均匀屈服(不连续屈服)、均匀屈服和连续屈服三种。 34/93图1-1

11、3 拉伸曲线中的三种典型屈服现象(a) 非均匀屈服-不连续屈服；(b) 均匀屈服；(c) 连续屈服 (二) 非均匀屈服 1、非均匀屈服曲线的特点 具有上、下屈服点和屈服平台。35/93图1-14 低碳钢的非均匀(不连续)屈服 36/93 2、非均匀屈服的解释 (1) 非均匀屈服的柯氏气团钉扎理论 -Fe中，C、N原子与位错交互作用形成柯氏气团，钉扎位错，使位错运动受阻存在上屈服点。 位错从柯氏气团摆脱钉扎后，可在低应力下进行运动存在下屈服点。 实际上被强烈钉扎的位错不容易脱钉。 也无法解释非-Fe这类含有间隙原子金属或合金的屈服现象。37/93 (2) 非均匀屈服的位错塞积群理论 少量位错同向

12、运动受阻，形成塞积群，导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力(上屈服点)；一旦障碍被冲破，继续发生塑性变形所需的外应力下降(下屈服点)。38/93 (三) 均匀屈服 1、均匀屈服曲线的特点 有上、下屈服点，没有屈服平台。 2、均匀屈服的解释 低密度可动位错理论。0()mb vOrowan equationvMoving rate of dislocation 39/93 (三) 连续屈服 1、连续屈服曲线的特点 没有明显的屈服服点，没有屈服平台。 2、连续屈服的解释 连续屈服可用位错运动受阻进行解释(Ref.2)。 (四) 孪生+连续屈服 此外，当金属在低温、高应变速率下进行拉伸试验时，有时

13、试件的应力-应变曲线在正常的弹性段之后，有一系列锯齿叠加于连续屈服的抛物线型曲线上。40/93图1-15 第四种类型的应力-应变曲线此时变形方式以孪生为主，由于孪生的萌生需要较大的应力，但随后的长大所需要的应力较小，所以其拉伸曲线出现锯齿状。41/93 四、屈服强度和条件屈服强度 屈服强度和条件屈服强度：表征材料对微量塑性变形的抗力。 对于非均匀屈服和均匀屈服而言，屈服强度指的是用应力表示的上屈服点或下屈服点。 由于下屈服点较稳定，一般用下屈服点表示非均匀屈服或均匀屈服的屈服强度。00AFAFlslsss42/93 条件屈服强度：对于具有连续屈服特征或没有明显屈服现象的材料，用规定微量塑性伸长

14、应力表征材料对微量塑性变形的抗力，称为条件屈服强度。 可分为规定非比例伸长应力、规定残余伸长应力、规定总伸长应力三种指标。P10P11 重点为重点为0.2的含义的含义表示规定残余伸长率为表示规定残余伸长率为0.2%时的应力时的应力常用的条件屈服强度。常用的条件屈服强度。43/93图1-16 屈服强度s和0.244/93五、影响屈服强度的因素阻碍位错运动阻碍位错运动 1、影响屈服强度的内因、影响屈服强度的内因 (1) 基体金属的本性及晶格类型(P12) 塑性变形主要沿基体相进行。塑性变形主要沿基体相进行。 位错所受的阻力包括：晶格阻力(P-N力)、位错间的交互作用力。22(1)122211abv

15、bp nGGvvGborGbL45/93F 主要结论主要结论 晶体滑移所需克服的切应力是很低的； 滑移面间距a值越大，柏氏矢量的模b越小，则晶格阻力越小； 位错宽度越小，滑移的晶格阻力越大； 提高位错密度增加了位错运动的阻力，可以增加屈服强度。 46/93 (2) 溶质原子 固溶强化：固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶体合金，将显著提高屈服强度，称为固溶强化。 (3) 晶粒大小和亚结构 晶界(亚晶界)是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力霍尔霍尔-佩奇公式佩奇公式。21yisdK 细晶强化：细晶强化：用细化晶粒提高金属屈服强度(同时同时可以提高其塑性可以提高其塑性)

16、的方法称为细晶强化。47/93 (4) 第二相 沉淀强化沉淀强化(时效强化时效强化)：依靠过饱和固溶体的脱溶产生的强化。 弥散强化：弥散强化：用粉末冶金的方法人为地加入第二相所造成的强化。 沉淀强化与弥散强化的相同点：沉淀强化与弥散强化的相同点：第二相以细小颗粒形式分布于基体中。48/93强化类型强化机理热稳定性相图要求高温使用情况沉淀强化溶质原子偏聚超过固溶度共格析出分散粒子阻碍位错运动。热不稳定。时效有过程。欠时效时效过时效。有不能弥散强化外加分散粒子，无共格关系，阻碍位错运动。热稳定的无能沉淀强化与弥散强化之间的不同点如下表：沉淀强化与弥散强化之间的不同点如下表： 2、影响屈服强度的外因

17、、影响屈服强度的外因 (1) 温度：T，s。 T，位错密度；同时晶界弱化。49/93 (2) 应变速率增大，s。 塑性变形时位错运动需要时间，应变速率增大，则位错运动不能充分进行，滑移受阻，则屈服强度提高应变速率硬化。应变速率硬化。 (3) 应力状态 切应力分量越大(可促进更多滑移系开动可促进更多滑移系开动)，越有利于塑性变形，屈服强度则越低。 50/93六、应变硬化应变硬化(形变强化、加工硬化) 应变硬化：应变硬化：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。 机理：机理：位错的增殖与交互作用导致的阻碍。 1、均匀塑性变形阶段应力与应变之间符合Hollomo

18、n关系式。nSKe51/93 应变硬化指数应变硬化指数n：反映金属材料抵抗均匀塑性变形的能力。是表征金属材料应变硬化表征金属材料应变硬化行为的性能指标。行为的性能指标。 n=1，理想弹性体；n=0材料无硬化能力。 层错能低的材料应变硬化程度大。层错能低的材料应变硬化程度大。 常用直线作图法求应变硬化指数(P16)。 2、 n 的意义 (1) n较大，抗偶然过载能力较强；安全性相对较好；52/93 (2) 反映了金属材料抵抗、阻止继续塑性变形的能力，表征金属材料应变硬化的性能指标； (3) 应变硬化是强化金属材料的重要手段应变硬化是强化金属材料的重要手段之一，特别是对不能热处理强化的材料；之一，

19、特别是对不能热处理强化的材料； (4) 提高强度，降低塑性，改善低碳钢的提高强度，降低塑性，改善低碳钢的切削加工性能。切削加工性能。53/93七、颈缩和抗拉强度 1、颈缩和抗拉强度的概念 颈缩：颈缩：变形集中的局部区域，是构件失稳的临界条件(P17)。 抗拉强度：抗拉强度：韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力。 2、影响抗拉强度的因素 影响因素与屈服强度相似，但程度不同。 3、抗拉强度的实际意义(P19)54/93八、塑性(定义见绪论定义见绪论) 1、塑性的意义 (1) 偶然过载时，通过塑性变形造成应变通过塑性变形造成应变硬化即强度的提高可在一定程度上抵抗超负荷硬化即强度的提高可在一定程度

20、上抵抗超负荷； (2) 构件内部存在应力集中时，通过塑性变形使应力缓解、重新分布； (3) 材料加工及成型性，可装配、修复。 55/93 3、影响塑性的因素 (1) 细化晶粒，塑性。 细化晶粒是唯一既可以提高强度，同时又细化晶粒是唯一既可以提高强度，同时又提高塑性的强化手段。提高塑性的强化手段。 (2) 软的第二相塑性；固溶、硬的第二相等，塑性。 (3) 温度提高，塑性。 4、评价塑性的指标 延伸率延伸率和和断面收缩率断面收缩率。56/93七、静力韧度 1、韧度 度量材料韧性的力学性能指标力学性能指标。又分为静力韧度静力韧度、冲击韧度冲击韧度和断裂韧度断裂韧度。 2、静力韧度：静力韧度：金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功。57/93 完全断裂：完全断裂：金属在外力作用下被分成若干部分丧失连续性的现象。 不完全断裂：不完全断裂：内部存在裂纹的断裂。 大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形裂纹形成成与扩展扩展两个阶段。一、断裂的分类 (一) 韧性断裂和脆性断裂 根据断裂前塑性变形的大小进行的分类。根据断裂前塑性变形的大小进行的分类。1.4 金属的断裂58/93 1、韧性断裂及其断裂特点 (1) 韧性断裂：韧性断裂：指的是在断裂前发生明显宏观塑性变形的断裂。 (2) 韧性断裂的断裂特点韧性断裂的断裂