材料力学：第5章 材料单向静拉伸的力学性能

1、1第一章 材料单向静拉伸的力学性能 1-1 力伸长曲线和应力应变曲线1-2 弹性形变及其性能指标1-3 非理想弹性形变与内耗1-5 断裂1-4 塑性变形及其性能指标2材料力学性能的研究任务材料力学性能研究的重要任务，就是研究材料在受载过程中变形和断裂的规律。单向静拉伸试验是工业生产和材料科学研究中应用最广泛的材料力学性能试验方法。通过拉伸试验可以揭示材料在静载作用下的应力应变关系及常见的3种失效形式(过量弹性变形、塑性变形和断裂)的特点和基本规律，还可以评定出材料的基本力学性能指标，如屈服强度、拉伸强度、伸长率和断面收缩率等。3这些性能指标既是材料的工程应用、构件设计和科学研究等方面的计算依据

2、，也是材料的评定和选用以及加工工艺选择的主要依据。本章介绍这些性能指标的物理概念和工程意义，讨论材料弹性变形、塑性变形及断裂行为的基本规律及其与材料组织结构的关系，在此基础上探讨提高材料性能指标的途径和方向。4 1-1力伸长曲线和应力应变曲线一、拉伸力-伸长曲线在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形(强化)及不均匀集中塑性变形(局部变形)4个阶段。5退火低碳钢的力一伸长曲线是一种最典型的曲线，除低碳钢外，正火、退火或调质的各种碳素结构钢和一般的合金结构钢都有类似的力一伸长曲线，只是力的大小和变形量的多少不同而已。并非所有的材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸曲线

3、。一、拉伸力-伸长曲线 1-1力伸长曲线和应力应变曲线6一、拉伸力-伸长曲线 1-1力伸长曲线和应力应变曲线1、淬火高碳钢弹性形变、少量均匀塑性形变2、低合金结构钢弹性形变、大量均匀塑性形变。3、黄铜弹性形变、均匀和不均匀塑性形变。4、陶瓷、玻璃只有弹性形变。7一、拉伸力-伸长曲线 1-1力伸长曲线和应力应变曲线5、橡胶只有弹性形变，少量或没有塑性形变。6、工程塑料弹性形变、均匀和不均匀塑性形变。8注意：对于高分子聚合物材料来说：由于其在结构上的力学状态差异及对温度的敏感性，力一伸长曲线可有多种形式。不同的材料或同一材料在不同条件下可有不同形式的力一伸长曲线。这主要是由材料的键合方式、化学成分

4、和组织状态等多种因素共同决定的。9将图1-1所示的力-伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积A0和原始标距长度L0相除，则得到与力-伸长曲线形状相似的应力(FA0)一应变( =l/L0）曲线(图1-3)。这样的应力应变曲线称为工程应力-应变曲线。10工程应力应变曲线对材料在工程中的应用是非常重要的，根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的力学性能指标，如图l-3中的比例极限p、弹性极限e、屈服点s、抗拉强度b等，可提供给工程设计或选材应用时参考。11实际上，在拉伸过程中，试样的截面积和长度随着拉伸力的增大是不断变化的，工程应力一应变曲线并不能反映试验过程中的真实情况。如果以瞬时截面积

5、A除其相应的拉伸力F，则可得到瞬时的真应力S(S=F/A)。同样，当拉伸力F有一增量dF时，试样在瞬时长度L的基础上变为L+dL，于是应变的微分增量应是dedL+L，则试件自Lo伸长至L后，总的应变量为:12式中的e为真应变。于是，真应变和工程应变之间的关系为显然，e总是小于 ，且变形量越大，二者的差距越大。 13当材料的拉仲变形是等体积变化过程时，真应力S和工程应力之间存在如下关系这说明真应力大于工程应力。S = (1 + ) (13)14以真应力S和真应变e作为坐标绘制的应力-应变曲线称为真应力一真应变曲线(图l-4)。与工程应力一应变曲线相比较，在弹性变形阶段，由于试样的伸长和截面收缩都

6、很小，两曲线基本重合，真实屈服应力和工程屈服应力在数值上非常接近。在塑性变形阶段，两者出现了显著的差异。15在工程应用中，多数构件的变形量限制在弹性变形范围内，这时二者的差别可以忽略，同时工程应力、工程应变便于测量和计算。因此，工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据。但在材料科学研究中，真应力与真应变将具有重要意义。161-2弹性形变及其性能指标一、弹性形变的本质弹性变形的定义：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。弹性变形的可逆性特点： 对于金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物，在弹性变形范围内，应力和应变之间可以看成具有单值线性关系，且弹性变形量都较小。对于橡胶态

7、的高分子聚合物，则在弹性变形范围内，应力和应变之间不呈线性关系，且变形量较大。17无论变形量大小和应力与应变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆变形。材料产生弹性变形的本质，概括说来，都是构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。橡胶类材料是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。18弹性形变的双原子模型 金属、陶瓷类材料弹性变形的微观过程可用双原子模型解释。在正常状态下，晶格中的离子能保持在其平衡位置仅作微小的热振动，是受离子之间的相互作用力控制的结果。 一般认

8、为，这种作用力分为引力和斥力。引力是由正离子和自由电子间的库仑力所产生，而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致。19引力和斥力都是离子间距的函数，可表示为：式中：r为两离子间的距离；m、n、a、b均为与材料有关的常数。离子间的相互作用力，即为引力F引和斥力F斥的合力F合，即：20图中N1、N2分别为两离子的平衡位置，曲线1为引力，曲线2为斥力，曲线3为合力，在离子的平衡位置合力为零。21当外力对离子作用时，合力曲线的零点位置改变，离子的位置亦随之作相应的调整，即产生位移，离子位移的总和在宏观上就表现为材料的变形。22当外力去除后，离子依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置，宏观的变形也随之消

9、逝，从而表现了弹性变形的可逆性。23必须注意：上述模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性位移的关系并非虎克定律所说的直线关系，而是抛物线关系。合力曲线有最大值Fmax，如果外加拉应力略大于Fmax就意味着可以克服离子间的引力而使它们分离。因此，Fmax也就是材料在弹性状态下的理论断裂抗力，此时相应的离子弹性变形量rm-ro可达25。24实际工程应用的材料中，不可避免地存在着各种缺陷、杂质、气孔或微裂纹，因而实际断裂抗力远远小于Fmax时，材料就发生了断裂或产生了塑性变形。实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起始阶段，因此虎克定律所表示的外力一位移线性关系是近似正确的。25在弹性变形的应力和应变

10、间有一个具有重要意义的关系常数弹性模数(或弹性系数、弹性模量)。 拉伸时 =E, 剪切时 G， 式中E和G分别为拉伸时的杨氏模数和切变模数。当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应力，即弹性模数是产生100弹性变形所需的应力。胡克定律26在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同压力下产生的弹性变形就越小。在机械零件或建筑结构设计时为了保证不产生过大的弹性变形，都要考虑所选用材料的弹性模数。因此弹性模数是结构材料的最重要力学性能之一。2729三、影响弹性模数的因素材料的弹性模数是构成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志。因此，凡影响键合强度的因素均能影

11、响材料的弹性模数，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载方式和速度等。301.键合方式一般来说，在构成材料聚集状态的4种键合方式中，共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数，分子键弹性模数低。无机非金属材料大多由共价键或离子键以及两种键合方式共同作用而成，因而有较高的弹性模数。金属及其合金为金属键结合，也有较高的弹性模数。高分子聚合物的分子之间为分子键结合，因而高分子聚合物的弹性模数亦较低。 31金属元素弹性模数的大小与元素在周期表中的位置有关，变化规律如图1-6所示。这种变化的实质还与元素的原子结构和原子半径有密切关系 原子半径越大，E值越小，反之亦然。过渡族元素都有较高的弹性

12、模数，这是由于原子半径较小，且d层电子引起较大的原子间结合力所致。 2、原子结构323. 晶体结构 单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上呈各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但这种各向同性称为伪各向同性。非晶态材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性模量是各向同性的。334.化学成分 材料化学成分的变化可引起原子间距或键合方式的变化，因此也能影响材料的弹性模数。与纯金属相比，合金的弹性模数将随组成元素的质量分数()、晶体结构和组织状态的变化而变化。固溶体合金的弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构。随着溶质元素质量分

13、数的增加，虽然固溶体的弹性模数发生改变，但在溶解度较小的情况下一般变化不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过5。34在两相合金中，弹性模数的变化比较复杂，它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及分布状态有关例如在铝中加入Ni(15)、Si(13)，形成具有较高弹性模数的金属间化合物，使弹性模数由纯铝的约6.5104 MPa增高到9.38l04 MPa。355.微观组织 金属材料刚度代表的弹性模数，是一个组织不敏感的力学性能指标。工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷的相的种类、粒度、分布、比例及气孔串有关。36气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致可用下式表示：式中：E0为无气孔时的弹性模数；p为气孔

14、率。可见：随着气孔率的增加，陶瓷的E值下降。37高分子聚合物的弹性模数可以通过添加增强填料而提高！图1-7所示为热裂炭黑填科对天然橡胶弹性模数的影响。38复合材料是特殊的多相材料。对于增强相为粒状的复合材料，其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大。对于单向纤维增强复合材料，其弹性模数一般用宏观模量表示，分别为纵向弹性模量E1、横向弹性模量E2:39式中：Ef、Em分别为纤维和基体的弹性模数；vf、vm分别为纤维和基体的体积分数。显然：无论是纵向弹性模数还是横向弹性模数，均与构成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。406. 温度 一般说来，随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间

15、距增大，结合力减弱，使材料的弹性模数降低。例如，碳钢加热时，温度每升高100 ，E值下降35。另外，随着温度的变化，材料发生固态相变时，弹性模数将发生显著变化。41图1-8为几种材料的弹性模数随着温度(温度与熔点之比)的变化情况。42高分子聚合物的物理性质与温度和时间有密切关系。随着温度的变化，在一些特定的温度区间，某些力学性质会发生突然改变，这种变化称为高聚物的力学状态转变。例如，由玻璃态向橡胶态转变、由橡胶态向粘流态的转变。随着高聚物力学状态的转变，其弹性模数也相应产生很大变化，如图1-9所示。43此外，橡胶的弹性模数随温度的升高略有增加。这一点与其他材料不同，其原因是温度升高时，高分子链

16、的分子运动加剧，力图恢复到卷曲的平衡状态的能力增强所致。绝大多数材料在温度升高时弹性模数是下降的447.加载条件和负载持续时间 加载方式(多向应力)、加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷材料的弹性模数几乎无影响。因为这类材料的弹性变形速度与声速相间，远超过常见的加载速率，负荷持续时间的长短也不会影响到原子之间的结合力。陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数，这一点与金属材料不同。45 高分子聚合物材料的弹性模数与时间的关系与其对温度的关系相似，随着负荷时间的延长，E值逐渐下降。 在此情况下把高聚物的弹性模数称为松弛模数。在动态应力下，高应变速率对应于玻璃态E值较高，低应变速率对应于橡胶态E值较低

17、，中应变速率对应于转变区，材料具有粘弹性性质。“时温等效”原理何为粘弹性？后有更多介绍46弹性的不完整性的根源多数工程上应用的材料为多晶体、甚至为非晶态或者是两者皆有的物质上述材料内部存在各种类型的缺陷，导致弹性变形时可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象。即：产生弹性的不完整性）。47四、比例极限与弹性极限1-2弹性形变及其力学性能指标1.比例极限 比例极限p是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，即在拉伸应力-应变曲线上开始偏离直线时的应力值，其表达式为:式中：FP为比例极限对应的试验力，A0为试样的原始截面面积。48四、比例极限与弹性

18、极限2.弹性极限 弹性极限e是材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力，应力超过弹性极限以后，材料便开始产生塑性变形。其表达式为：式中：Fe为弹性极限时对应的试验力，Ao为试棒的原始截面面积。493.比例极限与弹性极限的意义p、e是理论上的物理定义，在实际使用中，很难测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值。为便于实际测量和应用，应以发生非比例伸长值作定义，故p在国家标准中称为“规定非比例伸长应力”。 例如: 以 p0.01表示非比例伸长率达0.01%时的应力。比例极限和弹性极限与屈服强度的概念基本相同，都表示材料对微量塑性变形的抗力，影响它们的因素基本相同。50p、e的工程意义是：对于要求服役时

19、其应力应变关系严格遵守线性关系的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，则应以比例极限作为选择材料的依据。对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机件，设计时应按弹性极限来选择材料。因此弹簧称有称量范围的限制51五、弹性比功1-2弹性形变及其性能指标 弹性比功又称为弹性比能或应变比能，用ae表示，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示。物理意义：吸收弹性变形功的能力。52五、弹性比功几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。式中：e为与弹性极限对应的弹性应变。53 从式(1-12)可以看出，欲提高材料

20、的弹性比功，途径有二，即或者提高e，或者降低E。 对于一般的工程材料，弹性模数不易改变，尤其是金属材料，因此常用提高材料弹性极限e的方法来提高弹性比功。54五、弹性比功 几种材料的弹性模数、弹性极限、弹性比功如表1-2所列。55五、弹性比功 弹簧材料应具有较高的弹性比功。弹簧钢经合理的冷加工或热处理后有较高的弹性极限，使弹性比功提高，所以常用来制作各种弹簧。磷青铜或铍青铜常用来制作仪表弹簧，这除了因为它们无铁磁性外，主要是因为它们有高的弹性比功。橡胶有低的弹性模数和高的弹性应变，因而也有较大的弹性比功，因而常用来作为减振和储能元件，例如电子器件中的按钮弹簧等。561-3非理想弹性与内耗 根据材

21、料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，弹性可以分为理想弹性(完全弹性)和非理想弹性(弹性不完整性)两类。 对于理想弹性材料，在荷载作用下，应力和应变服从胡克定律，即M(其中，模数M代表杨氏模量E或切变模量G)，并同时满足3个条件，即：应变对于应力的响应是线性的；应力和应变同相位；应变是应力的单值函数。571-3非理想弹性与内耗实际上，绝大多数固体材料的弹性行为很难满足上述条件。一般都表现出非理想弹性性质，工程中的材料按理想弹性应用只是一种近似处理。材料的非理想弹性行为大致可以分为滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应等几种类型。58一、滞弹性 滞弹性(弹性后效) ：指材料在快速加载或卸载后，随时

22、间的延长而产生的附加弹性应变的性能。图l-11所示，当突然施加一应力o于拉伸试样时，试样立即沿0A线产生瞬时应变Oa。即使低于材料的微量塑性变形抗力，应变Oa也只是材料总弹性应变OH中的一部分，应变aH是在o长期保持下逐渐产生的，aH对应的时间过程为图1-11中的ab曲线。59这种加载时应变落后于应力而与时间有关的滞弹性也称为正弹性后效或弹性蠕变。卸载时，如果速度也较大，则当应力下降为零时，只有应变eH部分立即消逝掉，而应变eO是在卸载后逐渐去除的，这部分应变对应的时间过程为图中的cd曲线。卸载时应变落后于应力的现象也称为反弹性后效。卸载后应变立即消逝卸载后逐渐去除60滞弹性在金属材料和高分子

23、材料中表现明显，其弹性后效速率和滞弹性应变量与材料成分、组织有关，也与试验条件有关。材料组织越不均匀，滞弹性越明显钢经淬火或塑性变形后，由于增加了组织不均匀性，滞弹性倾向加大温度升高和切应力分量增大，滞弹性越强烈在没有切应力的多向压应力作用下，看不到滞弹性现象611-3非理想弹性行为一、滞弹性材料的滞弹性对仪器仪表和精密机械中的重要传感元件的测量精度有很大影响，因此选用材料时需要考虑滞弹性问题。如长期受载的测力弹簧、薄膜传感器等。所选用材料的滞弹性较明显时，会使仪表精度不足，甚至无法使用。621-3非理想弹性行为二、粘弹性粘弹性是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。

24、一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时表现粘弹性现象。 其特征是应变落后于应力，即应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。当加上周期应力时，应力应变曲线就成一回线。 631-3非理想弹性行为二、粘弹性 应力和应变的关系与时间有关，可分为恒应变下的应力松弛图113(a)和恒应力下蠕变圆1-13(b)两种情况。641-3非理想弹性行为二、粘弹性材料的粘弹性行为在一些高分子材料中表现得比较突出，这是由于大分子链段沿外力逐渐舒展引起的，在外力去除后这部分蠕变变形可以缓慢地恢复，这也是高分子材料蠕变与金属或陶瓷材料蠕变的明显区别。651-3

25、非理想弹性行为三、伪弹性 伪弹性是指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象。伪弹性变形的量级大约在60左右，大大超过正常弹性变形。The different crystal structure of the two phases.66马氏体及奥氏体相的特征Austenite (奥氏体) Hard, firm InelasticSimple FCC (face-centered cubic ) structureMartensite (马氏体) Soft Elastic Complex structure671-3

26、非理想弹性行为三、伪弹性图1-15为伪弹性材料的应力一应变曲线示意图，图AB段为常规弹性变形阶段，BM为应力诱发马氏体相变开始的应力，c点处马氏体相变结束，CD段为马氏体的弹性应变阶段。在CD段卸载，马氏体作弹性恢复。681-3非理想弹性行为三、伪弹性 FP表示开始逆向相变的应力，马氏体相变回原来的组织，到G点完全恢复初始组织。GH为初始组织的弹性恢复阶段，恢复到初始组织状态，没有任何残留变形 。形状记忆合金就是利用了这一原理。69701-3非理想弹性行为四、包申格效应 包申格(Bauschinger)效应: 指金属材料经预先加载产生少量塑性变形(残余应变小于4)，而后再同向加载，规定残余伸长

27、应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 对某些钢和钻合金，因包申格效应，可使规定残余伸长应力降低15-20。所有退火态和高温回火态的金属都有包申格效应，因此包申格效应是多晶体金属具有的普遍现象。退火是制备晶体材料过程中，把制备的样品升高温度并保持一定时间，再缓慢冷却的一个过程71 包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。金属受载产生少量塑性变形时，形成位错缠结或胞状组织。 卸载并随即同向加裁，在原先加载的应力水平下，被缠结的位错线不能作显著运动，因此宏观上表现为规定残余伸长应力增加。 1-3非理想弹性与内耗四、包申格效应72卸载后施加反向应力，可以在较低应力下滑移较大距离，

28、宏观上就表现为规定残余伸长应力较低的现象。因包申格效应是一种材料微观组织结构变化的结果，所以可以通过热处理加以消除。方法是，对材料进行较大的塑性变形或对微量塑变形的材料进行再结晶退火。1-3非理想弹性与内耗四、包申格效应731-3非理想弹性与内耗五、内耗 理想弹性行为：应力和应变是单值、瞬时的，弹性变形时材料储存弹性能，弹性恢复时材料释放弹性能，循环变形过程没有能量损耗。 非理想弹性行为：由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环。741-3非理想弹性与内耗五、内耗 存在弹性滞后环的现象说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分

29、加载变形功被材料所吸收。这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗，其大小可用回线面积度量。 当材料受到交变应力作用时，应力和应变都随时间不断变化。例如：应力和应变都以简单正弦曲线的规律变化时，由于滞弹性(粘弹性)的影响，应变总是落后于应力，应变和应力之间存在一个相位差，见图1-16。751-3非理想弹性与内耗五、内耗 由图可见，当应力变为零时，应变还有一定的正的0A值；当应力方向相反之后，应变才逐渐变为零，这样产生了阻尼作用，由此导致能量消耗。761-3非理想弹性与内耗五、内耗 单向加裁和交变加载一个周期所形成的弹性滞后环的曲线如图1-17所示。回线中所包围的面积代表应力-应变循环一个周期所

30、产生的能量损耗，回线面积越大，能量损耗也越大。771-3非理想弹性与内耗五、内耗 在力学性能上，内耗也称为材料的循环韧性，表示材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，故又称为消振性。材料循环韧性越高，则自身的消振能力就越好。高的循环韧性可减振，如汽轮机叶片，机床材料；循环韧性低的材料用作传感元件，可以提高其灵敏度，乐器所用材料的循环韧性越低，则音质越好。781-4塑性变形及其性能指标一、塑性变形机理 材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移，但不引起材料破裂的现象。材料的品类和性质不同，其塑性变形机理也不相同。金属材料的塑性变形陶瓷材料的塑性变形高分子材料的塑性变形791.金属

31、材料的塑性变形金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪生两种。（1）滑移 滑移是金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。滑移面和滑移方向的组合成为滑移系。滑移系越多，金属的塑性越好，但滑移系的多少不是决定塑性好坏的唯一因素（还受到温度、成分和预变形程度等的影响）。80（2）孪生 金属晶体在切应力作用下产生的一种塑性变形方式,面心立方(fcc)、体心立方（bcc）和密排六方（hcp）都能以孪生方式产生塑性变形 孪生变形的特点： 比滑移困难；时间很短；变形量很小；但可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动，因而可以对塑性变形产生影响。变形孪晶层在试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整

32、个试样。 孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展。81（3）多晶体金属塑性变形的特点 a.各晶粒变形的不同时性和不均匀性多晶体金属：由于各晶粒位向不同，受外力作用时，某些晶体位向有利的晶粒先滑移变形由于各相晶粒的晶体结构、位错滑移的难易程度以及应力状态的不同，那些位向有利或产生应力集中的晶粒首先产生塑性变形 金属材料的组织越不均匀，则起始的塑性变形不同时性和不均匀性就越显著。82（3）多晶体金属塑性变形的特点 b.变形的相互协调性多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂，这就要求各晶粒之间能协调变形因此，每个晶粒必须能同时沿几个滑移系进行滑移，或在滑移的同

33、时产生孪生变形，以保持材料的整体性。83一、塑性变形机理2.陶瓷材料的塑性变形陶瓷材料主要是晶体材料，原则上讲可以通过位错的滑移实现塑性变形。但是晶体多为离子键或共价键，具有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系能满足位错运动的几何条件和静电作用条件。所以只有极少数具有简单晶体结构的晶体，如MgO、KCl(均为NaCl型结构)在室温下具有塑性，而一般晶体结构复杂的陶瓷材料在室温下不能进行塑性变形。84一、塑性变形机理2.陶瓷材料的塑性变形陶瓷材料一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。位错更加不易向周围晶体传播，更易在晶界处塞积而产生应力集中，形成裂纹引起断裂。所以陶瓷

34、材料很难进行塑性变形。85玻璃材料与一般陶瓷材料的塑性变形机理不同非晶态玻璃材料：由于不存在晶体中的滑移和孪生的变形机制，其永久变形是通过分子位置的热激活交换来进行的，属于粘性流动变形机制，塑性变形需要在一定的温度下进行。所以普通的无机玻璃在室温下没有塑性。86一、塑性变形机理3.高分子材料的塑性变形高分子材料的塑性变形机理因其状态不问而异。结晶态高分子材料的塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程；非晶态高分子材料的塑性变形有两种方式，即在正应力作用下形成银纹或在切应力作用下无取向分子链局部转变为取向排列的纤维束。87 无取向的晶态聚合物在塑件变形过程中。首先是晶球的破坏，使与应

35、力垂直的薄晶与无定型相分离，然后薄晶沿应力方向排列。晶体破碎成小晶块时，分子链仍然保持折叠结构。一、塑性变形机理3.高分子材料的塑性变形 随着变形进一步发展，小晶体沿拉伸方向整齐排列，形成长的纤维，如图l-19所示 。88 当薄品转变为微纤维束的晶块时，分子链沿拉应力方向伸展开，如图1-20所示。 由于许多串联排列的晶体块是从同一薄晶中撕出来的，所以晶体块之间有许多伸开的分子链将它们彼此连接在一起。一、塑性变形机理3.高分子材料的塑性变形89 微纤维的定向排列以及伸展开的分子链的定向排列，使高分子材料强度大幅度提高。 由于微纤维间的联结，分子链进一步伸展，微纤维结构的继续变形非常困难，从而造成

36、形变硬化。一、塑性变形机理3.高分子材料的塑性变形903.高分子材料的塑性变形 非晶态(玻璃态)高分子材料的塑性变形机理主要是形成银纹。银纹是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于它的密度低，对光线的反射能力很高，看起来呈银色，因而得名。 银纹产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位。在拉应力作用下，材料弱结构或缺陷部位往往先被拉开，形成亚微观裂纹或空洞，这些空洞继续发展便形成肉眼可见的银纹。911-4塑性变形及其性能指标一、塑性变形机理3.高分子材料的塑性变形银纹材料体密度约比无银纹材料小50。在继续变形过程中，银纹的长度在与拉应力垂直的方向上生长，其厚度变化不大。随着塑性交形量的增大，银纹的

37、数量不断增多，高密度的银纹可产生超过100的应变。923.高分子材料的塑性变形由于银纹中的纤维取向排列使强度增高，因而随着变形量的增大，材料将不断产生应变硬化。银纹的尖端可以造成应力集中，将对进一步的变形和断裂产生直接影响。931-4塑性变形及其性能指标二、屈服现象与屈服强度1.屈服现象 在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的现象，称为屈服。941-4塑性变形及其性能指标二、屈服现象与屈服强度1.屈服现象上屈服点:试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值。下屈服点：屈服阶段的最小应力。屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或曲折线段。951-4塑性变形及其性

38、能指标二、屈服现象与屈服强度2.屈服强度（屈服点） 材料的屈服标志着材料在应力作用下由弹性变形转变为弹-塑性变形状态，因此材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。 这一应力值称为材料的屈服强度或屈服点，用s表示。96 在正常实验条件下，下屈服点sl的重复性较好，所以通常把sl作为屈服强度(屈服点，s)。 s和sl的计算公式如下：1-4塑性变形及其性能指标二、屈服现象与屈服强度2.屈服强度（屈服点） 式中：Fs为屈服力；Fsl为下屈服应力；A0为试样标距部分的原始截面。s=Fs/A0 (1-23)sl=Fsl/A0 (1-24)97 屈服强度是工程技术上最重要

39、的力学性能指标之一，其实际意义在于： 作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据； 根据屈服强度与抗拉强度之比(屈强比)的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。2.屈服强度（屈服点）981-4塑性变形及其性能指标三、影响金属材料屈服强度的因素1.晶体结构2.晶界与亚结构3.溶质元素4.第二相5.温度6.应变速率与应力状态991-4塑性变形及其性能指标四、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称为应变硬化或形变强化。应变硬化是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。绝大

40、部分金属和高分子材料具有应变硬化特性。1001-4塑性变形及其性能指标四、应变硬化1.应变硬化机理 金属材料的应变硬化机理：普遍认为，金属材料的应变硬化是塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。 取向的结晶态高分子材料的应变硬化机理：当结晶高分子材料发生屈服后原有的结构开始破坏，载荷下降。应力-应变曲线的最低点表示原有结构完全破坏。并出现缩颈。1011-4塑性变形及其性能指标四、应变硬化1.应变硬化机理 如果在缩颈开始后不迅速发生断裂，则随应变的增加，被破坏的晶体又重新组成方向性好、强度高的维纤维结构。载荷将不再由范德瓦尔斯健承担，而是由强得多的共价键承担。每个微纤维都有很高的强度，再加上微纤

41、维问的联结分子链进一步伸开，微纤维结构的继续变形非常困难。从而造成应变硬化。1022、应变硬化的意义 （1）在加工方面，应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。（2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。（3）强化金属，提高力学性能。（4）提高低碳钢的切削加工性能。1-4塑性变形及其性能指标四、应变硬化1031-4塑性变形及其性能指标五、抗拉强度与缩颈条件1.抗拉强度 抗拉强度是拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的应力。其值等于最大拉力Fb除以试样的原始横截面积A0,抗拉强度用b 表示。 抗拉强度标志着材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力，是产品设计的重要依据，在生产和研究中被广

42、泛用作产品规格说明和质量控制指标。 b=Fb/A01041-4塑性变形及其性能指标五、抗拉强度与缩颈条件 2.缩颈 缩颈是一些金属材料和高分子材料在拉伸实验时，变形集中于局部区域的特殊状态。 它是在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域而产生的。 缩颈形成点对应于工程应力-应变曲线上的最大载荷点。105六、塑性与塑性指标 塑性是指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。在工程上一般以光滑圆柱试样的拉伸伸长率和断面收缩率作为塑性性能指标。常用的伸长率指标有: (1)最大应力下非比例伸长率g ，即(2) 最大应力下总伸长率gt,即(3) 断后伸长率,即g

43、 = Lg/L0100%gt = Lgt/L0100% = Lk/L0100%1061-4塑性变形及其性能指标六、塑性与塑性指标1071-4塑性变形及其性能指标七、超塑性 材料在一定条件下呈现非常大的伸长率(约1000)而不发生缩颈和断裂的现象，称为超塑性。 通常碳钢和合金钢的断后伸长率不超过30一40，铝及铝合金的断后伸长率也不超过50一60。超塑性变形的伸长率比通常塑性变形的伸长率要高出10倍以上，并且基本上不发生应变硬化。1081-4塑性变形及其性能指标七、超塑性 在变形过程中发生相变的超塑性称为相变超塑性。在纯金属和单相合金的稳定结构中得到的超塑性称为结构超塑性。超塑性现象不仅在很多种

44、纯金属和合金中可观察到，而且陶瓷材料在适当条件下也可以呈现超塑性。利用超塑性技术可以压制形状复杂舶机件，从而可以节约材料，提高精度，减小加工工时及能源消耗。1091-5 断裂 固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。材料的断裂是力对材料作用的最终结束，它意味着材料的彻底失效。因材料断裂而导致的机件失效与其他失效方式(如磨损、腐蚀等)相比危害性最大，并且可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏观与微观构征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值。1101-5 断裂一、断裂的类型及断口特性 材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩

45、展两个阶段。按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种： 根据断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度 脆性断裂；韧性断裂；按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径 穿晶断裂；沿晶断裂；根据断裂机理分类 解理断裂；剪切断裂；根据断裂面的取向分类 正断；切断。1111.韧性断裂与脆性断裂 韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。 韧性断裂的断口用肉眼或放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状纤维状是塑性变形过程中，众多微细裂纹的不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色则是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致。 一些塑性较好的金属材料及高分

46、子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性1121.韧性断裂与脆性断裂 脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。 脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状 淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程及断口常具有上述特征。1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性1132.穿晶断裂与沿晶断裂 穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；沿晶断裂则多数为脆性断裂。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续的脆性第二相、夹杂物等破坏了材料的连续性造成的，

47、是晶界结合力较弱的一种表现。例如共价键陶瓷晶界较弱，断裂方式主要是晶界断裂。离子键晶体的断裂往往具有以穿晶解理为主的特征。1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性1142.穿晶断裂与沿晶断裂1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性1153.剪切断裂与解理断裂1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性 （1）剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的楔形。大单晶体的纯剪切断口上，用肉眼使可观察到很多直线状的滑移痕迹。1163.剪切断裂与解理断裂1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性多晶体，由于晶粒间的相互约束，不可能沿单一滑移面滑动，而是

48、沿着相互交叉的滑移面滑动，从而在微观断口上呈现出“蛇形滑动”花样。随着变形度的加剧，蛇形滑动花样平滑化，形成“涟波”花样。变形再继续增加，涟波花样进一步平滑化，而在断口上留下无特征的平坦面，称为“延伸区”。1173.剪切断裂与解理断裂1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性 剪切断裂的另一种形式为微孔聚集型断裂，微孔聚集型断裂是材料韧性断裂的普通方式。其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样则是断口上分布大量“韧窝”。微孔聚集断裂过程包括微孔形核、长大、聚合直至断裂。1183.剪切断裂与解理断裂1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性a.微孔形核b.长大c.聚合直至断裂1193.剪切断裂与

49、解理断裂1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性微孔的形核大多是通过第二相(夹杂物)碎裂或与基体界面脱离，并在材料塑性变形到一定程度时产生的(a)。随着塑性变形的进一步发展，大量位错进入微孔，使微孔逐渐长大(b)。微孔长大的同时，与相邻微孔间的基体横截面不断减小，这相当于微小拉伸试样的缩颈过程，随着微缩颈的断裂，使微孔连接(聚合)形成微裂纹(c)。1203.剪切断裂与解理断裂1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性(2)解理断裂 在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。 解理断裂的微观断口应该是极平坦的镜面。但是，实际的解理断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理剖面。1213.剪切断裂与解理断裂1-5 断裂一、断裂的类型及断口特性 解理裂纹的扩展往往是沿着晶面指数相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面进行的，不同高度的解理面之间存在台阶，众多台阶的汇合便形成河流花样。 解理台阶、河流花样和舌状花样是解理断口的基本微观特征。12