1 金屬材料在靜拉伸載荷下的力學性能4

1、第一章 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學性能,靜載荷：,加載速率,2、變形速率,絕對變形速率：單位時間內(nèi)試樣長度的增長率。,在510MPa/s.,1mm/s，5mm/S,在10-410-2/s，,相對變形速率：應變速率,提高上述性能指標的方向和途徑,物理概念與實用意義,彈性變形、塑性變形及斷裂的基本規(guī)律和原理,性能指標的影響因素,主要內(nèi)容:,測出最基本的力學性能指標：,屈服強度、,抗拉強度、,斷后伸長率,彈性模量,揭示三種失效方式：,過量彈性變形、,塑性變形,斷裂,一、拉伸試驗 （附錄A：GB/T228-2002：金屬材料室溫拉伸試驗 GB/T228-87 ）,1、標準比例試樣：圓形試樣L0=5d

2、0或L0=10d0,第一節(jié) 拉伸力 伸長曲線和應力應變曲線,2、拉伸實驗,動畫,oe,:彈性變形,e點后:塑性變形,力去除后能恢復原狀的變形。,外力去除后不能恢復原狀的變形。,ek ：,彈-塑性變形階段,e點后平臺：,屈服,外力不增加或是上下波動而試樣繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形而伸長的現(xiàn)象。,cB:均勻塑性變形階段,B:點后局部縮頸現(xiàn)象,1、彈性變形,2、不均勻屈服塑性變形,3、均勻塑性變形,4、不均勻集中塑性變形,5、斷裂,低碳鋼在拉伸力作用下的變形過程：,二、工程應力-應變曲線和真實應力-應變曲線,1、工程應力-應變曲線,拉伸曲線-應力應變曲線 工程應力載荷除以試件的原始截面積即得工程應力，=FA0

3、 工程應變伸長量除以原始標距長度即得工程應變，=ll0,2、拉伸性能指標,1） e彈性極限,6） E彈性模量,2）s屈服強度,3) b抗拉強度,4) K斷裂強度,5） 伸長率,3、不同材料的拉伸曲線,圖a,圖b,圖c,有明顯的屈服現(xiàn)象,無屈服現(xiàn)象,無明顯的塑性變形,低碳鋼,鋁合金、銅合金、中碳合金鋼,淬火高碳鋼、鑄鐵,圖d,無加工硬化,冷拔鋼絲,4、真實應力-應變曲線,第二節(jié) 彈性變形,一、彈性變形的實質(zhì),金屬材料彈性變形是其晶格中的原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反應。,雙原子模型：,F=A/r2-A(r0)2/r4,Fmax:在彈性狀態(tài)下的斷裂載荷,二、彈性模量,1、胡克定律：,單向拉伸時,切

4、變模量G =/,對金屬值約為0.33（或1/3）,泊松比：= X/Z,拉伸楊氏模量： E = /,物理意義：,產(chǎn)生單位應變所需的應力,技術(shù)意義：,E，G稱為材料的剛度,表征材料對彈性變形的抗力,相同的下:E,表1-1幾種金屬材料在常溫下的彈性模量,合金化（加入某種金屬）對E影響很小,首先決定于結(jié)合鍵：,應力和應變的關(guān)系實質(zhì)是 原子間作用力和原力間距的關(guān)系.,共價鍵結(jié)合的材料彈性模量最高,SiC，Si3N4陶瓷材料有很高的彈性模量。,E = /,材料的彈性模量與原子間結(jié)合力和原子間距有關(guān).,金屬的原子間作用力取決于原子本性和晶格類型,金屬鍵有較強的鍵力,其彈性模量適中,例如鐵(鋼)的彈性模量為2

5、10GPa， 是鋁(鋁合金)的三倍(EAl70GPa)，,鎢的彈性模量又是鐵的2倍，鐵是鋁的3倍。,彈性模量是和材料的熔點成正比的,彈性模量取決于原子本性和晶格類型,與原子序數(shù)有周期性關(guān)系,E=K/m,K，m1特征常數(shù),原子半徑,E,單晶體金屬彈性各向異性,多晶體金屬彈性偽各向同性,金屬材料的彈性模量是組織不敏感的力學性能指標：,合金化（加入某種金屬）對其影響很小,熱處理對E影響不明顯,冷塑性變形對E影響不大,E 46%,殘余應力,溫度T：,E （3%5%/100）,加載速度對E影響不大,三、彈性極限和比例極限,1、 彈性極限 e,材料只發(fā)生彈性變形所能承受的最大應力,應用：不允許產(chǎn)生微量塑性

6、變形的機件,2、比例極限 p,材料所受應力與應變成正比關(guān)系的最大應力,應用：應力與應變嚴格的直線關(guān)系的機件,注意：,多晶體材料，各晶粒變形不同時，很難測出準確和唯一的e 和p,用規(guī)定的微量塑性變形(殘余伸長)所需的應力來表征。,彈性比功ae=ee/2,成分與熱處理對彈性極限影響大，對彈性模量影響不大。,儀表彈簧因要求無磁性，鈹青銅，磷青銅等軟彈簧材料。,a e ,四、彈性比功,表征金屬材料吸收彈性功的能力。,彈性比能,應變比能,應力-應變曲線下彈性范圍所吸收的變形功,=e2/2E,eE,理想的彈簧材料要求有高的彈性比功,表1-2彈簧材料的彈性比功,五:彈性不完善性,(一)、滯彈性(彈性后效),

7、在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時間 延長而產(chǎn)生附加彈性應變的現(xiàn)象，滯彈性,卸載時應變落后于應力的現(xiàn)象，叫反彈性后效,加載時應變落后于應力的現(xiàn)象，叫正彈性后效,原因：點缺陷的運動有關(guān),組織越不均勻，溫度越高，切應力越大； 彈性后效越明顯。,精密儀器不希望有彈性滯后現(xiàn)象。,（二）彈性滯后環(huán)和循環(huán)韌性,彈性滯后環(huán)：金屬的內(nèi)耗,循環(huán)韌性：金屬在交變載荷作用下吸收不可逆變形功的能力,消振性： （循環(huán)韌性）吸收不可逆變形功的能力,表1-3 一些金屬材料的比循環(huán)韌性,(三)包申格效應,產(chǎn)生了少量塑性變形的材料，再同向加載規(guī)定殘余伸長應力升高；反向加載規(guī)定殘余伸長應力降低的現(xiàn)象。,包申格效應變,原因：位錯支

8、運動阻力發(fā)生變化。,作用：循環(huán)軟化，塑性變形抗力下降 反向成形,消除：回復或再結(jié)晶退火 較大的塑性變形,第三節(jié) 金屬材料的塑性變形,一、塑性變形,1、塑性變形的主要方式,滑移和孿生,滑移,:金屬材料在切應力作用下 ,沿滑移面和滑移方向進行的平移過程,孿晶,金屬材料在切應力作用下，均勻切變過程,BCC,110,FCC,111,HCP,0001,施密特(Schmid)定律,滑移方向上的分切應力為：,稱為取向因子或施密特因子。當+= 900，取向因子有最大值0.5。,單晶體屈服強度和取向有關(guān).,屈服強度大的取向稱為硬取向,其M值小.,屈服強度小的取向稱為軟取向,其M值大.,位錯增殖,X,位錯滑移與宏

9、觀塑性變形,X,晶體轉(zhuǎn)動,2）各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性,2、多晶體塑性變形的特點,1）各晶粒變形的不同時性和不均勻性,二、屈服現(xiàn)象和屈服強度（屈服點）,1、屈服現(xiàn)象：,在外力不增加或是上下波動情況下，試樣繼續(xù)變形的現(xiàn)象。,屈服線(流動帶、呂德斯帶)：拉伸后試樣表面出現(xiàn)的斜線,上屈服點和下屈服點,初始瞬時效應,2、原因或條件：,產(chǎn)生屈服的條件：,1）變形前可動位錯密度很??；,2）隨塑性變形，位錯能快速增殖；,3）位錯運動速率與外加應力有強烈的依存關(guān)系,V=（ / 0）m,V位錯運動平均速率,可動位錯密度,b柏氏矢量的模,滑移面上的分切應力, 0位錯以單位速率運動所需的切應力,m位錯運動速率應力敏感

10、指數(shù),3、屈服強度s 表征材料對微量塑性變形的抗力。,m小，則變化大，屈服明顯。,開始塑性變形時,可動小,要求V大,要求 大,塑性變形后, ,要求V小,要 ,BCC: m100200，屈服不明顯,V=（ / 0）m,s：上屈服點su和下屈服點sl,通常規(guī)定產(chǎn)生0.2%微量塑性伸長所對應的應力，作為條件屈服強度，記為0.2,(1)規(guī)定非比例伸長應力,應力-應變曲線上非比例伸長達到規(guī)定的數(shù)值所對應的應力,p0.01、 p0.05,采用p表示,(2)規(guī)定殘余伸長應力,試樣加載后再卸載，以出現(xiàn)殘留的 永久變形達到規(guī)定值的應力,以r表示,r0.01 r0 .05等,(3)規(guī)定總伸長應力,如t0.5,以t

11、表示,屈雷斯加最大切應力判據(jù)：,1-3=s,（1-2）2+（2-3）2+（3-1）=22s,米賽斯畸變能判據(jù)：,多向應力：,三、 影響屈服強度的因素,內(nèi)在因素:,1、原子本性和晶格類型,G切變模量,a滑移面的晶面間距,b柏氏矢量的模,純金屬合金,單晶體多晶體,位錯塑性變形,單相多相,內(nèi)因外因,位錯寬度W= a/(1- ),派納力：p-n=2G/(1-)*e(-2w/b),BCC的W小，,p-n大,FCC的W大，,p-n小,2、位錯密度（形變強化）, ， ,BCC的（0.4）大于FCC的（0.2）,:位錯間的交互作用 = Gb(1/2),3、晶界和亞晶（細晶強化） ： s= i+ kyd（-1/

12、2）,i-位錯在基體金屬中運動的阻力,Ky度量晶界對強化貢獻大小的釘扎系數(shù),4、溶質(zhì)原子（固溶強化）:濃度、溶質(zhì)種類,混合定律： s=f 1/3 +（1- f 1/3 ） p,5、第二相（第二相強化）,1）彌散型（沉淀和彌散強化）,2）聚合型,：熱處理和粉末冶金方法,粒狀珠光體,彌散型（沉淀和彌散強化）,=Gb/l,相的性質(zhì)、數(shù)量、大小、形狀、分布,外在因素：,溫度、應變速率、應力狀態(tài),1、溫度因素,T ，屈服強度,2、應變速率,m-應變速率敏感指數(shù),3、應力狀態(tài)的影響,切應力分量大， s小，,如扭轉(zhuǎn)比拉伸小,四 加工硬化（應變硬化）,S=Ken,開始屈服到發(fā)生縮頸,n稱為加工硬化指數(shù)或應變硬

13、化指數(shù),K叫做強度硬化系數(shù),流變應力隨應變的增加而增加的現(xiàn)象。,S真應力 e真應變,n=1,理想的彈性體,n=0,無應變硬化能力,真應力：,lnS=lnK+nlne,lgS=lgK+nlge,影響n的因素：,層錯能：,高,n小,材料狀態(tài)：,退火狀,n大,強度等級：,ns=常數(shù),溶質(zhì)含量高：,n小,晶粒大小：,大,n大,應變硬化機理：,加工硬化速率d/d,易滑移階段,線性硬化階段,d/d小,d/d常數(shù),拋物線硬化階段,d/d減小,單系滑移,多系滑移,交滑移,加工硬化（指數(shù)n）的實際意義,反映了材料開始屈服以后，繼續(xù)變形時材料的應變硬化情況，它決定了材料開始發(fā)生縮頸時的最大應力。（b或Sb）,1)

14、是零件安全使用的可靠保證。對于工作中的零件，要求材料有一定的加工硬化能力.,2) 金屬的加工硬化指數(shù)（能力），對冷加工成型工藝是很重要的。,3)形變強化是提高材料強度的重要手段。,4）改善切削加工性能,低碳鋼有較高的加工硬化指數(shù)n,n約為0.2。 汽車身板鋁合金化 ，其n值較低(0.15)，冷加工或沖壓性能差,五縮頸現(xiàn)象,縮頸：拉伸試驗時,變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象.,縮頸前是均勻變形，縮頸后是不均勻變形，即局部變形,B點:塑性失穩(wěn)點(拉伸失穩(wěn)點),原因:,應變硬化與截面減小共同作用的結(jié)果,縮頸條件：ds/de=S,當加工硬化速率等于該處的真應力時就開始縮頸。,n=eb,s=ken,ds/d

15、e=kne (n-1),在縮頸點:,ds/de=kneb (n-1),ds/de=sb,n=eb,= kebn,kne (n-1)= kebn,金屬材料的應變硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑性應變量時,縮頸便會產(chǎn)生。,脆性材料：設計時，其許用應力以抗拉強度為依據(jù)。,六 抗拉強度b,材料在拉伸過程中最大試驗力所對應的應力.,脆性材料：在材料不產(chǎn)生縮頸時抗拉強度代表斷裂抗力.,塑性材料：代表產(chǎn)生最大均勻塑性變形抗力,它表示了材料在靜拉伸條件下的極限承載能力。,易測定，表現(xiàn)性好，作為產(chǎn)品規(guī)格說明或質(zhì)量控制的標志。,b 能和材料的疲勞極限-1和材料的硬度H B 建立一定關(guān)系,對淬火回火鋼：-10.5b b0

16、.345 H B,五大指標：S，b，a K,七 塑性,1、塑性:,金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力.,斷后伸長率和斷面收縮率表示,斷后伸長率,l試樣斷裂后的標距長度,l0試樣原始標距長度,l=l- l0,由均勻塑性變形lU和不均勻塑性變形ln,U (均勻變形伸長率) =lU /l0= L0 /L0= ,N (局部變形伸長率)=ln/l0 = A0 (1/2)/L0,短試樣:,5,10,5,L0=5d0,長試樣:,L0=10d0,10,斷面收縮率：,=（A0-A）/A0100%,A0試樣原始橫截面能,A- 縮頸處最小橫截面積,(1+)(1- )=1,= /(1- ),均勻塑性變形:,若:材料發(fā)生

17、了縮頸,長試樣用,短試樣用表示,比對組織變化更為敏感,gt:,最大力下的總伸長率,gt對于評定沖壓板材的成型能力是很有用的。,真實應變 eB =ln(1+gt)=n,2、塑性的意義和影響因素,意義:,1、安全力學性能指標,2、壓力加工工藝性能,3、評定產(chǎn)品質(zhì)量,4、零件裝配及修復等,影響因素：,1、溶質(zhì)元素,2、第二相,3、冶金質(zhì)量或是缺陷,間隙原子比置換原子顯著,塑性,塑性,少、圓、小、勻,缺陷塑性,4、晶粒大小,細化晶粒塑性,注意：,塑性與強度關(guān)系,5、形變強化,塑性,材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。,八、靜力韌度,韌性：,抗抵裂紋擴展的能力。,靜力韌度:材料在靜拉伸時單位體積材料

18、斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力.,UT,A=(Sk2- 0.22)/2D,A=(1/2)(Sk+ 0.2)(ef),D =(Sk- 0.2)/ef,D形變強化模數(shù),S =0.2+ D e,S =K en,第四節(jié) 金屬材料的斷裂,一、斷裂的分類,1、,b,3、按裂紋擴展的路徑分,穿晶斷裂,沿晶斷裂,冰糖狀斷口,4、按斷裂的機理分,解理斷裂：,在正應力作用下沿一定的晶體學平面產(chǎn)生的穿晶斷裂,微孔聚集型斷裂：,通過微孔形核、長大聚合而導致斷裂。,純剪切斷裂：,在切應力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂。,二、拉伸試樣的宏觀斷口,1、韌性斷裂的宏觀斷口：,纖維狀,暗灰色,光滑圓柱試樣的拉伸斷

19、口：,杯錐狀,斷口特征三要素,三個區(qū)的形成：,纖維區(qū)：裂紋緩慢擴展形成。微孔形成、長大、相連（聚合）,放射區(qū)：裂紋快速擴展形成。,剪切唇：試樣拉伸斷裂的最后階段形成。,三個區(qū)域的比例關(guān)系與材料韌斷性能和實驗條件有關(guān),材料的硬度和強度很高，則放射區(qū)比例增大,低溫環(huán)境，試樣尺寸增大，放射區(qū)比例增大,2、脆性斷裂的宏觀斷口：,平齊,光亮,呈放射狀或結(jié)晶狀,板狀矩形試樣拉伸形成人字紋花樣,三、斷裂強度,（一）理論斷裂強度,m= G/2 G=104-5 MPa 實際測得在1-10 MPa,決定材料強度的最基本因素：,原子間結(jié)合力,理論切變強度：,在切應力作用下，兩原子面作剛性滑移所需的理論切應力,理論斷

20、裂強度：,在正應力作用下，將晶體的兩個原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應力,理論斷裂強度：,理論斷裂強度即相當于克服最大引力m。,m=？,引力和位移的關(guān)系,= msin(2X/ ),X很小時:,= m 2X/ （1）,根據(jù)虎克定律:,= EX/a0 （2）,m 2X/ = EX/a0,m = E/2a0 (3),能量守恒,:外力所作的功等于斷裂面的表面能,外力所作的功U0為-X曲線所圍成的面積,= m /,表面能=2 s,m /=2 s,=2 s /m 代入(3)式,m = E 2 s /m 2a0,m=(E s /a0)1/2,U0=,m = E/2a0 (3),m理論斷裂強度,m =(2X

21、105X106X2/2.5X10-10)1/2,鐵:E=2X105MPa, a0=2.5X10-10m, s =2J/m2,=4X1010Pa,=4X104MPa,理論斷裂強度高于實際的斷裂強度？,(二)斷裂強度的裂紋理論(格雷菲斯裂紋理論),:實際材料中已經(jīng)存在裂紋,當平均應力很低時,局部應力集中已達到很高數(shù)值(m ),從而使裂紋快速擴展并導致脆性斷裂., max= m,1921年格雷菲斯提出,max,= (1+2(a/)1/2), 2(a/)1/2,= (Es /4a a0) 1/2,max= m,2(a/)1/2,=(Es /a0) 1/2,C= (Es /4a a0) 1/2,=m (

22、/4a) 1/2,(/4a) 1/2,或a,C ,如果彈性能降低足以滿足表面能增加之需要時,裂紋就會失穩(wěn)擴展引起脆性破壞.,從能量角度計算裂紋體的斷裂強度:,系統(tǒng)彈性能的降低必與因存在裂紋而增加的表面能相平衡., max,假設一單位厚度無限寬薄板,施加一拉應力,與外界隔絕能源,z=0,平面應力狀態(tài),單位體積儲存的彈性能為,2/2E,中心割一2a長的裂紋,釋放的彈性能Ue,Ue=-2a2/E,增加的表面能W為,W=4as,整個系統(tǒng)能量變化為,Ue+ W= -2a2/E+ 4as,c=(2E s / a)1/2,Ue+ W= -2a2/E+ 4as,-22a/E+ 4s=0,a=2Es / 2,a

23、c=2Es / 2,ac臨界裂紋長度,裂紋體的斷裂強度,對于厚板,c=(2E s /（1- 2）a)1/2,ac=2Es /（1- 2）2,如果裂紋尖端很小,與a0相近,0.8 (Es /a) 1/2和0.5 (Es /a) 1/2,必要條件：,充分條件：,c=(2Es /a)1/2,c= (Es /4aa0) 1/2,如果3a0時用c=(2Es /a)1/2,如果3a0時用c= (Es /4aa0) 1/2,注意:格雷菲斯的斷裂強度公式只適用于脆性固體,對于金屬材料:,c=E(2s + p)/a1/2,p塑性變形所需的塑性變形功,2s p,c=(Ep/a)1/2,應力松馳:,c= (Es /

24、4aa0) 1/2,裂紋尖端附近產(chǎn)生塑性變形, 尖端發(fā)生鈍化使增大, max減少的現(xiàn)象.,四、解理斷裂機理和微觀斷口特征,（一）解理裂紋的形成和擴展,裂紋形成的位錯理論,甄納-斯特羅位錯塞積理論,事實：斷口附近仍然有少量的塑性變形,1948年甄納,當切應力達到某一臨界值時，塞積頭處的位錯互相擠緊聚合而成一高nb，長r的楔形裂紋。,斯特羅指出,如果塞積頭處的應力集中不能為塑性變性所松馳，則塞積頭處的最大拉應力fmax能夠等于理論斷裂強度形成裂紋.,fmax=（ -i ）（d/2r）1/2, i:滑移面上的有效切應力,m =(Es /a0)1/2,f =i+ (2rEs /da0)1/2,若r與a

25、0相當，E=2G（1+ ）代入得,f =i+ (4 G（1+）Es /d)1/2,裂紋擴展條件（柯垂耳）,nb=2 s,c= 2sG/d（-i）,（s -i）=kyd（-1/2）,c= 2s G /kyd（1/2）,nb=d（-i）/G,(二)解理斷裂的微觀斷口特征,解理斷裂的基本微觀特征(微觀斷口特征): 解理臺階、河流花樣、解理舌,河流花樣,解理臺階形成方式：,1、解理裂紋與螺旋位錯相交,2、二次解理或撕裂,河流花樣形成示意圖,河流通過傾斜晶界,河流通過扭轉(zhuǎn)晶界 重新形核,舌狀花樣及形成示意圖,（三）準解理,原因:細小的第二相,它是解理斷裂的變種,不同點: 準解理小刻面不是晶體學解理面; 裂紋多萌芽于晶粒內(nèi)部。,與解理的共同點: 有小解理刻面、臺