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1、材料性能学,第一章 金属在单向静拉伸 载荷下的力学性能,主要内容,塑性变形,弹性变形,拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,金属的断裂,单向静拉伸试验特点: 应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定； 可揭示最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）； 最广泛使用的力学性能检测手段强度、塑性等。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,力伸长曲线 试验过程（GB/T228-2002）,常温 光滑试样 拉伸试验机 缓慢加载，低的变形速率,拉伸试样（GB/T6397-1986）,长试样：L0=10d0,短试样：L0=5d0,拉伸,强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力,e 、 s 、 b、 、,图1-2
2、9 圆形拉伸试样,图1-30 低碳钢单向静拉伸曲线,Fl ,公式：=F/s0 , =l/l0,拉伸曲线,弹性变形oe E = E e,均匀塑性变形（强化）sb b,不均匀集中塑性变形bz “缩颈”现象,低碳钢单向静拉伸曲线,不均匀屈服变形es s、 0. 2,z点：试样发生断裂,s、 0. 2及b是设计和选材的主要依据,陶瓷、玻璃,塑料,含杂质铁合金,淬火高温回火高碳钢,黄铜,低合金钢,S真应力，e真应变，K强度系数 n应变硬化指数，材料的应变强化能力,1-2 弹性变形,一、弹性变形及其实质,可逆变形,本质： 材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。,二、虎克定律,简单应力状态的
3、虎克定律,1.单向拉伸,2.剪切和扭转,3.E、G和的关系,广义虎克定律(复杂应力状态）,三、弹性模量,物理意义：材料对弹性变形的抗力，其值越大，在相同应力下产生的弹性变形越小，工程上被称为材料的刚度。 用途： 工程上，刚度；梁、曲轴，弹簧钢 特点： 决定于金属原子本性和晶格类型，对组织不敏感,E 定义： 产生100%弹性变形时所需要的应力。,四、弹性比功,定义：材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。 几何意义：-曲线上弹性阶段下的面积 用途：弹簧钢、橡胶（减震、储能），要求ae大 提高e，或者降低E。体积越大，ae越大,五、滞弹性（弹性后效）,现象： 弹性应变落后于应力，与时间相关。 定
4、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：材料成分、组织均匀性,弹性滞后环：由于具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时，应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线（图a）。存在滞后环说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属恢复变形放出的变形功，有一部分变形功为金属所吸收，大小用滞后环面积度量。 e ，图b 。 e ，图c 。,六、金属的循环韧性,定义： 金属在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的内耗或消振性。 意义： 力学性能之一； 循环韧性越高，机件的消振能力越好。,七、包申格效应（Bausching
5、er）,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，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载规定残余伸长应力降低（特别是弹性极限几乎降低到零）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，规定残余应力r增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，规定残余应力r降低。 度量指标：包申格应变 在给定应力下，正向加载和反向加载两应力-应变曲线之间的应变差。=bc,危害 影响疲劳寿命（交变载荷） 低周：应变控制，变形能力，抗疲劳。 高周：应力控制，强度，抗疲劳。 造成强度损失 对于需要高强度的构件有害 对于需要塑性成型的构件有利 消除方
6、法 预先进行较大的塑形变形：位错增殖难于重分布，反向加载时强度变化不大。 反向受力前做回复或再结晶退火处理,1-3 塑性变形,一、塑性变形的方式及特点,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,方式： 滑移 主要方式,通过位错的运动实现,方式： 滑移 主要方式 孪生 低温或快速形变时 切应力,多晶体的塑性变形特点,(1)晶界阻碍位错运动 晶界使变形抗力提高， 细晶强化 (2)晶粒分批逐步变形，具有不同时性和不均匀性 材料表面优先 软位向先变形 (3)各晶粒变形的相互协调性 需要多系滑移，应变硬化速率比单晶体高。,二、屈服现象和屈服强度,材料产生宏观塑性变形的一种标志 屈服现象
7、弹性向塑性变形过渡明显，外力保持恒定时试样仍继续伸长，或外力增加到一定数值时突然下降，然后外力几乎不变时，试样仍继续伸长变形。,屈服伸长变形是不均匀塑性变形，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的雷德斯带或屈服线，随后在试样长度方向逐渐扩展，当屈服线布面整个长度方向时，屈服伸长结束，试样开始进入均匀塑性变形阶段。,屈服机理,外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程 三个因素： 变形前可动位错密度很小 柯氏气团：溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团，位错被钉扎 位错塞积群：n个位错同向运动受阻，形成塞积群,随塑性变形发生，位错能快速增殖 位错运动速率与外加应
8、力有强烈依存关系,应变速率与位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比 晶体结构变化，b, 应变速率 位错增值，应变速率 提高外应力, , 应变速率 塑性变形前，位错密度低，欲满足一定的应变速率，必提高外应力，这就是实验中的上屈服点，一旦塑性变形产生，位错大量增殖，位错运动速率必然下降，相应的应力也就突然降低，从而产生屈服现象。位错运动速率对应力大小越敏感，屈服现象越明显，如bcc的低碳钢有明显屈服。,屈服强度,s（su、sl） 有些材料屈服点不明确,用规定微量塑性伸长应力表示屈服强度，如0.2 条件屈服强度规定微量塑性伸长应力 根据测定方法不同，有三种指标： 规定非比例伸长应力(P) 0.01（
9、条件比例极限）或0.05，加载过程中测定 规定残余伸长应力(r) r0.2（屈服强度），卸载后测定。,试样在外力保持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服强度,s=Fs/A0,规定总伸长应力(t0.5)，弹性伸长加塑性伸长，加载过程中测定,强度设计：= s/n（n2） 屈服判据： 屈雷斯加最大切应力判据：1-3=s 米赛斯畸变能判据： (1-2)2+ (2-3)2 + (3-1)2=2s2 开始塑性变形的强度设计准则。 是否越高越好? 屈强比 屈强比高，材料利用率高，但过高的屈强比，不利于某些应力集中部位的应力重新分布，极易引起脆性断裂，所以应力状态较硬、应变速率较高、截面变化较大的机件，选择屈服强度
10、值较低的材料。 降低屈服强度有利于材料冷成型加工和改善焊接性。,s工程上从静强度角度选择韧性材料的依据,三、影响屈服强度的因素,合金：基体 + 强化相 塑性变形位错基体 影响位错增殖和运动影响屈服强度,内在因素： 金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相 外在因素： 温度、应变速率、应力状态,1、金属本性及晶格类型 纯金属单晶体，位错运动所受的各种阻力决定 晶格阻力，派纳力理想晶体中仅存一个位错运动时所需克服的阻力，与位错宽度和柏氏矢量有关 位错交互作用阻力，与柏氏矢量和位错密度有关,位错强化,W位错宽度,2、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
11、须加大外应力,霍尔派奇（Hall-Petch）公式,细晶强化,3、溶质元素 溶质晶格畸变应力场 晶格畸变应力场与位错应力场产生交互作用，是位错运动受阻，是屈服强度提高。 间隙固溶体的强化效果比置换的大！,固溶强化,4、第二相 弥散强化、沉淀强化 位错切过或绕过 尺寸、形状、数量及分布；与基体的晶体学匹配程度,第二相强化,屈服强度对成分、组织极为敏感,影响屈服强度的外在因素,（1）温度提高，位错运动容易，s BBC温度效应显著 FCC、HCP不显著, 结构钢低温脆性,（2）应变速率提高，s,应变速率硬化 m应变速率敏感指数,（3）应力状态 切应力，s。,切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度
12、越低。 扭转强度拉伸强度弯曲强度 非材质变化，应力状态硬,四、应变硬化（形变强化）,定义： 材料在应力作用下进入塑性变形阶段，随着变形量的增加，形变应力不断提高的现象。 机理： 塑变变形过程中的多系滑移和交滑移造成的 位错增殖，运动受阻所致,应变硬化的意义,（1）使金属进行均匀的塑性变形； （2）改善切削加工性能； （3）保证机器的安全工作； （4）提高材料强度的重要手段（形变强化）。,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=0.10.5 n=1：s=ke,理想弹性体 n=0：s=k,无硬化能力 退火态、层错能低，n大 与s成反比，冷加工态n小 直线作图法求得,定义 材料在
13、静拉伸条件下的最大位伸应力。 意义： （1）易于测定，重现性好，重要的力学性能指标 （2）脆性材料产品设计重要依据 （3）取决于s和n，s/b重要,五、抗拉强度和缩颈现象,缩颈现象： 韧性材料，变形集中于局部区域 应变硬化与截面减小共同作用的结果,B点之前，塑性变形均匀，应变硬化可以补偿因试样截面减小所带来的承载力下降；B点之后，应变硬化跟不上塑性变化的发展，是变形集中于试样局部区域产生缩颈。B点之前，dF0；B点之后，dF0。B点为拉伸失稳点或塑性失稳点，B后断裂开始发生。,B,dS/deS，硬化作用较强，足以补偿因截面减小所引起的应力升高 dS/deS，加工硬化的能力微弱，导致颈缩发生,缩
14、颈的判据：,在缩颈点（拉伸失稳点）处Hollomon关系成立 SB=keBn 作微分运算，得： dSB=KneBn-1deB 利用颈缩判据，可得： KeBn KneBn-1 于是有： n =eB,表明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，缩颈就会产生。,缩颈颈部应力修正,缩颈一旦产生，其中心部分拉伸变形的径向收缩受到约束，单向应力状态被破坏，缩颈区出现三向应力状态，塑性变形比较困难，为了继续变形，就必须提高轴向应力，因而缩颈处的轴向真实应力高于单向受力下的真实应力。为了得到颈部真实应力-应变曲线，需对颈部应力进行修正。,六、塑性,定义： 金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形
15、的能力。 均匀塑性变形 + 集中塑性变形 塑性指标 断后伸长率 断面收缩率,说明,用断面收缩率更接近真实变形。 直径d0 相同时，l0， l0=10d0 ， 10 l0=5d0 ，5 ，5 10 时，无颈缩，为脆性材料特征 时，有颈缩，为塑性材料特征,影响因素 细化晶粒，塑性； 软的第二相，塑性； 温度提高，塑性； 高固溶、硬的第二相，塑性。,塑性的意义 安全力学性能指标 塑性变形缓和应力集中 轧制、挤压等冷热加工变形,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。 韧度：度量材料韧性的力学性能指标， 静力韧度、冲击韧度和断裂韧度 静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂前所吸收的功
16、，它是强度和塑性的综合指标。,静力韧度对于按屈服强度设计，而在服役中可能遇到偶然过载的机件（如链条、起重吊钩等），是必须考虑的重要指标。,思考题,画出该材料的工程应力-应变曲线和真应力-应变曲线 求n和K，并写出Hollomon方程,今有10mm直径的正火态60Mn拉伸试样，其试验数据如下(d=9.9mm为屈服平台刚结束时的试样直径)：,金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,1-4 金属的断裂,失效：磨损、腐蚀和断裂 断裂：材料在力的作用下分成若干部分的现象 裂纹:不完全断裂 断裂过程包括裂纹萌生与扩展 研究目的：防止断裂,一、断口分析,手段：肉眼、放大镜、扫描电子显微镜（SEM） 宏观、微观结合,注意：宏观断裂形态，微观断裂特征 材料断裂的实际
