材料力學(xué)性能第一章

1、第一章 材料在靜拉伸條件下的力學(xué)性能拉伸試驗是最簡單，但卻是最重要的力學(xué)性能試驗方法，可測定材料的彈性、強度、塑性、應(yīng)變硬化和韌性等許多重要的力學(xué)性能指標(biāo)。（拉伸性能）1.1 拉伸試驗室溫大氣中，在緩慢施加（110MPa/s）的單向拉伸載荷作用下，用光滑試件測定材料力學(xué)性能的方法。標(biāo)準(zhǔn)圓棒形拉伸20MPa/s0.0025/s10mm/min標(biāo)準(zhǔn)板狀拉伸試樣比例試樣退火低碳鋼的拉伸圖彈性變形屈服均勻塑性變形局集塑性變形斷裂工程應(yīng)力：；工程應(yīng)變：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線真應(yīng)力：；真應(yīng)變：由于材料具有不同的化學(xué)成份和微觀組織，在相同的試驗條件下，也會顯示出不同的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。脆性材料鑄鐵、玻璃等不存在屈服平

2、臺，有色金屬（鋁合金），焊接接頭無頸縮、局集的塑變高錳鋼，鋁青銅無均勻塑性變形，冷拔鋼絲存在非線性彈性變形聚氯乙烯工程實踐中，常按材料在拉伸斷裂前有無塑性變形，將材料分為脆性材料和塑性材料。1.2 彈性變形變形：材料在外力作用下發(fā)生尺寸或形狀的變化，稱為變形；彈性變形：若外力除去后，變形隨之消失（恢復(fù)原形狀、尺寸，變形可逆），稱為彈性變形。一、物理本質(zhì)原子間的相互作用力當(dāng)原子偏離其平衡位置較小時，原子間的相互作用力與原子間的距離近似成正比。虎克定律：二、彈性常數(shù)彈性模量：；泊松比： ；切變（剪切）模量： 體積彈性模量： 廣義虎克定律：；（本構(gòu)方程，物理方程，彈性矩陣）三、彈性模量及其影響因素F

3、=M/EI彈性模量E越高，在相同應(yīng)力作用下，彈性變形越小，因此E代表了材料對彈性變形的抗力，或者說代表了材料的剛度（注意：和構(gòu)件的剛度不同）k、m為大于1的常數(shù)1. 隨原子序數(shù)做周期性變化；表明E隨原子半徑增大而減小（同族元素，原子核最外層電子排列方式相同），亦即隨原子間的距離增大而減小。（各向異性）2. 合金元素和熱處理對E影響較??；即合金化（如果不影響原子間距的話）和熱處理對E基本無影響；3. 溫度E（鋼：34%/100）4. 一般的加載速率不影響E（鋼：vs=5000m/s，擺錘沖擊：46m/s，子彈出膛：1000m/s）5. 冷變形稍微降低金屬的彈性模量（鋼：下降46）四、彈性極限與彈

4、性比功1.比例極限（p）（proportion）非比例伸長應(yīng)力材料彈性變形時應(yīng)力和應(yīng)變成嚴(yán)格的正比關(guān)系的上限應(yīng)力（彈性應(yīng)變和應(yīng)力成正比關(guān)系的最大抗力）彈性元件（儀表）需要應(yīng)力應(yīng)變呈嚴(yán)格線性關(guān)系，即靈敏系數(shù)為定值條件（規(guī)定）比例極限的確定應(yīng)力超過彈性極限，材料便開始發(fā)生塑性變形2.彈性極限（e）材料發(fā)生可逆的彈性變形的上限應(yīng)力值理論上，彈性極限的測定應(yīng)該是通過不斷的加載與卸載，直到能使變形恢復(fù)的極限載荷為止；實際上，工程中通常規(guī)定以產(chǎn)生規(guī)定的某一少量殘留變形（如0.005，0.01，0.05）時的應(yīng)力做為彈性極限，稱為條件彈性極限。（均表征材料對微量塑性變形的抗力）條件彈性極限的確定（有些不允許

5、出現(xiàn)殘留變形的工件，例如機床的導(dǎo)軌）3. 屈服強度（屈服極限）（s y或0.2）屈服強度標(biāo)志著金屬對塑性變形的抗力，是工程技術(shù)上最為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。對于拉伸時出現(xiàn)屈服平臺的材料，由于下屈服點再現(xiàn)性較好，故以下屈服應(yīng)力做為材料的屈服強度。記為s。但是，更多的材料在拉伸時看不到屈服平臺，因而人為地規(guī)定當(dāng)試件發(fā)生一定殘余塑性變形量時的應(yīng)力做為材料的屈服強度，稱為條件屈服強度。允許的殘余變形量可因機件的服役條件而異。常用的條件屈服強度為0.2，表示殘余變形量為0.2時的應(yīng)力。（對于一些特殊機件，如高壓容器，為保持嚴(yán)格氣密性，其緊固螺栓不允許有微小的殘余伸長，要采用0.01甚至0.001做為條件

6、屈服強度；而對于橋梁、建筑物等大型工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件則可以容許更大的殘余變形量如0.5。因此可見，條件屈服強度和條件彈性極限沒有本質(zhì)的區(qū)別。）4. 彈性比功（We）又稱彈性應(yīng)變能密度，彈性比能，應(yīng)變比能。金屬材料吸收變形功而又不發(fā)生永久變形的能力；是在開始塑性變形前單位體積材料所能吸收的最大彈性變形功。減震和儲能，既要吸收大量變形功，又不允許發(fā)生塑性變形淬火+中溫回火提高e，或降低E均可提高材料的彈性比功，而提高e作用更大（因其為平方），且E很難改變（如前述）。彈簧材料要求在低應(yīng)力條件下發(fā)生較大的可見變形而又不發(fā)生塑性變形。硅錳鋼e=1200MPa1600MPa（如60Si2Mn）彈性元件還多用磷

7、青銅，鈹青銅，優(yōu)點是無磁性，高的e（1000MPa），低的彈性模量E（110GPa），因此靈敏度高。五、彈性不完善性（彈性不完整性）完善彈性指受到應(yīng)力作用時立即產(chǎn)生相應(yīng)的彈性應(yīng)變，去除應(yīng)力時彈性應(yīng)變也隨之消失；在應(yīng)力應(yīng)變曲線上，加載線和卸載線完全重合，即應(yīng)力和應(yīng)變嚴(yán)格同相位。然而實際的金屬材料，即使在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)變與應(yīng)力也并非呈嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，即應(yīng)變不僅和應(yīng)力有關(guān)，還和時間以及加載方式有關(guān)，這些與完善彈性性質(zhì)不同的現(xiàn)象，稱為彈性不完善性。主要包括彈性后效、彈性滯后以及包申格效應(yīng)（Bauschinger）。1.彈性后效（滯彈性）正彈性后效（），彈性蠕變；反彈性后效（）（用于表示彈性后效的大

8、小）應(yīng)變落后于應(yīng)力的變化。對于多晶金屬材料，彈性后效與起始變形的非同時性有關(guān)，即與各晶粒中應(yīng)變不一致不均一性有關(guān)。（因此，材料的成分和組織不均勻，彈性后效增大。具有密排六方晶格的鎂，晶格對稱性較低（與立方晶格相比），彈性后效強烈；經(jīng)淬火或冷作硬化的碳鋼，彈性后效高達30（回火300450，彈性后效消失）；另外溫度和應(yīng)力狀態(tài)對彈性后效也有明顯影響）彈性后效明顯，會影響儀表中彈性原件的靈敏度。2.彈性滯后和內(nèi)耗相對滯后系數(shù)循環(huán)韌性Cr13系列鋼用于制造汽輪機葉片 優(yōu)點彈性滯后，加載時金屬所吸收的彈性變形能大于卸載時所釋放的彈性變形能，即有一部分能量被不可逆地吸收（滯后環(huán)面積），稱為內(nèi)耗。可用于減震

9、（減震元件，例如灰口鑄鐵，做機器或結(jié)構(gòu)的底座或支架） 缺點有內(nèi)耗，如果做為儀表的彈性元件，將降低其靈敏度，另外，樂器中元件（例如琴弦），要求其內(nèi)耗低，以使聲音 共鳴而不衰減，音響效果好。1880年代，德國人，拉壓試驗3.包申格（Bauschinger）效應(yīng)材料預(yù)先經(jīng)過少量塑性變形（b(a、b共同特點：斷口齊平，并且垂直于最大主應(yīng)力方向，宏觀正斷，無塑性變形或有少量的均勻塑性變形，無頸縮，k極小。但微觀并不一定是正斷（解理斷），b可能是剪切型斷裂)（鑄鐵、淬火低溫回火的高碳鋼）（e）試樣的斷面可減細(xì)到近于一尖刀，然后沿最大切應(yīng)力方向斷開。（Sk）（純金Au、純鋁Al）（c）既有宏觀正斷，又有宏觀

10、切斷（Sk）（d）宏觀切斷（Sk）（c、d共同特點：出現(xiàn)頸縮，試樣中心先開裂，然后向外延伸（可能出現(xiàn)快速擴展（低能撕裂），如c），接近表面時，沿最大切應(yīng)力方向的斜面斷開，形成杯錐狀斷口。（詳細(xì)后述）2.斷裂類型及相關(guān)術(shù)語從工程應(yīng)用角度，常將斷裂分為韌性（延性）斷裂和脆性斷裂；韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂；脆性斷裂是金屬材料斷裂前沒有明顯宏觀塑性變形的斷裂；根據(jù)裂紋擴展路徑不同，可以分為穿晶斷裂和沿晶斷裂；根據(jù)擴展機制不同，可以分為解理斷裂和剪切斷裂（包括純剪切和微孔聚集型斷裂）；正斷和切斷，是指引發(fā)斷裂的原因和斷裂面的取向；（斷裂的宏觀表現(xiàn)與微觀機理并非是一一對應(yīng)的）（在

11、不同的場合，用不同的術(shù)語描述斷裂的特征。應(yīng)注意有關(guān)術(shù)語的含義及它們之間的相互關(guān)系和區(qū)別）三、脆性斷裂脆性斷裂的宏觀特征，是斷裂前不發(fā)生可測的塑性變形，因此，結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)力不能通過材料的塑性變形而重新分布，材料也不可能通過塑性變形而強化，因而不能延緩斷裂的發(fā)生；再則，材料發(fā)生脆性斷裂時，裂紋的擴展速度往往很快，相當(dāng)于（該材料中的）音速。所以，脆性斷裂前無明顯的征兆，且斷裂是突然發(fā)生的，危害更大。脆性斷裂的微觀機制主要有解理斷裂（準(zhǔn)解理斷裂）和晶間斷裂。1.解理斷裂 定義材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原子間結(jié)合鍵遭到破壞，嚴(yán)格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面（解理面）劈開而造成的。（解理面通常是表面能最小的晶面）

12、回火過程中馬氏體分解和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變都會產(chǎn)生碳化物（例如滲碳體）（fcc一般不解理，因其滑移系多） 形貌宏觀形貌：較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面；微觀形貌：河流狀花樣，河流的流向為裂紋擴展方向；舌狀花樣（沿孿晶面擴展形成）；（解理臺階的匯合）2.準(zhǔn)解理斷裂 定義多在馬氏體回火鋼（淬火回火鋼，40Cr）中出現(xiàn)，回火產(chǎn)物中細(xì)小的碳化物質(zhì)點影響裂紋的產(chǎn)生和擴展。其解理面呈多種小平面，解理小平面間有明顯的撕裂棱。 準(zhǔn)解理斷裂起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點，向四周放射狀擴展； 解理裂紋則從晶界一側(cè)向另一側(cè)延伸 形貌過共析鋼中析出二次滲碳體，沿奧氏體晶界網(wǎng)狀分布短而彎曲的撕裂棱，局部區(qū)域出現(xiàn)韌窩（是解理和微孔聚合的混合型

13、斷裂），河流花樣已不十分明顯。（宏觀表現(xiàn)3.沿晶斷裂 定義裂紋沿晶界形成并沿晶界擴展而引發(fā)的脆性斷裂（晶界強度降低的原因：晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相；微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚；由于環(huán)境因素?fù)p害了晶界，如氫脆，應(yīng)力腐蝕，蠕變等） 形貌宏觀形貌：粗瓷狀、顆粒狀，色澤稍灰暗；微觀形貌：巖石狀、冰糖狀四、韌性斷裂（延性斷裂）（以微孔聚集型斷裂為典型）1.斷裂過程當(dāng)光滑試樣受拉伸載荷作用，當(dāng)載荷達到最大值時，試樣發(fā)生頸縮。在頸縮區(qū)形成三向拉應(yīng)力狀態(tài)，在三向應(yīng)力作用下，使得試樣心部的夾雜物或第二相質(zhì)點破裂（或夾雜物或第二相質(zhì)點與基體界面脫離結(jié)合形成微孔。在外力作用下，微孔在縱向和橫向上均長大，并聯(lián)接

14、而形成大的中心空腔（中心裂紋）（微孔形核微孔長大微孔聚合）。然后，裂紋擴展：（微孔萌生顯微裂紋新的微孔萌生（在剪切帶上）微孔和裂紋聚合（擴展緩慢，形成鋸齒形纖維形）裂紋迅速擴展（形成放射狀花樣）剪切斷裂（剪切唇）（束德林：工程材料力學(xué)性能；黃明志：金屬力學(xué)性能）最后，沿45方向切斷，形成杯錐狀斷口。2.微孔成核、長大與聚合機制實際金屬中總有第二相粒子存在，它們是微孔形核的源。分為兩類：夾雜物（如鋼中的硫化物）在不大的應(yīng)力作用下便與基體脫開或本身裂開而形成微孔；強化相（如鋼中彌散的碳化物或其他第二相）它們本身比較堅實，與基體結(jié)合比較牢固，因位錯聚集，或在位錯塞積引起的高應(yīng)力或高應(yīng)變條件下，第二相

15、與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而萌生微孔。 微孔形核與長大的位錯模型（見上頁圖） 微孔形核和長大的塑性變形不協(xié)調(diào)理論基體塑性好，隨外加應(yīng)力而變形，第二相粒子塑性差不易變形，兩者不協(xié)調(diào)，界面上就出現(xiàn)了相互作用的內(nèi)應(yīng)力，超過一定程度時，將界面拉開而形成微孔。 微孔聚合的內(nèi)頸縮或幾何軟化理論微孔長大后出現(xiàn)“內(nèi)縮頸”，使實際承載的面積減小而應(yīng)力增加，起到“幾何軟化”作用，促使變形的進一步發(fā)展，加速微孔的長大，直至聚合。3.斷口形貌 宏觀形貌 纖維狀，色澤灰暗，邊緣有剪切唇（與主應(yīng)力方向呈45，最大切應(yīng)力方向）。杯錐狀斷口（退火低碳鋼圓棒試樣室溫拉伸）；由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三部分組成。（三部分所占面積和材料的塑性密切相關(guān)，材料的塑性越好，則放射區(qū)面積所占比例越小，最終放射區(qū)消失） 微觀形貌韌窩三種類型：拉伸型的等軸狀韌窩剪切型的伸長（拋物線型）韌窩撕裂型的伸長（拋物線