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1、 金属材料的力学性能包括：金属材料的力学性能包括： 强度、刚度、硬度 、塑性、韧性、耐磨性、缺口敏感性、断裂韧 性等。 人们将力学参量的临界值（或规定值）定义为人们将力学参量的临界值（或规定值）定义为 该材料的力学性能指标该材料的力学性能指标，如强度指标：b、0.2 、-1，塑性指标：、，韧性指标：AK、KIC 等。 力学性能指标具体数值的高低，表示金属材料 抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质量 的主要依据。可将其理解为：金属材料抵抗外 加载荷引起变形和断裂的能力。 Date 金属材料的力学性能取决于： 化学成分化学成分 、组织结构、冶金质量、残余应力及表、组织结构、冶金质量、残余应力及表
2、 面和内部缺陷面和内部缺陷等内在因素，也取决于载载 荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环 境介质境介质等因素。 金属力学性能的本质及宏观变化规律与金属力学性能的本质及宏观变化规律与 金属在变形和断裂过程中的位错运动、金属在变形和断裂过程中的位错运动、 增殖和交互作用等微观过程有关。增殖和交互作用等微观过程有关。 Date 低碳钢 静载荷 冲击载荷 低温常温 断裂 韧 性 断 裂 脆 性 断 裂 ？ ？ ？ ？ 脆性断裂 韧性断裂 Date 单向静载拉伸试验 是应用最广泛的材料力 学性能测试方法。 试验温度确定 应力状态确定 加载速率确定 可测试 屈服强度s(0.
3、2) 抗拉强度b 伸长率 断面收缩率 第一节 力-伸长曲线和应力、应变曲线 Date 一、 力伸长曲线（拉伸力 F，绝对伸长量L） 测试方法：标准试样，万能实验机 图12 退火低碳钢的拉伸力伸长曲线 区弹性变形阶段 区屈服变形阶段 区均匀塑性变形阶段 区集中塑性变形阶段 断裂 Date 二、 应力应变曲线 1.工程应力应变曲线： 将力伸长曲线的纵横坐 标分别以拉伸试样的截面 积A0和原始标距长度L0去 除，则得到应力应变曲 线。称为“工程应力应变曲 线” =F/A0 =L/L0 p比例极限 e弹性极限s 屈服强度b抗拉强度 图14 Date 2.真实应力应变曲线 ： 真应力真应变曲线：用拉伸
4、过程中每一瞬间的真实应力和 真实应变绘制的曲线 真应力S=F/A 真应变de=dL/L 在弹-塑性变形阶段， 只有真应力-真应变曲 线才能准确描述材料 的力学形为。 图15 Date e=ln(1+) 真应变小于工程应变 S（1） 真应力大于工程应力 Date 弹性变形：金属材料在外力的作用下，产生变形 ，当外力去除以后变形也随之消失的现象。 弹性变形的特点：弹性变形的特点： 弹性变形是一种可逆现象，不论在加载期还是在 卸载期，其应力和应变之间都保持单值线性关系 。 弹性变形量都很小，一般在0.51之间。 金属材料的原子弹性位移量只相当于原子间距的 几分之一。故弹性变形量小于1。 第二节 弹性
5、变形及其性能指标 弹性变形 Date 图16 双原子模型 原子间作用力： 引力斥力 原子间作用力非直线关系 引力 斥力 合力 原子间距r 引力斥力 F N F=0 M Fmax R 弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移 的反映。 一、 弹性变形的本质 Date v二、 弹性模数（弹性模量）刚度1 v材料产生单位弹性应变时，所需要的弹性应力。即材料产 生100弹性变形时所需要的应力。 vE G ，E = 2 (1+ )G vE拉伸时杨氏模数105，G切变模数MPa，比弹性模数（ 比刚度）E/ 单位m，将纵向应变el 与横(径)向应变er之 负比值表示为泊松比。 Da
6、te 三、 影响弹性模数的因素 1、 键合方式和原子结构 室温下金属的弹性模量是原子 序数的周期函数。 同一周期的元素随原 子序数的增大E值增大， 这与元素价电子数增多 及原子半径减小有关。 同一族的元素随原子序数的增大E值减小，这与 原子半径增大有关。 图18 Date 2、 晶体结构 -Fe, E=2.7105MPa，E 1.25105MPa 沿原子排列最密的晶向上弹性模量较大 ，多晶体各向同性。 Date 3、 化学成分 合金中固溶的溶质元素可以改变合金的晶格常数 ，但对于常用的钢铁材料而言，合金元素对其晶 格常数的改变不大，因而对弹性模量的影响很小 ，合金钢和碳钢的弹性模量数值相当接近
7、。 4、 微观组织 金属材料组织不敏感性。 热处理（显微组织）对弹性模量的影响不大。如 晶粒大小对E值无影响；第二相的大小和分布对 E值的影响也很小；淬火后E值稍有下降，但退 火后又恢复到原来的水平 Date 冷塑性变形对E值稍有降低，一般在46，这与出现 残余应力有关。当塑性变形量很大时，因产生形变织构 而使E值出现各向异性，此时沿变形方向E值最大。 5、 温度 温度升高，热运动加剧，弹性模量降低 碳钢加热时每升高100 ，E值下降35。但 在-50 +50 的范围内，钢的E值变化不大，可 以不考虑温度的影响。 Date 6、 加载条件和负荷持续时间 弹性变形的速率和声速一样快，远超过 实际
8、加载速率，故加载速率对E值也无大 的影响。 结论：弹性模量是组织 不敏感的力学性能指标 Date 四、 比例极限与弹性极限 比例极限：p是保证材料的 弹性变形按正比关系变化的最 大应力应力与应变在正比 关系范围内的最大应力。 弹性极限：e是材料由弹性变 形过渡到弹塑性变形时的应力 。 p0.01表示规定非比例伸长 率0.01时的应力。 比例极限 弹性极限 Date 五、 弹性比功 又称弹性比能或应变比能 ae是材料在弹性变形过程中吸 收变形功的能力。弹性比功的含 义就是弹性变形过程中所吸收的 引起弹性变形的能量。 数值上等于在应力应变曲线中被 弹性变形阶段的曲线所覆盖的面 积。 弹簧钢2.21
9、7MPa(MJm-3)(J=Nm) 、磷青铜1.0，铍青铜1.44、橡胶 2、铝0.1、铜0.003 e e e 图1-10. 弹性比功 Date 第三节 非理想弹性与内耗 一、理想弹性材料： 应变与应力的响应是线性的 应力和应变是同相位 应变是应力的单值函数 当塑性材料所受的应力低于弹性极限，其力学 行为可近似地用虎克定律加以表述。 进入弹塑性变形阶段，其力学行为需要用弹-塑 性变形阶段的数学表达式，或称本构方程加以 表述。 Date 二、弹性后效 对于完整的弹性体，弹性变形 与加载速率无关，但对实际的金属 材料而言，弹性变形不仅是应力的 函数，而且是时间的函数。 A B H a e O 图
10、1-11. 弹性后效示意 图 应变 应力时间 b c d AB正弹性后效 eO反弹性后效 定义：弹性应变落后于外加 应力，并和时间有关的的现 象叫弹性后效（滞弹性）。 Date 影响因素材料成分；组织；实验条件； 材料的组织越不均匀，弹性后效越明显。如 钢淬火或塑性变形后，增加了组织的不均匀性， 弹性后效倾向增大。 温度升高，弹性后效速率和变形量都显著增 加。如Zn，拉伸时温度升高15，弹性后效速率 增加50；扭转时温度升高10，变形量增加1 倍。温度下降，变形量显著下降，185以下 就无法确定弹性后效是否存在。 Date 产生弹性后效的原因可能 与金属中点缺陷的移动有 关。 例如， -Fe中
11、碳处于八面 体空隙及等效位置上，施 加z方向的拉应力后，x,y 轴上的碳原子就会向z轴 扩散移动，会使z方向继 续伸长变形(图1-12），于 是就产生了附加的弹性变 形。 因扩散移动需要时间，故附 加应变为滞弹性应变，卸载 后z轴多余的碳原子又会回到 原来x,y轴上，使滞弹性应变 消失。 Date 三、包申格效应： 是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形 ，而后再同向加载，规定残余伸长应力增加， 卸载时降低的现象。 所有退火态和高温回火态金属均有此效应。 包申格效应可使规定残余伸长应力增加或降低 1520。 Date 四、内耗（弹性滞后环） 在变形过程中被吸收的功， 可用弹性滞后环面积度量。该
12、 环表示金属在加载和卸载的过 程中，一部分能量被金属所吸 收，这部分被吸收的能量称为“ 金属的内耗”。 如果所加载荷为交变载荷则得 到的滞后环为交变滞后环。 材料产生内耗的原因与材料微 观组织结构和物理性能的变化 有关。（位错、间隙原子、晶 界、磁性的变化等） 图119 图118 Date 循环韧性（塑性应变环）的意义：材料的循环韧性越高，则 机件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循环韧性对 于降低机械噪声，抑制高速机械振动，防止共振导致疲劳断 裂是非常重要的。飞机螺旋桨、气轮机叶片需要高；而追求 音响效果的元件如音叉、簧片等要低；灰铸铁的大，常用 来作机床的床身、发动机的缸体和支架等。
13、图120自由振动衰减曲线 Date 第四节 塑性变形及其性能指标 一、 塑性变形方式与特点 材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移，并 不引起材料断裂的现象。 金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生。 Date 多晶体塑性变形的特点： （1） 各晶粒变形的不同时性和不均匀性（晶粒位向不 同） （2） 各晶粒变形的相互协调性（晶界的存在）多 晶体材料产生屈服的条件。多晶体金属作为一个连续的 整体，不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形，否则 就会造成晶界开裂这就要求各晶粒之间能协调变形 （3） 产生加工硬化现象和残余内应力 （4） 密度降低、电阻和矫顽力增加，化学活性增大， 抗腐蚀性能降
14、低 Date 二、 屈服现象与屈服强度 低碳钢 黄铜 屈服 伸长 A C 0.2 0.2 O 图131 屈服现象示意图 A上屈服点 C下屈服点 AC屈服平台 对于没有明显屈服点的材料， 用人为规定的办法确定屈服点 ：0.01； 0.05； 0.2； 1、 屈服现象：材料在拉伸过程中，当应 力增加到一定数值，突然下降并在一定数 值下保持恒定（或波动），而变形持续增 加，由弹性变形转变为弹塑性变形状态， 这种现象称为“屈服现象” Date 材料变形速率 塑性变形应变速率 b柏氏矢量的模 可动位错密度 V位错运动平均速率 = b V 沿滑移面上的切应力 0位错以单位速率运动所需 的切应力 m-应力敏感指数 m值越低，则为使位错运动速率变化所需的应 力变化就越大，屈服现象越明显。bcc金属的m值 一般小于20，所以具有较明显的屈服现象；而fcc 金属的m值大于100200，屈服现象就不太明显。 Date 2、 屈服强度：材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形 的能力 s工程意义： 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 s/b可以作为金属冷塑性变形加工的参考依据 和缓解应力集中防止脆断的参考依据。 Date 三、 影响金属材料屈
