第一章 材料单向静拉伸的力学性能概要

1、第一章材料单向静拉伸的力学性能,一.力伸长曲线,1-1力伸长曲线和应力应变曲线,拉伸试验（GB/T228-2002）,圆形试样直径d0=3-25mm，有效长度l0=5d0、10d0,板状试样有效宽度b0=10、15、20、30mm,材料的力伸长曲线,材料在载荷作用下的力学行为,1高碳钢2低合金结构钢3黄铜4陶瓷、玻璃5橡胶6工程塑料,几种材料的力伸长曲线,应力=F/A应变=L/L,二.应力应变曲线,低碳钢的应力应变曲线,真实应力应变曲线,真实应变、真实应力与工程应变、工程应力的关系：,1-2弹性变形及其性能指标,一.弹性变形的本质,弹性变形：物体在外力作用下产生了变形，当外力去除后能恢复原来形

2、状的变形。,二.弹性模数,单元体应力分量,广义虎克（HookeR.）定律,虎克定律工程应用形式,狭义虎克定律式,E：宏观弹性模数，杨氏模数（YoungT.)G：切变弹性模数,定义：当应变为一个单位时，弹性模数即为弹性应力即产生100%弹性变形时所需要的应力。意义：材料对弹性变形的抵抗能力。,几种材料在常温下的弹性模数,三.影响弹性模数的因素,弹性模数：结合键强度的主要标志。,四.比例极限与弹性极限,比例极限：保证材料的弹性变形按比例关系变化的最大应力。,应力应变曲线上，开始偏离直线时的应力值。,弹性极限：材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力。,应力应变曲线上，开始产生塑性变形的应力值。,规定

3、非比例伸长应力：非比例伸长达到原始标距长度规定的百分比时的应力。如：,五.弹性比功,用途：制造弹簧的材料，要求弹性比功大。,弹性比功（弹性比能、应变比能）：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。,表示方式：材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功。,几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。,1-3非理想弹性与内耗,弹性：材料受载后产生一定的变形，卸载后这部分变形消失，恢复原来状态的性质。,一.滞弹性,滞弹性示意图,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。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。影响因素：晶体中的点缺陷；显微组织的不均

4、匀性。切应力越大，影响越大。温度升高，变形量增加。危害：长期承载的传感器，影响精度。,二.粘弹性（Viscoelasticity）,弹性：材料受载后产生一定的变形，卸载后这部分变形消失，恢复原来状态的性质。粘性：流体内部质点间作相对运动时产生内摩擦力的特性称为粘性。粘性是流动性的反面。粘弹性：材料组合了固体的弹性和流体的粘性两者的特征的力学行为。粘弹性的特征：弹性变形的时间效应.,牛顿粘性定律：,剪应力的大小与速度梯度成正比,三.伪弹性,伪弹性应力应变曲线,AB：常规弹性变形B（BM）：应力诱发马氏体相变开始点C：马氏体相变结束点CD：马氏体弹性变形DF：卸载，马氏体变形恢复F（FP）：马氏体

5、逆相变开始点G：马氏体逆相变结束GH：初始组织变形恢复,伪弹性：应力诱发马氏体相变产生大幅度弹性变形的现象。,四.包申格效应（BauschingerEffect),包申格效应示意图,定义：材料经过预先加载并产生少量塑性变形，卸载后，再同向加载，弹性极限增加，反向加载，弹性极限降低的现象。,微观本质：预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同向加载，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。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。,五.

6、内耗,循环应力、应变与时间的关系,单向加载、交变加载滞后环,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。,内耗示意图,内耗取决于应变与应力之间的相角差：,W：振动能，T：振幅，：振动频率m：模量亏损，：应变角频率，：驰豫时间,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

7、小。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。,1-4塑性变形及其性能指标,一.塑性变形的机理,1.金属材料的塑性变形单晶体：滑移+孪生,晶体滑移与孪生的对比,多晶体塑性变形,不同时性：在外力作用下，软取向晶粒首先达到临界分切应力，开始变形，随着晶体的转动，软硬取向易位，硬取向晶粒开始变形。不均匀性：由于晶粒位向的不同，变形的不同时性，晶界的阻塞作用，使得不同晶粒、同一晶粒的不同区域，塑性变形量不同。相互协调性：多晶体塑性变形时，变形可以在不同晶粒之间传递，而保证晶体的完整性，需要各晶粒之间相互协调。,二、屈服现象与屈服强度,1、屈服现象,材料开始塑性变形的现象称为屈服

8、。在金属材料中，（1）塑性变形开始后，出现外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的现象，形成锯齿状的屈服平台。（2）应变随应力的增加不断增加。屈服的实质是位错开始滑移。,屈服平台形成的机理,柯氏气团理论位错与溶质原子交互作用，溶质原子聚集在位错线的周围形成气团（柯氏气团、史氏气团）。位错被气团钉扎，提高外应力，位错才能运动；一旦运动，脱出气团的影响，继续发生塑性变形所需的外应力降低。不同滑移系上位错的先后开动，形成锯齿状屈服平台。位错运动理论应变速率与位错密度、位错运动速率的关系：,滑移-孪生理论滑移机制转变为滑移-孪生机制，孪晶的出现会产生以下效果：孪晶行核需要很高的应力，而长大速率很

9、大、所需应力很小。孪晶的形成有利为错的滑移。位错塞积理论位错同向运动受阻，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。,2.屈服强度,对于拉伸曲线上有明显的屈服平台的材料，塑性变形硬化不连续，屈服平台所对应的应力即为屈服强度，记为s：s=Ps/A0对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形硬化过程是连续的，此时将屈服强度定义为产生0.05%、0.1%、0.2%残余伸长时的应力，如0.2：s=0.2=P0.2/A0,0.002L0,三.影响金属材料屈服强度的因素,1.晶体结构,位错运动的阻力：晶格阻力（派纳力）、位错交互作用产生的阻力。

10、,晶格阻力（派纳力）：,位错交互作用力：,2.晶界与亚结构,晶界（亚晶界）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。霍尔配奇（Hall-Petch）公式：,细化晶粒，可以提高材料的强度细化强化。,3.溶质元素溶质元素形成点缺陷，引起晶格畸变，阻碍位错滑移，提高材料的强度固溶强化。,4.第二相,位错绕过第二相粒子的示意图,第二相颗粒周围的位错环,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。,位错切过颗粒机制,5.温度,温度升高金属材料的屈服强度降低，晶体结构不同，变化趋势不同。体心立方温度效应明显，而面心立方和密排六方的温度效应不

11、明显。,6.应变速率与应力状态应变速率升高，屈服强度也升高。,应力状态不同，切应力分量不同，位错滑移的难易程度就不同。,四.应变硬化,金属经冷加工变形后，其强度、硬度增加、塑性降低的现象应变硬化、加工硬化、形变硬化。高分子材料也具有应变硬化的现象。,1.应变硬化机理单晶体的应变硬化,应力-应变曲线明显可分为三个阶段：I易滑移阶段：单滑移，位错移动和增殖所遇到的阻力很小，I很低，约为10-4G数量级。II线性硬化阶段：多系滑移，位错运动困难，II远大于I约为G/100-G/300，并接近于常数。,单晶体应力应变曲线,III抛物线硬化阶段：交滑移，III随应变增加而降低，应力应变曲线变为抛物线。,

12、多晶体的应变硬化,多晶体晶粒各取向不同，不可能一个滑移系滑移，所以，没有典型单晶体的第阶段-易滑移阶段。因为多晶体各晶粒变形需相互协调，至少有5个独立的滑移系开动，滑移系启动困难，加工硬化率明显高于单晶体。,锌的单晶与多晶的应力应变曲线,结晶态高分子的应变硬化,屈服：原有的晶态结构破坏，载荷下降。颈缩：但不断裂。应变强化：继续变形时出现。晶体转变为微纤维结构承载键：范德华力变为共价键,2.应变硬化指数,金属材料真实应力-应变曲线上均匀塑变阶段符合Hollomon公式。,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，大多数

13、金属材料n值在0.1-0.5之间。层错能低的材料应变硬化程度大，18-8不锈钢、高Mn钢（Mn13），层错能力低，n大；层错能高的，n值小，铝。,应变硬化指数的测量与计算：,拉伸实验获得应力、应变数据（i、i），计算真实应力、应变（Si、ei）：,利用作图或者数据拟合的方法求的应变硬化指数。,3.应变硬化的意义,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。使构件具有一定的抗偶然过载能力。强化金属，提高力学性能。提高低碳钢的切削加工性能。,五.抗拉强度与颈缩条件,抗拉强度定义为试件断裂前所能承受的最大工程应力，也称为强度极限。取拉伸图上的最大载荷，即对应于b点的载荷除以试件的原始截面积

14、，即得抗拉强度之值，记为b：b=PmaxA0,颈缩是金属、高分子材料拉伸时不均匀塑变的结果，变形集中于局部区域。颈缩发生在工程应力-应变曲线上最大载荷点。,经过积分，得n=e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。,材料的塑性是指材料断裂前发生塑性变形的能力。材料的塑性常用延长率和断面收缩率表示。测定方法如下：拉伸试验前测定试件的标距L0，拉伸断裂后测得标距为Lk，断裂前的截面积A0，断裂后断面截面积Ak，然而按下式计算。,六.塑性与塑性指标,七.超塑性,超塑性：材料在一定条件下呈现非常大的延长率（约1000%）而不发生颈缩和断裂的现象。产生超塑性的条件：超细晶粒：晶

15、粒尺寸达微米量级，等轴晶粒；变形温度：大于0.4Tm；应变速率：大于等于10-3s-1；应变速率敏感指数：0.3m1。,一.断裂的分类,断裂就是一个整体分裂成两个或两个以上部分的现象。,1-5断裂,二.脆性断裂的机理,脆性（解理）断裂的裂纹萌生,Zener-Stroh理论位错塞积理论,Cottrell理论位错反应理论,Smith理论脆性第二相开裂理论,三.韧性断裂的机理,韧窝（微孔聚集）示意图,四.断裂强度,1.理想断裂强度,完整晶体拉断示意图mn为断裂面的迹线；a表示原子面间距,原子间作用模型：原子间作用力与位移间的关系满足正弦规律。,晶体中的内聚力与原子间距的关系,m将原子拉开所需的最大应力，即理论断裂强度。,实际金属强度铝合金200-300MPa低碳钢400-500MPa合金钢1000MPa,一般金属m约104MPa,2.Griffith裂纹理论,材料中已存在裂纹，在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理论断裂强