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1、第一部分 金属的变形力学行为变形断裂疲劳蠕变应力腐蚀摩擦磨 损单向静载荷其他静载荷冲击载荷单向静载荷其他静载荷冲击载荷应力-应变曲线弹性变形塑性变形断裂基础第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能静载荷:温度、应力状态和加载速率都固定不变。 动载荷:冲击载荷、循环载荷等。1. 静拉伸性能2. 静扭转性能3. 静弯曲性能4. 静压缩性能静 载 荷第一节 应力应变曲线弹性变形阶段 应力-应变成正比E：正弹性模量G：切弹性模量材料完全脆性 的曲线虎克定律1.1.1 脆性材料的拉伸性能第一节 应力应变曲线在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形 强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁
2、断口特征灰铸铁拉伸试样与断口形成平断口，断口平面与轴线垂直。是度量材料刚度的系数，或表征材料对弹性变形的抗力。 E、G值高，在相同应力下产生弹性变形就越小。断裂强度低，但抗压强度高。车床床身受压载荷：E、G值越高，弹性变形越小。脆性材料力学特征的主要参量：、E弹性模量绝大多数都有些塑性。弹变均匀塑变脆断强硬度高、塑性差高强度钢、高锰钢、铝青铜、锰青铜1.1.1 脆性材料的拉伸性能第一节 应力应变曲线弹性变形阶段 应力-应变成正比E：正弹性模量G：切弹性模量材料完全脆性 的曲线虎克定律强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形P 载 荷 (N
3、)l伸长 (mm)（低碳钢的拉伸力-伸长曲线）eps0bPpPePskPbPklb lu lk (MPa ) (%)0pesbkbu k（低碳钢的应力-应变曲线）1.1.2 塑性材料的拉伸性能第一节 应力应变曲线 (MPa ) (%)0低碳钢的应力-应变曲线a abk0a段aa 段a b段bk段弹性变形阶段塑性变形阶段弹性变形：外力去除后变形随之消失，这种变形称为弹性变形。塑性变形：外力去除后变形不会消失，留下永久性形变，这种 变形称为塑性变形。 (MPa ) (%)0a abk低碳钢的应力-应变曲线0a段发生弹性变形，与脆性材料相似 。变形量为0.5%1%，卸载后变形 消失。pe比例极限弹性
4、极限应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力值p。材料能够完全弹性恢复的最高应力值e。p和e哪个大？比例极限和弹性极限很难实际测量 (MPa ) (%)0a abk低碳钢的应力-应变曲线aa 段发生屈服变形。载荷不增加或反而减少，试样还 继续伸长的现象。 变形量为1%3%，屈服后，材料 出现明显塑变，表面滑移带。s屈服极限屈服强度，表征金属材料对塑性变形的抗力，用s表示。表明金属材料开始发生大规模塑性变形。意义屈服强度的测量 (MPa ) (%)0a abk低碳钢的应力-应变曲线a b段发生均匀塑性变形。b形变强化（加工硬化）：屈服 后欲变形必须不断加载，随塑 变增大，变形抗力增大。抗拉极限表征
5、金属材料的极限承载能力，用b表示。m 0 为总变形量，其中弹性变形量和塑性变形量各为哪段？ (MPa ) (%)0a abk低碳钢的应力-应变曲线kbk段发生不均匀塑性变形。断裂极限表征金属材料抵抗断裂能力，用k表示。实际断裂强度：Sk颈缩材料可能发发生的局部截面缩缩减的现现象。材料的承载能力下降。低碳钢的应力-应变曲线 (MPa ) (%)0a abkkbspe小结比例极限弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度现象：屈服加工硬化颈缩性能指标：屈强比低，材料塑性好；屈强比高，材料抗变形能力好。s/ b屈强比s/ b第二节 弹性变形1.2.1 弹性变形及其实质1.2.2 胡克定律1.2.3 弹性模量与
6、刚度1.2.4 弹性比功1.2.5 滞弹性1.2.1 弹性变形及其实质第二节 弹性变形弹性变形特点：总结1. 可逆性：卸载后变形消失 2. 单值性：应力应变一一对应 3. 变形性小：0.5%1%你胆小r0r0物理本质1.2.1 弹性变形及其实质r1晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。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但是，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(一) 简单应力状态的胡克定律1单向拉伸（1-1）2剪切和扭转（1-2） 3E、G的关系 （1-3）1.2.2 胡克定律第二节 弹性变形(二) 广义胡克定律（1-4）当应变
7、为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力， 即弹性模量是产生100弹性变形所需的应力。这个定义 对金属而言是没有任何意义的，因为金属材料所能产生 的弹性变形量是很小的。1.2.3 弹性模量与刚度第二节 弹性变形弹性模量金属材料E/105MPa 铁2.17 铜1.25 铝0.72铁及低碳钢2.0 铸铁1.71.9 低合金钢2.02.1 奥氏体不锈钢1.92.0合金化、热处理、冷塑性变 形对弹性模量的影响不大。 ？工程上的弹性模量刚度刚度大，则挠度小1.2.4 弹性比功第二节 弹性变形表示金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比功，应变比能。弹性极限屈服强度表示金属材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大
8、功。韧性吸收功储备能量 ？储能减震恒力碟簧支吊架 1.2.5 滞弹性第二节 弹性变形而后产生附加应变eO（1）突然加载OA，产生瞬时应变Oa而后产生附加应变Ah（2）快速卸载Be，产生瞬时应变He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 。滞弹性产生原因：可能与金属中点缺陷的移动有关 。 在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑滞弹性问题。1.3.1 塑性变形方式及特点 1.3.2 屈服现象和屈服点(屈服强度) 1.3.3 影响屈服强度的因素 1.3.4 应变硬化(形变强化) 1.3.5 缩颈现象和抗拉强度 1.3.6 塑性 1.3.7 静力韧度第三节 塑性
9、变形1.3.1 塑性变形方式及特点第三节 塑性变形塑性变形方式滑移孪生晶界滑动扩散性蠕变切应力一定晶面和晶向切变过程切应力镜面对称关系切变过程主要方式变形量大变形量小调整滑移面1. 各晶粒变形的不同时性和不均匀性1.3.1 塑性变形方式及特点第三节 塑性变形塑性变形特点2. 各晶粒变形的相互协调性1.3.2 屈服现象和屈服点（屈服强度 ）第三节 塑性变形外力不增加 (保持恒定)试样仍能继续伸 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况下， 试样继续伸长变形的现象。屈服现象屈服点上屈服点su下屈服点sl吕德斯带屈服平台避免：预加1%2%变形研究指出，屈服现象与下述三个
10、因素有关: 材料在变形前可动位错密度很小(或虽有大量位错但被钉扎住，如钢 中的位错为杂质原子或第二相质点所订扎)； 随塑性变形发生，位错能快速增殖； 位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。1.3.2 屈服现象和屈服点（屈服强度 ）第三节 塑性变形屈服机理金属材料一般是多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响 屈服强度的因素，必须注意以下三点： 屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错增殖和运动的各种因 素必然要影响屈服强度； 实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果，因此，要考 虑晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分以及第二相的影响； 各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。
11、1.3.3 影响屈服强度的因素第三节 塑性变形1.3.3 影响屈服强度的因素第三节 塑性变形影响因素内在因素外在因素金属本性及晶格类型晶粒大小及亚结构溶质元素第二相温度应变速率应力状态1.3.4 应变硬化（形变强化）真实应力应变曲线第三节 塑性变形弹性变形部分重合B在b的左上方bBPS=（ 1+） e=ln（1+） bBP1.3.4 应变硬化（形变强化）真实应力应变曲线第三节 塑性变形PB段：HollomonS=KenK强度系数n应变硬化指数，反映金属材料 抵抗均匀塑性变形的能力。金属材料的n值越大，则加工成的机件 在服役时承受偶然过载的能力也就越大 。1.3.4 应变硬化（形变强化）真实应力
12、应变曲线第三节 塑性变形直线作图法求n值S=KenlgS=lgK+nlge1.3.5 缩颈现象和抗拉强度第三节 塑性变形颈缩是应变硬化（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果 。颈缩判据dF=AdS+SdA=0V=ALAdL+LdA=0eB=n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，颈缩便会产生。1.塑性与塑性指标塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久 (塑性) 变形的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部 分构成。金属材料常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。2.塑性的意义和影响因素 虽然金属的塑性指标通常并不能直接用于机件的设计，但塑性大
13、小能反 映材料冶金质量的好坏，故可用以评定材料质量。金属材料的塑性常与其强度性能有关。 1.3.6 塑性第三节 塑性变形断后伸长率:断后伸长率是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，用表示式中 试样原始标距长度 ; 试样断裂后的标距长度。断面收缩率:断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截 面积的百分比，用符号表示式中 试样原始横截面积;缩颈处最小横截面积。1.3.6 塑性第三节 塑性变形1.4.1 断裂的类型 1.4.2 解理断裂 1.4.3 微孔聚集断裂 1.4.4 断裂强度 1.4.5 断裂理论的应用第四节 金属的断裂1. 韧性断裂与脆性断裂2. 穿晶断裂与沿晶断裂
14、3. 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大 。1.4.1 断裂的类型第四节 金属的断裂1. 按照断裂前变形的程度分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前发生明显的塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色，纤维状。有预兆，一般不发生严重事故。脆性断裂：是一种突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显的征兆，危害大。断口平齐而光亮，并垂直于外加的正应力脆性断裂前也发生微量塑性变形，一般规定5%，为脆性断口；5%，为韧性断口。2. 按照裂纹扩展的途径分为穿晶断裂和沿晶断裂 。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部扩展，可以是韧性的，
15、也可是脆性的；沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多属于脆性的。随温度升高，多数金属都由穿晶断裂转化为沿晶断裂。1.4.1 断裂的类型穿晶断裂沿晶断裂40Cr钢中间轴的脆性断口多处裂纹源断口平齐光亮人字文或放射花样1.4.1 断裂的类型1.4.1 断裂的类型3. 按照晶体学特征分为解理断裂和切变断裂。解理断裂：在正应力作用下产生的穿晶断裂，通常断裂面是严格沿一定的晶面（即解理面）而分离；通常解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂。bcc和hcp金属与合金在低温冲击载荷作用下能促使，fcc金属一 般不发生， 切变断裂：在切应力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑移面分离称为；属于韧性断裂。可以发生单滑移断裂、多滑移断裂和孪生断裂。分为两类：（1）滑断（纯剪切断裂）：纯金属中常发生（2）微孔聚集型断裂：低碳钢拉伸断裂时杯锥状断口 ，典型韧断。4. 按照断裂面的取向分为正断型断裂和切断型断裂正断型断裂：断口取向和最大正应力垂直。常见于解理断裂或塑性变形约束较大的场合。切断型断裂：宏观断面的取向与最大切应力方向一致，和最大正应力约成45角。常发生于塑变不受约束或约束较小的情况，如拉伸断口上的剪切唇。 5. 按照受力状态冷脆断裂蠕变断裂应力腐蚀断裂氢脆断裂静载断裂：拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂动载断裂：冲击断裂、疲劳断裂按照环境介质1.4.
