材料力學(xué)性能

1、材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能第二章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能2.1 靜載拉伸試驗(yàn)靜載拉伸試驗(yàn)2.2 彈性變形彈性變形2.3 塑性變形塑性變形2.4 材料的斷裂材料的斷裂材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.1 靜載拉伸試驗(yàn)靜載拉伸試驗(yàn)是最基本的、應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)方法：* 由靜載拉伸試驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)，可以作為工程設(shè)計(jì)、評(píng)定材料和優(yōu)選工藝的依據(jù)，具有重要的工程實(shí)際意義。* 靜載拉伸試驗(yàn)可以揭示材料的基本力學(xué)行為規(guī)律，并且得到材料彈性、強(qiáng)度、塑性和韌性等許多重要的力學(xué)性能指標(biāo)。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力

2、學(xué)性能2.1.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線* 靜載拉伸試樣一般為光滑圓柱試樣或板狀試樣。若采用光滑圓柱試樣，試樣工作長度（標(biāo)長）l0=5d0或l0=10d0，d0為原始直徑。3/119光滑圓柱試樣稱為拉伸圖。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能* 試驗(yàn)裝置和過程：試驗(yàn)通常在室溫、軸向和緩慢加載(10-410-2/s)條件下進(jìn)行的，并以自動(dòng)記錄或繪圖裝置記錄或繪制試件所受的載荷P和伸長量l之間的關(guān)系曲線，這種曲線通常4/119萬能材料試驗(yàn)機(jī)材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能* 典型曲線材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能* 評(píng)價(jià)指標(biāo)工

3、程應(yīng)力=P/A0工程應(yīng)變 = l/l 0(2-1)(2-2)式中為載荷，l為試樣伸長量，l=l- l0，l0為試樣原始標(biāo)長，l為與相對(duì)應(yīng)的標(biāo)長部分的長度，A0為原始截面積。6/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能圖2-1 脆性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線比， = E材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.1.1.1 脆性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線* 典型材料： 玻璃、多種陶瓷、巖石，低溫下的金屬材料、淬火狀態(tài)的高碳鋼和普通灰鑄鐵等。* 曲線特征： 在拉伸斷裂前，只發(fā)生彈性變形，不發(fā)生塑性變形，在最高載荷點(diǎn)處斷裂，如圖2-1所示。* 斷口特征：平斷口，斷口平面

4、與拉力軸線垂直。* 描述參數(shù)：彈性模量E 應(yīng)力-應(yīng)變曲線與橫軸夾角的大小表示材料對(duì)彈性變形的抗力，E=tan(2-3)虎克（Hooke）定律 在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正湖南大學(xué)8/119（2-4）9/119 材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能湖南大學(xué)圖2-2 塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線10/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.1.1.2 塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（1）最常見的金屬材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線：Oa為彈性變形階段，ab為形變強(qiáng)化階段，bk為縮頸階段，在k點(diǎn)發(fā)生斷裂，如圖2-2(a) 。典型材料有調(diào)質(zhì)鋼、黃銅和鋁合金。（2）具有明

5、顯屈服點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：曲線有明顯的屈服點(diǎn)aa，屈服點(diǎn)呈屈服平臺(tái)或呈齒狀，相應(yīng)的應(yīng)變量在1%3%范圍，圖2-2(b) 。湖南大學(xué)典型材料：退火低碳鋼和某些有色金屬。湖南大學(xué)11/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能（3） 不出現(xiàn)頸縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：只有彈性變形oa和均勻塑性變形ak階段，圖2-2(c) 。典型材料：鋁青銅和高錳鋼。（4） 不穩(wěn)定型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：在形變強(qiáng)化過程中出現(xiàn)多次局部失穩(wěn)，原因是孿生變形機(jī)制的參與，當(dāng)孿生應(yīng)變速率超過試驗(yàn)機(jī)夾頭運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，導(dǎo)致局部應(yīng)力松弛，從而出現(xiàn)齒形特征，如圖2-2(d) 。典型材料：低溶質(zhì)固溶體鋁合金和含雜質(zhì)鐵合

6、金。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.1.1.3 高聚物的拉伸1玻璃態(tài)高聚物的拉伸* TTg ，曲線（1），應(yīng)變10%* TTg ，但溫度升高，曲線（2），屈服點(diǎn)B，20%應(yīng)變* Tg以下幾十度，曲線（3）* Tg以上幾十度，曲線（4），較長的平臺(tái)。湖南大學(xué)12/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2結(jié)晶高聚物的拉伸（1）試樣均勻被拉長，應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系；在Y點(diǎn)后，出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)“細(xì)頸”。（應(yīng)變1%10%）（2）細(xì)頸部分不斷擴(kuò)展，非細(xì)頸部分縮短，直至整個(gè)試樣完全變細(xì)。（500%1000%）此階段應(yīng)力幾乎不變。（3）成頸后的試樣再次

7、被均勻拉長，應(yīng)力再次升高，直至斷裂。湖南大學(xué)13/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能3高分子材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征（1）分 類： 高分子材料具有明顯的非線性黏彈特性，應(yīng)力-應(yīng)變曲線有很大的畸變，大致可分為五種類型。a-硬而脆；b-硬而強(qiáng)；c-硬而韌；d-軟而韌；e-軟而弱材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能（2） 高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的不同特征湖南大學(xué)16/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能（3）影響因素* 溫 度： Tg 以下，為脆性破壞； Tg 附近或以上，為延性破壞。* 形變速率：低形變速率時(shí)，

8、為延性破壞；高形變速率時(shí)，為脆性破壞。*當(dāng)TTg ，E4.5GPa時(shí)，呈脆性破壞行為（即硬而脆類型）；在TTg ，E=24GPa時(shí)，呈半延性破壞行為（即硬而強(qiáng)類型）；在TTg ，E1.5GPa時(shí)，材料呈延性破壞行為（即硬而韌類型）；在TTg時(shí)，材料呈現(xiàn)橡膠大形變行為（即軟而韌類型）。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能(4) 典型材料* 硬而脆型: 聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等* 硬而強(qiáng)型：聚氯乙烯或聚苯乙烯的共混物。* 硬而韌型：尼龍、聚碳酸酯等。* 軟而韌型：橡膠和增塑聚氯乙烯等。* 軟而弱型：高分子凝膠。不能作為工程材料。小 結(jié)：由拉伸試驗(yàn)可判

9、斷材料呈宏觀脆性還是塑性、塑性的大小、對(duì)彈性變形和塑性變形的抗力以及形變強(qiáng)化能力的大小、及斷裂過程的特點(diǎn)。湖南大學(xué)17/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.1.2拉伸性能指標(biāo)材料的性能指標(biāo)，可分為強(qiáng)度（反映材料對(duì)塑性變形和斷裂的抗力）和塑性（反映材料的塑性變形能力）兩類指標(biāo)。2.1.2.1屈服強(qiáng)度原則上，材料的屈服強(qiáng)度應(yīng)理解為開始塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。但實(shí)際上，對(duì)于連續(xù)屈服的材料，這很難作為判定材料屈服的準(zhǔn)則，因?yàn)楣こ讨械亩嗑w材料，其各晶粒的位向不同，不可能同時(shí)開始塑性變形，只有當(dāng)較多晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，才能造成宏觀塑性變形的效果。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材

10、料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能工程上采用規(guī)定一定的殘留變形量的方法，確定屈服強(qiáng)度，主要有以下三種。(1)比例極限：應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力值，用p表示，超過p時(shí)，即認(rèn)為材料開始屈服。(2)彈性極限：材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力值，用e表示，超過e時(shí)，即認(rèn)為材料開始屈服。比例極限與彈性極限并非完全等同，一般情況下，材料的彈性極限稍高于比例極限。工程上之所以要區(qū)分它們，是因?yàn)橛行┰O(shè)計(jì)，如火炮筒材料，要求有高的比例極限；而另一些情況，如彈簧材料，要求有高的彈性極限。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能(3)屈服強(qiáng)度：以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)，如以0.2

11、%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，用0.2或ys表示。1. 規(guī)定非比例伸長應(yīng)力(p)：加載過程中標(biāo)距長度內(nèi)的非比例伸長量達(dá)到規(guī)定值(以%表示)的應(yīng)力，如p0.01, p0.05等。2. 規(guī)定殘余伸長應(yīng)力(r) ：卸載后，其標(biāo)距部分的殘余伸長達(dá)到規(guī)定比例時(shí)的應(yīng)力，常用的為r0.2，即規(guī)定殘余伸長率為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。3. 規(guī)定總伸長應(yīng)力(t) ：試樣標(biāo)距部分的總伸長（彈性伸長與塑性伸長之和）達(dá)到規(guī)定比例時(shí)的應(yīng)力。應(yīng)用較多的規(guī)定總伸長率為0.5%、0.6%、0.7%，相應(yīng)地，規(guī)定總伸長應(yīng)力分別記為t0.5，t0.6和t0.7。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能4. 對(duì)具有明

12、顯屈服點(diǎn)的材料，屈服平臺(tái)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值就是屈服強(qiáng)度，記作ys，按下式計(jì)算：ys= Py/A0(2-5)式中，Py為物理屈服時(shí)的載荷或下屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的載荷。屈服強(qiáng)度是工程技術(shù)上最為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。機(jī)械設(shè)計(jì)中，許用應(yīng)力的設(shè)計(jì)為，ys/n, n =1.2 1.7。2.1.2.2 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度表示材料的極限承載能力。在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，與最高載荷Pb對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值b即為抗拉強(qiáng)度湖南大學(xué)b= Pb/A021/119(2-6)材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能對(duì)于脆性材料和不形成頸縮的塑性材料，其拉伸最高載荷就是斷裂載荷，因此抗拉強(qiáng)度就代表斷裂抗力；如鋼絲繩的設(shè)計(jì)。對(duì)于

13、形成頸縮的塑性材料，其抗拉強(qiáng)度代表產(chǎn)生最大均勻變形的抗力，也表示材料在靜拉伸條件下的極限承載能力。另外，抗拉強(qiáng)度與材料的硬度有一定的關(guān)系。2.1.2.3實(shí)際斷裂強(qiáng)度S K拉伸斷裂時(shí)的載荷除以斷口處的真實(shí)截面積所得的應(yīng)力值：S K = P K /A K(2-7)需要注意，在這里采用的是試樣斷裂時(shí)的真實(shí)截面積，是真實(shí)應(yīng)力，其意義是表征材料對(duì)斷裂的抗力。湖南大學(xué)22/119 k lk l0l0A0材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.1.3塑性指標(biāo)及其意義1. 延伸率k拉伸試驗(yàn)之前測(cè)定試件的標(biāo)距l(xiāng)0；拉伸斷裂后測(cè)得的標(biāo)距為lk，然后按下式計(jì)算出延伸率： k l k l 0l

14、0 100% l kl0100%對(duì)形成頸縮的材料，塑性變形 = 均勻塑性變形 + 集中塑性變形，于是有：lk l 0 l 0 A0 l0式中、為常數(shù)。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能為了使同一材料制成的不同尺寸試樣，及不同材料試樣間得到相同的k值，要求l0 /A0 K對(duì)于圓形截面拉伸試樣，通常取K=11.3或 5.65，即l0=10d0和l0=5d0（分別稱為10倍和5倍試樣）。相應(yīng)地，延伸率分別用10和5表示?？梢?， 510。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2. 斷面收縮率k拉伸時(shí)試樣的截面積減小。試樣拉斷后，斷口處橫截面積的最大縮減量

15、與原始橫截面積的百分比，為斷面收縮率： k A 0 A kA0100%式中，Ak為試樣斷口處的最小截面積。與延伸率一樣，斷面收縮率k也由兩部分組成，均勻變形階段的斷面收縮率和集中變形階段的斷面收縮率，但與延伸率不同的是，斷面收縮率與試樣尺寸無關(guān)，只決定于材料性質(zhì)。lA恒大于 。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能3. 與間的關(guān)系頸縮前，根據(jù)變形前后體積不變的條件l0 A0 lAl l0 l l0 (1 ) l0 (1 )l 0A A0 A A0 (1 ) A0 (1 )A0于是得條件塑性指標(biāo)間的關(guān)系：1 11 或 1 上式表明在均勻變形階段，ldl1)材料科學(xué)與工程學(xué)院

16、第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能4. 真應(yīng)變?cè)诶爝^程中每一時(shí)刻的真應(yīng)變d為：d=dl/l試樣從l0拉伸至l時(shí)，完成的真應(yīng)變?yōu)椋?d l0 l lnll0于是真應(yīng)變與條件應(yīng)變的關(guān)系為 ln(1 ) ln(1 在頸縮開始以后，條件塑性指標(biāo)之間已不存在上述關(guān)系，但真實(shí)塑性應(yīng)變與條件斷面收縮率之間尚有如下關(guān)系l A0 d0 1f材料科學(xué)與工程學(xué)院 第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能 材料力學(xué)性能 ln ln 2 ln ln( )l0 A1 d 1 試樣斷裂后，可通過測(cè)量斷面收縮率 k ，求真實(shí)極限塑性f ： ln (11 k)5. 頸縮形成的判斷如 ，材料不形成頸縮。高錳鋼的延伸率為55%，斷

17、面收縮率為35%，不形成頸縮（圖2-2c）。如 ，形成頸縮，與相差越大，頸縮越嚴(yán)重。12CrNi鋼經(jīng)淬火回火的延伸率為26%，斷面收縮率為65%，形成頸縮。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能6. 塑性指標(biāo)的選用* 長形零件，可用，因頸縮的變形量較小。* 非長形零件，要用， 比對(duì)組織變化更敏感。7. 塑性指標(biāo)的意義* 延伸率和斷面收縮率是工程材料的重要性能指標(biāo)。* 材料的設(shè)計(jì)中，不僅要求材料的強(qiáng)度，而且對(duì)材料的塑性也有要求。可避免斷裂，保證安全。塑性是制定壓力加工和成型工藝的基礎(chǔ)（成形能力）。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2. 2 彈性變形

18、 概 念：變形：外力作用下，材料發(fā)生的尺寸和形狀變化。彈性變形與塑性變形： 外力去除后，隨之消失的變形為彈性變形；殘留的（即永久性的）變形為塑性變形。彈性變形是可逆的，取決于原子間的結(jié)合力。湖南大學(xué)30/119A Brr材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.2.1 彈性變形及其物理本質(zhì)物理機(jī)制：原子系統(tǒng)在外力作用下離開其平衡位置達(dá)到新的平衡狀態(tài)的過程，因此，對(duì)彈性變形的討論，必須從原子間的結(jié)合力模型開始。假定有兩個(gè)原子，原子之間存在長程的吸引力和短程的排斥力，作用力P隨原子間距的變化關(guān)系如下：P 2 4式中，A和B分別為與原子特性和晶格類型有關(guān)的常數(shù)。式中第一項(xiàng)為引力

19、，第二項(xiàng)為斥力。原子間的作用力與原子間距的關(guān)系為拋物線，并不是線性關(guān)系。湖南大學(xué)32/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能外力引起的原子間距的變化，即位移，在宏觀上就是所謂彈性變形。外力去除后，原子復(fù)位，位移消失，彈性變形消失，從而表現(xiàn)了彈性變形的可逆性。2材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能當(dāng)原子間距與平衡位置r0的偏離很小時(shí)，由數(shù)學(xué)處理（級(jí)數(shù)展開）可得到：P 2A2 rB r0E 2AB說明小變形條件下，P與r成線性比例關(guān)系（虎克定律），E為常數(shù)。彈性性能與特征是原子間結(jié)合力的宏觀體現(xiàn)，本質(zhì)上決定于晶體的電子結(jié)構(gòu)，而不依賴于顯微組織，因

20、此，彈性模量是對(duì)組織不敏感的性能指標(biāo)。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能當(dāng)r=rm(2B/A)1/2時(shí),原子間作用力的合力表現(xiàn)為引力，而且出現(xiàn)極大值Pmax (A2/2B=E/4) 。如果外力達(dá)到Pmax，就可以克服原子間的引力而將它們拉開。這就是晶體在彈性狀態(tài)下的斷裂強(qiáng)度，即理論正斷強(qiáng)度，相應(yīng)的彈性變形量也是理論值（41%）。因r0= (B/A)1/2，=（rm-r0）/ r0 。實(shí)際上，由于晶體中含有缺陷如位錯(cuò)，在彈性變形量尚小時(shí)的應(yīng)力足以激活位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而代之以塑性變形，所以實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的彈性變形量不會(huì)很大。對(duì)于脆性材料，由于對(duì)應(yīng)力集中敏感，應(yīng)力稍大時(shí)，缺陷處的集

21、中應(yīng)力即可導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，使晶體在彈性狀態(tài)下斷裂。2.2.1.2 Hooke定律Hooke定律：在彈性狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變之間的線性關(guān)系。 E 材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能對(duì)彈性定律，一般認(rèn)為它是由英國科學(xué)家胡克（R Hooke，1635-1703）于1678年首先提出來的。但我國的東漢經(jīng)學(xué)家鄭玄（127-200）在考弓記弓人中就論述了測(cè)試弓力時(shí)，有“量其力，有三鈞”的說法，即 “假令弓力勝三石，引之中三尺，弛其弦，以繩緩擐之，每加物一石，則張一尺。” 的線彈性變形規(guī)律，比胡克提出彈性定律早1500年。于是在有的教科書中，將此彈性定律稱作“鄭玄-胡克定律”。湖

22、南大學(xué)35/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能上式表達(dá)的是各向同性體在單軸加載方向上的應(yīng)力與彈性應(yīng)變間的關(guān)系。而在加載方向上的變形（伸長），必然導(dǎo)致與加載方向垂直的方向上的收縮。對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)以及各向異性體上的彈性變形，需要用廣義Hooke定律描述。對(duì)各向同性體，廣義的Hooke定律如下：111111材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能 x x ( y z )E y y ( z x )E z z ( x y )E xy xyG yz yzG zx zxG1材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能在單向拉伸條件下，可簡

23、化為： x xE y z E x可見，即使在單向加載條件下，材料不僅在受拉方向有伸長形變，而且在垂直于拉伸方向上有收縮變形。湖南大學(xué)38/119：材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.2.1.3 常用彈性常數(shù)及其意義1. 彈性模量E，在單向受力狀態(tài)下E x / x可見E表征材料抵抗正應(yīng)變的能力。2. 切變彈性模量G，在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下G xy / xy可見G表征材料抵抗剪切變形的能力。3. 泊松比，在單向受力狀態(tài)下 ： / x可見表示材料受力后橫向正應(yīng)變與受力方向上正應(yīng)變之比?；虿牧峡茖W(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能4. 體積彈性模量K，它表示物

24、體在三向壓縮（流體靜壓力）下，壓強(qiáng)P與體積變化率V/V之間的線性比例關(guān)系K P V / VE3(1 2 )由于各向同性體只有2個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)，所以上述4個(gè)彈性常數(shù)中必然有2個(gè)關(guān)系式把它們聯(lián)系起來，即E 2 G (1 )E 3 K (1 2 )湖南大學(xué)40/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.2.2 彈性性能的工程意義任何一部機(jī)器（或構(gòu)造物）的零（構(gòu)）件在服役過程中都是處于彈性變形狀態(tài)的。結(jié)構(gòu)中的部分零（構(gòu)）件要求將彈性變形量控制在一定范圍之內(nèi)，以避免因過量彈性變形而失效。而另一部分零（構(gòu)）件，如彈簧，則要求其在彈性變形量符合規(guī)定的條件下，有足夠的承受載荷的能

25、力，即不僅要求起緩沖和減震的作用，而且要有足夠的吸收和釋放彈性功的能力，以避免彈力不足而失效。前者反映的是剛度，后者則為彈性比功問題。2.2.2.1 剛 度41/119湖南大學(xué) 42/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能在彈性變形范圍內(nèi)，構(gòu)件抵抗變形的能力稱為剛度。構(gòu)件剛度不足，會(huì)造成過量彈性變形而失效。剛度的定義如下Q P A E A對(duì)于一定材料的制件，剛度只與其截面積成正比?？梢娨黾恿?構(gòu))件的剛度，要么選用正彈性模量E高的材料，要么增大零(構(gòu))件的截面積A 。但對(duì)于空間受嚴(yán)格限制的場(chǎng)合，往往既要求剛度高，又要求質(zhì)量輕，因此加大截面積是不可取的，只有選用高彈

26、性模量的材料才可以提高其剛度。即比彈性模量(彈性模量/密度)要高。17.5材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能表2-3 幾種常用材料的比彈性模量材 料銅鉬鐵鈦 鋁鈹 氧化鋁 碳化硅比彈性模量/cm 1.3 2.7 2.6 2.7 2.7 16.8 10.5將鋁與碳化硅材料進(jìn)行復(fù)合，可提高材料的比彈性模量。彈性模量E是一個(gè)只決定于原子間結(jié)合力的力學(xué)性能指標(biāo)，合金成分、組織及環(huán)境條件的改變，對(duì)它都不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。湖南大學(xué)43/119與金屬材料相比，陶瓷材料的彈性模量有如下特點(diǎn)：材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能(1) 由于陶瓷材料的結(jié)合鍵主要是很

27、強(qiáng)的共價(jià)鍵和離子鍵，因此，陶瓷材料的彈性模量一般比金屬高。(2) 陶瓷中的氣孔含量對(duì)其彈性模量有重大影響，氣孔率越高，彈性模量越低。氣孔率對(duì)彈性模量的影響可表示為：Eeff =E 0 (1 p( 1 2 . 5 pE0-無孔隙時(shí)陶瓷材料的彈性模量； p-孔隙率(3) 陶瓷材料的壓縮彈性模量一般大于拉伸彈性模量。金屬不論是在拉伸還是壓縮狀態(tài)下，其彈性模量基本相等。湖南大學(xué)44/119p材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能湖南大學(xué)45/119空隙率對(duì)陶瓷材料彈性模量的影響湖南大學(xué) 46/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能(a)金屬材料；(b)

28、陶瓷材料金屬與陶瓷材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性部分* 常見材料的彈性模量：具有強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合的材料的彈性模量高，而分子間僅由弱范德華力結(jié)合的材料的彈性模量很低，所以彈性模量與熔點(diǎn)一樣，都取決于其中粒子間的鍵合強(qiáng)度。二者有相同的變化趨勢(shì)。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能湖南大學(xué)47/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能各種材料彈性模量的數(shù)值范圍材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.2.2.2 彈性比功是指材料吸收變形功而不發(fā)生永久變形的能力，它標(biāo)志著單位體積材料所吸收的最大彈性變形功，是一個(gè)韌度指標(biāo)（影線面積）。湖南大

29、學(xué)49/1191材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能彈 性 比 功 e e 2 e22 E欲提高材料的彈性比功，途徑有二：提高e,或者降低E。由于e是二次方，所以提高e對(duì)提高彈性比功的作用更顯著。表2-5 幾種材料的彈性比功材料E/(MNm -2 ) e/(MNm-2) 彈性比功/(MNmm-3)中碳鋼高碳彈簧鋼杜拉鋁206800206800689503109701270.232.270.12銅橡皮1103201282122材料科學(xué)與工程學(xué)院 第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能將式（2-30）改寫，有材料力學(xué)性能 e e 1 Pe l 1 e22 A0 l0 2 E12Pe

30、 l 1 e22 E A0 l01式中， P e l為彈性功，A0l0為體積。欲提高一個(gè)具體零件的彈性功，除采取提高e或降低E的措施外，還可以改變零件的體積。體積越大，彈性功越大。彈簧的分類：硬彈簧：彈簧鋼制造，通過合金化、熱處理和冷加工，提高其彈性極限的方法來增大彈性比功。軟彈簧（儀表彈簧）：磷青銅或鈹青銅制作，具有較高的彈性極限和較小的彈性模量，因而彈性比功也較大。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.2.2. 3 橡膠的高彈性1彈性模量很小，而形變量很大，因此把橡膠類物質(zhì)的彈性形變叫做高彈形變。2 形變需要時(shí)間。橡膠受到外力壓縮或拉伸時(shí)，形變總是隨時(shí)間而發(fā)展的，

31、最后達(dá)到最大形變，這種現(xiàn)象稱為蠕變，或者，拉緊的橡皮帶會(huì)逐漸變松，這種應(yīng)力隨時(shí)間而下降或消失的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。3. 形變時(shí)有熱效應(yīng)。通常稱為熱彈效應(yīng) 。拉伸時(shí)發(fā)熱，回縮時(shí)吸熱。湖南大學(xué)52/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.2.3 彈性不完整性在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，與應(yīng)力間存在三個(gè)關(guān)系：線性、瞬時(shí)和唯一性。而在實(shí)際情況下，三種關(guān)系往往不能同時(shí)滿足，稱為彈性的不完整性。湖南大學(xué)53/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.2.3.3 高分子材料的滯后和內(nèi)耗1滯 后高聚物在交變應(yīng)力作用下，形變落后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象就稱為滯后現(xiàn)象

32、。滯后現(xiàn)象的發(fā)生是由于鏈段在運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到內(nèi)摩擦力的作用，當(dāng)外力變化時(shí)，鏈段的運(yùn)動(dòng)還跟不上外力的變化，所以形變落后于應(yīng)力，有一個(gè)相位差。2內(nèi) 耗如果形變的變化落后于應(yīng)力的變化，發(fā)生滯后現(xiàn)象，則每一循環(huán)變化中就要消耗功，稱為力學(xué)損耗，有時(shí)也稱為內(nèi)耗。湖南大學(xué)59/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能圖2-17 高聚物的形變和內(nèi)耗與溫度的關(guān)系圖2-18 高聚物的內(nèi)耗與頻率的關(guān)系材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.2.3.4 Bauschinger效應(yīng)效應(yīng)經(jīng)過預(yù)先加載變形，然后再反向加載變形時(shí)彈性極限（屈服強(qiáng)度）降低的現(xiàn)象稱為Bausching

33、er效應(yīng)。湖南大學(xué)61/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能值得注意的是反向加載時(shí)p可能會(huì)幾乎下降到零，這說明反向變形時(shí)原來的正比彈性性質(zhì)改變了，立即出現(xiàn)了塑性形變。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能敏感材料：退火或高溫回火的金屬或合金。應(yīng)用場(chǎng)合：材料在變動(dòng)載荷（疲勞）下的力學(xué)性能（第五章）消除辦法：予以較大殘余塑性變形，或是在引起金屬回復(fù)或再結(jié)晶的溫度下退火。產(chǎn)生原因：（1）認(rèn)為由于位錯(cuò)塞積引起的長程內(nèi)應(yīng)力（常稱反向應(yīng)力），在反向加載時(shí)有助于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從而降低比例極限所致。（2）由于預(yù)應(yīng)變使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力出現(xiàn)方向性所致。因?yàn)榻?jīng)過正向形變后，

34、晶內(nèi)位錯(cuò)最后總是停留在障礙密度較高處，一旦有反向變形，則位錯(cuò)很容易克服曾經(jīng)掃過的障礙密度較低處，而達(dá)到相鄰的另一障礙密度較高處。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2. 3 塑性變形塑性變形是指外力移去后不能恢復(fù)的變形；塑性是指材料經(jīng)受此種變形而不破壞的能力。塑性變形和形變強(qiáng)化是金屬材料區(qū)別于其它工業(yè)材料的重要特征 。陶瓷材料，在高溫下也具有一定的塑性變形能力。2.3.1 金屬材料的塑性變形機(jī)制與特點(diǎn)2.3.1.1金屬晶體塑性變形的機(jī)制滑移是晶體在切應(yīng)力作用下沿一定的晶面和晶向進(jìn)行切變的過程，如面心立方結(jié)構(gòu)的（111）面101方向等?；葡到y(tǒng)越多，材料的塑性越大。材料科

35、學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能孿生是發(fā)生在金屬晶體內(nèi)局部區(qū)域的一個(gè)切變過程，切變區(qū)域?qū)挾容^小，切變后形成的變形區(qū)的晶體取向與未變形區(qū)成鏡面對(duì)稱關(guān)系，點(diǎn)陣類型相同。孿生可以提供的變形量是有限的，如鎘孿生變形只提供約7.4%的變形量，而滑移變形量可達(dá)300%。但是，孿生可以改變晶體取向，以便啟動(dòng)新的滑移系統(tǒng)，或者使難于滑移的取向變?yōu)橐子诨频娜∠颉?.3.1.2 多晶體材料塑性變形特點(diǎn)* 各晶粒塑性變形的不同時(shí)性和不均勻性晶粒取向不同，開始產(chǎn)生滑移和變形量的大小不一。* 各晶粒塑性變形的相互制約與協(xié)調(diào)為保證材料整體的統(tǒng)一，變形相互制約。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉

36、伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.3.2 屈服現(xiàn)象及其本質(zhì)2.3.2.1 物理屈服現(xiàn)象受力試樣中，應(yīng)力達(dá)到某一特定值后，開始大規(guī)模塑性變形的現(xiàn)象稱為屈服。它標(biāo)志著材料的力學(xué)響應(yīng)由彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段，稱為物理屈服現(xiàn)象。湖南大學(xué)66/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能圖2-21 低碳鋼的物理屈服點(diǎn)及屈服傳播材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能光滑試樣拉伸試驗(yàn)時(shí)，屈服變形開始于試樣微觀不均勻處，或存在應(yīng)力集中的部位，一般在距試樣夾持部分較近的地方。局部屈服開始后，逐漸傳播到整個(gè)試樣。與此過程相對(duì)應(yīng)地，可以觀察到試樣表面出現(xiàn)與拉伸軸線成45方向

37、的滑移帶，及其逐漸傳播到整個(gè)試樣表面。至滑移帶遍布全部試樣表面時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線到達(dá)點(diǎn)。屈服應(yīng)變量BC是靠屈服變形提供的。應(yīng) 用：在薄鋼板冷沖壓成形時(shí)，往往因局部變形不均勻，形成表面折皺。為避免折皺出現(xiàn)，可對(duì)鋼板預(yù)變形，變形量稍大于屈服應(yīng)變，然后沖壓時(shí)將不出現(xiàn)物理屈服，避免折皺。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2. 3. 2. 2 屈服現(xiàn)象的本質(zhì)拉伸曲線表明的物理屈服點(diǎn)是材料特性和試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)共同作用的結(jié)果。從材料方面考慮，材料的塑性應(yīng)變速率與材料中的可動(dòng)位錯(cuò)密度，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度和位錯(cuò)柏氏矢量b的關(guān)系為 b 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度決定于其所受外力的大小 ( 0)m為作用于滑移面上

38、的切應(yīng)力；0為位錯(cuò)以單位速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的切應(yīng)力；m為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率的應(yīng)力敏感性指數(shù)，表明位錯(cuò)速度對(duì)應(yīng)力的依賴程度。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能* 表示頸縮開始的點(diǎn)位于條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線相應(yīng)點(diǎn)的左上方；條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上頸縮后的應(yīng)力降低是一種假象；* 頸縮后的集中應(yīng)變并不比均勻變形階段的應(yīng)變量小。湖南大學(xué)71/119圖2-22 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線與條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較湖南大學(xué)72/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2. 3. 3. 2 冷變形金屬的真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系從屈服點(diǎn)到頸縮之間的形變強(qiáng)化規(guī)律，可以用Hollomon公式描述：為

39、真實(shí)塑性應(yīng)變，K為強(qiáng)度系數(shù)，n為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)?？梢姴牧系男巫儚?qiáng)化特征主要反映在n值的大小上。n=0，理想塑性材料。n=1，理想彈性材料。n=0.10.5，應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n的大小，表示材料的應(yīng)變強(qiáng)化能力或?qū)M(jìn)一步塑性變形的抗力，是一個(gè)很有意義的性能指標(biāo)。n值越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越陡。湖南大學(xué)73/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2. 3. 3. 3 形變強(qiáng)化的實(shí)際意義* 形變強(qiáng)化可使金屬零件具有抵抗偶然過載的能力，保證安全。* 形變強(qiáng)化是工程上強(qiáng)化材料的重要手段 。如18-8型不銹鋼，變形前0.2=196MPa，經(jīng)40%冷軋后，0.2=780980MPa，屈服強(qiáng)度

40、提高34倍。* 形變強(qiáng)化性能可以保證某些冷成形工藝，如冷拔線材和深沖成形等順利進(jìn)行。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能我國北宋的科學(xué)家沈括在夢(mèng)溪筆談器用中講述用冷鍛制造鎧甲時(shí)指出：“凡鍛甲之法，其始甚厚，不用火，冷鍛之，比元厚三分減二，乃成。其末留著頭許不鍛，隱然如瘊子，欲以驗(yàn)未鍛時(shí)厚薄，如浚河留土筍也，謂之“瘊子甲”。利用的就是形變強(qiáng)化的規(guī)律。dldAAdS材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.3.3.4 頸縮條件分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)開始頸縮。頸縮前，試樣的變形在整個(gè)試樣長度上是均勻分布的，頸縮開始后，變形便集中于頸部地區(qū)

41、。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最高點(diǎn)處有:dP SdA AdS 0dSSdAA因拉伸過程中體積不變，Al =常數(shù)，有：Adl ldA 0 dldSS d d S材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能這就是頸縮判據(jù)。說明頸縮開始于應(yīng)變強(qiáng)化速率dS/d與真應(yīng)力相等的時(shí)刻（圖2-23）。湖南大學(xué)76/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能由應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n的定義得出dSd nS將頸縮條件dSd S代入上式，得n=b(2-41)說明在頸縮開始時(shí)的真應(yīng)變?cè)跀?shù)值上與應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n相等。利用這一關(guān)系，可以大致估計(jì)材料的均勻變形能力。2.3.3.4 韌性的概念及靜力韌度分

42、析韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。f材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能韌度是度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)。對(duì)拉伸斷裂來說，韌度可以理解為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積W0Sd （2-42）因此，只有在強(qiáng)度和塑性有較好的配合時(shí)，才能獲得較好的韌性。圖2-24 強(qiáng)度與塑性的配合A:高強(qiáng)度、低塑性, 低韌性; B:高塑性、低強(qiáng)度, 低韌性;C:中等強(qiáng)度、中等塑性, 高韌性 kW k 2材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能將曲線的彈性變形部分省略，形變強(qiáng)化從0.2開始，至Sk斷裂，對(duì)應(yīng)的真應(yīng)變?yōu)镵，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率為形變硬化模量D=tg，材

43、料的韌度為： 0.2 S k2S k 0.2DW S k2 0.22D在不改變材料斷裂應(yīng)力的情況下，提高材料屈服強(qiáng)度將導(dǎo)致材料韌性降低，或者說材料強(qiáng)度的提高是以犧牲韌性為代價(jià)的。(2)材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2. 3. 4 陶瓷材料的塑性變形2.3.4.1 陶瓷材料的塑性變形能力分析1晶體中的滑移系和滑移條件晶體滑移是在切應(yīng)力作用下在一定的滑移系統(tǒng)上進(jìn)行的，需要具備以下條件：(1) 滑移的幾何條件：晶體中的滑移通常在主要晶面和主要晶向上發(fā)生。在這樣的晶面和晶向上，原子密度大(即原子間的距離b較小)，只需滑移較小距離就能使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)原。一個(gè)這樣的滑移面和滑移方

44、向組成晶體的一個(gè)滑移系統(tǒng)?；频撵o電作用條件：在滑移過程中，離子間的靜電作用不應(yīng)阻礙滑移。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能圖2-26 MgO晶體滑移示意圖(3) 滑移的應(yīng)力條件：滑移是在切應(yīng)力作用下在一定滑移系上進(jìn)行的。根據(jù)滑移的臨界切應(yīng)力定律，當(dāng)外力在某滑移系上的分切應(yīng)力值達(dá)到了臨界分切應(yīng)力時(shí)，滑移便沿該滑移系發(fā)生。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能圖2-27所示的截面為A的圓柱形單晶受拉力F的情況，根據(jù)滑移的臨界切應(yīng)力定律，滑移的起始條件可表示為： F cos cos lA c（臨界分切應(yīng)力） (2-46）式中，為外力軸與滑移面法線之夾

45、角：為外力軸與滑移方向之夾角。圖2-27 滑移面滑移方向上的分切應(yīng)力材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能* 陶瓷材料的滑移系統(tǒng)非常少，其原因是陶瓷材料的結(jié)合鍵為離子鍵或共價(jià)鍵，共價(jià)鍵具有明顯的方向性，離子鍵則當(dāng)同號(hào)離子相遇時(shí)，斥力極大，因此，只有個(gè)別滑移系統(tǒng)能滿足上述的幾何條件和靜電作用條件。晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，就越難滿足這些條件。只有少數(shù)具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，如MgO、KCl等，在室溫下具有塑性，而一般陶瓷材料由于晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在室溫下塑性變形能力很差。* 陶瓷材料一般呈多晶狀態(tài)，多晶體比單晶體更不容易滑移。因?yàn)樵诙嗑w中，晶粒在空間隨機(jī)分布，不同取向的晶粒，其滑移

46、面上的切應(yīng)力差別很大。即使個(gè)別晶粒的某個(gè)滑移系統(tǒng)由于處于有利的位置而產(chǎn)生了滑移，但由于受到周圍晶粒和晶界的限制，滑移也難以繼續(xù)進(jìn)行。e材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2滑移的固有阻力位錯(cuò)在晶體中滑移時(shí)會(huì)遇到多種阻力，其中最基本的阻力是來自晶體點(diǎn)陣的固有阻力。由于克服點(diǎn)陣阻力，使位錯(cuò)開始滑移所需的最小切應(yīng)力派-納力為： p N 2 2 a / b ( 1 v )1 v對(duì)于多晶陶瓷，由于相鄰晶粒取向不同以及晶界結(jié)構(gòu)和晶內(nèi)相差較大，致使位錯(cuò)不易向周圍晶粒傳播。但位錯(cuò)較易在晶界處塞積而引起應(yīng)力集中，有可能產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致脆性斷裂。湖南大學(xué)84/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章

47、材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.3.4.2 陶瓷材料的塑性變形因陶瓷是晶體，其塑性變形也是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，但陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，還不能像金屬和合金那樣利用位錯(cuò)理論清楚地描述其塑性變形行為。湖南大學(xué)85/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2. 4 材料的斷裂* 斷裂是工程材料的主要失效形式之一。* 斷裂的基本過程：裂紋形成和擴(kuò)展。* 分類：斷裂前有塑性變形：韌性斷裂和脆性斷裂。按斷裂機(jī)理：切離、微孔聚集型斷裂、解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂和沿晶斷裂。按斷面與應(yīng)力方向的關(guān)系：分成正斷和切斷。斷面垂直于最大正應(yīng)力者叫正斷，而沿著最大切應(yīng)力方向斷開的叫切斷。材料科學(xué)與

48、工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.4.1 金屬材料的斷裂2.4.1.1 靜拉伸的斷口材料在靜拉伸時(shí)的斷口可呈現(xiàn)3種情況，如圖2-33。湖南大學(xué)87/119圖2-33 靜拉伸的斷口材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能* 圖2-33(a)、（b）所示的斷口即為正斷；鑄鐵、淬火低溫回火高碳鋼的平斷口。* 圖2-33(e)、（f）所示的斷口即為切斷；純金屬如金、鉛等塑性很好的材料。對(duì)單晶樣品，只有一個(gè)滑移系統(tǒng)開動(dòng)，滑移無限發(fā)展，形成刃狀斷口(切離)（e）；對(duì)多晶樣品，多系滑移，形成尖錐狀斷口（f）。* 圖2-33（c）、(d)所示的斷口，中心部分大致為正斷，

49、兩側(cè)部分為切斷，故為混合型斷口。多數(shù)金屬材料的杯錐狀斷口。* 斷口三要素：第一個(gè)區(qū)域：在試樣的中心位置，叫做纖維區(qū)，見圖2-34(a)。裂紋首先在該區(qū)形成，該區(qū)顏色灰暗，表面有較大的起伏，如山脊?fàn)?，這表明裂紋在該區(qū)擴(kuò)展時(shí)伴有較大的塑性變形，裂紋擴(kuò)展也較慢；圖2-34材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能第二個(gè)區(qū)域：放射區(qū)，表面較光亮平坦，有較細(xì)的放射狀條紋，裂紋在該區(qū)擴(kuò)展較快；第三個(gè)區(qū)域：剪切唇，接近試樣邊緣時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)改變了(平面應(yīng)力狀態(tài))，最后沿著與拉力軸向成4050剪切斷裂，表面粗糙發(fā)深灰色。拉伸斷口及試驗(yàn)溫度的關(guān)系(a)拉伸斷口呈現(xiàn)三個(gè)區(qū)域；(b)斷口三個(gè)區(qū)域隨溫

50、度變化材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能試樣塑性的好壞，由這三個(gè)區(qū)域的比例而定。如放射區(qū)較大，則材料的塑性低，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域是裂紋快速擴(kuò)展部分，伴隨的塑性變形也小。反之對(duì)塑性好的材料，必然表現(xiàn)為纖維區(qū)和剪切唇占很大比例，甚至中間的放射區(qū)可以消失。影響這三個(gè)區(qū)比例的主要因素是材料強(qiáng)度和試驗(yàn)溫度。試樣形狀：對(duì)圓形試樣的脆斷，斷面上有許多放射狀條紋，這些條紋匯聚于一個(gè)中心，此中心區(qū)域就是裂紋源。斷口表面越光滑，放射條紋越細(xì)。對(duì)板狀試樣，斷裂呈“人”字形花樣，“人”字的尖端指向裂紋源。材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能圖2-35 脆性斷裂宏觀斷口材料科

51、學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.4.1.2 韌斷機(jī)制-微孔聚合湖南大學(xué)92/119圖2-36 頸縮試樣鋸齒狀拉伸斷口形成過程示意圖材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能在掃描電鏡下，微孔聚合型斷裂的形貌特征是一個(gè)個(gè)韌窩(即凹坑)，韌窩是微孔長大的結(jié)果，韌窩內(nèi)大多包含著一個(gè)夾雜物或第二相，這證明微孔多萌生于夾雜物或第二相與基體的界面上。微孔的萌生可以在頸縮之前，也可以發(fā)生在頸縮之后，這取決于第二相與基體的結(jié)合強(qiáng)度。圖2-37 珠光體鋼韌性斷裂的機(jī)制材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能由于應(yīng)力狀態(tài)或加載方式的不同，微孔聚合型斷

52、裂所形成的韌窩可有三種類型：(1) 拉伸型的等軸狀韌窩；(2) 剪切型的伸長韌窩；(3) 拉伸撕裂的伸長韌窩。韌窩的形狀：取決于應(yīng)力狀態(tài)。韌窩的大小和深淺：取決于第二相的數(shù)量分布以及基體的塑性變形能力。如第二相較少、均勻分布以及基體的塑性變形能力強(qiáng)，則韌窩大而深；如基體的加工硬化能力很強(qiáng)，則得到大而淺的韌窩。湖南大學(xué)94/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能湖南大學(xué)95/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能湖南大學(xué)96/119韌窩斷口的微觀形貌材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2.4.1.3 穿晶斷裂-解理和

53、準(zhǔn)解理1解理斷裂* 產(chǎn)生條件：穿晶的解理斷裂常見于體心立方和密排六方金屬中。當(dāng)處于低溫，或者應(yīng)變速率較高，或者是有三向拉應(yīng)力狀態(tài)，都能促使解理斷裂，在宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂。* 微觀特征：解理斷裂是沿著一定的結(jié)晶學(xué)平面發(fā)生的，這個(gè)平面叫解理面。解理臺(tái)階、河流花樣、舌狀花樣是解理斷裂的基本微觀特征。AB材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能* 解理臺(tái)階：沿兩個(gè)高度不同的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交時(shí)形成的。其形成過程有兩種方式：通過解理裂紋與螺型位錯(cuò)相交形成；通過二次解理或撕裂形成。解理裂紋與螺型位錯(cuò)相交形成解理臺(tái)階，a) 為解理裂紋，沿箭頭方向擴(kuò)展；b) CD為螺型位錯(cuò)；

54、c) 解理裂紋AB與螺型位錯(cuò)CD相遇后形成臺(tái)階99/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能圖2-41 二次裂紋和撕裂形成臺(tái)階a) 沿二次裂紋解理面解理形成臺(tái)階湖南大學(xué)b) 通過撕裂形成臺(tái)階(撕裂棱)材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能* 河流花樣：是判斷否為解理斷裂的重要微觀依據(jù)。“河流”的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致，所以可以根據(jù)“河流”流向確定在微觀范圍內(nèi)解理裂紋的擴(kuò)展方向，而按“河流”反方向去尋找斷裂源。湖南大學(xué)100/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能解理裂紋通過傾斜晶界，裂紋越過晶界，河流也延續(xù)到相鄰的晶粒

55、中。湖南大學(xué)101/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能當(dāng)解理裂紋通過扭轉(zhuǎn)晶界時(shí)，裂紋不能直接越過晶界而必須重新形核。裂紋將沿若干組新的相互平行的解理面擴(kuò)展而使臺(tái)階激增，形成為數(shù)眾多的“河流” 。裂紋穿過大角度晶界也形成大量“河流”。湖南大學(xué)102/119材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能* 舌狀花樣：由于解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的舌頭狀凹坑或凸臺(tái)，故在匹配斷口上“舌頭”為黑白對(duì)應(yīng)的。湖南大學(xué)圖2-44 舌狀花樣103/119圖2-45 解理舌形形成示意圖湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第2章 材料的靜載拉伸力學(xué)性能材料力學(xué)性能2 準(zhǔn)解理*微觀形態(tài)特征：似解理河流但又非真正解理，故稱準(zhǔn)解理(圖2-46)。* 準(zhǔn)解理與解理的共同點(diǎn)是：都是穿晶斷裂；有小解理刻面；有臺(tái)階或撕裂棱及河流花樣。* 不同點(diǎn)是：準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面；真正解理裂紋常源于晶界；而準(zhǔn)解理裂紋則常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。準(zhǔn)解理不是一種獨(dú)立的斷裂機(jī)制，而是解理斷裂的變種。材