材料力学性能第一章

第一部分金属的变形辽宁科技大学力学行为变

形断

裂疲劳蠕变应力腐蚀摩擦磨损单向静载荷其他静载荷冲击载荷单向静载荷其他静载荷冲击载荷应力-应变曲线弹性变形塑性变形断裂基础1编辑ppt第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能辽宁科技大学静载荷:温度、应力状态和加载速率都固定不变。

动载荷:冲击载荷、循环载荷等。静拉伸性能静扭转性能静弯曲性能静压缩性能静载荷2编辑ppt辽宁科技大学第一节应力－应变曲线3编辑ppt弹性变形阶段应力-应变成正比E：正弹性模量G：切弹性模量材料完全脆性的－曲线虎克定律辽宁科技大学1.1.1脆性材料的拉伸性能第一节应力－应变曲线在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁断口特征灰铸铁拉伸试样与断口形成平断口，断口平面与轴线垂直。4编辑ppt是度量材料刚度的系数，或表征材料对弹性变形的抗力。

E、G值高，在相同应力下产生弹性变形就越小。断裂强度低，但抗压强度高。车床床身受压载荷：E、G值越高，弹性变形越小。脆性材料力学特征的主要参量：、E弹性模量绝大多数都有些塑性。弹变—均匀塑变—脆断强硬度高、塑性差高强度钢、高锰钢、铝青铜、锰青铜辽宁科技大学1.1.1脆性材料的拉伸性能第一节应力－应变曲线弹性变形阶段应力-应变成正比E：正弹性模量G：切弹性模量材料完全脆性的－曲线虎克定律强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形5编辑pptP

载荷

(N)

l伸长(mm)（低碳钢的拉伸力-伸长曲线）eps0bPpPePskPbPk

lb

lu

lk辽宁科技大学

(MPa)

(%)0

p

e

s

b

k

b

u

k（低碳钢的应力-应变曲线）1.1.2塑性材料的拉伸性能第一节应力－应变曲线6编辑ppt辽宁科技大学

(MPa)

(%)0低碳钢的应力-应变曲线aa′bk0a段aa′段a′b段bk段弹性变形阶段塑性变形阶段弹性变形：外力去除后变形随之消失，这种变形称为弹性变形。塑性变形：外力去除后变形不会消失，留下永久性形变，这种变形称为塑性变形。7编辑ppt辽宁科技大学

(MPa)

(%)0aa′bk低碳钢的应力-应变曲线0a段发生弹性变形，与脆性材料相似。变形量为0.5%~1%，卸载后变形消失。

p

e比例极限弹性极限应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力值σp。材料能够完全弹性恢复的最高应力值σe。σp和σe哪个大？比例极限和弹性极限很难实际测量8编辑ppt

(MPa)

(%)0aa′bk低碳钢的应力-应变曲线辽宁科技大学aa′段发生屈服变形。载荷不增加或反而减少，试样还继续伸长的现象。变形量为1%~3%，屈服后，材料出现明显塑变，表面滑移带。

s屈服极限屈服强度，表征金属材料对塑性变形的抗力，用σs表示。表明金属材料开始发生大规模塑性变形。意义屈服强度的测量9编辑ppt

(MPa)

(%)0aa′bk低碳钢的应力-应变曲线辽宁科技大学a′b段发生均匀塑性变形。

b形变强化（加工硬化）：屈服后欲变形必须不断加载，随塑变增大，变形抗力增大。抗拉极限表征金属材料的极限承载能力，用σb表示。m′0为总变形量，其中弹性变形量和塑性变形量各为哪段？10编辑ppt

(MPa)

(%)0aa′bk低碳钢的应力-应变曲线辽宁科技大学

kbk段发生不均匀塑性变形。断裂极限表征金属材料抵抗断裂能力，用σk表示。实际断裂强度：Sk颈缩材料可能发生的局部截面缩减的现象。材料的承载能力下降。11编辑ppt辽宁科技大学低碳钢的应力-应变曲线

(MPa)

(%)0aa′bk

k

b

s

p

e小结比例极限弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度现象：屈服加工硬化颈缩性能指标：屈强比低，材料塑性好；屈强比高，材料抗变形能力好。σs/

σb屈强比σs/

σb12编辑ppt辽宁科技大学第二节弹性变形1.2.1弹性变形及其实质1.2.2胡克定律1.2.3弹性模量与刚度1.2.4弹性比功1.2.5滞弹性13编辑ppt辽宁科技大学1.2.1弹性变形及其实质第二节弹性变形弹性变形特点：总结1.可逆性：卸载后变形消失2.单值性：应力应变一一对应3.变形性小：0.5%~1%你胆小14编辑pptr0r0物理本质1.2.1弹性变形及其实质辽宁科技大学r1晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。F=Fmax时，克服引力，拉开两个原子，此为弹性下的断裂——理论正断强度但是，通常拉开n分之一个原子间距就发生了塑性变形——塑性变形机理取代弹性变形15编辑ppt(一)简单应力状态的胡克定律1．单向拉伸（1-1）

2．剪切和扭转（1-2）

3．E、G的关系（1-3）

1.2.2胡克定律第二节弹性变形辽宁科技大学(二)广义胡克定律（1-4）16编辑ppt当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生100％弹性变形所需的应力。这个定义对金属而言是没有任何意义的，因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。1.2.3弹性模量与刚度第二节弹性变形辽宁科技大学弹性模量金属材料E/105MPa铁2.17铜1.25铝0.72铁及低碳钢2.0铸铁1.7~1.9低合金钢2.0~2.1奥氏体不锈钢1.9~2.0合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响不大。？？？工程上的弹性模量刚度刚度大，则挠度小17编辑ppt1.2.4弹性比功第二节弹性变形辽宁科技大学表示金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比功，应变比能。弹性极限→屈服强度表示金属材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大功。韧性吸收功→储备能量？？？储能减震恒力碟簧支吊架

18编辑ppt1.2.5滞弹性第二节弹性变形辽宁科技大学而后产生附加应变eO（1）突然加载OA，产生瞬时应变Oa而后产生附加应变Ah（2）快速卸载Be，产生瞬时应变He在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。滞弹性产生原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑滞弹性问题。19编辑ppt1.3.1塑性变形方式及特点1.3.2屈服现象和屈服点(屈服强度)1.3.3影响屈服强度的因素1.3.4应变硬化(形变强化)1.3.5缩颈现象和抗拉强度1.3.6塑性1.3.7静力韧度辽宁科技大学第三节塑性变形20编辑ppt1.3.1塑性变形方式及特点第三节塑性变形辽宁科技大学塑性变形方式滑移孪生晶界滑动扩散性蠕变√√切应力一定晶面和晶向切变过程切应力镜面对称关系切变过程主要方式变形量大变形量小调整滑移面21编辑ppt1.各晶粒变形的不同时性和不均匀性1.3.1塑性变形方式及特点第三节塑性变形辽宁科技大学塑性变形特点2.各晶粒变形的相互协调性

22编辑ppt1.3.2屈服现象和屈服点（屈服强度）第三节塑性变形辽宁科技大学外力不增加(保持恒定)试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形的现象。屈服现象屈服点上屈服点σsu下屈服点σsl吕德斯带屈服平台避免：预加1%~2%变形23编辑ppt研究指出，屈服现象与下述三个因素有关:

①材料在变形前可动位错密度很小(或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质点所订扎)；

②随塑性变形发生，位错能快速增殖；

③位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。1.3.2屈服现象和屈服点（屈服强度）第三节塑性变形辽宁科技大学屈服机理24编辑ppt金属材料一般是多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响屈服强度的因素，必须注意以下三点：①屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错增殖和运动的各种因素必然要影响屈服强度；②实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果，因此，要考虑晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分以及第二相的影响；③各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。1.3.3影响屈服强度的因素第三节塑性变形辽宁科技大学25编辑ppt1.3.3影响屈服强度的因素第三节塑性变形辽宁科技大学影响因素内在因素外在因素金属本性及晶格类型晶粒大小及亚结构溶质元素第二相温度应变速率应力状态26编辑ppt1.3.4应变硬化（形变强化）——真实应力应变曲线第三节塑性变形辽宁科技大学弹性变形部分重合B在b的左上方bBPS=σ（1+ε）>σe=ln（1+ε）<ε27编辑pptbBP1.3.4应变硬化（形变强化）——真实应力应变曲线第三节塑性变形辽宁科技大学PB段：HollomonS=KenK—强度系数n—应变硬化指数，反映金属材料抵抗均匀塑性变形的能力。金属材料的n值越大，则加工成的机件在服役时承受偶然过载的能力也就越大。28编辑ppt1.3.4应变硬化（形变强化）——真实应力应变曲线第三节塑性变形辽宁科技大学直线作图法求n值S=KenlgS=lgK+nlge29编辑ppt1.3.5缩颈现象和抗拉强度第三节塑性变形辽宁科技大学颈缩是应变硬化（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。颈缩判据dF=AdS+SdA=0V=ALAdL+LdA=0eB=n当金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时，颈缩便会产生。30编辑ppt1.塑性与塑性指标塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。金属材料常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。2.塑性的意义和影响因素虽然金属的塑性指标通常并不能直接用于机件的设计，但塑性大小能反映材料冶金质量的好坏，故可用以评定材料质量。金属材料的塑性常与其强度性能有关。

1.3.6塑性第三节塑性变形辽宁科技大学31编辑ppt断后伸长率:断后伸长率是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，用δ表示式中——试样原始标距长度;——试样断裂后的标距长度。断面收缩率:

断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示式中——试样原始横截面积;——缩颈处最小横截面积。1.3.6塑性第三节塑性变形辽宁科技大学32编辑ppt1.4.1断裂的类型1.4.2解理断裂1.4.3微孔聚集断裂1.4.4断裂强度1.4.5断裂理论的应用第四节金属的断裂辽宁科技大学33编辑ppt1.韧性断裂与脆性断裂2.穿晶断裂与沿晶断裂3.纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。1.4.1断裂的类型第四节金属的断裂辽宁科技大学34编辑ppt1.按照断裂前变形的程度分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前发生明显的塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断

口呈暗灰色，纤维状。有预兆，一般不发生严重事故。脆性断裂：是一种突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有

明显的征兆，危害大。断口平齐而光亮，并垂直于外加的正应力脆性断裂前也发生微量塑性变形，一般规定5%，为脆性断口；

5%，为韧性断口。2.按照裂纹扩展的途径分为穿晶断裂和沿晶断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部扩展，可以是韧性的，也可是脆性的；沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多属于脆性的。随温度升高，多数金属都由穿晶断裂转化为沿晶断裂。辽宁科技大学1.4.1断裂的类型35编辑ppt穿晶断裂沿晶断裂40Cr钢中间轴的脆性断口多处裂纹源断口平齐光亮人字文或放射花样1.4.1断裂的类型辽宁科技大学36编辑ppt1.4.1断裂的类型辽宁科技大学3.按照晶体学特征分为解理断裂和切变断裂。解理断裂：在正应力作用下产生的穿晶断裂，通常断裂面是严格沿一定的

晶面（即解理面）而分离；通常解理断裂总是脆性断裂，但脆

性断裂不一定是解理断裂。

bcc和hcp金属与合金在低温冲击载荷作用下能促使~，fcc金属一

般不发生~，切变断裂：在切应力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑移面分离称为~；属

于韧性断裂。可以发生单滑移断裂、多滑移断裂和孪生断裂。

分为两类：

（1）滑断（纯剪切断裂）：纯金属中常发生

（2）微孔聚集型断裂：低碳钢拉伸断裂时杯锥状断口，典型韧断。37编辑ppt4.按照断裂面的取向分为正断型断裂和切断型断裂正断型断裂：断口取向和最大正应力垂直。常见于解理断裂或塑性变形约束

较大的场合。切断型断裂：宏观断面的取向与最大切应力方向一致，和最大正应力约成

45°角。

常发生于塑变不受约束或约束较小的情况，如拉伸断口上的剪

切唇。

5.按照受力状态冷脆断裂蠕变断裂应力腐蚀断裂氢脆断裂静载断裂：拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂动载断裂：冲击断裂、疲劳断裂按照环境介质1.4.1断裂的类型辽宁科技大学38编辑ppt1.4.1断裂的类型辽宁科技大学39编辑ppt1.4.1断裂的类型辽宁科技大学40编辑ppt断口：构件受力断裂后的自然表面。宏观断口：指用肉眼或20倍以下的放大镜分析的断口，它反映了断口的全貌，

可大体判断出断裂的类型（韧断、脆断、疲劳断）、裂纹源、裂

纹扩展的途径，粗略找出破坏原因。微观断口：指用光学显微镜、扫描电镜分析的断口，它揭示了断口的本质。正确的断口分析应该是两者结合。1.4.1断裂的类型辽宁科技大学宏观断口微观断口41编辑ppt1.4.2解理断裂辽宁科技大学解理裂纹的形成和扩展（1）Zener-Stroh位错塞积理论（2）Cottrell位错反应理论（3）Smith碳化物开裂理论2.解理断裂的微观断口特征（1）解理断口（2）准解理断口42编辑ppt切应力位错在障碍物前塞积晶界、第二相一个柏氏矢量nb大位错大位错的弹性应力场可能产生一个促使断裂的正应力

c当

c=m时，塞积群前端形成微裂纹，此时

c=f

(裂纹形成所需的切应力）形成一条微裂纹所需的位错塞积数目该理论缺点：认为裂纹形成只与切应力有关，与应力状态无关。无法解释在复杂应力下脆性增大和高压缩下塑性提高的现象。L：塞积群长度

r:塞积群顶端到裂纹形成点距离计算表明：

=70.5时，

c=m

c[12G/(1-2)d]1/2d:障碍物间距，如为晶界

d是晶粒尺寸1.解理裂纹的形成和扩展（1）Zener-Stroh位错塞积理论辽宁科技大学43编辑ppt（2）Cottrell位错反应理论主要是为解释bcc金属-Fe常从（001）面发生解理断裂的原因。-Fe中，滑移面（110），解理面（001），滑移方向[111]。图中：两个正交的滑移面相交于解理面（001）中的[010]轴线，两平行位错列在交叉线上相遇，即可形成新位错。新位错：

（1）好象在（001）解理面上插一个多余半原子面；

（2）随着进行，几个位错都楔入（001）中，成大位错；

（3）沿（001）面萌生微裂纹，解理开裂。Cottrell用能量分析观点计算位错反应形成裂纹条件，较复杂，有人用一个简化模型导出开裂条件能量：3/4a2+3/4a2a2新位错是不动位错辽宁科技大学44编辑ppt裂纹扩展相当于塞积的位错列向前攀移形成微裂纹条件：外力对位错做的功

裂纹形成增的表面能成功：把裂纹形核、扩展区分开，拉应力起重要作用。不足：难在其它晶格类型晶体上应用。n：位错塞积数目b:柏氏矢量nb：晶体的滑移量

：裂纹表面能裂纹形成时滑移面切应力（单向拉伸时）位错运动有效切应力切应变

i：位错硬度的内摩擦力d：晶粒尺寸晶粒切变位移总柏氏矢量＝辽宁科技大学45编辑ppt（3）Smith碳化物开裂理论晶内碳化物dc0

低碳钢的组织：块状铁素体+网状碳化物

塑性变形产生的位错在碳化物网膜前受阻塞积

应力集中到一定程度，碳化物开裂（裂纹形核应力）硬而脆的第二相粒子（如钢中碳化物）的形状、尺寸、分布影响材料断裂性质。碳化物中形成裂纹后，要使裂纹扩展到相邻铁素体中还需克服铁素体的表面能

f

f=[4E(c+f)/(1-2)d]1/2碳化物中裂纹形成后，需经过裂纹扩展才能通过相邻铁素体，这是裂纹扩展所控制断裂，类似Cottrell模型的推导，断裂判据：

f=[4E(c+f)/(1-2)c0]1/2c0

f晶粒越细，碳化物层片越薄。该模型认为：碳化物厚度是控制断裂的主要组织参数根据Stroh位错塞积理论，在塞积头前端将造成拉应力集中，

在该应力作用下将使碳化物开裂

f=[4E

c/(1-2)d]1/2

c:碳化物的比表面能；d:晶粒直径辽宁科技大学46编辑ppt裂纹形成位置晶界相界孪晶界孪晶交叉处易造成位错塞积模型基本出发点（1）切应力作用（2）位错运动受阻（3）塞积位错的

弹性应力场的

拉应力先使位错运动；不同原因造成造成开裂裂纹扩展Griffith公式规定的临界裂纹长度裂纹失稳扩展

迅速断裂裂纹亚稳扩展辽宁科技大学47编辑ppt2.解理断裂的微观断口特征（1）解理断口在拉应力作用下，脆性穿晶断裂；沿着一定结晶面分离——解理面；解理面一般都是低指数面（表面能低）；单晶体解理断口——无特征的理想平面

多晶体解理断口——很多取向略有差别的光滑小刻面（小刻面是一个晶粒）一组平行的解理面组成小刻面；两个平行解理面间相差一定高度——台阶。台阶汇合——“河流花样”——是台阶存在标志（解理断裂最重要特征）“舌状花样”——（解理断裂另一断口学特征）辽宁科技大学48编辑ppt解理台阶形成机理：（1）解理裂纹与螺位错交截形成台阶。（高度为b的解理台阶）。（2）处于不同高度而两个相互平行的解理裂纹，通过二次解理或撕裂相互

连接而形成台阶。辽宁科技大学2.解理断裂的微观断口特征49编辑ppt河流上游（支流发源处）——裂纹发源处河流下游——裂纹扩展方向

辽宁科技大学2.解理断裂的微观断口特征50编辑ppt形状象躺在解理面上的“舌头”；“舌状花样”的形成：

解理裂纹与孪晶相遇时，沿着孪晶面发生局部二次解理，

发展到一定程度后，二次解理面与主解理面间连接部分破断；低温、高速变形时易发生孪生变形，解理裂纹沿孪晶界扩展，留

下舌头状凹坑（或凸台）——“舌状花样”辽宁科技大学2.解理断裂的微观断口特征51编辑ppt随变形增大塞积数增多位错受两力

（一）位错源驱使位错推向粒子（二）第二相粒子的阻塞，粒子

排斥领先位错外加应力不太大两力平衡b)位错源停止放出位错外加应力足够大或粒子周围有应力集中c)将领先位错推向基体与第二相粒子界面上，界面沿AB面分开成微孔d、e)微孔形成使原来斥力减小，位错源重新激活，位错又推向微孔，微孔扩大f)位错可沿不同滑移面开往粒子边界，微孔可由几个滑移面上开来的位错共同形成g)或其它滑移面的位错向该微孔运动而使其长大1.4.3微孔聚集断裂辽宁科技大学a)塑性变形时夹杂物第二相粒子周围塞积着位错环。52编辑ppt韧性断裂的特征：发生明显的宏观塑性变形韧性断裂的实质：显微空洞形成、长大、连结并最终导致断裂。至今没有完善的理论不如脆断危险，没足够重视；韧断时塑变区应力-应变分布复杂，数学处理困难断口的微观形貌韧性断裂两种类型：（1）纯剪切型断裂（2）微孔聚集型断裂SEM观察大量微坑（韧窝）覆盖断面抛物型

剪切韧窝撕裂韧窝等轴韧窝1.4.3微孔聚集断裂辽宁科技大学53编辑ppt断口具有韧窝形貌的构件其宏观断裂是韧性的。韧性断裂方式示意图：(a)一般拉伸时出现颈缩后产生的杯锥状断口(b)拉伸时同样出现颈缩，但最后产生双杯锥状断口