材料的力学行为

第二章材料的力学行为2.1工程材料的力学性能工程材料力学性能是关于材料强度的一门科学，其研究对象主要是材料受力作用后的力学行为规律及其物理本质和评定方法。主要内容包括：1、金属材料在各种服役条件下的失效现象及微观机理；2、金属力学性能指标的本质、物理概念、实用意义，以及各种力学性能指标间的相互关系；3、影响金属力学性能的因素，提高金属力学性能的方向和途径；4、金属力学性能指标的测试技术；金属材料的力学性能：是指金属在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为。这种行为又称为力学行为，通常即表现为金属的变形和断裂。因此，金属材料的力学性能可以简单的理解成金属抵抗外加载荷引起的变形和断裂能力。而绝大多数机器零件或构件（简称机件）都是用金属材料制成的，并在不同的载荷与环境下服役。如果金属材料对变形和断裂的抗力与服役条件不相适应，便会使机件失去预定的效能而损坏,即产生所谓“失效现象”。因此，金属材料的力学性能从某种意义上说，又称为金属材料的失效抗力。常见的主要失效形式有：1、过量变形；弹性变形、塑性变形；2、断裂；包括磨损、接触疲劳等不完全断裂；因为金属机件的承载条件一般用各种力学参量（如应力、应力场强度因子、应变和冲击能量等）来表示，因此，人们便将表征金属材料力学行为的力学参量的临界值或规定值称为金属力学性能指标，如强度指标。0.2、ob、。一1、塑性指标6 、2,韧性指标aKU、KIc等等。金属材料力学性能的优劣就用这些指标的具体数值来衡量。金属材料的力学性能决定于材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等内在因素,但外在因素如载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）、载荷谱、应力状态（拉、压、弯、扭、剪切、接触应力及各种复合应力）、温度、环境介质等对金属的力学性能也有很大的影响。显然,分析上述各种内在与外在因素对金属力学性能的影响,掌握金属力学性能的变化规律,对于正确选择材料,明确提高金属力学性能的方向和途径,是具有十分重要意义的。金属力学性能的物理本质及宏观变化规律与金属在变形和断裂过程中位错的运动、增值和交互作用（位错之间的交互作用、位错与点缺陷的交互作用）等微观过程有关。综上,学习本课程的目的在于掌握工程材料力学性能的基本理论和评价材料的力学性能指标及其测试方法，为正确选择和合理使用材料，优化和改进加工工艺以及充分发挥材料的性能潜力，创制新材料、新工艺以及开展零构件失效分析等奠定必要的基础。课程特点：内容较分散，比较抽象，涉及面广。主要涉及到《金属工艺学》、《工程力学》、《金属学》、《热处理工艺》、《金属材料学》等课程。这些课程相互之间有着密切的联系。因此学习时，要学会应用相关的课程的基础知识，掌握金属力学性能的基本理论。同时从具体零件的失效现象出发，学会正确确定力学性能指标及测试方法，分析各种内外因素对金属力学性能的影响，以便能从材料和工艺角度提出避免或防止机件失效，延长寿命的技术措施。2.1.1强度和塑性刚性：指两个物体相碰撞不会发生变形，因此两个刚体就不会占据同一个空间，微粒、原子就是这样的物质。弹性模量：材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。试验：1、设备：拉伸试验机。2、试样：标准试样，按照《金属材料室温拉伸试验方法》GB/T228-2002。标准拉伸试样。有圆形截面和方形截面两种，长度有l0=10d0和l0=5d0两种。、强度强度：材料或结构在不同的环境条件下承受外载荷的能力。金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。强度是衡量零件本身承载能力(即抵抗失效能力)的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。、弹性极限oe1、oe:材料不产生永久变形的最大应力。oe=Pe/FoN/mm2(Mpa)规定弹性极限：。0.01或。0.05—微塑变抗力指标.、屈服点。sos：具有上下屈服点时以下屈服点为osos=Ps/FoN/mm2(Mpa)名义屈服极限：。0.2，即产生0.2%的残余变形时的应力值作为os。、抗拉强度ob：强度极限或抗拉强度。ob：强度极限或抗拉强度。表征材料产生最大均匀变形的抗力，或材料断裂前能承受的最大应力值。ob=Pb/FoN/mm2(Mpa)、E：弹性模量E=o/eMpa——材料产生单位弹性变形所需的应力表明弹性变形的难易程度，它只与材料本性有关，与合金化、热处理、冷变形等无关。塑性塑性：是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性,对大多的工程材料来说,当其应力低于比例极限时,应力一应变关系是线性的。另外,大多数材料在其应力低于屈服点时，表现为弹性行为，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消失。塑性好坏可用伸长率8和断面收缩率屮表示。塑性：表征材料断裂前发生塑性变形的能力。用伸长率6、断面收缩率V表示。5=(L1-L0)/L0X100%，同一材料的65、610不同，须标明。2=(A0-A1)/A0X100%，与试样长度无关，表征更准确。VI，材料塑性仁2.1.2硬度硬度：表明材料表面抗其它物体压入的能力。是局部塑变抗力指标。布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV。1)、布氏硬度HB测定：布氏硬度计。原理：一定载荷F作用于淬火钢球(硬质合金圆球)压入材料表面一定时间，卸载后测出压痕直径，计算出压痕面积A，则HB=F/A，单位：kg/mm2，但一般不注出单位。国标规定：HB在450以下用HBS表示；在450以上用HBW表示。测量对象：软材料，不能测量薄试样。、洛氏硬度HR原理:用锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的钢球压头在规定载荷作用下压入试样表面，用压痕深度表示。如图3载荷=初载荷+主载荷初载荷——10kg主载荷——60kg(HRA)、100kg(HRB)、150kg(HRC)由主载荷的压入深度h=h3-h1作为硬度值。显然，ht,HR!为习惯方便起见，HR=(k-h)/0.002，金刚石压头，k=0.2mm；钢球压头，k=0.26mm。注意：①HRA、HRB、HRC的测量范围；②优点是操作简便，压痕小，可用于成品检验；③表示方法。、维氏硬度HV原理：和HB相同，只是压头不同。HV=F/A=1.8544F/d2，kg/mm2压头：锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体压头。表示：640HV、800HV。适用范围：表面硬度(硬化层)。优点：载荷小，压痕浅，但测定麻烦。2.1.3：冲击试验、冲击韧性1、冲击韧性ak表征抗冲击载荷的能力°ak=Ak/S，单位：J/cm2

通过冲击试验测定。试样有U、V型缺口试样。冲击韧性的测试按照《夏比缺口冲击试验方法》GB/T229-1994。新标准直接用冲击功表示。标准夏比U型缺口冲击试样如图2-1-7所示。1010.10丄0-1AIRI±0.0727-510*301010.10丄0-1AIRI±0.0727-510*30标准夏比U型缺口冲击试样ak主要与温度有关，还与试样的尺寸、形状、表面质量及内部组织有关,是组织结构的敏感参量。冲击韧性与温度的关系2.1.4、疲劳强度1、什么是疲劳强度：

材料在交变载荷作用下的破坏称为疲劳破坏，其衡量指标即为疲劳强度。材料的疲劳破坏抗力与应力循环次数和循环特性有关。一般情况下用对称交变循环特性下的破坏抗力表示。即：材料在对称交变载荷作用下不发生破坏时所能承受的最大应力。一般用。-1表示。2、 产生疲劳的原因：①材料内部微裂纹；②表面缺陷。3、 提高措施：精炼，减少材料内部夹杂物；减少材料表面尺寸的急剧变化；提高表面质量，在材料表面造成一层残余压应力。2.1.5、断裂韧性K1c断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，断裂机制和提高材料断裂韧性的途径等。断裂韧性一一指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。是应力强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如应力-应变曲线下的面积。韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。冲击韧性一一工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak,单位为焦耳(J)。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向裂纹尖端任一点的应力和位移分量取决于该点的坐标(r,0)，材料的弹性常数以及参量KI。对于图7-2a所示的情况，KI可用下式表示若裂纹体的材料一定，且裂纹尖端附近某一点的位置(r,0)给定时，则该点的各应力分量唯一地决定于KI之值；KI之值愈大，该点各应力,位移分量之值愈高。KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称为应力强度因子。它综合反映了外加应力裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影响。实际材料中存在缺陷：夹杂物、气孔等一裂纹一在应力作用下扩展一达到临界尺寸发生失稳扩展一断裂裂纹扩展有三种方式，如图6所示。张开型 滑开型张开型 滑开型裂纹扩展有三种方式1型或张开型外加拉应力与裂纹面垂直，使裂纹张开，即为I型或张开型;2） 11型或滑开型外加切应力平行于裂纹面并垂直于裂纹前缘线，即为II型或滑开型；3） 111型或撕开型外加切应力既平行于裂纹面又平行于裂纹前缘线，即为III型或撕开型；K二Y^-aY——裂纹形状尺寸系数，无量纲。1cK1c——在裂纹扩展的临界状态下，裂纹尖端应力场强度因子值。它表明裂纹失稳扩展的抗力大小。K1c只与材料成分、组织结构有关。评定材料抵抗脆性断裂的性能指标；也就是说是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。断裂依据：K1小于K1C，构件安全；K1大于K1C，发生脆性断裂；K1等于K1C，临界状态。2.1.6、高低温性能2.2、金属的塑性变形2.2.1、单晶体的塑性变形1）、塑性变形的方式在工业生产中经常遇到对金属材料进行塑性变形加工问题。例如：将铸锭轧制成各种规格品种的成材；将钢料锻造成零件的毛坯；通过冲压制造某些器具和零件等。这些都属于对金属材料的压力加工。所谓压力加工是指利用金属的塑性，使其改变形状，尺寸和改善性能，获得型材、棒材、线材或锻压件的加工方法。它包括锻压、冲压、挤压、拉拔等。金属材料的塑性变形，不仅改变了材料的外形和尺寸，也会使金属的显微组织和性能产生变化。因此，很有必要对金属材料塑性变形的一些规律进行了解，以便更好的制定和实施压力加工的工艺并充分发挥材料的性能潜力。在前一节介绍拉伸试验时，已经提到过拉伸试样再外力作用下，随着拉力的不断增加，试样先产生弹性变形，然后过渡到塑性变形直至最后拉伸。这些直接可见的宏观变化是靠怎样的微观机制来实现的呢？弹性变形的微观机制是通过外力作用使金属的晶格发生有限的拉长和扭曲。但外加应力较小不超过原子间的结合力，不破坏原子的平衡位置，仅是在有限距离内偏离平衡位置。当外力一旦撤除，原子间的结合力使原子都回到原来的平衡位置。于是，宏观上的弹性变形也随之消除了，不留下剩余变形。塑性变形的微观机制要比弹性变形复杂多了。塑性变形的主要形式有两种：滑移和孪生。（一）滑移在切应力作用下，单晶体（或晶粒）内晶体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面和晶向产生原子间距整数倍距离的移动，当应力除去后也不能恢复原位的这种相对移动称滑移。在显微镜下可观察到滑移后的晶体表面出现一些与外力方向成一定角度的细线。实际上这些细线是一条条的小台阶，成为滑移带。每个滑移带又是由一些更小的台阶组成。这些更小的小台阶称为滑移线，见图4-1。对于多晶体，在晶粒中也能看到滑移线。每条线所对应的台阶高度称为该滑移面的滑移量（一般约为103原子间距）。两条滑移线之间部分称为滑移层，其厚度约为102原子间距。各滑移带之间距离约为104原子间距。可见晶体的滑移不是均匀分布的。即使发生均匀的宏观塑性变形，晶体内也不仅是有限部分发生滑移。对于一个滑移系来说，也仅是部分晶面上的滑移。1.滑移系:晶体中不是任何晶面都可以成为滑移面和滑移方向。只要那些原子排列最密的晶面和晶向才可能成为滑移系。随晶格类型不同晶体中滑移的数量也不同，体心立方体晶格有6X2=12滑移系。对于面心立方晶格，4X3=12个滑移系。密排六方晶格情况较为复杂,其具体的滑移面和三个滑移方向常因具体金属的晶格常数和所在温度不同而发生变化。但总的来说只有一个滑移面和三个滑移方向。密排六晶格有1X3=3个滑移系。当单晶体受到外力作用时，滑移系多的晶体比滑移系少的易产生滑移，对于滑移系的数目相同的晶体其滑移方向较多者更易产生滑移。这就是不同类型晶格的金属屈服点不同原因之一滑移是怎样进行的滑移是通过晶体中位错运动来实现的，如图2-2-1在切应力作用下，一个刃型位错一步一个原子间距的运动，最终造成一个原子间距的滑移量。多个位错运动的结果就会产生宏观的塑性变形。位错运动虽然是一步一个原子间距，但其运动中并没有一个原子真的移动了一个原子间距。而是位错附近的原子都移动了一个不足于一个原子间距的短距离，到达一个新的平衡位置，见按这种位错运动机制来实现滑移的理论，计算出的临界切应力值与实测值相符。位错运动引起的滑移是造成晶体宏观塑性变形的主要微观机制。滑移变形具有以下特点：滑移在切应力作用下产生。滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍。滑移的同时伴随着晶体的转动。（二）孪生（孪晶）对于滑移系少的密排六方晶体及体心立方晶体受到冲击力使变形速度较快时，产生的塑性变形的微观机制主要是孪生。孪生是指在切应力作用下，晶体中的一部分相对于另一部分发生以某晶面为面的对称的沿一定方向的共格切变。2）、多晶体的塑性变形成因：（1）晶粒取向的影响；（2）晶界的影响；（3）晶粒大小的影响1） 、晶界和晶粒向位的影响2） 、多晶体的塑性变形过程2.3、塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形后金属性能变化最显著的是力学性能。随着塑性变形的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象称为加工硬化或形变强化。实际金属的塑性变形，通常是多晶体的强度大于单晶体的强度。1）、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性一、产生纤维组织纤维组织的出现是金属材料由原来的各向同性变形成各向异性。使沿着纤维方向的强度大于垂直纤维方向的。2）织构现象的产生当塑性变形量很大时，各晶粒位向都大体上趋于一致了，这种现象称择优取向。这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒结构称为变形织构。织构的存在会使材料产生严重的各向异性。由于各方向上的塑性、强度不同会导致非均匀变形。使筒形零件的边缘出现严重不齐的现象，称为“制耳”。有制耳的零件质量是不合格的。织构也有可利用的一面。变压器所用的硅钢片就是利用织构带来的各向异性，使变压器铁心增加磁导率、降低磁滞损耗，从而提高变压器的效率。3）位错密度增加，产生冷变形强化冷变形强化也称产生加工硬化现象随着金属材料变形量的增加，材料的强度和硬度增加，塑性下降的现象称为加工硬化。加工硬化还可以使零件在使增加安全性。加工硬化现象的存在有利于金属塑性变形加工的变形均匀性。加工硬化在工业生产中不利的方面主要是：降低塑性4）、残余应力残余的内应力就是指平衡于金属内部的应力，当外力去除后而仍然留下来的内应力。根据残余的内应力的作用范围分为三类。第一类内应力是指由于金属表面与心部变形量不同而平衡于表面与心部之间的宏观内应力。（通常为0.1%）.第二类内应力是指平衡于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间的内应力。是由于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间变形不均匀引起的。（通常为1%~2%）。第三类内应力是指存在于晶格畸变中的内应力。它平衡于晶格畸变处的多个原子之间。（通常为90%以上）。这类内应力维持着晶格畸变，使变形金属材料的强度得到提高。第一、二类内应力虽然占的比例不大，但是在一般情况下都会降低材料的性能，而且还会因应力松弛或重新分布而引起材料的变形。是有害的内应力。另外，内应力的存在还会降低材料的抗腐蚀。即所谓的应力腐蚀。主要表现在处于应力状态的金属腐蚀速度快。变形的钢丝易生锈就是此理。2.4、塑性变形金属在加热时组织和性能的变化冷变形金属材料随着宏观的变形增加其内能也增加，使组织处于不稳定状态，存在着趋于稳定的倾向。但是由于室温下原子活动能力极弱，这种不稳定状态能得以长期保存。可是若对变形金属加热、提高原子活动能力则变形材料就会以多种方式释放多余的内能，恢复到变形前的低内能的稳定状态。然而，随着加热温度的不同，恢复的程度也不同。变形金属在加热中一般经历三个过程，大致分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。2.4.1、回复当加热温度较低时原子活动能力不高，只能进行短距离运动。首先发生空位运动。空位与其它晶体缺陷，降低了点缺陷所引起的晶格畸变。接着发生位错运动，使形晶粒中各种位错相互作用，这不仅可能降低位错密度而且使剩余的位错也会按一定的规律排列起来，使之处于一种低能量的状态。晶体的多边化。在回复阶段发生的微观变化，带来的宏观效果是变形残余应力大幅度下降，物理化学性能基本恢复。力学性能没有太大的变化，仍保留着加工硬化的效果。在工业生产中，使变形金属保持回复阶段，已多有应用。其方法是去应力退火。2.4.2、再结晶1）、冷变形金属的再结晶当变形金属被加工到一定高度，原子活动能力较强时，会在变形晶粒或晶粒内的亚晶界处以不同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核。随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进，使新晶核不断消耗原晶粒而长大。最终是一批新生的等轴晶粒取代了原来变形的晶粒，完成了一次新的结晶过程。这种变形金属的重新结晶称为再结晶。再结晶没发生晶格类型的变化，只是晶粒形态和大小的变化。也可以说只有显微组织变化而没有晶格结构变化，故称为再结晶，以有别于各种相变的结晶（重结晶）。变形金属再结晶后，显微组织由破碎拉长的晶粒变成新的细小等轴晶粒，残余内应力全部消除、加工硬化现象也全部消失。金属恢复到变形前的力学性能，物理化学等性能也恢复到变形前的水平。2）、再结晶温度在金属学中通常把能够发生再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度。但是，在工程上通常又在一小时之内能够完成再结晶过程的最低温度称为再结晶温度。发生并完成再结晶的驱动力是塑性变形给金属内部所增加的内能。而这种驱动力发挥作用的热力学条件是变形金属内原子应具有的组够的迁移能力。迁移能力是靠足够的温度和时间来保证的。这个温度就是再结晶温度。它不象金属相变时那样有一个固定的温度或一个固定的温度区间。再结晶不仅随金属的化学成分而变，而且即使化学成分一定也随其他诸因素的变化而变化。其中：（1）变形量的影响。（2）原始晶粒温度的影响。（3）化学成分的影响。（4）加热速度和保温时间的影响。3）、再结晶晶粒度（再结晶退火）在对金属材料进行塑性变形加工（拉深、冷拔等）时为了消除加工硬化需要进行再结晶退火。再结晶退火是指：把变形金属加热到再结晶温度以上的温度保温，使变形金属完成再结晶过程的热处理工艺。为了尽量缩短退火周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把退火工艺温度取为最低再结晶温度以上100°C〜200OCO2.4.3、晶粒长大当变形金属再结晶完成之后，若继续加热保温，则新生晶粒之间还会大晶粒吞并小晶粒，使晶粒长大，见图2-4-4。晶粒长大会减少晶体中晶界的总面积，降低界面能。因此，只要有足够原子扩散的温度和时间条件，晶粒长大是自发的、不可避免的。晶粒长大其实质是一种晶界的位移过程。在通常情况下，这种晶粒的长大是逐步的缓慢进行的，称为正常长大。但是，当某些因素（如：细小杂质粒子、变形织构等）阻碍晶粒正常长大，一旦这种阻碍失效常会出现晶粒突然长大，而且长大很大。对这种晶粒不均匀的现象称为二次结晶。对于机械工程结构材料是不希望出现二次结晶的。但是对硅钢片等电气材料常利用这个二次结晶得到粗晶来获得高的物理性能。2.5、高聚物的力学状态2.5.1、线型无定型高聚物的力学状态1）、分子链的运动方式链段的运动——主链中碳-碳单键的内旋转，使得高分子链有可能在整个分子不动，即分子链质量中心不变的情况下，一部分链段相对于另一部分链段而运动。链节的运动——比链段还小的运动单元侧基的运动——侧基运动是多种多样的，如转动，内旋转，端基的运动等高分子的整体运动——高分子作为整体呈现质量中心的移动晶区内的运动——晶型转变，晶区缺陷的运动，晶区中的局部松弛模式等2）、高聚物力学状态随温度的变化温度对于高分子的热运动有两方面作用。一是使运动单元活化。二是使高分子发生