材料力學(xué)第一章-金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能

1、江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬單向靜拉伸性能內(nèi)容1 拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線2 彈性變形胡克定律、彈性模量、彈性比功滯彈性、包申格效應(yīng)3 塑性變形塑性變形方式、屈服應(yīng)變硬化4 金屬的斷裂斷裂類型斷裂強(qiáng)度21 拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線1.1 單向拉伸試驗(yàn)最常用的金屬力學(xué)性能試驗(yàn)方法。GB/T 228-2002 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法31.1 拉伸力(絕對(duì))伸長(zhǎng)曲線定義：記錄拉伸實(shí)驗(yàn)中力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線。ACBkeLFFe1、彈性變形階段：e以下2、A-C：屈服階段，不均勻屈服塑性變形3、C-B：均勻塑性變形階段4、B-k：頸縮階段(不均勻集中塑性變形階段）A0L041.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力載荷除以試件

2、的原始截面積即得工程應(yīng)力，應(yīng)變伸長(zhǎng)量除以原始標(biāo)距長(zhǎng)度即得工程應(yīng)變，ksbSs真應(yīng)力-應(yīng)變曲線（工程應(yīng)用）應(yīng)力-應(yīng)變51.3 室溫下幾種典型的拉伸曲線 s= 0.2sb玻璃陶瓷灰鑄鐵淬火高碳鋼銅合金正火退火碳素結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼高錳鋼高碳鋼冷拔鋼絲經(jīng)硬化的材料調(diào)質(zhì)鋼黃銅、鋁合金6ACBke2 彈性變形 e1、彈性變形階段：e以下2、A-C：屈服階段，不均勻屈服塑性變形3、C-B：均勻塑性變形階段4、B-k：頸縮階段(不均勻集中塑性變形階段）7（工程）應(yīng)力-應(yīng)變曲線2 彈性變形定義8材料受外力作用發(fā)生尺寸和形狀變化，稱為變形。外力去除后隨之消失的變形為彈性變形，剩余的（久性的）變形為塑性變形。2.

3、1 彈性變形理論雙原子模型假定有兩個(gè)原子，N1與N2，原子之間存在長(zhǎng)程的吸引力和短程的排斥力，外力F 作用下原子間距r 發(fā)生變化，則原子間作用力也發(fā)變化。式中，式中第一項(xiàng)為引力，第二項(xiàng)為斥力。A是與原子本性或晶體、晶格類型有關(guān)的常數(shù)。引 力斥力合力N2N1r9金屬?gòu)椥宰冃卫碚撐锢頇C(jī)制：外力致使處于平衡位置的原子位移，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，宏觀彈性變形消失。102.2 胡克定律虎克定律：材料在彈性變形時(shí)，應(yīng)變與應(yīng)力成正比。(一) 簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)的胡克定律1單向拉伸11胡克定律2. 剪切和扭轉(zhuǎn)3. E、G和的關(guān)系m軸鍵齒輪12胡克定律（二）廣義胡克定律實(shí)際機(jī)件受力

4、狀態(tài)比較復(fù)雜，應(yīng)力往往兩向或者三向。xyzz z y z x x zx x y y z y xy式中 、 、 主應(yīng)力； 、 、 主應(yīng)變。 如果主應(yīng)力中有壓應(yīng)力時(shí)，其前方應(yīng)冠以負(fù)號(hào)。求得的應(yīng)變?yōu)檎?hào)時(shí)表示伸長(zhǎng)，負(fù)號(hào)則為縮短。132.3 金屬?gòu)椥宰冃翁卣鲗?shí)質(zhì)是外力作用下晶格中原子自平衡位置發(fā)生位移的結(jié)果加載卸載期內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之間保持單值線性關(guān)系；彈性變形是可逆的變形量小，不超過(guò)0.5%1%變形速度快14電子顯微鏡首次拍攝到的氫化釩2.4 彈性模量 E金屬在彈性變形時(shí)，應(yīng)變與應(yīng)力成正比，比例常數(shù)即為彈性模量，E。彈性模量是產(chǎn)生100彈性變形所需的應(yīng)力。這個(gè)定義對(duì)金屬而言是沒(méi)有任何意義的，因?yàn)榻饘俨?/p>

5、料所能產(chǎn)生的彈性變形量是很小的。剛度表征構(gòu)件對(duì)彈性變形的抗力。其值愈大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就愈小。15彈性模量的特點(diǎn)（1）彈性模量是一個(gè)表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量。因此，彈性模量也和其他的物理量如熔點(diǎn)、汽化熱等一樣，與原子鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。 除了過(guò)渡族金屬外，一般地講，彈性模量E隨原子半徑增大而減小，亦即隨原子間距的增大而減小。 過(guò)渡族金屬的彈性模量較大，。 （2）合金化、熱處理、冷塑變形對(duì)彈性模量的影響較小，金屬材料的彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。（3）一般地，加載速率并不影響彈性性能，因?yàn)楣腆w的彈性變形以介質(zhì)中的聲速傳播。因此，金屬的彈性變形速度很快

6、，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的加載速率。（4）單晶各向異性，由大量隨機(jī)取向的晶粒組成的多晶體，其彈性性能卻顯示出各向同性。16幾種金屬材料在常溫下的彈性模量金屬材料E/105MPa結(jié)合鍵鐵2.17金屬銅1.25金屬鋁0.72金屬低碳鋼2.0金屬鑄鐵1.71.9金屬低合金鋼2.02.1金屬奧氏體不銹鋼1.92.0金屬金剛石11.4共價(jià)鍵聚乙烯0.002范德華力172.5 彈性比功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)韌性指標(biāo)。e0 e 式中 彈性比功； 彈性極限； 最大彈性應(yīng)變。18彈性極限彈性極限由彈性變形過(guò)渡到彈-塑性變形時(shí)的應(yīng)力。超過(guò)彈性極限，開(kāi)始發(fā)生

7、塑性變形。 e=Fe / A0 定義殘余變形為0.01%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為規(guī)定彈性極限e。此時(shí)的彈性極限表示材料對(duì)微量塑性變形的抗力，是對(duì)組織敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。19彈簧材料的彈性比功彈簧的分類：硬彈簧：彈簧鋼制造，通過(guò)合金化、熱處理和冷加工，提高其彈性極限的方法來(lái)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。20 第二種故障主要是材料的彈性極限 偏低所致。改進(jìn)措施：（1）更換彈性極限高的材料（2）對(duì)材料進(jìn)行適當(dāng)熱處理。思考題某汽車(chē)彈簧，在未裝滿載時(shí)已變形到最大位置，缺載后可完全恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)；另一汽車(chē)彈簧，使用一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)彈簧弓

8、形越來(lái)越小，即產(chǎn)生了塑性變形，而且塑性變形量越來(lái)越大。試分析這兩種故障的本質(zhì)及改變措施。第一種故障主要是材料的剛度不足，抵抗彈性變形能力不夠。改進(jìn)措施：（1）更換彈性模量E 高的材料（2）改變材料的截面形狀尺寸。比較彈性模量與彈性極限212.6 滯彈性實(shí)際金屬材料，即使在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)變與應(yīng)力也不呈嚴(yán)格的即時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系。應(yīng)變不僅與應(yīng)力有關(guān)，還與時(shí)間有關(guān)，應(yīng)變落后于應(yīng)力。較長(zhǎng)時(shí)間保持載荷突然加載這種在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象，稱為滯彈性。22原因和危害對(duì)于多晶體金屬材料，滯彈性與各晶粒中應(yīng)變不均一性有關(guān)。 經(jīng)淬火或塑性變形的鋼材料的成分和組織不均勻 、應(yīng)力作

9、用下金屬中點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生、移動(dòng)。測(cè)試溫度、載荷頻率越高滯彈性越明顯。應(yīng)力狀態(tài)對(duì)滯彈性有強(qiáng)烈的影響：切應(yīng)力分量愈大，愈明顯危害儀表和精密機(jī)械儀表精度不足甚至無(wú)法使用。制造業(yè)中構(gòu)件的形狀穩(wěn)定性（校直的工件會(huì)發(fā)生彎曲）。減少?gòu)椥院笮У霓k法是長(zhǎng)時(shí)間回火。2324氣壓計(jì)工作原理示意圖循環(huán)韌性在彈性范圍內(nèi)對(duì)金屬快速加載，卸載時(shí)應(yīng)變落后于應(yīng)力，引起彈性滯后。因此，加載和卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變線不重合，形成一封閉的回線，稱為彈性滯后環(huán)。 由于彈性滯后，加載時(shí)金屬所吸收的彈性變形能大于卸載時(shí)所釋放的彈性變形能，即有一部分變形能不可逆地為金屬所吸收，其數(shù)值可用彈性滯后環(huán)的面積來(lái)量度。這種在交變載荷下吸收不可逆變形工的能力

10、，稱為金屬的循環(huán)韌性。25循環(huán)韌性的應(yīng)用循環(huán)韌性是材料靠自身來(lái)消除機(jī)械振動(dòng)的能力 （即消振性的好壞），所以在生產(chǎn)上是一個(gè)重要的機(jī)械性能指標(biāo)，具有很重要的意義。循環(huán)韌性的應(yīng)用：（1）減振材料（機(jī)床床身、缸體等），Cr13系列鋼和灰鑄鐵的循環(huán)韌性大，是很好的消振材料。（2）樂(lè) 器（音響效果元件音叉、簧片、鐘等）， 希望聲音持久不衰，即振動(dòng)的延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)久，則必須使循環(huán)韌性盡可能小。262728與普通AFM探針相比，新奈材料提供的碳納米管AFM探針具有分辨率高，使用壽命長(zhǎng)以及可以提高垂直方向探測(cè)深度等優(yōu)點(diǎn)這種懸臂大小在數(shù)十至數(shù)百微米，通常由硅或者氮化硅構(gòu)成，其上載有探針，探針之尖端的曲率半徑則在納米量

11、級(jí)彈性系數(shù)為0.06 - 0.58 N/m2.7 包申格效應(yīng)定義：經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生微量塑性變形（殘余應(yīng)變小于4） ，然后再同向加載，其彈性極限升高；反向加載變形則其彈性極限降低的現(xiàn)象。124.00328.7217.848.5230.129包申格效應(yīng)敏感材料：退火或高溫回火的金屬或合金。敏感工況： 組織不均勻、晶體內(nèi)殘存應(yīng)力或者加載速度很快的時(shí)候產(chǎn)生原因： 預(yù)塑性變形，位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)、纏結(jié)；同向加載，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻；反向加載，位錯(cuò)被迫作反向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易。30包申格效應(yīng)的意義如果金屬材料預(yù)先經(jīng)受大量塑性變形，因位錯(cuò)增殖和難于重分布，則在隨后反向加載時(shí)，包申格應(yīng)變等于零。 用處： （1）包申格效應(yīng)對(duì)

12、于承受應(yīng)變疲勞載荷作用的機(jī)件在應(yīng)變疲勞過(guò)程中，每一周期內(nèi)都產(chǎn)生微量塑性變形，在反向加載時(shí)，微量塑性變形抗力(規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力)降低，顯示循環(huán)軟化現(xiàn)象。 （2）對(duì)于預(yù)先經(jīng)受冷塑性變形的材料，如服役時(shí)受反向力作用，就要考慮微量塑性變形抗力降低的有害影響，如冷拉型材及管子在受壓狀態(tài)下使用就是這種情況。 （3）利用包申格效應(yīng)，如薄板反向彎曲成型。拉撥的鋼棒經(jīng)過(guò)軋輥壓制變直等。 消除包申格效應(yīng)的方法是:預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，或在第二次反向受力前先使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火，如鋼在400500以上，銅合金在250270以上退火。313 塑性變形ACBke1、彈性變形階段：e以下2、A-C：屈服階

13、段，不均勻屈服塑性變形3、C-B：均勻塑性變形階段4、B-k：頸縮階段(不均勻集中塑性變形階段）323 塑性變形333.1 塑性變形的方式與特點(diǎn)塑性變形：外力移去后不能恢復(fù)的變形；塑性：材料經(jīng)受此種變形而不破壞的能力。 延伸率，斷面收縮率。%100%，常稱為超塑性。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。34塑性變形物理過(guò)程塑性變形的方式：滑移：在形變溫度不低的情況下產(chǎn)生于滑移系多的晶系，對(duì)變 形量的貢獻(xiàn)大(90%)；孿生：產(chǎn)生于滑移系少的晶系，且須沖擊應(yīng)力(來(lái)不及傳遞開(kāi))、溫度較低等條件下才發(fā)生，對(duì)變形量的貢獻(xiàn)?。粩U(kuò)散蠕變和晶界滑動(dòng)

14、只在高溫時(shí)才起作用；353.1.1 滑移滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的滑移面和滑移方向（滑移系）產(chǎn)生相對(duì)位移。c當(dāng)作用在滑移面上沿著滑移方向的分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值c時(shí)，晶體開(kāi)始滑移。 = = c 是取向因子或Schmid因子。c為臨界分切應(yīng)力。36實(shí)際測(cè)得晶體滑移的臨界分切應(yīng)力值比理論計(jì)算值低34個(gè)數(shù)量級(jí)，理論和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果證明，滑移是通過(guò)位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的；凡是影響位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的各種因素都要影響材料的臨界分切應(yīng)力。位錯(cuò)的滑移37晶體結(jié)構(gòu)滑移面滑移方向滑移系數(shù)目常見(jiàn)金屬面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106 212Fe,W,Mo體心立方

15、12112 112Fe,W12324 124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方最密排面最密排方向金屬的位錯(cuò)滑移系38金屬材料的塑性差異Fcc的c 值比BCC 低一個(gè)數(shù)量級(jí)391、塑性變形時(shí)，晶體中固有滑移系并不同時(shí)開(kāi)動(dòng)，只有滑移系上的分切應(yīng)力達(dá)到臨界值才會(huì)滑移。2、 對(duì)于體心立方晶體，其塑性變形主要由螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)決定，面心立方晶體由刃位錯(cuò)決定，在相同應(yīng)力下，螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度比刃位錯(cuò)慢很多。這是因?yàn)槁菸诲e(cuò)是非平面位錯(cuò)芯結(jié)構(gòu)，具有很高的點(diǎn)陣阻力。為什么面心立方的金屬比體心立方的塑性好？3.1.2 孿生孿生變形：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿某一晶

16、面相對(duì)另一部分產(chǎn)生剪切變形，晶體變形后兩部分呈鏡像對(duì)稱（孿晶）。對(duì)稱性低、滑移系少的晶體容易發(fā)生孿生變形。孿生可提供的變形量有限，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?0孿生特點(diǎn)（1）孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對(duì)于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離，且每一層原子相對(duì)于孿生面的切變量跟它與孿生面的距離成正比。 （2）孿晶的兩部分晶體形成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系。（3）原子移動(dòng)距離不是孿生方向原子間距整數(shù)倍。（3）孿生變形也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并通常

17、出現(xiàn)于滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，因此，孿生所需的臨界切應(yīng)力要比滑移時(shí)大得多。 hcp容易孿生變形，低溫易發(fā)生孿生變形413.1.3 多晶體金屬塑性變形1. 晶粒之間塑性變形的不均勻性。塑性變形首先在個(gè)別取向有利的晶粒內(nèi)先開(kāi)始，然后擴(kuò)展到整個(gè)系統(tǒng)。2. 變形的相互協(xié)調(diào)性。多晶體作為一個(gè)整體，不允許晶粒僅在一個(gè)滑移系中變形，否則將造成晶界開(kāi)裂。五個(gè)獨(dú)立的滑移系開(kāi)動(dòng)，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。外應(yīng)力與滑移面法線的夾角；外應(yīng)力與滑移方向的夾角；coscos滑移取向因子。423.1.4 思考431、比較彈性變形與塑性變形：可逆性、速度、形變量、應(yīng)力方向、機(jī)制等。2、比較滑移與孿生兩種機(jī)制

18、：方向性、難易程度、不同金屬不同機(jī)制、變形量、機(jī)制3.2 屈服現(xiàn)象與屈服強(qiáng)度44受力試樣中，應(yīng)力達(dá)到某一特定值后，開(kāi)始大規(guī)模塑性變形的現(xiàn)象稱為屈服。屈服現(xiàn)象是材料由彈性變形過(guò)渡到塑性變形的標(biāo)志。低碳鋼單向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線ACBke屈服平臺(tái)45拉伸曲線中的三種典型屈服現(xiàn)象(a) 非均勻屈服-不連續(xù)屈服；(b) 均勻屈服；(c) 連續(xù)屈服 根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征，可將屈服分為非均勻屈服(不連續(xù)屈服)、均勻屈服和連續(xù)屈服三種。 屈服曲線形式463.2.1 屈服現(xiàn)象47屈服是一個(gè)不均勻塑性變形過(guò)程。首先開(kāi)始于試樣微觀不均勻處，或應(yīng)力集中的部位，一般在距離試樣夾持點(diǎn)較近的地方。此時(shí)可觀察到滑移帶：l

19、ders帶。屈服現(xiàn)象48Lder帶的產(chǎn)生：?jiǎn)屋S拉伸試樣在最大切應(yīng)力作用下局部滑移處應(yīng)力集中嚴(yán)重化，成為L(zhǎng)der帶的起點(diǎn)。Lder帶前一般與拉伸軸成約45度。外應(yīng)力與滑移面法線的夾角；外應(yīng)力與滑移方向的夾角；coscos滑移取向因子。49Lders帶的寬度為幾個(gè)晶粒大小。50Lders帶掃過(guò)的地方，試樣橫截面有明顯的收縮。當(dāng)試樣被Lders帶掃過(guò)一遍后，繼續(xù)拉伸出現(xiàn)硬化現(xiàn)象。51屈服現(xiàn)象（包括Lder帶）實(shí)際上反映了材料的微觀不均勻變形過(guò)程。拉伸過(guò)程中應(yīng)變分布及l(fā)uders條帶移動(dòng)52呂德斯帶是退火的低碳鋼薄板在沖壓加工時(shí)于局部突然屈服產(chǎn)生不均勻變形，在鋼板表面產(chǎn)生條帶狀皺褶的一種現(xiàn)象。對(duì)沖壓件

20、來(lái)說(shuō)，呂德斯帶的出現(xiàn)是不容許的，它會(huì)使工件表面產(chǎn)生皺褶，影響工件的表面質(zhì)量。對(duì)于承受高壓沖擊載荷的鋼質(zhì)薄壁高壓容器來(lái)說(shuō)，呂德斯帶還會(huì)使容器在使用中產(chǎn)生體裂，造成事故，嚴(yán)重影響容器的使用性能。屈服現(xiàn)象的產(chǎn)生的條件53研究指出，屈服現(xiàn)象的發(fā)生與下述三個(gè)因素有關(guān): 材料在變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小(或雖有大量位錯(cuò)但被釘扎住，如鋼中的位錯(cuò)為雜質(zhì)原子或第二相質(zhì)點(diǎn)所訂扎)； 隨塑性變形發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖； 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈依存關(guān)系。位錯(cuò)增殖54材料的塑性應(yīng)變速率為，其中， 為可動(dòng)位錯(cuò)密度，為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度，b為位錯(cuò)柏氏矢量。塑性變形開(kāi)始前較低，為保證變形速率，位錯(cuò)的平均運(yùn)動(dòng)速率需要提高。塑性變形開(kāi)

21、始后， 增大，位錯(cuò)平均運(yùn)動(dòng)速度下降。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)55其中，m值越小，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需的應(yīng)力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。bcc金屬mm100。錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度決定于所受的外力：為作用于滑移面上的切應(yīng)力；0為位錯(cuò)以單位速度運(yùn)動(dòng)所需的切應(yīng)力；m為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率的壓力敏感系數(shù)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)56上屈服點(diǎn)：塑性變形前有限，為保證變形速率，v需要提高，分切應(yīng)力需要提高；下屈服點(diǎn)：塑性變形發(fā)生，位錯(cuò)大量增殖，使可動(dòng)位錯(cuò)密度迅速增加，從而使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度降低和所需的應(yīng)力下降，這就是屈服降落?？麓?fàn)枤鈭F(tuán)57Cottrell(1948)提出小半徑原子（C,N）與位錯(cuò)彈性相互作用應(yīng)用于-Fe的屈服問(wèn)

22、題。小半徑溶質(zhì)原子在位錯(cuò)附近形成氣團(tuán)，釘扎位錯(cuò)，提高了位錯(cuò)起始運(yùn)動(dòng)的阻力。一旦位錯(cuò)在外力和熱激活作用下擺脫氣團(tuán)釘扎，此時(shí)位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)所需的力小于擺脫氣團(tuán)釘扎的時(shí)候，也就是宏觀表現(xiàn)出金屬的突然變軟?？梢远康姆显囼?yàn)測(cè)得-Fe的上屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系。缺點(diǎn)是無(wú)法解釋晶粒大小與屈服強(qiáng)度的關(guān)系，以及單晶體的屈服強(qiáng)度總小于多晶體的現(xiàn)象。3.2.2 屈服強(qiáng)度58屈服強(qiáng)度：呈屈服現(xiàn)象的材料拉伸時(shí)，外力不再增加仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，或是材料抵抗微量塑性變形的抗力，采用s 或0.2 表示。ACLFFsuFsl1、出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)上屈服點(diǎn)：su=Fsu/A0下屈服點(diǎn)：sl=Fsl/A0一般用下屈服點(diǎn)sl表征材

23、料的屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度592、無(wú)明顯屈服平臺(tái)規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力 標(biāo)距部分非比例伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力，p0.2, p0.05。LFFp0.2p0.2=Fp0.2 / A0=L0 0.2%屈服強(qiáng)度60規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力 加載時(shí)總伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力，常用總伸長(zhǎng)率0.5%。t0.5, 。t0.5=Ft0.5 / A0LFFt0.5=L0 0.5%規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力 拉伸應(yīng)力卸載后，其標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力，常用殘余伸長(zhǎng)率0.2%時(shí)的應(yīng)力， r0.2。屈服強(qiáng)度的工程意義61從靜強(qiáng)度角度選擇韌性材料的基本判據(jù)：傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法規(guī)定： = s / n復(fù)雜

24、受載狀況：屈雷斯加最大切應(yīng)力判據(jù)：米塞斯畸變能判據(jù)：62金屬塑性加工加工時(shí)塑性變形抗力較低一些 多采用熱加工 材料生產(chǎn)者必須可以調(diào)控材料的屈服強(qiáng)度 為此，必須了解強(qiáng)度的影響因素其他工藝性能的度量參考：屈服強(qiáng)度高，氫脆和應(yīng)力腐蝕敏感；屈服強(qiáng)度低，冷加工性能和焊接性能好。3.3 影響屈服強(qiáng)度的因素631、影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)因 (1) 基體金屬的本性及晶格類型 塑性變形主要沿基體相進(jìn)行。 位錯(cuò)所受的阻力包括：晶格阻力(P-N力)、位錯(cuò)間的交互作用力。64 主要結(jié)論 晶體滑移所需克服的切應(yīng)力是很低的； 滑移面間距a值越大，柏氏矢量的模b越小，則晶格阻力越小； 位錯(cuò)寬度越小，滑移的晶格阻力越大； 提高位錯(cuò)

25、密度增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，可以增加屈服強(qiáng)度。 影響屈服強(qiáng)度的因素65(2) 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 晶界(亞晶界)是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。要使相鄰晶粒中的位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)，必須加大外應(yīng)力霍爾-派奇公式。 細(xì)晶強(qiáng)化：用細(xì)化晶粒提高金屬屈服強(qiáng)度(同時(shí)可以提高其塑性)的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。影響屈服強(qiáng)度的因素663）溶質(zhì)元素固溶強(qiáng)化：在純金屬中加入溶質(zhì)原子形成固溶體合金，將顯著提高屈服強(qiáng)度，稱為固溶強(qiáng)化。鐵素體中固溶強(qiáng)化效果 影響屈服強(qiáng)度的因素674) 第二相不可變形的第二相，位錯(cuò)只能繞過(guò)，留下的位錯(cuò)環(huán)減小了第二相之間的距離，增大流變阻力?？勺冃蔚牡诙啵诲e(cuò)切過(guò)，晶格錯(cuò)排，以及新的界面產(chǎn)生需要能量。液液稀土摻雜鉬合金制

26、備68影響屈服強(qiáng)度的因素692、外在因素1）溫度：一般，溫度升高金屬材料的屈服強(qiáng)度降低；bcc金屬較為明顯2）應(yīng)變速率：應(yīng)變速率提高，金屬屈服強(qiáng)度增加；3）應(yīng)力狀態(tài)：切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度越低。思考：提高屈服強(qiáng)度的機(jī)制701、固溶強(qiáng)化2、形變強(qiáng)化3、沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化4、細(xì)晶強(qiáng)化：既能提高強(qiáng)度又能增加塑性。3.4 應(yīng)變硬化71定義：金屬材料屈服后，只有繼續(xù)提高應(yīng)力才能使得塑性變形繼續(xù)進(jìn)行，這個(gè)現(xiàn)象稱作應(yīng)變硬化，或加工硬化、形變強(qiáng)化。原因：位錯(cuò)增殖與運(yùn)動(dòng)受阻。工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，當(dāng)載荷超過(guò)曲線上最大值后，繼續(xù)變形，應(yīng)力下降，此與材料的實(shí)際硬化行為不符。準(zhǔn)確全面描述材料的應(yīng)變

27、硬化行為，要使用真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)變硬化72表征：Hollomon公式S為真實(shí)應(yīng)力；e為真實(shí)應(yīng)變；n為硬化指數(shù)；K為硬化系數(shù)。n=1，理想彈性體n=0，理想塑性體大部分工業(yè)金屬材料應(yīng)變硬化73n的物理意義：反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。n的特點(diǎn)：隨層錯(cuò)能降低而增加，對(duì)金屬材料冷熱變形十分敏感，退火態(tài)金屬n高，處于冷機(jī)工狀態(tài)時(shí)比較小，而且會(huì)隨金屬?gòu)?qiáng)度等級(jí)降低而增加。實(shí)驗(yàn)證明，n與材料的屈服強(qiáng)度大致呈反比關(guān)系；材料晶粒變粗n值提高。應(yīng)變硬化74n的工程意義：決定了材料開(kāi)始頸縮時(shí)的最大應(yīng)力，決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻應(yīng)變量（頸縮）。對(duì)于服役中的工件，有一定的加工硬化能力可防止偶爾過(guò)載引

28、起過(guò)量塑性變形、局部不均勻變形或者斷裂。和塑性變形適當(dāng)配合可使金屬進(jìn)行均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實(shí)施。 強(qiáng)化金屬；可降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性能。應(yīng)變硬化75室溫下幾種材料的n、K值3.5 頸縮現(xiàn)象與抗拉強(qiáng)度76定義頸縮是材料在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象，是應(yīng)變硬化與截面減小的共同作用結(jié)果。ACBkeB點(diǎn)之前，應(yīng)力不斷提高，B點(diǎn)之后，應(yīng)力下降，B點(diǎn)是最大力點(diǎn)，也是局部塑性變形的開(kāi)始點(diǎn)。77頸縮的判據(jù)78頸縮前變形沿整個(gè)試樣長(zhǎng)度是均勻的，頸縮后變形主要集中在局部區(qū)域。出現(xiàn)頸縮時(shí)，相當(dāng)于載荷F-變形曲線上的最大載荷處，因此有：頸縮的判據(jù)79應(yīng)變硬化表征：Hollomon公式

29、S為真實(shí)應(yīng)力；e為真實(shí)應(yīng)變；n為硬化指數(shù)；K為硬化系數(shù)。頸縮的判據(jù)80應(yīng)變硬化指數(shù)等于最大真實(shí)均勻塑性應(yīng)變量時(shí)，頸縮就會(huì)產(chǎn)生。工業(yè)純鐵真應(yīng)力-應(yīng)變曲線兩個(gè)曲線交點(diǎn)的左側(cè)dS/dS,即加工硬化作用足以補(bǔ)償應(yīng)力的升高，而在交點(diǎn)右側(cè)dS/dS，加工硬化能力較弱，導(dǎo)致頸縮的發(fā)生?？估瓘?qiáng)度81韌性金屬試樣拉斷過(guò)程中，最大力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度。ACBkeLFFe抗拉強(qiáng)度的實(shí)際意義82韌性金屬材料實(shí)際承載能力，光滑試樣單向拉伸。用于產(chǎn)品規(guī)格說(shuō)明、質(zhì)量控制指標(biāo)。脆性材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)候的許用應(yīng)力判據(jù)。高低決定于屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)。屈服強(qiáng)度與布氏硬度、疲勞極限-1之間存在經(jīng)驗(yàn)公式。3.6 塑性83定義金屬

30、材料斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分構(gòu)成。金屬材料常用的塑性指標(biāo)為斷后伸長(zhǎng)率斷面收縮率。84塑性的意義851、不能直接用于機(jī)件設(shè)計(jì)，預(yù)防偶然過(guò)載，緩和應(yīng)力；2、松弛裂紋尖端局部應(yīng)力，阻滯裂紋擴(kuò)展；3、對(duì)金屬材料的加工成形十分重要。3.7 靜力韌度86 韌度是度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)，其中又分靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。 金屬材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料斷裂前所吸收的功定義為靜力韌度，它是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。測(cè)出材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線下包圍的面積，可以精確獲得靜力韌度值。但工程上用近似計(jì)算方法，如對(duì)韌性材料，靜力韌度為 或 靜力

31、韌度對(duì)于按屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而在服役中有可能遇到偶然過(guò)載的機(jī)件如鏈條、起重吊鉤等，是必須考慮的重要指標(biāo)。 4. 金屬的斷裂878889904 金屬的斷裂91斷裂：應(yīng)力、熱、介質(zhì)作用下金屬材料被分成兩個(gè)或幾個(gè)部分；內(nèi)部存在裂紋。過(guò)程：裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展內(nèi)容：斷裂的基本類型斷裂微觀形貌斷裂的物理過(guò)程和微觀機(jī)制目的：研究斷裂過(guò)程的機(jī)理及其影響因素，認(rèn)識(shí)斷裂過(guò)程，實(shí)施斷裂控制。斷口分析921、斷口處理斷裂發(fā)生的環(huán)境不同：干燥空氣、油污、潮濕空氣、腐蝕環(huán)境中等2、斷口分析斷口分析宏觀分析延、脆、疲勞裂紋源微觀分析成分形貌機(jī)理934.1 斷裂的類型1. 韌性斷裂與脆性斷裂2. 穿晶斷裂與沿晶斷裂3. 純剪

32、切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂 磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)件的三種主要失效形式，其中以斷裂的危害最大。944.1.1 按塑性變形量區(qū)分 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，這種斷裂有一個(gè)緩慢的撕裂過(guò)程，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中不斷地消耗能量。 中、低強(qiáng)度鋼的光滑圓 柱試樣在室溫下的靜拉伸斷 裂是典型的韌性斷裂，其宏 觀斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、 放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域組 成，即所謂的斷口特征三要 素。95韌性斷裂96 光滑圓柱拉伸試樣的宏觀韌性斷口的形成過(guò)程d) 微孔連續(xù)形成鋸齒狀 e) 邊緣剪切斷裂縮頸導(dǎo)致三向應(yīng)力 微孔成長(zhǎng) c) 微孔長(zhǎng)大 脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性

33、變形，沒(méi)有明顯征兆，因而危害性很大。 脆性斷裂的斷裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。板狀矩形拉伸試樣斷口中的人字紋花樣如圖所示。 脆性斷裂974.1.2 按照裂紋擴(kuò)展途徑 多晶體金屬斷裂時(shí)，裂紋擴(kuò)展的路徑可能是不同的。穿晶斷裂的裂紋穿過(guò)晶內(nèi)；沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴(kuò)展沿晶斷裂的斷口形貌呈冰糖狀 。穿晶斷裂和沿晶斷裂有時(shí)可以混合發(fā)生。9899304不銹鋼焊接熱影響區(qū)晶界被削弱4.1.3 按照斷裂面取向100正斷和切斷4.1.4 按照塑性變形量大小分類的問(wèn)題1011、沒(méi)有絕對(duì)的脆性斷裂事實(shí)上，金屬中絕對(duì)的脆性斷裂（在微觀上為純解理斷裂）是很少見(jiàn)的，因?yàn)閿嗔亚翱偸且殡S那怕是很

34、小的塑性變形玻璃4.1.4 按照塑性變形量大小分類的問(wèn)題1022、量化區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)與微觀機(jī)理之間存在矛盾工程實(shí)際上判斷脆性與韌性斷裂：5%定義為韌性斷裂。一些光滑試樣的脆性斷裂，按照收縮率標(biāo)準(zhǔn)，盡管其斷口齊平，斷口上看不到纖維區(qū)、剪切唇，只存在放射區(qū)。但在微觀上是準(zhǔn)解理，甚至還有不少韌窩。4.1.4 按照塑性變形量大小分類的問(wèn)題1033、脆性斷裂的涵蓋太廣脆性斷裂意味著斷裂應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度。廣義上脆性斷裂包括低應(yīng)力脆斷，環(huán)境脆斷和疲勞斷裂。 狹義斷裂的分類(習(xí)慣)：一般脆性斷裂特指低應(yīng)力脆斷，在彈性應(yīng)力范圍內(nèi)一次加載即產(chǎn)生斷裂，包括：材料冶金質(zhì)量有關(guān)低溫脆斷；零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)應(yīng)力集中（缺口敏

35、感）;加載速率有關(guān)動(dòng)載脆斷等。4.1.3 按照斷裂機(jī)理（1）剪切斷裂 剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，其中又分清斷(純剪切斷裂)和微孔聚集型斷裂。 （2）解理斷裂 解理斷裂是金屬材料在一定條件下(如低溫)，當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到-定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學(xué)平面為解理面。解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。 1044.2 解理斷裂機(jī)理及微觀斷口特征105解理斷裂是在正應(yīng)力作用下，金屬原子鍵遭到破壞而產(chǎn)生的一種穿晶斷裂。其斷裂特點(diǎn)是，解理裂紋起源于晶界、亞晶界、孿晶交叉處，并嚴(yán)格按照金屬的結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)

36、展，其斷裂單元為一個(gè)晶粒尺寸。4.2 解理斷裂機(jī)理及微觀斷口特征1061、裂紋的形成 甄納-斯特羅的位錯(cuò)塞積理論思想：a 滑移時(shí)位錯(cuò)遇到障礙產(chǎn)生應(yīng)力集中。 b 相鄰晶粒不屈服，應(yīng)力集中得不到松弛形成解理裂紋。1、解理裂紋的形成107 柯垂耳位錯(cuò)反應(yīng)理論 晶內(nèi)解理和bcc晶體，可以借助位錯(cuò)反應(yīng)形成裂紋。2、解理裂紋的擴(kuò)展108 解理斷裂過(guò)程包括如下三個(gè)階段:塑性變形形成裂紋；裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長(zhǎng)大；裂紋越過(guò)晶界向相鄰晶粒擴(kuò)展，它和多晶體金屬的塑性變形過(guò)程十分相似。 109 c表示長(zhǎng)度相當(dāng)于直徑d的裂紋擴(kuò)展所需要的應(yīng)力，或裂紋體的實(shí)際斷裂強(qiáng)度。屈服時(shí)產(chǎn)生解理斷裂(動(dòng)力學(xué))條件：110晶粒大小對(duì)低

37、碳鋼屈服應(yīng)力和斷裂應(yīng)力的影響 解理裂紋擴(kuò)展的條件：存在拉應(yīng)力；表面能s較低；裂紋長(zhǎng)度大于臨界尺寸。3、解理斷裂微觀斷口特征111解理臺(tái)階，河流花樣和舌狀花樣是解理斷裂的基本微觀特征。解理斷裂并不是在單一的解理面進(jìn)行，而是沿著一組相互平行的晶面進(jìn)行，不同高度上的解理面以解理臺(tái)階相連。在解理裂紋的擴(kuò)展過(guò)程中，解理臺(tái)階相互匯合形成河流花樣。舌狀花樣是解理面和形變孿晶相互作用形成。解理臺(tái)階112理裂紋AB與螺位錯(cuò)CD相交在斷面上形成高度為柏氏矢量b的解理臺(tái)階。22Cr：整個(gè)斷口全部是較平整的片狀形貌，為解理斷裂。河流花樣113臺(tái)階沿裂紋前端滑移而相互匯合長(zhǎng)大，形成河流花樣。河流的流向和裂紋擴(kuò)展方向一致。河流花樣是解理斷裂的重要微觀依據(jù)。Cd合金斷口舌狀花樣114材料：0Cr13工況：1020保溫后油淬，低溫沖擊試驗(yàn)解理斷裂的另一個(gè)微觀特征是舌狀花樣，它是解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺(tái)或凹坑。 準(zhǔn)解理115 準(zhǔn)解理：由于晶體內(nèi)存在彌散硬質(zhì)點(diǎn)，解理裂紋起源于晶內(nèi)硬質(zhì)處點(diǎn)，其擴(kuò)展不是嚴(yán)格沿著一定晶體學(xué)平面，微觀形態(tài)似解理河流又非真正解理，故稱準(zhǔn)解理。淬火+低溫回火高強(qiáng)度鋼常見(jiàn)。 (1) 準(zhǔn)解理與解理的相同點(diǎn) 都是穿晶斷裂；有小解理刻面；有解理臺(tái)階或撕裂棱及河流花樣。 116 (2) 準(zhǔn)解理與解理的不同點(diǎn) 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