武理工材料力学性能教案第1章 单向静拉伸力学性能

PAGEPAGE5第一章单向静拉伸力学性能单向静拉伸试验特点:1.最广泛使用的力学性能检测手段;2.实验的应力状态、加载速率、试样尺寸、温度等都有规定。（试验方法：GB/T228-2002；试样：GB/T6397-1986）3.最基本的力学性能（弹性、塑性、断裂）4.可测力学性能指标：强度（σ）、塑性（δ、ψ、f）等。（万能拉伸试验机介绍：油压式、传感器式、高温式等）§1.1应力-应变曲线（视频演示：拉伸试验）一、拉伸力—伸长曲线图1-1低碳钢拉伸力—伸长曲线二、应力-应变曲线应力σ=F/A应力ε=△l/L图1-2低碳钢应力-应变曲线如果按拉伸时试样的真实断面A和真实长度L，则可得到真实应力-应变曲线：图1-3真实应力-应变曲线与常见的应力-应变曲线比较，材料强化→F↑；而面积A↓，要保持ε不变，则F↓。∴σ～ε出现峰值。三、几种常见材料的应力-应变曲线图1-4某些金属与合金的p—Δι曲线1—铝青铜；2—低碳钢（c：0.35）；3—硬铝；4—铜§1.2弹性变形与弹性不完整性一、弹性变形及其实质1.弹性变形及其实质定义：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。特点：力的作用方式：拉、压、推单调、可逆、变形量很小（＜0.5～1.0%）2.弹性的物理本质（双原子模型）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。二、虎克定律1.弹性理论简介⑴基本假设⑵弹性力场微分方程单元体受力分析平衡微分方程fi——作用力，i、j=x,y,z；ρ——密度；位移：x轴——u；y轴——v；z轴——w几何方程i，j=x,y,z；位移：x轴—u；y轴—v；z轴—w2.广义虎克定律在弹性极限内，物体内任一点的应力状态和应变状态均可以由六个应力分量和六个应变分量来描述，虎克定律的物理方程为：式中C11、C12……Cij为常数，称为弹性刚度系数。当以应力为自变量时，广义虎克定律也可以写成下式：式中S11、S12……Sij为常数，称为弹性顺度系数。在晶体物理中存在Cij=Cji，Sij=Sji（i、j=1、2、3……）的关系，因此Cij与Sij中只有21个独立的，即各向同性体的广义虎克定律可用下式表达：式中E——正弹性模量，又称杨氏模量；G——切变弹性模量。广义虎克定律物理方程3.狭义虎克定律三、弹性模量1.弹性模量的物理意义和作用⑴物理意义：材料对弹性变形的抗力。⑵用途：工程上亦称为刚度；计算梁或其他构件挠度时必须用之。弹性模量是材料重要的力学性能之一．2.影响弹性模量的因素⑴金属原子的种类和晶体学特性；非过渡族，原子半径↑、E↓；过渡族，原子半径↑、E↑，且E一般都比较大。原子密排向的E大。⑵溶质原子与其强化；晶格畸变能增大，E↓；⑶显微组织（指热处理后）；⑷温度；⑸加载速率；一般影响不大。⑹其他。四、弹性极限、弹性比功1.比例极限2.弹性极限3.弹性比功又称为弹性比能、应变比能。物理意义：吸收弹性变形功的能力。几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。用途：制造弹簧的材料，要求弹性比功大。五、滞弹性（弹性后效）

1.滞弹性及其影响因素实际金属材料，弹性变形不仅是应力的函数，而且还是时间的函数。⑴定义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。⑵影响因素：a.晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。b切应力越大，影响越大。c.温度升高，变形量增加。⑶危害：长期承载的传感器，影响精度。

2.循环韧性⑴弹性滞后环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。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，回线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。⑵循环韧性若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可得到塑性滞后环。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。循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性的大小。⑶循环韧性的应用减振材料（机床床身、缸体等）；乐器要求循环韧性小。六、包申格效应1.现象定义：材料经过预先加载并产生少量塑性变形，卸载后，再同相加载，规定残余伸长应力增加；反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。2.微观本质预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同相加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易残余伸长应力降低。3.包申格效应的危害及防止方法交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降）。预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火。§1.3塑性变形与应变硬化定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形。塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质。“δ”—伸长率，“ψ”—断面收缩率。δ≈190%，常称为超塑性。一、塑性变形的方式及特点1、塑性变形的方式滑移最主要的变形机制；孪生重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时；晶界滑动和扩散性蠕变只在高温时起作用；形变带滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用。（1）滑移定义：滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向。滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系越多，材料的塑性越好。晶体结构的影响较大。Fcc＞bcc＞hcp滑移的临界分切应力τ=(P/A)cosφcosλφ——外应力与滑移面法线的夹角；λ——外应力与滑移向的夹角；Ω=cosφcosλ称为取向因子（2）孪生孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。孪晶可分为自然孪晶和形变孪晶。孪生的特点：比滑移困难；时间很短；变形量很小；孪晶层在试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样。孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展。（3）形变带

由晶体点阵畸变而使晶体表面出现的弯曲区域，由于该区域贯穿整个试样截面并成带状，所以称为形变带。

相邻滑移带的交互作用。多个滑移系同时动作，正常的滑移不能进行，所以产生点阵弯曲，形成形变带。（4）三种变形机制的比较

滑移相邻部分滑动，变形前后晶体内部原子的排列不发生变化。

孪生变形部分相对未变形部分发生了取向变化。

形变带晶体点阵畸变。2、塑性变形的特点（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性

∵各晶粒的取向不同即cosφcosλ不同。

对于具体材料，还存在相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。（2）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。

五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。二、屈服与屈服强度1、屈服

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。

上屈服点，下屈服点（吕德丝带）2、屈服机理（外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程）

（1）柯氏气团

位错与溶质原子交互作用，位错被钉扎。溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团。

提高外应力，位错才能运动；一旦运动，继续发生塑性变形所需的外应力降低。（2）位错塞积群

n个位错同相运动受阻，形成塞积群，导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力；一旦障碍被冲破，继续发生塑性变形所需的外应力降下。

（3）应变速率与位错密度、位错运动速率的关系

金属材料塑性变形的应变速率与位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比，即：ε=bρυ.

位错增值，ρ↑，ε↑

提高外应力τ,υ↑,ε↑

晶体结构变化，b↑,ε↑3、屈服强度

σs=Fs/A

由于金属材料存在上下屈服点，或者屈服点不明确，一般将σ0.2定为屈服强度。

屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据。提高屈服强度，机件不易产生塑性变形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力重新分布，容易引起脆性断裂。

三、影响屈服强度的因素（一）影响屈服强度的内因

（1）金属本性及晶格类型

位错运动的阻力：晶格阻力（P-N力）；位错交互作用产生的阻力。

P-N力fcc位错宽度大，位借易运动。

bcc反之。

交互产生的阻力平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错交互作用产生的阻力。

（2）溶质原子和点缺陷

形成晶格畸变（间隙固溶，空位）（3）晶粒大小和亚结构

晶界是位错运动的障碍。

要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。

霍尔——培奇关系式σ=σi+Ksd-1/2

细化晶粒，可以提高材料的强度。

（4）第二相

不可变形的第二相，位错只能绕过它运动。可变形的第二相，位错可以切过。

第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。（二）外因温度提高，位错运动容易，σs↓。

应变速率提高，σs↑。

应力状态切应力τ↑，σs↓。四、应变硬化或称形变硬化，加工硬化1、意义

（1）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。2、应变硬化机理（1）三种单晶体金属的应力应变曲线

易滑移段、线性硬化段、抛物线硬化段。（2）应变硬化机理

易滑移阶段：单系滑移

hcp金属（Mg、Zn）不能产生多系滑称，∴易滑移段长。

线性硬化阶段：多系滑移

位借交互作用，形成割阶、面角位错、胞状结构等；位错运动的阻力增大。

抛物线硬化阶段：交滑移，或双交滑移刃型位错不能产生交滑移。

多晶体，一开动便是多系滑移，∴无易滑移阶段。3、应变硬化指数

Hollomon关系式：

S=ken（真应力与真应变之间）n——应变硬化指数；k——硬化系数

应变硬化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。n=1，理想弹性体;n=0材料无硬化能力。

层错能低的材料应变硬化程度大;高Mn钢（Mn13），层错能力低∴n大

应变硬化指数，常用直线作图法求得。五、缩颈现象1、缩颈（1）缩颈的意义变形集中于局部区域；失稳的临界条件。（2）缩颈的判据S=ds/de(式1-22)在缩颈点处，Sb=keBn经过积分，得eB=n即：金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性变量时，缩颈便产生。（3）颈部的三向拉应力状态承受三向拉应力（相当于厚板单向拉伸，平面应变）2、抗拉强度σb实际材料在静拉伸条件下的最大承载能力。意义：（1）易于测定，重现性好（2）韧性材料不能作为设计参数，但脆性材料可以用它。（3）δs/δb对材料成型加工极为重要。（4）δb≈1/3HB；淬火钢δ-1≈1/2δb六、塑性1、塑性与塑性指标

金属材料断裂前发生塑性变形的能力。（δ、Ψ）

比例试样：L0=5d0或L0=10d0

由于大多数材料的集中塑性变形量大于均匀变形量，

∴δ5>δ10(断后伸长率)

Ψ>δ金属拉伸时产生缩颈；反之，不产生

Ψ反映了材料断裂前的最大塑性变形量。而δ则不能显示材料的最大塑性变形。

冶金因素对Ψ的影响更突出，Ψ比δ对组织变化更为敏感。最大力下的总伸长率与原始标距的百分比δqt，实际上是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形（工程应变量）

∵eB=ln(1+δqt)

δqt对于评定冲压用板材的成型能力非常有用。2、塑性的意义和影响因素意义：

a）安全，防止产生突然破坏；

b）缓和应力集中；

c）轧制、挤压等冷热加工变形；

影响因素：

a）细化晶粒，塑性↑；

b）软的第二相塑性↑；

c）温度提高，塑性↑；

d）固溶、硬的第二相等，塑性↓。

3）塑性的综合性能指标

σs/σb（屈强比）σs/σb↓，材料的塑性↑。

σb/V（体积比强度）σb/V↑，减轻构件的重量。七、静力韧度韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。J/m2

静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功。J/m3

静力韧度对按屈服强度设计，有可能偶然过载的机件必须考虑。§1-4金属的断裂材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。（断裂使材料失去完整性）

断裂不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低应力和无明显塑性变形条件下。

（断裂是机件失效的三大主要形式之一）一、断裂的基本类型1）根据断裂前塑性变形大小分类脆性断裂；韧性断裂

2）根据断裂面的取向分类正断；切断

3）根据裂纹扩展的途径分类穿晶断裂；沿晶断裂；

4）根据断裂机理分类解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂二、断裂及断口特征（一）韧性断裂与脆性断裂（宏观）

1、韧性断裂；

（1）断裂特点：断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢；断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力成45o角。

（2）断口特征

断口呈纤维状，灰暗色。杯—锥状。

断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇

纤维区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射线粗。

剪切唇：切断。

（3）危害，不及脆性断裂，断裂前机件已变形失效。2、脆性断裂

（1）断裂特点

断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；断口与正应力垂直。

（2）断口特征

平齐光亮，常呈放射状或结晶状；

人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。

材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。

例如：T↓↓，脆性↑。一般是变形>75%为韧性断裂。（二）穿晶断裂与沿晶断裂（微观）

特点：穿晶断裂，裂纹穿过晶界。沿晶断裂，裂纹沿晶扩展。

穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合发生。

沿晶断裂，多数是脆性断裂。（三）纯剪切断裂，微孔聚集型断裂，解理断裂（机理）（1）纯剪切断裂

沿滑移面分离而造成的分离断裂。

（2）微孔聚集型断裂

微孔形核、长大、聚合导致材料分离。

（3）解理断裂

以极快速率沿一定晶体学平面，产生的穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。

fcc金属一般不发生解理断裂。

解理断裂总是脆性断裂。三、解理断裂机理和微观断口特征

（一）解理裂纹的形成和扩展（裂纹的萌生，扩展）

材料断裂前总会产生一定的塑性变形。而塑性变形与位错运动有关。

1、位错塞积理论

位错塞积头处，应力集中，超过材料的强度极限，∴裂纹形成。

该式与霍尔——培奇关系或同源；与格雷菲斯公式相同。柯垂耳用能量分析法导出裂纹扩展的临界条件为：σnb=2γ

（详细内容，在断裂韧性一章中再讲）

∴晶粒细化，材料的脆性减小。

第二相质点的平均自由程入越小，材料的强度↑。

该理论的缺点，在上述应力状态，相邻晶粒中的位错源能够开动。2、位错反应理论

位错反应，形成新的位错，能量降低，

∴有利于裂纹形核。3、史密斯理论（脆性材料萌生裂纹）

位错塞积，在脆性相内萌生裂纹。

裂纹向塑性材料中扩展的力学条件为（1-32）（实际上是弹塑性条件下，格雷菲斯公式）（二）解理断裂的微观断口特征

扫描电下观察

（1）河流状（图1-25）解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。

裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。

解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。其方式：解理裂纹与螺位错相交形成；通过二次解理成撕裂形成。晶界对解理断口的影响。

（a）小角度倾斜晶界裂纹能越过晶界，“河流”可延续到相邻晶粒内。

（b）扭转晶界（位向差大）

裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。

裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩展，形成新的“河流”。（2）舌状花样解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台。见图（3）准解理

由于晶体内存在弥散硬质点，解理裂纹起源于晶内硬质处点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。

准解理不是独立的断裂机制。是解理断裂的变种。四、微孔聚集断裂机理和微观断口特征1、断裂机理

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