材料力学性能第一章

1、主讲：袁新建 博士/副教授 重庆大学材料学院材料加工工程系,第一章,金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,引 言,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1.2 弹性变形,1.3 塑性变形,1.4 金属的断裂,主要内容,单向静拉伸试验(Tension test)特点： 最广泛使用的金属力学性能检测手段,试验的温度、应力状态、加载速率和试样 等都有严格规定 GB/T228.1-2010(GB/T228-2002),最基本的力学行为(弹性、塑性和断裂) 可测力学性能指标：屈服强度Re(s)、 Rp0.2(0.2),抗拉强度Rm(b),断后伸长率A() 断面收缩率Z(),引言-单向静拉伸实验,a. 拉

2、伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。,严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为有效，由不同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较。,b. 拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所受的载荷和伸长量L之间的关系曲线。,d /dt =110MPa/s,拉伸实验中注意的问题,引言-单向静拉伸实验,一、影响力学性能的外界因素,温度、加载速度、环境介质、应力状态,二、应力状态,应力状态可用应力软性系数表示,max工件上受到的最大切应力 max工件上受到的最大正应力,（1）,引言-应力状态,最大正应力理论：已知三个主应力，123,其中是泊松比，与材料关系较小，一般取0.25(0.250.3

3、3),（2）,（3）,（1）（2）（3）式联立可得,1 称为软性加载方式，maxmax 1 称为硬性加载方式，maxmax,最大切应力理论,引言-应力状态,单向拉伸 10 2 =3 = 0 单向压缩 1 =2 = 0 30 三向等拉伸 1=2 =3 0 三向等压缩 1=2 =3 0,由于单相压缩的软性系数大于单向拉伸的软性系数，则说明对同一种材料来说，压缩比拉伸更容易塑性变形。,因为正应力不能使位错运动，只有在切应力的作用下才能使材料发生塑形变形，所以当= 0时，不能使材料发生塑形变形。,硬性加载,软性加载,无塑性变形（无切应力）,引言-应力状态,= 0.5,= 2,= 0,= 0,1.1拉伸

4、力-伸长曲线和应力-应变曲线,一、拉伸力-伸长曲线（以退火低碳钢为例）,五个变形阶段： 弹性变形 Oe 屈服塑性变形 AC 均匀塑性变形 CB 局部塑性变形 Bk 断裂 k,正火、退火碳素结构钢和一般低合金结构钢都具有类似的拉伸力-伸长曲线,1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,可得到金属在静拉伸条件 下的力学性能指标：,k,e g,s gt,b ,将拉伸力-伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到应力-应变曲线。因均系以一常数相除，故曲线形状不变，称为工程应力应变曲线。,二、工程应力-应变曲线,低塑性材料,高塑性材料,低塑性材料在拉伸断裂前: 只发生

5、均匀伸长 不发生颈缩 塑性变形量较小,高塑性材料在拉伸断裂前: 不仅产生均匀的伸长 而且发生颈缩现象 且塑性变形量大,1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,脆性材料：在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹性变形 塑性材料：在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形,淬火高碳钢,室温,普通灰铸铁,并非所有金属材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸力-伸长曲线 退火低碳钢在低温下拉伸时只有弹性变形阶段,脆性材料,1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,陶瓷、玻璃,如果用拉伸时试样的真实断面和真实长度去除得到真应力S和真应变e(e)绘制曲线，则得到真实应力-应变曲线(OBK曲线)。,三、真实应力-应

6、变曲线,单调增加,1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,应变硬化,可见，S,1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,关于真实应力,在拉伸过程中，假设原始长度为L0拉伸到现在的长度L，拉伸次数为n次，即L0L1L2L3L,则真实应变,1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,关于真实应变,1.2弹性变形,弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，是一种可逆变形,1.2 弹性变形（elastical deformation）,一、特点,单向拉伸,胡克定律,多向应力,广义胡克定律, 可逆性, 正比性, 小变形性：,变形量小于0.5% 1%,1.2弹性变形,二、物理本质（double at

7、omic model双原子模型）,双原子模型,弹性变形的可逆性：,原子的位移总和宏观变形,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 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 实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起始阶段，因此胡克定律所表示的外力位移线性关系是近似正确的。,晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映,(1) 平衡：合力为零 (2) 受力：产生位移，导致变形；宏观上表现 出材料的变形 (3) 去力：位移消失，表现出宏观可逆性,三、弹性模量E,1. 技术/工程意义：刚度 (stiffness),刚度：在一定外力作用下，材料发生弹性变形

8、的难易程度。,当F一定，E增大，则,降低；L减小，则刚度增加。,1.2弹性变形,微观角度：原子、离子或分子之间键合强度的反映。 键强增大，E增大。,表征金属材料对弹性变形的抗力，E值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。,1.2弹性变形,桥式起重机梁 内燃机、离心机、压气机等的曲轴 精密机床的主轴、床身等,均有刚度要求 以免产生挠度偏大、过大振动，保证正常工作、加工精度,刚度是金属材料重要的力学性能指标之一,1.2弹性变形,2. 影响E的因素,材料本身（内在因素）,E主要决定于原子本性、晶格类型、晶格常数、原子间作用力的大小，另外还与材料熔点、汽化热有关。,但合金化、热处理、冷塑性变形对弹

9、性模量E的影响较小，E是一个对组织不敏感的力学性能指标。,合金化：合金元素对E的影响很小（合金成分对晶格常数的改变不大），E与相图中固相线的走向相同。,热处理：晶粒大小对E无影响；第二相大小和分布对E的影响很小；淬火使E降低，回火使E升高，位错使原子间作用力降低。,冷加工：开始随着变形量的增大E逐渐减小，但变形量继续增大时，E增大（变形织构引起E各向异性，沿变形方向E值最大）,如：ETm，W的E是Fe的两倍（EW=410GPa，EFe=210GPa）；E：共价键金属键分子键；原子密排方向的E较大（单晶体弹性各向异性）。,晶体缺陷降低E，板条M中高密度位错，片状M中孪晶。,1.2弹性变形,外部因

10、素,温度升高，E降低,加载条件、负载时间,一般来说，温度升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，E降低。例如碳钢加热时，每升高100，E值降3-5%。,弹性模量和温度关系,加载方式、加载速率、负载时间对金属、陶瓷类材料的E没有影响；因为弹性变形速度接近声速，远超加载速率。,1.2弹性变形,四、比例极限、弹性极限、弹性比功,1. 比例极限、弹性极限,弹性极限：由弹性变形过渡到弹塑性变形对应的应力。,比例极限：保持应力应变成直线关系的最大应力。,二者测量困难，便于应用，用规定残余伸长应力代替弹性极限。,0.005%,O,比例极限和弹性极限都表示材料对微量塑形变形的抗力。,即试验时，

11、非比例伸长达到原始标距长度(L0)规定的百分比时的应力。例如0.005表示规定非比例伸长率0.005时的应力,p， e的实际意义：对于要求在服役时其应力-应变关系维持严格直线关系的机件，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，则材料选择时以比例极限为依据。服役条件是不允许产生微量塑性变形的机件，则材料选择时以弹性极限为依据。,1.2弹性变形,2. 弹性比功,因为E不容易改变，若提高，则应该提高e,提高e的方法主要有以下几种：,使用中、高碳钢（0.550.85%），用Si、Mn等进行合金化强化铁素体基体和提高钢的淬透性，如60Si2Mn弹簧钢 热处理：采用淬火+中温回火，

12、得到回火托氏体，托氏体强度、塑性高；高回、低回时，e较低。 冷加工：若弹簧丝不能进行热处理，需进行冷加工（冷拔成型），形变强化，e1200MPa。,O,即用应力应变曲线下的影线面积表示，,定义：金属材料弹性变形过程中吸收变形功的能力。,表示方法：用达到弹性极限时，单位体积吸收的弹性变形功表示。,1.2弹性变形,五、弹性变形的不完整性,(一)弹性后效（滞弹性）,即应变落后于应力，且与时间有关的弹性变形。,绝大多数材料的弹性行为难以满足完全弹性条件，表现为非理想弹性性质，包括滞弹性、包申格效应等。,1）正弹性后效(弹性蠕变)： 快速加载0沿OA线应变Oa0不变应变aH 。 加载时，应变落后于应力，

13、与时间有关的现象。 2）反弹性后效： 快速卸载至零应变eH立即消逝 载荷为零应变eO 。 卸载时，应变落后于应力的现象。,定义：在弹性范围内快速加载或者卸载后，材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的现象。,1.2弹性变形,2. 机理(以-Fe为例说明),机理：应力感生有序,随着0的增加，z轴伸长，x轴、y轴收缩，x、y轴上的C原子逐渐扩散到z轴上，原子排列由无序有序，但扩散需要时间，这解释了正弹性后效，反之亦然。,金属中滞弹性的原因可能和晶体中点缺陷的移动有关，原子扩散附加的弹性变形，扩散需要时间附加应变为滞弹性应变，卸载后扩散回原来的位置。,滞弹性变形量与材料成分、组织有关，也与试验条件有关

14、。材料组织越不均匀，滞弹性越明显。钢经淬火或塑性变形后，滞弹性。,1.2弹性变形,5. 影响因素,主要取决于材料本身，如镁具有很强的滞弹性。点阵常数对称，畸变均匀，滞弹性。 温度越高，滞弹性越大。温度主要影响原子扩散能力 应力软性系数越大，滞弹性越高，因此扭转的滞弹性大于拉伸滞弹性,4. 工程应用,消/减震性，要求弹性后效很高，如潜艇。灰铸铁具有高的滞弹性，所以能起到缓冲作用。 测力弹簧、乐器等，滞弹性越低越好。,在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑弹性后效问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等。如选用的材料弹性后效较明显，会使仪表精度不足甚至无法使用。,3. 滞弹性的危害

15、,6. 消除方法,长时间退火,(二)弹性滞后环,实际金属弹性区内快速加、卸载时，加载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：,说明加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。,回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。,1.2弹性变形,(a),(b),1.2弹性变形,1、理想弹性下，应力应变单值瞬时，变形时材料储存弹性能，恢复时释放弹性能，没有能量损耗。 2、非理想弹性下，应力应变不同步，加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后环，加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，即有部分加载变形功被材料吸收，这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗，(转变为热能)

16、，大小用回线面积度量。,（三）内耗,滞后环的类型 (a)单向加载(b) 交变加载,内耗即指金属在弹性区加载时吸收不可逆变形功的能力。,3、原因： 与材料中微观组织结构和物理性能的变化有关。例如，两端钉扎位错的非弹性运动；间隙原子或置换原子在应力作用下产生的应力感生有序化；晶界的迁移；磁性的变化等，这些微观运动要消耗能量，引起内耗。 4、应用: 内耗又称为材料的循环韧性，越高，自身的消振能力越好，降低噪声，抑制振动。汽轮叶片选用1Cr13钢制造，原因之一就是它有高的循环韧性；对于仪表传感元件选用循环韧性低的材料，提高灵敏度，乐器所选用材料的循环韧性越低，音质越好。 5、测量: 扭摆法（低频）、共

17、振法（声频）、超声波脉冲法（高频）三种。,1.2弹性变形,1.2弹性变形,（四）包申格效应 Bauschinger Effect (BE),1. 什么是包申格效应？,金属材料经过预先加载产生少量的塑性变形（残余应变为1%4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限e或屈服强度s）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。,例：1）对轧制退火黄铜(Cu-Zn)单向拉伸时e为240MPa，单向压缩时e为178MPa，若首先对其进行压缩预应变，卸载后若继续进行压缩，则e为287MPa，卸载后若对其进行拉伸，则e为85MPa。 2）淬火350回火T10钢，曲线1是正常拉伸，0

18、.2约1130MPa，曲线2是同样试样预压缩后拉伸，0.2降为880MPa。,意义：经过轻微冷作变形的材料当使用于与原来加工过程加载方向相反的载荷时，考虑弹性极限(屈服强度)降低问题。,某些钢和钛合金，因包申格效应可使屈服强度降低15%-20%。,黄铜、铝等有色金属合金 球化高碳钢、低碳钢、管线钢、双相钢、奥氏体不锈钢等,包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象。,均有包申格效应,度量包申格效应的基本定量指标是包申格应变 包申格应变：在给定应力下，正向加载与反向加载两应力应变曲线之间的应变差。,包申格应变,1.2弹性变形,1.2弹性变形,2. 机理,单晶,背应力（位错塞积）,阻力方向性,障碍,位

19、错塞积,内应力理论,若只加了小应力，只有A晶粒(最易发生塑性变形)发生了塑性变形，周围其他晶粒为弹性变形；卸载后周围晶粒都限制其变形，A晶粒受到内应力。,3. 工程应用,可利用包申格效应进行薄板反向弯曲变形、拉拔的钢棒经过轧辊压制校直等。,预应力作用导致位错塞积，卸载后反向加载易（反向路径上障碍较少），规定残余伸长应力降低； 同向加载，位错运动受阻，规定残余伸长应力增加。,预先进行较大的塑性变形；去应力退火（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400500以上，铜合金在250270。,预变性过程中，位错总是聚集在障碍最多的地方。反向加载位错易移动。,多晶：,4. 消

20、除方法,屈服,形变强化,颈缩,1.3塑性变形,1.3塑性变形,定义：指微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。,拉伸时塑性变形,1.3塑性变形,一、塑性变形方式及特点,金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生,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,1.塑性变形方式,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。,滑移系越多，材料的塑性越好。 晶体结构的影响较大，fccbcchcp,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。,(1) 滑移,滑移的临界分切应力 =(P/A)coscos 外应力

21、与滑移面法线的夹角； 外应力与滑移向的夹角； = coscos称为取向因子。,1.3塑性变形,(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。,孪生的特点：,比滑移困难；时间很短；,变形量很小；Cd孪生变形量仅7.4%，滑移变形300% 也是在切应力作用下沿特定晶面和特定晶向进行的 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,孪生：晶体的一部分沿着一定晶面（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分晶体作均匀地切变。,1.3塑性变形,多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规律与单晶体金属相同。但

22、由于多晶体金属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同塑性变形具有如下特点：,2. 塑性变形特点,(1) 各晶粒变形的不同时性和不均匀性,多晶体中各晶粒取向不同，即 coscos不同，则应力状态不同；,在受外力时，取向有利的晶粒先开始滑移变形，而取向不利的晶粒可能仍处于弹性变形状态；,当外力，滑移从某些晶粒传播到另外一些晶粒，并不断传播，从而产生宏观可见的塑性变形； 若是多相合金，各相晶粒力学性能的差异导致基体与第二相变形量也不同；,金属组织愈不均匀，则起始塑性变形不同时性就愈显著，局部越易达到塑性极限而形成裂纹。,1.3塑性变形,(2) 各晶粒变形的相互协调性,多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个

23、滑移系中变形，否则将造成晶界开裂；,每个晶粒必须能同时沿几个滑移系进行滑移，即能进行多系滑移，或在滑移同时进行孪生变形；,冯米赛斯(Von Mises)指出至少必须有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，并维持体积不变；,多晶体金属的应变硬化速率比相同的单晶体金属要高； hcp金属滑移系少，变形不易协调，故其塑性极差；,金属间化合物的滑移系更少，变形更不易协调，性质更脆。,1.3塑性变形,1.3.1 屈服 Yielding,屈服不均匀的塑性变形 在金属塑性变形的开始阶段；平台或锯齿；外力恒定，试样继续伸长；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

24、况下，继续伸长变形。,屈服现象在退火、正火的中、低碳钢和低合金钢中最为常见,屈服一般分为物理屈服和机械屈服或称为不连续屈服和连续屈服。,金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志,0,屈服平台,物理屈服,0,机械屈服,1.3塑性变形,一、屈服强度s,屈服强度是起始宏观塑性变形的抗力。,屈服点s：试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力。由于下屈服点的试验稳定性高，常取s= sl= Fs/A0,上屈服点su：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力。,下屈服点sl：当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时屈服阶段中的最小应力。,0,su,sl,屈服平台,物理屈

25、服,1.3塑性变形,上、下屈服强度位置判定的基本原则,屈服前的第1个峰值应力判为上屈服强度，不管其后的峰值应力比它大或比它小,如呈现两个或两个以上的谷值应力，舍弃第一个不计，取其余谷值应力中最小值判为下屈服强度,如呈现平台，平台应力判为下屈服强度；如呈现两个而且后者高于前者的屈服平台，判第1个平台应力为下屈服强度,下屈服强度一定低于上屈服强度,0,su,sl,0,sl,0,sl,1.3塑性变形,1.3塑性变形,机械屈服/连续屈服,0,机械屈服,0.2%,0.2,对某些具有连续屈服特征的金属材料，在拉伸时看不到明显的屈服现象，对于这类材料，用规定微量塑形伸长应力表征材料对微量塑形变形的抗力。,规

26、定微量塑形伸长应力是人为规定拉伸试样标距部分产生一定的微量塑形伸长率（如0.1%、0.2%、0.5%等）时的应力。,对发生机械屈服的金属材料来说，通常将0.2称为屈服强度。,屈服强度是金属材料重要的力学性能指标，它是工程上从静强度角度选择韧性材料的基本判据。,工程上特别重视材料屈服强度值的大小,统一用s或0.2表示材料的屈服强度,屈服强度意义： (1) 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； (2)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。,1.3塑性变形,1.3塑性变形

27、,二、物理屈服现象,对材料具有选择性（退火、正火中低碳钢）,含有微量间隙元素的如BCC金属最易发生，FCC中也发生物理屈服现象。,具有上下屈服点和吕德斯带（Lders）带,屈服过程中变形是不均匀的，外力从上屈服点下降到下屈服点时，在试样局部区域开始形成与拉伸轴约成45的吕德斯带或屈服线，随后再沿试样长度方向逐渐扩展，当屈服线布满整个试样长度时，屈服伸长结束，进入均匀塑性变形。,具有时效性(应变时效脆性),应变时效使塑性降低，强度升高。,o,1,2,1-应变时效前的应力应变曲线 2-应变时效后的应力应变曲线,应变时效：将预变性（超过屈服点发生少量塑性变形）试样在常温下放置几天或经200C左右短时

28、加热后再拉伸，屈服现象复现，且屈服应力进一步提高。,屈服应力升高：晶格出现了滑移层而扭曲，对固溶元素的溶解能力下降，呈现饱和或过饱和，产生析出；卸载以后时效也会使位错密度增加。,屈服复现：时效处理后，溶质原子通过扩散而重新聚集到位错周围形成了气团。,1.3塑性变形,三、屈服理论,1. 原子气团理论(Cottrell气团理论),内吸附（间隙元素聚集在位错线周围）,钉扎位错，使位错运动受阻,su （应力达到上屈服点）,位错脱钉，在滑移面上运动,sl,柯氏（Cottrell）气团：间隙式或者置换式溶质原子在刃型位错弹性交互作用时，交互能为负的情况下，溶质在基体中不会形成均匀分布（当然是指在位错应力场

29、范围内），它们要偏聚到位错周围，形成所谓“柯氏气团”。 螺位错Snock气团。,间隙元素：C、N等,多系滑移,均匀屈服,2. 位错增殖理论,假设：原始位错密度低；应力敏感指数低。 初始低，应变速率保持恒定时，要使 升高，则需使升高，一旦屈服发生塑形变形，位错源开动，位错密度增加，则 降低， 降低，即出现上下屈服点及屈服平台。BCC金属m值小（20，FCC：100200），具有明显屈服现象。,位错增殖机制：,弗兰克-瑞德（F-R）源增值机制,瑞德（Read, W.T.）源增值机制,双交滑移,3. 形变强化理论,形变强化效应很小时才能发生物理屈服。形变强化是位错与位错之间，位错与晶界，位错与其他晶

30、体缺陷间的相互作用引起的。 晶界等缺陷对位错的阻碍抵消了塑性软性。,1.3塑性变形,b-柏氏矢量的模,-可动位错密度,1.3塑性变形,四、影响屈服强度的因素,不考虑形变强化，屈服强度相当于位错运动的阻力，因而提高屈服强度即为提高位错运动的阻力。,纯金属单晶体的屈服强度从理论上来说是使位错开始运动的临界切应力，其值由位错运动所受的各种阻力决定。阻力主要有晶格阻力、位错间交互作用产生的阻力。,1. 纯金属单晶：,位错运动点阵阻力(派纳力),G-切变模量；-泊松比； -位错宽度 b-柏氏矢量模（滑移方向原子间距）；a-滑移面晶面间距,凡影响位错增殖和运动的各种因素必然要影响屈服强度,晶格对位错运动的

31、阻力与位错宽度和柏氏矢量有关,a, p-n, b, p-n。滑移沿最小阻力方向进行，要求a最大最密排面，要求b最小最密排方向。,1.3塑性变形,位错间的相互作用力,同一滑移面上的同号位错相排斥，异号位错相吸引。 不同滑移面上的位错发生交割作用。,因此摩擦力,2. 纯金属多晶的屈服强度(主要考虑晶界作用),Hall-Petch公式,对单晶，d 趋向于无穷大，则后面的部分可以忽略。 当d减小，s升高，产生了细晶强化的效果。,O,i 位错在集体金属中运动的总阻力，即摩擦力 ky 度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数 d 晶粒平均直径,：比例常数，与晶体本性、位错结构及分布有关，0.2（fcc）， 0.4

32、（bcc）；：位错密度,，则,A,B,晶界,晶界阻碍位错运动（原因）： A晶、B晶位错滑移系一般不同，而位错必须在一定的滑移系中运动，故位错常止于晶界。 即使A晶、B晶两滑移系吻合，因晶界中原子排列紊乱，无滑移系，位错不能越过晶界。,A晶的应力集中会促使B晶位错运动。,晶粒越细，晶界越多，阻力越大。超级钢（细化、均匀化、纯净化）,1.3塑性变形,3. 固溶强化,间隙固溶效果置换（代位）固溶效果,Me量,O,间隙元素,铁素体形成元素,奥氏体形成元素,置换元素,1）弹性交互作用（间隙元素、位错）,合金元素聚集在位错线周围（原子气团），钉扎位错,2）电学交互作用,电子云密度不同，位错周围形成电偶极子

33、，与溶质离子静电交互作用产生阻碍,3）化学交互作用,如fcc金属，a/21 1 0a/62 1 1+a/61 2 -1+一个层错带,4）Fish效应（有序化）,原本有序的结构（每个原子周围都是异类原子），若位错发生运动，打破了有序性。 异类原子变同类原子，能量发生变化，影响合金发生形变的途径。,铃木效应(层错与溶质原子交互作用)：元素降低层错能使层错变宽，束集困难，产生阻力。,层错,束集,a/2110,1.3塑性变形,4. 第二相强化,金属间化合物具有的特性：高熔点、高硬度、高脆性,第二相,聚集型,弥散性,不可变形质点（弥散强化）,可变形质点（沉淀强化）,例：黄铜(基体)+(第二相),F-所占

34、的体积分数,不可变形质点：Orawan机制,不可变形质点,位错环,位错弯曲曲率半径/2，r质点半径，质点间距，克服弯曲位错的线张力,可变形质点：位错切割质点,本身质点强度比较低 质点之间的间距较小,质点间的间距很小，当所加应力还为达到时，就已切断质点。由于产生了新的界面，能量升高，是一种非自发过程，需外界做功。,b,可变形质点,决定于第二相质点之间的间距。绕过质点的位错数量增加，留下的位错环增多，相当于质点间距减小，流变应力增大。,位错弯曲位错环（高能）,1.3塑性变形,5. 外界因素,影响屈服强度的外界因素有温度、应变速率和应力状态。,升高温度，屈服强度降低 温度升高，原子间作用力降低，点阵

35、阻力减小 金属晶体结构不同，其变化趋势并不一样。具有BCC结构的金属受温度影响更大。,应变速率增大，金属材料的强度增加 屈服强度随应变速率的变化比抗拉强度的变化要明显。这种因应变速率增加而产生的强度提高效应，称为应变速率硬化现象。 位错运动与应变速率相关，且需要时间。,应力状态 越大，切应力分量越大，越有利于塑形变形，屈服强度则越低。,屈服强度与温度的关系,应变速率对屈服强度的影响,扭转屈服强度拉伸屈服强度s 脆性材料： bs,实际意义：,1）代表材料的实际承载能力。 2）在某些场合也可以作为材料的设计标准（塑性要求不高）。 3） b高低取决于屈服强度和应变硬化指数。 4） b与硬度、疲劳极限

36、存在一定经验关系。 如b1/3HBV；对淬火回火钢， -11/2 b。,b只代表金属材料所能承受的最大拉伸应力，表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力。,1.4金属的断裂,1.4 金属的断裂,一、 断裂的分类,失效形式,断裂 (过量变形) 磨损 腐蚀,1、断裂前有/无发生塑性变形,1）韧性断裂,2）脆性断裂,断裂前产生了明显的宏观塑性变形 断口呈纤维状，灰暗色 断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45角,断裂前基本上不发生塑性变形，弹性变形阶段正应力引发断裂，一般断面收缩率5% 断口平齐光亮，呈放射状或结晶状 断裂面一般与正应力垂直 突然发生，快速断裂，危害性大,(a),(b),(a),2、裂

37、纹扩展路径,1）穿晶断裂,2）沿晶断裂,穿晶断裂的裂纹穿过晶内 穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂,沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展 沿晶断裂一般是脆性断裂 沿晶断裂的断口形貌呈冰糖状 沿晶断裂是由晶界上的脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起。 应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹均是沿晶断裂,1.4金属的断裂,3、断口面和外加应力的取向分类,1）正断,2）切断,正应力作用下的断裂 断口面与最大正应力垂直 属于脆性断裂,切应力作用下的断裂 断口面与最大切应力平行 属于韧性断裂,1.4金属的断裂,4、断裂的机理,1）解理断裂,2）剪切断裂,金属材料在

38、一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快的速率沿一定的晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂。 一般为脆性断裂 最低晶面能的晶面才能成为解理面，BCC（如-Fe、W、Mo）主要解理面为001，次要解理面为112；HCP（如Mg、-Ti）主要解理面为0001和-1100，次要解理面为11-24；FCC不会发生解理断裂。,在剪切应力的作用下，沿着滑移面发生分离。通常为韧性断裂，也属穿晶断裂。,剪切断裂,纯剪切断裂,微孔聚合型断裂,对于单晶，断口呈楔形或刀尖形,微孔与其相邻的微孔聚合,1.4金属的断裂,二、 断口形貌,1、断口的宏观形貌,其宏观断口呈杯锥形，由纤维区（塑、韧，F），放射区（脆，R）

39、和剪切唇（S）三部分组成，即断口特征三要素。,纤维区：呈锯齿形，所在平面垂直拉伸应力方向，扩展慢 放射区：有放射花样特征，放射线平行于裂纹扩展方向，逆指向裂纹源，快速扩展 剪切唇：杯状或锥状，表面光滑，与拉伸轴成45，切断型断裂,以单向静拉伸为例说明，中低碳钢,1.4金属的断裂,杯锥状断口形成过程（韧性断裂过程） 拉伸力最大缩颈单向正应力变为三向应力(a) 中心夹杂物或硬质点破裂或与基体脱离 形成微孔(b) 形成显微裂纹(c)、端部产生更大的塑性变形 新的微孔形成裂纹向前扩展(d)形成纤维区(e) 纤维区裂纹达到临界尺寸应力集中裂纹扩展 形成放射区 更大的应力 形成剪切唇。(切应力导致韧性断裂

40、),杯锥状断口形成示意图,1.4金属的断裂,2、断口的微观形貌,1）解理断裂,基本的微观特征是：解理台阶河流花样舌状花样 解理台阶 解理断裂沿着一定的结晶学平面发生，这个平面叫解理面。 裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在同一解理刻面内部出现了解理台阶。 可以通过解理裂纹与螺型位错相交形成，也可以通过二次解理或撕裂形成。,1.4金属的断裂,河流花样,舌状花样 解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台。,同号台阶相互汇合长大，汇合解理台阶高度足够大时形成河流状花样。,“河流”的流向与裂纹扩展方向一致，所以可以根据 “河流”的流向确定在微观范围内解理裂纹的扩展方向，而按“河流”

41、反方向去寻找断裂源。,1.4金属的断裂,2）微孔聚合断裂,微孔聚集断裂过程包括微孔成核、长大、内颈缩、聚合、微裂纹、直至断裂。,微孔是通过第二相（或夹杂物）质点本身破裂，或第二相（夹杂物）与基体界面脱离而成核的，它们是金属材料在断裂前塑性变形进行到一定程度时产生的。,位错引起的应力集中 或高应变条件下因第二相与基体塑性变形不协调而产生分离,第二相质点,微孔长大、拉长,內颈缩,基本的微观特征是：韧窝（火山口式、圆形、椭圆形）,在第二相质点处微孔成核的原因：,微孔,1.4金属的断裂,在电子显微镜下观察到微孔聚集断裂的断口上有大小不等的圆形或椭圆形韧窝，韧窝形状因应力状态的不同而不同，分为等轴韧窝、

42、拉长韧窝和撕裂韧窝。,微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但在微观形态上出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。,影响韧窝大小因素：,基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数；,应变硬化指数韧窝尺寸,第二相质点的大小和密度,密度韧窝尺寸,外加应力的大小及状态等,单向拉伸，韧窝深；多向拉伸，韧窝浅,1.4金属的断裂,3）准解理断裂,微观形态特征似解理河流而又非真正解理，因此称为准解理。,准解理与解理的相同点：,都是穿晶断裂 有小解理刻面 有台阶或撕裂棱及河流花样,准解理与解理的不同点：,准解理小刻面不是晶体学解理面 真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹常源于晶内硬质点 准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断

43、裂的变种,1.4金属的断裂,4）沿晶断裂,裂纹沿晶界扩展，断口形貌一般呈冰糖状。,形成原因： 晶界有脆性相存在 晶界过烧熔化 晶界上有害元素富集 晶界上有弥散相析出；削弱了晶界的强度,1.4金属的断裂,三、 断裂强度理论,1、理论断裂强度m,理论断裂强度是指在外加正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。,假设一完整晶体受拉应力作用后，原子间作用力（合力）与位移的关系曲线近似为正弦曲线，则,式中，x原子间位移 正弦曲线的波长,如果原子间位移x很小，则,(1),(2),原子间最大结合力断裂沿原子面发生整体分离,1.4金属的断裂,合并(2)、(3)得,(4),弹性状态下晶体的

44、破坏，当原子间位移很小时，由胡克定律可知,(3),式中，a0原子间平衡距离 弹性应变,晶体脆性断裂所消耗的功(-x曲线下所包围的面积)等于形成两个新表面所需的表面能，则,(5),(6),把(6)代入(4)可得,(7),理想晶体脆性断裂（解理）断裂的理论断裂强度,在E、a0一定时，m与s有关，解理面的s低，所以m小而易解理。 实际金属材料的断裂应力仅为理论m值1/101/1000.（如铁的m =40000MPa）。,s比表面能,1.4金属的断裂,2、断裂强度的裂纹理论（Griffith理论）,格雷菲斯在1921年提出，实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，局部应力集中已经达到很高的数值，从

45、而使裂纹迅速扩展并导致脆性断裂。即断裂过程是由裂纹的扩展引起的。,格雷菲斯裂纹模型图中，设想有一单位厚度的无限宽薄板(平面应力状态)，对之施加一拉应力，而后使其固定以隔绝外界能源。,当板的中心割开了一个垂直于应力方向长度为2a的裂纹，则原来的平板就要释放弹性能。根据弹性理论，释放（负号）的弹性能Ue的大小为：,裂纹形成时，新增加的表面能W大小为：,(1),(2),板材每单位体积（面积）储存的弹性能为2/2E。,1.4金属的断裂,总能量的变化为：,亚稳,失稳,Ue、W,2ac,aac,a,Ue+W,裂纹不能自发扩展,a,Ue+W,aac,裂纹能够自发扩展,在总能量曲线的最高点处，系统总能量对裂纹半长a的一阶偏导数应等于0，即：,(3),(4),ac,(5),同时，可得,(6),1.4金属的断裂