材料在静载下的力学行为课件

1.1材料在静拉伸时的力学行为概述静拉伸：是材料力学性能实验中最基本的试验方法。拉伸曲线：应力-应变曲线，可求出许多主要性能指标。

如：弹性模量E：零件刚度设计。σs，抗拉强度σb:强度设计，交变载荷塑性δ，断裂前的应变量：冷热变形时的工艺性能。

第一章材料在静载下的力学性能应力－应变曲线应力－应变曲线(F0不变）①弹性变形②屈服变形③均匀塑性变形④局部塑性变形

真应力-应变曲线（--------代表）不同材料，其应力－应变曲线不同，如：

1.2金属材料的弹性变形

1.2.1广义虎克定律

弹性模量E=σX/εXX轴方向，同轴，描写材料正应力条件虎克定律：单位应变产生的单位应力（单向应力）,物理意义：表示原子之间的结合力，它是组织不敏感元素描写材料切应力：切变模量G=τXY/γXY泊桑比：υ=—εXX/εXY关系式：G=E/2（1+υ）比弹性模量=弹性模量/密度对完全各向同性材料υ=0.25对金属υ值约为0.33（或1/3）当υ=0.25时，G=0.4E；当υ=0.33时，G=0.375E弹性常数4个：E，G，υ，KK=σm/Δ=E/3(1-2υ)Δ------单位体积变形K——体弹性模量σm=(σx+σy+σz)/3若υ=0.33，则K≈E只要已知E和υ，就可求出G和K，

由于E易测，因此用的最多。

1.2.2弹性模量的技术意义

技术意义：

E，G称为材料的刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力

影响E的特征因素：

与原子序数有周期性关系

E=K/γm

K，m>1特征常数，γ原子半径

γ↑E↓

温度T：T↑原子结合力下降，E↓

ε加载速度：对E

影响不明显

合金化（加入某种金属），热处理对E影响不明显。1.2.3弹性比功

弹性比功：为应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功的能力,又称弹性比能，应变比能。

即弹性比功=σe2/2E=σeεe/2其中σe为材料的弹性极限，它表示材料发生弹性变形的极限抗力弹性比功理论上：弹性极限的测定应该是通过不断加载与卸载，直到能使变形完全恢复的极限载荷。实际上：弹性极限的测定是以规定某一少量的残留变形（如0.01%）为标准，对应此残留变形的应力即为弹性极限。

理想的弹簧材料：应有高的弹性极限和低的弹性模量。

成分与热处理对弹性极限影响大，对弹性模量影响不大。仪表弹簧因要求无磁性，铍青铜，磷青铜等软弹簧材料。σe↑E↓→ae.2.4

滞弹性

—应变落后于应力的现象，这种现象叫滞弹性优点：滞后环面积，它可以减少振动，使振动幅度很快衰减下来。缺点：精密仪器不希望有滞后现象高分子滞弹性表现为粘弹性并成为普遍特性，这时高分子与时间有关了。1.2.5包辛格（Baushinger）效应

—弹性不完整性

定义：指原先经过变形，然后反向加载时弹性极限（σP）或屈服强度（σS）降低的现象。β值度量包辛格效应的大小。

单循环或多循环后，都有BE效应

包辛格效应示意图(有链接)

实际材料T10钢的包辛格效应

条件：T10钢淬火350℃回火拉伸时，曲线1σ0.2=1130MPa曲线2事先经过预压变形再拉伸时,σ0.2=880MPa原先加载变形时,位错源在划移面上产生的位错遇到障碍,塞积后产生了背应力,当反向加载时,位错运动的方向与原来方向相反,背应力帮助位错运动,塑性变形容易,屈服强度↓,另外,反向加载时,划移面上产生的位错与预变形的位错异号,异号位错销毁,引起材料软化,σS↓包辛格效应理论上解释用位错(等位错)理论清除包辛格效应的方法

预先进行较大的塑性变形,或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火,如钢在400-500℃以上.1.3金属材料的塑性变形

回顾一下塑性变形的方式和特点常见的塑性变形方式为滑移和孪生滑移是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑移方向进行的切变过程.滑移面ⅹ滑移方向=滑移系滑移系越多,塑性↑孪晶是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式,孪晶变形可以调整滑移面的方向,使新的滑移系开动,间接对塑性变形有贡献.(滑移受阻→孪生,变形速度加快)

1.3.1屈服强度及其影响因素

屈服标准

σS定义:材料开始塑性变形的应力.工程上常用的屈服标准有三种比例极限σP:

应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力.σS≥σP

弹性极限σel:

材料能够完全弹性恢复的最高应力.σel≥σP工程上用途不同区别,枪炮材料要求高的比例极限,弹簧材料要求高的弹性极限

屈服强度σ0.2或σys:以规定发生一定的残留变形为标准,通常为0.2%残留变形的应力作为屈服强度.1.

影响屈服强度的因素

结合键:

金属—金属键高分子—范德华力陶瓷—共价键或离子键组织:

四种强化机制影响σrs

①固溶强化②形变强化③沉淀和弥散强化④晶界和亚晶强化其中沉淀强化和晶粒细化是工程上常使用提高σrs的手段。前三种机制提高σys,但是降低δ,只有第四种提高σrs又提高δ。内在因素:结合键,组织,结构,原子本性

外在因素

温度+应变速率+应力状态

温度因素：高温时,γ钢性能高低温时,α钢性能高并非高温性能好的钢低温性能也好。（体心立方金属对温度更敏感）应变速率和应力状态(应力集中)的影响应力状态(扭转、应力集中)的影响引出应力集中系数Kt,α(尖角),γ越尖,Kt↑若缺口敏感:R<1

弱化若缺口不敏感:

R=σr缺口/σr光滑>1强化1.3.2加工硬化和真应力-应变

曲线

真实应变与条件应变相比有两种明显的特点:

条件应变往往不能真实反映或度量应变。（拉伸与压缩）真实应变可以叠加,可以不记中间的加载历史,只需知道试样的初始长度和最终长度（条件应变不能）

两者关系:条件应变>真实应变

真应力-应变曲线(流变曲线)真应力S=F/A真实应变

真应力-应变关系:从试样开始屈服到发生颈缩，这一段应变范围中真实应力和真应变的关系，可用以下方程描述

S=KεnHollomon关系式式中n称为加工硬化指数或应变硬化指数，K叫做强度硬化指数。S—真应力

ε—真应变若取对数，

lnS=lnK+ nlnε2.真应力-应变关系3.加工硬化指数n的实际意义

反映了材料开始屈服以后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。（σb或Sb）1)金属的加工硬化指数（能力），对冷加工成型很重要（n决定开始颈缩时的最大应力和最大均匀变形量，n=0材料能否冷加工？）。低碳钢有较高的n,n约为0.2。汽车身板铝合金化，其n值较低，冷加工或冲压性能差。2)对于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，是零件安全使用的可靠保证。3)形变强化是提高材料强度的重要手段。

不锈钢：n=0.5,因而也有很高的均匀变形量，σYS不高，但可用冷变形可成倍的提高高碳钢丝：经过铅浴等温处理后冷拔，可达2000MPa以上，但这些传统方法↑σYS→δ↓复相钢：（即能提高σYS，又能↑δ）a.

铁素体+马氏体钢

b.γ+M,或γ+贝氏体利用多相组织增强形变强化的例子，利用受力变形时γ→M是形变硬化作用增强的特点，达到推迟颈缩的目的。图1-9复相钢的应力应变曲线普通碳钢，控制轧制的SAE950x和980低合金高强度刚（屈服点分别为345和550MN/m2)以及临界区淬火SAE980x图1-10贝氏体-奥氏体钢的应力应变曲线（a)低奥氏体含量（b)最佳奥氏含量（c)高奥氏体含量在工程上：对冷加工成型的低碳钢，其加工的硬化指数n可通过屈服强度σys

估算：

σysMPa=70/nn↑σys与σb差值越大，即σS/σB↓颈缩条件：应力-应变曲线上的应力达到最大值时，即开始出现颈缩，颈缩前是均匀变形，颈缩后是不均匀变形，即局部变形颈缩条件：ds/dε=S当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。

1.3.3颈缩条件和抗拉强度

抗拉强度

在材料不产生颈缩时抗拉强度代表断裂抗力

脆性材料：设计时，其许用应力以抗拉强度为依据。

塑性材料：代表产生最大均匀塑性变形抗力，但它表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力（对吊钩、钢丝绳是必要的）。易测定，重现性好，作为产品规格说明或质量控制的标志。取决于σb

和n，n不能直接测量，可通过σb

和σS

间接了解材料加工硬化情况。σb能和材料的疲劳极限σ-1和材料的硬度HB建立一定关系对淬火回火钢：σ-1≈σb

σb≈0.345HB

因此，σb被列为材料常规力学性能的五大指标之一五大指标：σS，σb，δ，ψ，aK塑性的测量

(有链接)塑性的定义：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。工程上常用条件塑性而不是真实塑性，拉伸时条件塑性以延伸率δ和断面收缩率ψ表示。条件塑性δ=（l-l0）/l0ⅹ100%δU=ΔlU/l0(均匀变形延伸率)δN(局部变形延伸率)=Δln/l0

l—试样断裂后的标距长度l0—试样原始标距长度1.3.4塑性的度量及其实际意义δ（塑性变形）=均匀塑性变形+集中塑性变形Δ5:l0=5d0(小试样)δ10:l0=10d0（大试样）（试样长度对δ有影响?)δgt:最大力下的总伸长率表示材料塑性，最大力下的总伸长率指试样材料拉伸时产生的最大的均匀塑性，变形是工程应变，δgt对于评定冲压板材的成型能力是很有用的。真实应变εB=ln(1+δgt)对于退火，正火或调质态的低、中碳钢来说，测出δgt→εB→n断面收缩率：

Ψ=（A0-A）/A0ⅹ100%

A0—试样原始横截面能

A1---缩颈处最小横截面积

ΨU=ΔAU/A0

Ψn=ΔAn/A0

Ψf=(A0-Af)/A0若Ψ›δ形成颈缩，若Ψ≦δ不形成颈缩，Ψ比δ对组织变化更为敏感塑性的实际意义

金属材料的塑性指标是安全力学性能指标；εf–材料均匀变形的能力。Ψf–局部变形的能力。

塑性对压力加工是很有意义的。加工硬化塑性大小反映冶金质量的好坏，评定材料质量。细化晶粒，碳化指数。1.3.5静力韧度（能量指标）

定义：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。

是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合1.4金属材料的断裂

1.4.1静拉伸的断口(3种情况)①③②（a）(b)：断口齐平，垂直于最大拉应力方向，

δ↓↓，只有少量均匀变形，铸铁，淬火+低回火高碳钢。（e）：塑性很好，试样断面可减细到近于一尖刀，然后沿最大切应力方向断开。如纯Au、Al。(c)(d)：都出现颈缩，只是程度不同，试样中心先开裂，然后向外延伸，接近表面时沿最大切应力方向斜面断开，断口形状如杯口状。

但是，正断不一定就是脆断，也可以有明显的塑性变形。切断是韧断，但反之不一定成立，韧断不一定是切断，韧断与切断并非是同义词

拉伸试样的宏观断口对拉伸试样的宏观断口观察：三个区域中心区叫做纤维区放射区剪切唇这三个区域的比例关系与材料韧断性能（塑性）有关，若材料的硬度和强度很高，又处于低温环境，断面上有许多放射状条纹，并汇聚一个中心。链接无缺口拉伸试样,断口和三个断裂区示意图冲击试样和三个断裂区示意图1.4.2韧断机制——微孔聚合

利用SEM，微孔分成：微孔聚合型解理和准解理型晶间断裂疲劳断裂

在SEM，微孔聚合型断裂的形貌是一个个韧窝，韧窝是微孔长大的结果，韧窝中包含着一个夹杂物或第二相，这证明微孔多萌生于夹杂物或第二相与基体的界面上。

颈缩试样锯齿状拉伸断口形成过程示意图由于应力状态或加载方式的不同，韧窝可有三种类型拉伸型的等轴状韧窝剪切型的伸长韧窝拉伸撕裂的伸长韧窝韧窝的形状取决于应力状态，而韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力，韧窝大而深，塑性好，大而浅，加工硬化能力强。20CrMo淬火高温回火断口微孔聚合型(微孔多萌生于碳化物界面)1.4.3穿晶断裂——解理和准解理

解理断裂：为脆性断裂（宏观)