第三章材料2014

1、首页首页上页上页返回返回下页下页 研究研究不同变形和硬化特性的材料的应力不同变形和硬化特性的材料的应力-应变曲应变曲线和拉伸性能参数。了解不同材料的性质。线和拉伸性能参数。了解不同材料的性质。第3章 金属在单向静拉伸下的力学性能3.1 拉伸力-伸长曲线与应力-应变曲线 3.2 弹性变形:弹性变形及其实质；虎克定律；弹性模量、弹性后效、包辛格效应等 3.3 塑性变形:塑性变形方式与特点；屈服现象；应变硬化；颈缩现象等 3.4 金属的断裂:断裂的类型、断口形貌、断裂强度等首页首页上页上页返回返回下页下页 前前 言言1 1、拉伸性能、拉伸性能: : 通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延性、通过拉伸试

2、验可测材料的弹性、强度、延性、应变硬化和韧度等重要的力学性能指标，它是材应变硬化和韧度等重要的力学性能指标，它是材料的基本力学性能。料的基本力学性能。2 2、拉伸性能的作用、用途：、拉伸性能的作用、用途：a.a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一。的主要依据之一。b.b.研究新材料，或合理使用现有材料和改善其研究新材料，或合理使用现有材料和改善其力学性能时，都要测定材料的拉伸性能。力学性能时，都要测定材料的拉伸性能。首页首页上页上页返回返回下页下页 3.1 拉伸力-伸长曲线与应力-应变曲线1. 拉伸拉伸 试件的形状和尺寸试件的形状和尺寸

3、光滑圆柱试件光滑圆柱试件:试件的标距长度比试件的标距长度比l0 直径直径d0要大得多；要大得多；通常，通常， l0 =5 d0 或或l0 =10 d0 板状试件板状试件:试件的标距长度试件的标距长度l0 应满足下列关系式：应满足下列关系式： l0 =5.65 A0 1/2或或11.3 A0 1/2 ； 具体标准：具体标准：GB 639786一、 拉伸试验首页首页上页上页返回返回下页下页2.2.拉伸试验中注意的问题拉伸试验中注意的问题 拉伸加载速率较低拉伸加载速率较低, ,俗称静拉伸试验。俗称静拉伸试验。 严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为有效，由不严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为

4、有效，由不同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较。较。 拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所受的载荷受的载荷P P和伸长量和伸长量l l之间的关系曲线之间的关系曲线; ;首页首页上页上页返回返回下页下页3 3、试验设备、试验设备首页首页上页上页返回返回下页下页二、拉伸图二、拉伸图 拉伸曲线拉伸曲线拉伸图拉伸图-加载后标距间的长度变化量加载后标距间的长度变化量 l 荷荷载载P P关系曲线关系曲线拉伸曲线拉伸曲线-应力应力 应变曲线应变曲线工程工程( (或条件或条件) )

5、应力应力荷载除以试件的原始截荷载除以试件的原始截面积即得工程应力，面积即得工程应力，=P=PA A0 0工程工程( (或条件或条件) )应变应变伸长量除以原始标距长伸长量除以原始标距长度即得工程应变度即得工程应变，=l l0 首页首页上页上页返回返回下页下页( (工程工程) )应力应力- -( (工程工程) )应变应变 曲线图曲线图拉伸图：拉伸图：弹性变形弹性变形 塑性塑性变形变形 断裂断裂首页首页上页上页返回返回下页下页oabcefPesb首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页3.2 弹性变形与弹性不完整性一、弹性变形及其实质一、弹性变形及其实质 1.1.弹性变形弹

6、性变形 定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸定义：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。的变形，叫弹性变形。 特点：单调、可逆、变形量很小（一般不超过特点：单调、可逆、变形量很小（一般不超过0.5%-1.0%)0.5%-1.0%)。首页首页上页上页返回返回下页下页 2.弹性的物理本质弹性的物理本质 金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。以双原子模型为例宏观表现。以双原子模型为例首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页

7、上页返回返回下页下页 拐点拐点首页首页上页上页返回返回下页下页The slope of the force-distance curve in the linear regime close to r0 is a measure of the resistance of a solid to small elastic deformation. The modulus may also vary with direction of loading, especially in crystals that are highly anisotropic.首页首页上页上页返回返回下页下页例例: 已知

8、两原子间的键能为：已知两原子间的键能为：A和和B为常数，为常数，r为原子间距。为原子间距。E与与r的关系如图，求的关系如图，求A和和B（1）当）当r=0.3, E=-4eV(2)当当r=0.30drdE83 . 03 . 04BA928BrArdrdE0)3 . 0(8)3 . 0(92BA51075. 3;37. 1BA首页首页上页上页返回返回下页下页 E 二、弹性模量 2.弹性模量的物理意义和作用弹性模量的物理意义和作用物理意义：工程上把弹性模量物理意义：工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表称做材料的刚度，它表 示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。

9、用途：计算梁或其他构件挠度时必须用之。重要的力学性能用途：计算梁或其他构件挠度时必须用之。重要的力学性能之一。之一。1.虎克定律：虎克定律： G 13221 E 12331 E 32111 E 首页首页上页上页返回返回下页下页3. 比刚度比刚度 在航空航天装置中要求材料具有高弹性模量和质量轻，为此在航空航天装置中要求材料具有高弹性模量和质量轻，为此提出了比刚度。提出了比刚度。比刚度依载荷形式而定，拉伸杆件比刚度依载荷形式而定，拉伸杆件E/E/；1/21/3EE梁；板 下表来自：石德珂下表来自：石德珂材料力学性能材料力学性能，部分公式有打印错误。，部分公式有打印错误。如梁的挠度计算公式、比强度的

10、推导等。如梁的挠度计算公式、比强度的推导等。首页首页上页上页返回返回下页下页33FlEI首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页 思考题：减轻汽车重量对降低燃油消耗有很重要的作用。思考题：减轻汽车重量对降低燃油消耗有很重要的作用。汽车底盘约占汽车总重量的汽车底盘约占汽车总重量的6060。底盘的主要尺寸是按。底盘的主要尺寸是按比刚度来确定的，铝合金的比刚度比钢比刚度来确定的，铝合金的比刚度比钢( (低合金高强度钢低合金高强度钢) )大，为什么汽车底盘一般用钢而不用铝合金，除了生产大，为什么汽车底盘一般用钢而不用铝合金，除了生产成本之外，还有什么必须考虑的重要因素成本之外，

11、还有什么必须考虑的重要因素? ?首页首页上页上页返回返回下页下页4.4.影响弹性模量的因素影响弹性模量的因素 (Tm指熔点指熔点)主要取决于结合键的本性和主要取决于结合键的本性和原子间的结合力原子间的结合力, 材料的成分材料的成分(如金属的合金化如金属的合金化)和组织和组织(如金如金属热处理等属热处理等)对对E的影响不大。的影响不大。(高分子和陶瓷材料不同高分子和陶瓷材料不同) 在在-5050范围内范围内,温度对温度对E的影响不大的影响不大.但是碳钢温度每但是碳钢温度每升高升高100 , E值下降值下降35%；(3)加载速率影响不大。加载速率影响不大。首页首页上页上页返回返回下页下页复习：复习

12、：1.1.7 化学键与材料力学性能的关系化学键与材料力学性能的关系（1)结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，即弹性模量越大。即弹性模量越大。金刚石具有较高的弹性模量值，为金刚石具有较高的弹性模量值，为1000GPa；工程陶瓷如碳化物、氧化物、氮化物等结合键能；工程陶瓷如碳化物、氧化物、氮化物等结合键能也较高，弹性模量为也较高，弹性模量为250-600GPa。由金属键结合的金属材料，。由金属键结合的金属材料，弹性模量略低一些，常用金属材料的弹性模量约为弹性模量略低一些，常用金属材料的弹性模量约为70-350GPa。而聚合物由于二次键的作

13、用，弹性模量仅为而聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7-35GPa。（2)工程材料的强度与结合键能有一定的联系，然而很大程工程材料的强度与结合键能有一定的联系，然而很大程度上还取决于材料的其他结构因素（如细微组织），因此强度上还取决于材料的其他结构因素（如细微组织），因此强度将在更宽的幅度内变化，度将在更宽的幅度内变化，强度与键能的关系不如弹性模量强度与键能的关系不如弹性模量明显。明显。首页首页上页上页返回返回下页下页三、弹性极限、弹性比功oabcefPesb1、比例极限、弹性极限、比例极限、弹性极限2、弹性比功（又称为弹性比能）、弹性比功（又称为弹性比能）物理意义：单位体积材料所吸收弹

14、性变形功；物理意义：单位体积材料所吸收弹性变形功；几何意义：应力几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。应变曲线上弹性阶段下的面积。2122eevE 弹性极限与弹性模量的区别？弹性极限与弹性模量的区别？ 弹性极限是材料的强度指标，弹性极限是材料的强度指标，它敏感地决定于材料的成分、组织它敏感地决定于材料的成分、组织及其他结构因素；而弹性模量是刚及其他结构因素；而弹性模量是刚度指标，只决定于原子间的结合力，度指标，只决定于原子间的结合力，对材料成分、结构等不敏感。对材料成分、结构等不敏感。首页首页上页上页返回返回下页下页四、弹性不完整性 理想弹性体的变形速度很快，相当于声音在弹性体内的理想弹

15、性体的变形速度很快，相当于声音在弹性体内的传播速度。完整的弹性应该是加载时立即变形，卸载时立即传播速度。完整的弹性应该是加载时立即变形，卸载时立即恢复原状，应力恢复原状，应力-应变曲线上加载线与卸载线完全重合，即应应变曲线上加载线与卸载线完全重合，即应力与应变同步，变形值大小与时间无关，即变形的性质是完力与应变同步，变形值大小与时间无关，即变形的性质是完全弹性的。但是实际上，全弹性的。但是实际上， 应变落后于应力，存在应变落后于应力，存在滞弹性滞弹性(anelasticity or elastic backeffect)、包辛格效应（包辛格效应（Baushinger effect)等，属于弹性

16、变等，属于弹性变形中的非弹性问题，统称为形中的非弹性问题，统称为弹性不完整性。弹性不完整性。首页首页上页上页返回返回下页下页 1、滞弹性（弹性后效）、滞弹性（弹性后效）1)正弹性后效或弹性蠕变正弹性后效或弹性蠕变 骤然加载时骤然加载时,试样立即产生的弹性试样立即产生的弹性 应变为应变为Oa段段,再经过一段时间应变增加再经过一段时间应变增加aH段段(应力不变应力不变),称为称为正弹性后效或弹正弹性后效或弹性蠕变。性蠕变。 2)反弹性后效反弹性后效 骤然卸载时骤然卸载时,弹性应变（弹性应变（eH)先消失先消失,其余部分的应变是逐渐恢复的其余部分的应变是逐渐恢复的, 此现象此现象称为称为反弹性后效或

17、弹性蠕变。反弹性后效或弹性蠕变。 上述现象表明应变不仅是应力的函上述现象表明应变不仅是应力的函数数,还是时间的函数还是时间的函数, 统称为统称为弹性后效。弹性后效。 首页首页上页上页返回返回下页下页 注意：注意：对于多数金属材料，如果不是在微应变对于多数金属材料，如果不是在微应变范围内精密测量，其滞弹性不明显，而对铸铁、范围内精密测量，其滞弹性不明显，而对铸铁、高铬不锈钢则有明显的滞弹性。高铬不锈钢则有明显的滞弹性。 对于对于高分子材料，滞弹性表现为粘弹性高分子材料，滞弹性表现为粘弹性并成并成为高分子材料的普遍特性。为高分子材料的普遍特性。首页首页上页上页返回返回下页下页 （a）晶体中的点缺陷

18、；显微组织的不均匀性。）晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。 就金属而言就金属而言,特别是间隙原子在基体点阵中存在的固特别是间隙原子在基体点阵中存在的固溶体溶体, 滞弹性和应力作用下间隙原子在基体点阵中作定向滞弹性和应力作用下间隙原子在基体点阵中作定向扩散所引起的变形有关。扩散过程是时间相关的，滞弹性扩散所引起的变形有关。扩散过程是时间相关的，滞弹性必然是时间相关的；必然是时间相关的； 3)滞弹性影响因素滞弹性影响因素首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页（b）应力状态强烈影响）应力状态强烈影响滞弹性。滞弹性。应力状态越软（见下页应力状态越软（见下页PPT)，即切应力

19、成分越大，滞弹性越显著。故扭转时的滞弹，即切应力成分越大，滞弹性越显著。故扭转时的滞弹性比弯曲和拉伸时的大。性比弯曲和拉伸时的大。 （c）外在服役条件。温度升高，滞弹性速率加快。）外在服役条件。温度升高，滞弹性速率加快。 3)滞弹性影响因素滞弹性影响因素首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页 4 4）弹性滞后环）弹性滞后环 图图b)b)中中交变载荷的最大应力低于弹性极限；交变载荷的最大应力低于弹性极限；c)c)中高于中高于弹性极限。弹性极限。 由于应变滞后于应力，使加载曲线与卸载曲线不重合由于应变滞后于应力，使加载曲线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。

20、而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。首页首页上页上页返回返回下页下页物理意义：物理意义： 加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。或，加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。或，滞后环的滞后环的面积为一个循环所消耗的不可逆功。面积为一个循环所消耗的不可逆功。 这部分被金属吸收的功，称为内耗。这部分被金属吸收的功，称为内耗。5 5）循环韧性）循环韧性: : 金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫循金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫循环韧性。循环韧性又称为消振性。环韧性。循环韧性又称为消振性。1 1）减振材料（机床床身、缸体等）减振材料（机床床身、缸体等）: :因为铸铁有此特

21、性，因为铸铁有此特性，故常被用来制作机床床身和内燃机的支座。故常被用来制作机床床身和内燃机的支座。循环韧性的应用：循环韧性的应用：2）但传感材料、乐器等要求循环韧性小。）但传感材料、乐器等要求循环韧性小。首页首页上页上页返回返回下页下页 2、包辛格效应、包辛格效应（Baushinger effect) 0e124.0217.8328.748.52 30.1定义：材料经过预先加载并产生少量塑性变形（定义：材料经过预先加载并产生少量塑性变形（1%4%1%4%），），卸载后，再同向加载，卸载后，再同向加载，弹性极限或屈服强度弹性极限或屈服强度增加；反向加载时，增加；反向加载时，弹性极限或屈服强度弹性

22、极限或屈服强度降低的现象，称为包申格效应。降低的现象，称为包申格效应。首页首页上页上页返回返回下页下页（1）包辛格应变）包辛格应变:为度量为度量包辛格效应包辛格效应的基本定量的基本定量指标。指标。指给定应力下指给定应力下, ,正向加正向加载与反向加载两应力载与反向加载两应力- -应变曲应变曲线之间的应变差。如图中的线之间的应变差。如图中的首页首页上页上页返回返回下页下页（2 2）包辛格效应的包辛格效应的微观本质微观本质 交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降）交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降） 同向加载，位错运动受阻，规定残余伸长应力增加；同向加载，位错运动受阻，规定残余伸长应力

23、增加； 反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，规定残余伸长规定残余伸长应力降低。应力降低。 规定残余伸长应力：指试样在卸载后，其标距部分的残留伸长达到规规定残余伸长应力：指试样在卸载后，其标距部分的残留伸长达到规定比例时的应力。如达到定比例时的应力。如达到0.2%。（3 3）包辛格效应的危害及防止方法）包辛格效应的危害及防止方法预先产生较大的塑性变形，可不产生包辛格效应。预先产生较大的塑性变形，可不产生包辛格效应。 第二次第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火。反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火。 首页首页上页上页返回返回下页下页 3.3

24、 塑性变形塑性变形塑性变形：塑性变形：外载荷卸去后，不能恢复的变形。外载荷卸去后，不能恢复的变形。塑性：塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形变形 而不发生断裂的性质。而不发生断裂的性质。1.3.1 塑性变形的定义与特点塑性变形的定义与特点首页首页上页上页返回返回下页下页多晶体材料的塑性变形不可能在不同晶粒中同时开始，这多晶体材料的塑性变形不可能在不同晶粒中同时开始，这也是连续屈服材料的应力也是连续屈服材料的应力-应变曲线上弹性变形和塑性变形应变曲线上弹性变形和塑性变形间没有严格界限的原因。间没有严格界限的原因。塑性变形的特点塑性变形的特点:(2 (

25、2）各晶粒塑性变形的相互制约与协调）各晶粒塑性变形的相互制约与协调: :晶粒间塑性变形的相互制约晶粒间塑性变形的相互制约晶粒间塑性变形的相互协调晶粒间塑性变形的相互协调晶粒内不同滑移系滑移的相互协调晶粒内不同滑移系滑移的相互协调 （1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性）各晶粒变形的不同时性和不均匀性:材料表面优材料表面优先先; 与切应力取向最佳的滑移系优先与切应力取向最佳的滑移系优先首页首页上页上页返回返回下页下页塑性变形的度量塑性变形的度量:延伸率延伸率 ： 材料的塑性常用延伸率表示。测定方法如下：拉材料的塑性常用延伸率表示。测定方法如下：拉伸试验前测定试件的标距伸试验前测定试件的标距L L0

26、 0，拉伸断裂后测得标距为，拉伸断裂后测得标距为L Lk k，然，然而按下式算出延伸率：而按下式算出延伸率：%10000LLLK 断面收缩率断面收缩率： 断面收缩率断面收缩率是评定材料塑性的主要指标。是评定材料塑性的主要指标。00100%kAAA 首页首页上页上页返回返回下页下页3.3.2 屈服与屈服强度屈服与屈服强度1、屈服、屈服 在金属塑性变形的开始阶在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下降段，外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的的情况下，而变形继续进行的现象，称为屈服。现象，称为屈服。上屈服点，下屈服点上屈服点，下屈服点吕德丝带吕德丝带(Luders bond) 拉伸实验

27、时拉伸实验时,屈服变形开始于距试样夹持部位较近的地方屈服变形开始于距试样夹持部位较近的地方,然后逐渐传播到整个试样。可以观察到与拉伸方向成然后逐渐传播到整个试样。可以观察到与拉伸方向成450的的滑移带滑移带, 也称为吕德丝带也称为吕德丝带(Luders bond)。首页首页上页上页返回返回下页下页上下屈服点上下屈服点(作业：习题作业：习题5）首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页、对于拉伸曲线上有明显的屈服平台、对于拉伸曲线上有明显的屈服平台的材料的材料(屈服不连续屈服不连续)，屈服平台，屈服平台(取下取下屈服点屈服点)所对应的应力即为屈服强度，所对应的应力即为屈服强

28、度，记为记为s s = Fs / A02、屈服强度、屈服强度、对于拉伸曲线上没有屈服平台、对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料的材料(屈服连续屈服连续) ，此时将屈服强，此时将屈服强度定义为产生度定义为产生 0.2% 残余伸长时的残余伸长时的应力，记为应力，记为0.2s= 0.2= F0.2/A0首页首页上页上页返回返回下页下页3、影响屈服强度的因素、影响屈服强度的因素首页首页上页上页返回返回下页下页（一）影响屈服强度的内因（一）影响屈服强度的内因(作业：习题作业：习题9）1 、金属本性与晶格类型、金属本性与晶格类型12Gb对于在滑移面上运动的位错来说，穿过此滑移面的其他位错称为对于在滑移面上运动

29、的位错来说，穿过此滑移面的其他位错称为林位错林位错。林位错会阻碍位错运动，但是若应力足够大，滑动的位。林位错会阻碍位错运动，但是若应力足够大，滑动的位错将切过林位错继续前进错将切过林位错继续前进。 首页首页上页上页返回返回下页下页2 、晶粒大小与亚结构、晶粒大小与亚结构首页首页上页上页返回返回下页下页晶粒细化晶粒细化(Strengthening strategy 1: REDUCE GRAIN SIZE)1)Grain boundaries are barriers to slip;2)Barrier “strength”increases with misorientation;3)Smal

30、ler grain size:more barriers to slip;4) Hall-Petch Equation: 为位错在晶体中运动的总阻力为位错在晶体中运动的总阻力,大大体相当单晶体的屈服强度体相当单晶体的屈服强度;d为多为多晶体中各晶粒的平均直径晶体中各晶粒的平均直径;k为表为表征晶界对强度影响的常数征晶界对强度影响的常数.2/10dkys首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页 3、溶质元素（形成固溶体）、溶质元素（形成固溶体）首页首页上页上页返回返回下页下页 固溶强化固溶强化(Strengthening strategy 2: solid solutio

31、ns)1)Impurity atoms distort the lattice and generate stress;2)Stress can produce a barrier to dislocation motion.首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页 4、第二相、第二相首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页 沉淀强化沉淀强化(Strengthening strategy 3: precipitation strengthening)Hard precipitates are difficult to shear.Example:

32、 Ceramics in metals (SiC in Fe or Al)首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页（二）影响屈服强度的外因（二）影响屈服强度的外因温度温度 加载速率加载速率应力状态应力状态首页首页上页上页返回返回下页下页温度的影响温度的影响首页首页上页上页返回返回下页下页应变速率的影响应变速率的影响首页首页上页上页返回返回下页下页应力状态的影响应力状态的影响 应力状态越软（见教材P21），即切应力成分越大，越有利于塑性变形，屈服强度则越低，所以扭转的屈服强度小于拉伸的，拉伸的屈服强度小于弯曲的。 注意：不同应力状态下材料屈服强度不同，说明材料注意：不同应

33、力状态下材料屈服强度不同，说明材料在不同条件下表现的力学行为不同而已。在不同条件下表现的力学行为不同而已。首页首页上页上页返回返回下页下页3.3.3 真实应力真实应力应变曲线与形变强化应变曲线与形变强化工程工程(或条件或条件)应力应力载荷除以试件的原始截面积载荷除以试件的原始截面积工程工程(或条件或条件)应变应变伸长量除以原始标距长度伸长量除以原始标距长度1AAAPAPSoo00100%AAA0lnln(1)llodllell真实应力：真实应力：真实应变：真实应变：在拉伸过程中每一时刻的真实微应变为在拉伸过程中每一时刻的真实微应变为dldel0PA00lll注意注意:上式是按颈缩前塑性变形沿整

34、个试样长度是均上式是按颈缩前塑性变形沿整个试样长度是均匀的这一条件得来的匀的这一条件得来的,只能用于强化阶段只能用于强化阶段.首页首页上页上页返回返回下页下页2002200 2.5258.262.2l AlmmA00l AlA262000526.132.2104PSMPaA例例1:1:一直径为一直径为2.5mm2.5mm，长为，长为200mm200mm的杆，在载荷的杆，在载荷2000N2000N作用下，作用下，直径缩小为直径缩小为2.2mm, 2.2mm, 试计算：试计算：(1)(1)杆的最终长度；杆的最终长度；(2)(2)在该在该载荷作用下的真应力载荷作用下的真应力S S与真应变；与真应变；

35、由体积不变由体积不变,得得: 解解: 00258.26200ln(1)ln(1)ln(1)0.256200llel首页首页上页上页返回返回下页下页0lnln(1)llodllell 在工程应变为0.1左右时,两者相差不大(1)(1)(真实应力真实应力- -应变曲线应变曲线) )颈缩开始颈缩开始的点位于的点位于工程应力工程应力-应变曲线应变曲线相应点相应点的左上方的左上方;(参考颈缩条件参考颈缩条件)(2)随着塑性变形的发展随着塑性变形的发展, ,材料一直材料一直在形变强化在形变强化, ,工程应力工程应力- -应变曲线上应变曲线上颈缩后的应力降低是一种假象颈缩后的应力降低是一种假象; ;（3 3

36、）颈缩后的集中应变并不比均匀）颈缩后的集中应变并不比均匀变形阶段的应变量小。变形阶段的应变量小。3.3.3 真实应力真实应力应变曲线与形变强化应变曲线与形变强化首页首页上页上页返回返回下页下页 从试样开始屈服到发生颈缩为止从试样开始屈服到发生颈缩为止，两者满足，两者满足HollomonHollomon关系式关系式：2）真实应力与真实应变之间的关系）真实应力与真实应变之间的关系 应变硬化指数应变硬化指数n n反映了金属材料对进一步塑性变形的抵反映了金属材料对进一步塑性变形的抵抗能力。从上式抗能力。从上式, , 在在S/eS/e相同时相同时, n, n值大时值大时 dS/dedS/de也大也大,

37、, 真真实应力实应力- -应变曲线越陡。应变曲线越陡。 大多数金属材料大多数金属材料n n为为0.10.10.5; n=10.5; n=1为为理想弹性体理想弹性体; n=0; n=0为为理想塑性体理想塑性体，材料无硬化能力。，材料无硬化能力。n 1nndSKnedeKedeenSKedSSndeeKK强度系数强度系数; ; n应变硬化（或强化）指数应变硬化（或强化）指数SdSndee首页首页上页上页返回返回下页下页例例2:2:今有今有直径直径10mm10mm的正火态的正火态60Mn60Mn钢的拉伸试样，其试验钢的拉伸试样，其试验数据如下数据如下(9.91mm(9.91mm为屈服平台刚结束时的为

38、屈服平台刚结束时的试样直径试样直径) )求求K K与与n n 39.543.54.7652.955.454.052.44843.19.919.879.819.659.218.618.217.416.710 0000000001A lAAAllll llAAlll100100%AAA首页首页上页上页返回返回下页下页作业作业1AAAPAPSoo首页首页上页上页返回返回下页下页（1 1）应变硬化应变硬化可使金属零件具有一定的抗偶然过载能力。可使金属零件具有一定的抗偶然过载能力。如果没有这一能力，超载将引起塑性变形并因变形继续发展如果没有这一能力，超载将引起塑性变形并因变形继续发展而断裂。而断裂。 3

39、）应变硬化（）应变硬化（形变硬化，加工硬化）意义形变硬化，加工硬化）意义 （2）强化金属，提高力学性能。）强化金属，提高力学性能。（3）应变硬化可以保证某些冷成型工艺。如汽车覆应变硬化可以保证某些冷成型工艺。如汽车覆盖件的盖件的低碳钢薄板的深冲成型。低碳钢薄板的深冲成型。首页首页上页上页返回返回下页下页 应变硬化的内因：应变硬化的内因：首页首页上页上页返回返回下页下页形变强化形变强化Strengthening strategy 4:Strengthening strategy 4: Strain hardening or Cold work (%CW)Strain hardening or C

40、old work (%CW)首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页习题习题9？首页首页上页上页返回返回下页下页3.3.4 颈缩现象颈缩现象 颈缩前塑性变形沿整个试样长度是均匀的，发生颈缩颈缩前塑性变形沿整个试样长度是均匀的，发生颈缩后变形则主要集中在局部区域。后变形则主要集中在局部区域。 此时，应力状态由均匀变形时的单轴应力状态转变为三此时，应力状态由均匀变形时的单轴应力状态转变为三轴应力状态。轴应力状态。首页首页上页上页返回返回下页下页 1、颈缩条件、颈缩条件出现颈缩时正是拉伸力出现颈缩时正是拉伸力-伸长曲线上的最大载荷处，即有：伸长

41、曲线上的最大载荷处，即有：dF0dFd(S A)AdSSdA0dAdSSA 2() SVS VSddldlAlA llSdedSSdedSSndee又en 当应变强化速率与真实应力相等时就开始颈缩当应变强化速率与真实应力相等时就开始颈缩;或者或者真真实应变等于应变强化指数时开始颈缩实应变等于应变强化指数时开始颈缩。首页首页上页上页返回返回下页下页 2、颈缩颈部应力的修正、颈缩颈部应力的修正* S比实际的真实应力要大，为此按上式比实际的真实应力要大，为此按上式修正为修正为S，式中，式中R，a参数见本片参数见本片P130。首页首页上页上页返回返回下页下页韧性韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的

42、能力。：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 3、静力韧度、静力韧度静力韧度静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功，：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功，为为真实应力真实应力- -应变曲线所围的面积应变曲线所围的面积。塑性和强度的综合指标。塑性和强度的综合指标。 单位：单位：J/mJ/m3 3 韧度韧度：度量材料韧性的力学性能指标。：度量材料韧性的力学性能指标。 有静力韧度、冲击韧度和断裂韧度等。有静力韧度、冲击韧度和断裂韧度等。静力韧度对按屈服强度设计，而在服役中有可能偶然过静力韧度对按屈服强度设计，而在服役中有可能偶然过载的机件（如链条、起重吊钩等）必须考虑。载的机件（如链条

43、、起重吊钩等）必须考虑。首页首页上页上页返回返回下页下页 机械和工程构件失效的形式有断裂、磨损、腐机械和工程构件失效的形式有断裂、磨损、腐蚀等，断裂是主要形式之一，危害性最大。蚀等，断裂是主要形式之一，危害性最大。 断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。式。 研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。在服役过程中的安全。 3.4 材料断裂材料断裂首页首页上页上页返回返回下页下页 根据断裂前塑性变形大小分类根据断裂

44、前塑性变形大小分类: 脆性断裂脆性断裂；韧性断裂韧性断裂3.4.1 断裂的基本类型断裂的基本类型 根据断裂面的取向分类根据断裂面的取向分类: 正断；切断正断；切断 根据裂纹扩展的途径分类根据裂纹扩展的途径分类: 穿晶断裂；沿晶断裂穿晶断裂；沿晶断裂 根据断裂机理分类根据断裂机理分类: 解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂首页首页上页上页返回返回下页下页首页首页上页上页返回返回下页下页3.4.2 3.4.2 韧性断裂韧性断裂（ductile fracture）断裂特点：断裂特点：断裂前产生明显宏观塑性变形；过程较慢；断裂前产生明显宏观塑性变形；过程较慢；危害危

45、害比脆性断裂小，断裂前机件已变形失效。比脆性断裂小，断裂前机件已变形失效。多发生于中、低强度钢多发生于中、低强度钢1.4.2.1韧性断裂特点韧性断裂特点首页首页上页上页返回返回下页下页(a)当拉伸载荷达到最大值时，试样发生当拉伸载荷达到最大值时，试样发生颈缩。在颈缩区形成三向拉应力状态，颈缩。在颈缩区形成三向拉应力状态，且在试样的心部轴向应力最大。且在试样的心部轴向应力最大。“颈缩微孔形核微孔长大微孔聚合边缘剪切断裂”(c)增大外力，微孔在纵向与横向均长大；增大外力，微孔在纵向与横向均长大；(b)在三向应力作用下，使得试样心部的夹在三向应力作用下，使得试样心部的夹杂物杂物(如钢中的硫化物如钢中

46、的硫化物)或第二相或第二相(如钢中的如钢中的弥散的碳化物弥散的碳化物)质点破裂，或夹杂物或第二质点破裂，或夹杂物或第二相质点与基体界面脱离结合而形成微孔。相质点与基体界面脱离结合而形成微孔。(d)微孔不断长大并发生联接而形微孔不断长大并发生联接而形成大的中心空腔成大的中心空腔(裂纹裂纹)。(e)最后，沿最后，沿450方向切断，形成杯锥状断口方向切断，形成杯锥状断口.3.4.2.2韧性断裂机理韧性断裂机理首页首页上页上页返回返回下页下页: 断口宏观呈纤维状，灰暗色断口宏观呈纤维状，灰暗色,杯锥状。杯锥状。3.4.2.2韧性断裂韧性断裂断口特征断口特征 放射区：裂纹快速扩展，放射线放射区：裂纹快速

47、扩展，放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端的轮廓线。前端的轮廓线。 撕裂时塑性变形量越大，放射线撕裂时塑性变形量越大，放射线越粗。越粗。 纤维区：微孔在变形带内成纤维区：微孔在变形带内成核、长大和聚合核、长大和聚合, 这一过程重复这一过程重复进行就形成了锯齿形的纤维区。进行就形成了锯齿形的纤维区。 断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇沿沿45450 0方向切断方向切断, ,产生剪切唇产生剪切唇. .首页首页上页上页返回返回下页下页 断口微观特征是韧窝形貌；在正应力作用下，韧断口微观特征是韧窝形貌；在正应力作用下，韧窝是等

48、轴形的；在扭转载荷作用下，韧窝被拉长窝是等轴形的；在扭转载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。为椭圆形。首页首页上页上页返回返回下页下页3.4.2.3 3.4.2.3 影响韧性断裂的因素影响韧性断裂的因素(1) (1) 基体的形变强化，基体的形变强化指数越大，基体的形变强化，基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，哪里变形，哪里便则塑性变形后的强化越强烈，哪里变形，哪里便强化，其结果是各处均匀的变形。强化，其结果是各处均匀的变形。 相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局部化易局部化;(;(参考颈缩条件参考颈缩条件),),较易出现快速剪切裂较

49、易出现快速剪切裂开。这种聚合模式塑性韧性低。开。这种聚合模式塑性韧性低。（2）第二相粒子）第二相粒子, 钢的塑性下降钢的塑性下降(参考固溶强化）；参考固溶强化）；硫化物比碳化物的影响要明显得多。同时碳化物硫化物比碳化物的影响要明显得多。同时碳化物形状也对断裂应变有很大影响，球状的要比片状形状也对断裂应变有很大影响，球状的要比片状的好很多。的好很多。首页首页上页上页返回返回下页下页 脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近声速。很快，接近声速。 脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。是突然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。因此，防止脆断。3.4.3 脆性断裂脆性断裂(brittle fracture)脆性断裂的微观机制有脆性断裂的微观机制有解理断裂解理断裂和和沿晶断裂沿晶断裂。首页首页上页上页返回返回下页下页3.4.3.1 3.4.3.1 解理断裂解理断裂 解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原于间结合键遭到破坏，严格地沿一定的原于间结合键遭到破坏，严格