第1章 材料在单向拉伸下的力学性能

1、1 主讲人主讲人: : 张宁张宁 2 材料力学性能的定义材料力学性能的定义: v材料在外加载荷（外力）作用下，或载荷材料在外加载荷（外力）作用下，或载荷 与环境因素（如温度、介质和加载速率）与环境因素（如温度、介质和加载速率） 联合作用下所表现的行为，又称为力学行联合作用下所表现的行为，又称为力学行 为。为。 v宏观上一般表现为材料的变形或断裂。宏观上一般表现为材料的变形或断裂。 第一章第一章 材料在单向拉伸下的力学性能材料在单向拉伸下的力学性能 3 v机器零件（简称机件）的承载条件一般用各种机器零件（简称机件）的承载条件一般用各种 力学参数（如应力、断裂韧度等），力学参数（如应力、断裂韧度等

2、）， v所以就将表征材料的力学参数的所以就将表征材料的力学参数的临界值临界值或或规定规定 值值称为称为材料的力学性能指标或判据材料的力学性能指标或判据。 v材料力学性能指标材料力学性能指标具体数值的高低表示材料抵具体数值的高低表示材料抵 抗变形和断裂能力的大小抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质量的，是评定材料质量的 主要依据。主要依据。 第一章第一章 材料在单向拉伸下的力学性能材料在单向拉伸下的力学性能 4 v 一、拉伸力一、拉伸力-伸长曲线和应力伸长曲线和应力-应变曲线应变曲线 v 二、弹性变形二、弹性变形 v 三、塑性变形三、塑性变形 v 四、金属的断裂四、金属的断裂 第一章第一章 材料

3、在单向拉伸下的力学性能材料在单向拉伸下的力学性能 5 v 1.1 1.1 金属力学性能基本概念金属力学性能基本概念 v 1.2 1.2 单项静拉伸试验单项静拉伸试验 v 1.3 1.3 拉伸力拉伸力- -伸长曲线伸长曲线 v 1.4 1.4 应力应力- -应变曲线应变曲线 v 1.5 1.5 拉伸力学性能指标拉伸力学性能指标 第一节第一节 拉伸力拉伸力-伸长曲线和应力伸长曲线和应力-应变曲线应变曲线 6 力作用于材料力作用于材料 弹性变形弹性变形 弹弹 塑塑 性性 变变 形形 断断 裂裂 1.1 金属力学性能基本概念金属力学性能基本概念 7 力学性能 强度成形性刚度韧性耐久性 拉伸 屈服 压缩

4、 弯曲 剪切 蠕变 延伸率 断面收缩率 弯曲曲率 模量 弯曲模量 冲击强度 缺口敏感性 磨损阻力 疲劳强度 金属的服役性能与力学性能相关 拉伸测试 冲击试验 硬度试验 1.1 金属力学性能基本概念金属力学性能基本概念 8 1.1 金属力学性能基本概念金属力学性能基本概念：应力及应力类型 力 变形方式 应力类型 单向应力 剪切应力 扭转力矩 弯曲力矩 拉伸伸长 压缩压缩 剪切剪切 扭转扭转 弯曲弯曲 v 工程构件可能受到的应力类型有：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲 等 9 v单向静拉伸试验特点单向静拉伸试验特点 v应力状态：单向拉应力，应力状态简单，最基本 的、应用最广泛的力学性能。 v拉伸试验反

5、映的信息：弹性变形、塑性变形和断 裂（三种基本力学行为），能综合评定力学性能。 v通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延伸率、 加工硬化和韧性等重要的力学性能指标，它是材 料的基本力学性能。 1.2 单单向向静拉伸试验静拉伸试验 10 v拉伸性能的作用、用途拉伸性能的作用、用途 a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据 之一。 b.提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、断裂 性能。 c.研究新材料，或合理使用现有材料和改善其力学性能时， 都要测定材料的拉伸性能。 注意：拉伸试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都 有严格规定（方法：GB/T228-2002；试样：GB/T639

6、7- 1986）。 1.2 单单向向静拉伸试验静拉伸试验 11 1.2 单单向向静拉伸试验静拉伸试验 12 1.2 单单向向静拉伸试验静拉伸试验 13 可移动横梁 试样 载荷与 位移读 数 载荷和运 动控制 v试验条件和 样品要符合 标准 v工程应力： engstress = P/A0 A0 原始截面积 v真应力： truestress = P/A A = 实时截面积 1.2 单单向向静拉伸试验静拉伸试验 1.2 单单向向静拉伸试验静拉伸试验 美特斯工业系统美特斯工业系统(中国中国)有限公司有限公司 CMT5105 系列微机控制电子万能试验机系列微机控制电子万能试验机 试验机的结构及零部件（外

7、部）试验机的结构及零部件（外部） 15 AB F A 工程应力工程应力载荷除以试件的原始截面积即得工 程应力s s = F/A0 式中F为载荷， A0为原始截面积。 (单位: N/m2 or Pascal (Pa) 1.2 单向静拉伸试验：应力单向静拉伸试验：应力 16 v工程应变工程应变伸长量除以原始标距长度即得工程 应变e，应变用来描述塑性变形和弹性变形程度 v单位长度上的变化量： e = DL / L0 式中DL 为试样伸长量，DL=L - L0， L0为试样原始 标长，L为与F相对应的标长部分的长度。 无单位 (m/m，mm/mm) 1.2 单向静拉伸试验：应变单向静拉伸试验：应变 1

8、7 1.3 拉伸力拉伸力-伸长曲线伸长曲线 18 1.3 拉伸力拉伸力-伸长曲线伸长曲线 19 1.3 拉伸力拉伸力-伸长曲线伸长曲线 20 弹性变形阶段 21 屈服点 22 屈服发生后的卸载 23 均匀塑性变形阶段 24 颈缩阶段 25 v材料分类：材料分类： 按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将材料分为脆 性材料和塑性材料两大类。 （1 1）脆性材料：）脆性材料：在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹性 变形； （2 2）塑性材料：）塑性材料：在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形。 高塑性材料：高塑性材料：在拉伸断裂前不仅产生均匀的伸长，而且发 生颈缩现象，且塑性变形量大。 低塑性材料：低塑

9、性材料：在拉伸断裂前只发生均匀伸长，不发生颈缩， 且塑性变形量较小。 1.3 拉伸力拉伸力-伸长曲线：伸长曲线： 26 v 原子间的距离发生伸长和 缩短，但原子间的结合键 并没有发生破坏 v 卸载后变形迅速恢复 1.3 拉伸力拉伸力-伸长曲线：伸长曲线：弹性变形弹性变形 27 v 相邻原子改变，改变后又 会迅速产生新的平衡 v 卸载后产生不可恢复的永 久变形 1.3 拉伸力拉伸力-伸长曲线：伸长曲线：塑性变形塑性变形 28 塑性变形一定导致断裂吗？塑性变形一定导致断裂吗？ v一些材料可以承受一定的塑性变形而不破坏。 wire 29 基本设计准则基本设计准则 施加的应力必须小于材料的强度 强度就

10、是材料变形和断裂的临界应力 30 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 31 v 脆性材料的应力应变曲线：脆性材料的应力应变曲线： v 典型材料：玻璃、多种陶瓷、岩石，低温下的金属材料、 淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等。 v 曲线特征：在拉伸断裂前，只发生弹性变形，不发生塑性 变形，在最高载荷点处断裂。 v 断口特征：平断口，断口平面与拉力轴线垂直。 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 32 v 塑性材料的应力应变曲线：塑性材料的应力应变曲线： 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 33 v（1）最常见的金属材料应力-应变曲线 Oa为弹性变形阶段，ab为形变强化阶段，bk为缩 颈阶段，在k点发生断

11、裂，如图1.7(a) 。 典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 34 v（2）具有明显屈服点的应力-应变曲线 曲线有明显的屈服点aa，屈服点呈屈服平台或呈 齿状，相应的应变量在1%3%范围，图1.7 (b) 。 典型材料：退火低碳钢和某些有色金属。 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 35 v（3）不出现颈缩的应力-应变曲线 只有弹性变形oa和均匀塑性变形ak阶段，图1.7 (c) 。 典型材料：铝青铜和高锰钢。 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 36 v（4）不稳定型材料的应力-应变曲线 在形变强化过程中出现多次局部失稳，原因是孪 生变形机制的参与，当孪生应

12、变速率超过试验机 夹头运动速度时，导致局部应力松弛，从而出现 齿形特征，如图1.7 (d) 。 典型材料：低溶质固溶体铝合金和含杂质铁合金。 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 37 v孪生变形孪生变形 除位错的滑移外，晶体的变形还可以借孪生（晶）来 实现。孪生变形是晶体特定晶面（孪晶面）的原子沿 一定方向（孪生方向）协同位移（称为切变）的结果， 但是不同的层原子移动的距离也不同。 图中带浅咖啡色的部分为原子移动后形成的孪晶孪晶。可 以看出，孪晶与未变形的基体间以孪晶面为对称面成孪晶与未变形的基体间以孪晶面为对称面成 镜面对称关系镜面对称关系。 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 38 v 真

13、应力真应力- -应变曲线应变曲线 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 39 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 v 工程应力-应 变曲线不能 真实反映变 形过程中的 应力和应变 的变化 40 真实应变与工程应变区别：真实应变与工程应变区别： v1、工程应变往往不能真实反映或度量应变。 v2、真实应变可以叠加，可以不计中间的加载历史， 只需要知道试样的初始长度和最终长度。 v3、工程应变总大于真应变，工程应变为0.1左右 时，两者相差不多，随着应变量的增加，两者的 相差越来越大。 在弹-塑性变形阶段，只有真应力-真应变曲线才 能描述材料的力学形为。 1.4 应力应力-应变曲线应变曲线 41 v大

14、多数的工程材料都可以看作弹性体，因 此弹性模量具有普遍性 v弹性系数和弹性模量的区别 1.5 拉伸力学性能指标（拉伸力学性能指标（1）弹性模量弹性模量E F= kx 42 弹性模量E: 单纯弹性变形过 程中应力与应变 的比值，表示材 料对弹性变形的 抗力。 s tan E eE （1）弹性模量弹性模量E 43 材料的弹性模 量具有组织不 敏感性！ （1）弹性模量弹性模量E 44 悬臂梁挠度与弹性模量 聚苯乙烯 铝 钢 45 v 对于拉伸曲线上有明 显的屈服平台的材料， 塑性变形硬化不连续， 屈服平台所对应的应 力即为屈服强度，记 为ss ss = Ps / A0 对于拉伸曲线上没有 屈服平台的

15、材料，塑 性变形硬化过程是连 续的，此时将屈服强 度定义为产生0.2% 残 余伸长时的应力，记 为0.2 ss = 0.2 = P0.2 / A0 （2）屈服强度）屈服强度 46 （2）屈服强度）屈服强度 47 v小塑性变 形抗力指 标 （2）屈服强度）屈服强度 48 抗拉强度sb： v 定义为试件断裂 前所能承受的最 大工程应力，以 前称为强度极限。 取拉伸图上的最 大载荷，即对应 于b点的载荷除以 试件的原始截面 积，即得抗拉强 度之值，记为b b = PmaxA0 （3）抗拉强度）抗拉强度 49 拉伸断裂时的真 应力称为真实断 裂强度，记为 f 。试验时测 出断裂点的截荷 Pf，试件的最

16、小 截面积Af，则断 裂时的平均真应 力，即平均断裂 强度值，f表 示如下 f = Pf / Af v大塑性变形抗拉 指标 （4）真实断裂强度）真实断裂强度 50 v断裂前不发生明显塑性变 形脆性 玻璃、陶瓷、硬塑料 高强度钢 v断裂前发生明显塑性变 形韧性 低强度钢、铜、铝、 铅 脆性与韧性脆性与韧性 51 Brittle fractureDuctile fracture “脆性断裂”所需的能量：分开原子新表面的 表面能 “韧性断裂”所需的能量：分开原子新表面的 表面能+塑性变形消耗的能量（远大于前两者之和） 脆性断裂 韧性断裂 52 应变 应变 应力 应力 塑性材料 脆性材料 玻璃、陶瓷

17、下面两种材料强度相近，谁的韧性大？ 脆性与韧性脆性与韧性 53 v 2.1 2.1 弹性变形及其实质弹性变形及其实质 v 2.2 2.2 胡克定律胡克定律 v 2.3 2.3 弹性模量弹性模量 v 2.4 2.4 弹性比功弹性比功 v 2.5 2.5 滞弹性滞弹性 v 2.6 2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效应）效应 第二节第二节 弹性变形弹性变形 54 v 金属弹性变形是一种可逆变形（卸载后可金属弹性变形是一种可逆变形（卸载后可 以恢复变形前形状的变形）；以恢复变形前形状的变形）； v 弹性变形微观解释：变形的实质弹性变形微观解释：变形的实质双原双原

18、子模型子模型 2.1 弹性变形及其实质弹性变形及其实质 55 v图图1-4中，在没有外加载荷作用时，金属中的原中，在没有外加载荷作用时，金属中的原 子子N1、N2在其平衡位置附近产生振动。相邻两在其平衡位置附近产生振动。相邻两 个原于之间的作用力个原于之间的作用力(曲线曲线3)由引力由引力(曲线曲线1)与斥与斥 力力(曲线曲线2)叠加而成。引力与斥力都是原子间距叠加而成。引力与斥力都是原子间距 的函数。当两原子因受力而接近时，斥力开始的函数。当两原子因受力而接近时，斥力开始 缓慢增加，而后迅速增加；而引力则随原子间缓慢增加，而后迅速增加；而引力则随原子间 距减小增加缓慢。合力曲线距减小增加缓慢

19、。合力曲线3在原子平衡位置处在原子平衡位置处 为零。为零。 2.1 弹性变形及其实质弹性变形及其实质 56 v当原子间相互平衡力因受外力作用而受到破坏当原子间相互平衡力因受外力作用而受到破坏 时，原子的位置必须作相应调整，即产生位移，时，原子的位置必须作相应调整，即产生位移， 以期外力、引力和斥力三者达到新的平衡。原以期外力、引力和斥力三者达到新的平衡。原 子的位移总和在宏观上就表现为变形。外力去子的位移总和在宏观上就表现为变形。外力去 除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来 的平衡位置，位移消失，宏观上变形也就消失。的平衡位置，位移消失，宏观上变形也

20、就消失。 这就是弹性变形的这就是弹性变形的可逆性可逆性。 v金属弹性变形量比较小，一般不超过金属弹性变形量比较小，一般不超过0.51。 这是因为原子弹性位移量只相当于原子间距的这是因为原子弹性位移量只相当于原子间距的 几分之一，所以弹性变形量小于几分之一，所以弹性变形量小于1。 2.1 弹性变形及其实质弹性变形及其实质 57 v单向拉伸单向拉伸 v = E E：弹性模量：弹性模量 v剪切和扭转剪切和扭转 v = G ：切应力：切应力 G：切变模量：切变模量 ：切应变：切应变 2.2 胡克定律胡克定律 58 v定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹 性应

21、力，即产生性应力，即产生100%弹性变形时所需要的应弹性变形时所需要的应 力。力。 v这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是 因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的 。 2.3 弹性模量弹性模量 59 v工程上弹性模量被称为材料的工程上弹性模量被称为材料的刚度刚度，表征金属表征金属 材料对弹性变形的抗力材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同，其值越大，则在相同 应力下产生的弹性变形就越小。应力下产生的弹性变形就越小。 v机器零件或构件的刚度与材料刚度不同机器零件或构件的刚度与材料刚度不同，前者，前者 除与材料

22、刚度有关外，尚与其截面形状和尺寸除与材料刚度有关外，尚与其截面形状和尺寸 以及载荷作用的方式有关。刚度是金属材料重以及载荷作用的方式有关。刚度是金属材料重 要的力学性能指标之一。一些机件或构件在选要的力学性能指标之一。一些机件或构件在选 材或设计时常要用到它。材或设计时常要用到它。 v合金化、热处理合金化、热处理(显微组织显微组织)、冷塑性变形对弹、冷塑性变形对弹 性模量的影响较小，所以，性模量的影响较小，所以，金属材料的弹性模金属材料的弹性模 量是一个对组织不敏感的力学性能指标。量是一个对组织不敏感的力学性能指标。温度温度 、加载速率等外在因素对其影响也不大。、加载速率等外在因素对其影响也不

23、大。 2.3 弹性模量弹性模量 60 v弹性比功弹性比功又称弹性比能、应变比能，又称弹性比能、应变比能，表示金属表示金属 材料吸收弹性变形功的能力材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属开始一般用金属开始 塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表 示示。金属拉伸时的弹性比功用图。金属拉伸时的弹性比功用图1-2应力应变应力应变 曲线上弹性变形阶段下的面积表示，即曲线上弹性变形阶段下的面积表示，即 vae为弹性比功，为弹性比功，e为弹性极限（是材料由弹性为弹性极限（是材料由弹性 变形过渡到弹变形过渡到弹-塑性变形时的应力），塑性变形时的应力），e为最大为最大 弹

24、性应变。弹性应变。 2.4 弹性比功弹性比功 61 v弹性极限表示材料对微量塑性变形的抗力，是弹性极限表示材料对微量塑性变形的抗力，是 对组织敏感的力学性能指标。对组织敏感的力学性能指标。 v金属材料的弹性比功决定于其弹性模量和弹性金属材料的弹性比功决定于其弹性模量和弹性 极限。由于弹件模量是组织不敏感性能，因此极限。由于弹件模量是组织不敏感性能，因此 ，对于一般金属材料，只有用提高弹性极限的对于一般金属材料，只有用提高弹性极限的 方法才能提高弹性比功。方法才能提高弹性比功。 2.4 弹性比功弹性比功 62 v完整的弹性应该是加载时立即变形，卸载时立完整的弹性应该是加载时立即变形，卸载时立 即

25、恢复原状，应力即恢复原状，应力应变曲线上加载线与卸载应变曲线上加载线与卸载 线完全重合，即应力与应变同相，变形值大小线完全重合，即应力与应变同相，变形值大小 与时间无关，即变形的性质的确是完全弹性的与时间无关，即变形的性质的确是完全弹性的 。但实际上，如上所述，。但实际上，如上所述，弹性变形时加载线与弹性变形时加载线与 卸载线并不重合，应变落后于应力卸载线并不重合，应变落后于应力，存在着弹，存在着弹 性后效、弹性滞后、包申格效应等。性后效、弹性滞后、包申格效应等。这些现象这些现象 属于弹性变形中的非弹性问题，称为属于弹性变形中的非弹性问题，称为弹性的不弹性的不 完整性完整性。 2.5 滞弹性滞

26、弹性 63 v把一定大小的应力骤然加到多把一定大小的应力骤然加到多 晶体试样上，试样立即产生的晶体试样上，试样立即产生的 弹性应变仅是该应力所应该引弹性应变仅是该应力所应该引 起的总应变起的总应变(OH)中的一部分中的一部分 (Oa)，其余部分的应变，其余部分的应变(aH)是是 在保持该应力大小不变的条件在保持该应力大小不变的条件 下逐渐产生的，此现象称为下逐渐产生的，此现象称为正正 弹性后效弹性后效。 v当外力骤然去除后，弹性应变当外力骤然去除后，弹性应变 消失，但也不是全部应变同时消失，但也不是全部应变同时 消失，而只先消失一部分消失，而只先消失一部分 (eH) ，其余部分，其余部分(Oe

27、)也是逐渐消失也是逐渐消失 的，此现象称为的，此现象称为反弹性后效反弹性后效。 v工程上通常所说的弹性后效就工程上通常所说的弹性后效就 是指的这种反弹性后效。是指的这种反弹性后效。 2.5 滞弹性滞弹性 64 v总之，这种在应力作用下应变不断随时间而发展总之，这种在应力作用下应变不断随时间而发展 的行为，以及应力去除后应变逐渐恢复的现象都的行为，以及应力去除后应变逐渐恢复的现象都 可统称为可统称为弹性后效弹性后效。 v在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长 产生的附加弹性应变的现象，称为产生的附加弹性应变的现象，称为滞弹性滞弹性。 2.5 滞弹性滞

28、弹性 65 金属的循环韧性金属的循环韧性 v定义：定义： v金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆 变形功的能力，也称为金属的变形功的能力，也称为金属的内耗内耗或或消振性消振性。 n意义：意义： n循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越 好，所以高循环韧性对于降低机器的噪声，好，所以高循环韧性对于降低机器的噪声， 抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断 裂意义重大。裂意义重大。 2.5 滞弹性滞弹性 66 v下图所示为退火态轧制黄铜在不同加载条件下下图所示为退火态轧制黄铜在不同

29、加载条件下 弹性极限变化的情况。曲线弹性极限变化的情况。曲线1为初始拉伸，为初始拉伸， e=240MPa；曲线；曲线2为初始压缩，为初始压缩， e=176MPa ；如果将初始压缩后的试样卸载，再进行第二；如果将初始压缩后的试样卸载，再进行第二 次压缩，则次压缩，则e=287MPa（曲线（曲线3）；如果将初）；如果将初 始压缩后的试样卸载，再进行第二次拉伸，则始压缩后的试样卸载，再进行第二次拉伸，则 e=85MPa（曲线（曲线4）。）。 2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效应）效应 67 v金属材料经过顶先加载产生少量塑性变形金属材料经过顶先加载产生少量塑性变

30、形(残残 余应变约为余应变约为1 4)。卸载后再同向加载，。卸载后再同向加载， 规定残余伸长应力规定残余伸长应力(弹性极限或屈服强度，下弹性极限或屈服强度，下 同同)增加；反向加载，规定残余伸长应力降低增加；反向加载，规定残余伸长应力降低 （特别是弹件极限在反向加载时几乎降低到零（特别是弹件极限在反向加载时几乎降低到零 ）的现象，称为）的现象，称为包申格效应包申格效应。 v几乎所有的退火或高温回火态金属或合金都有几乎所有的退火或高温回火态金属或合金都有 该效应。该效应。 2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效应）效应 68 vT10钢淬火钢淬火350回火试样，

31、拉伸时屈服强度回火试样，拉伸时屈服强度 为为1130MPa，但如事先经过预压缩变形再拉伸，但如事先经过预压缩变形再拉伸 时，其屈服强度就降至时，其屈服强度就降至880MPa。 2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效应）效应 69 v工程上有些材料要通过成型工艺制造构件，要工程上有些材料要通过成型工艺制造构件，要 考虑包申格效应，加大型输油气管线工艺制造考虑包申格效应，加大型输油气管线工艺制造 的管子，希望所用材料具有非常小的或几乎没的管子，希望所用材料具有非常小的或几乎没 有包申格效应。以免管子成型后强度损失。在有包申格效应。以免管子成型后强度损失。在 有些情

32、况下，人们也可以利用包申格效应，如有些情况下，人们也可以利用包申格效应，如 薄板反向弯曲成形、拉拔的钢棒经过轧辊压制薄板反向弯曲成形、拉拔的钢棒经过轧辊压制 较直等。较直等。 2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效应）效应 70 v消除包申格效应的方法：消除包申格效应的方法： v（1）预先进行较大的塑性变形；预先进行较大的塑性变形； v（2）在第二次反向受力前先使金属材料于回）在第二次反向受力前先使金属材料于回 复或再结晶温度下退火，如钢在复或再结晶温度下退火，如钢在400500， 铜合金在铜合金在250270退火。退火。 2.6 包申格（包申格（Bausch

33、ingerBauschinger）效应）效应 71 v 3.1 3.1 塑性变形方式及特点塑性变形方式及特点 v 3.2 3.2 屈服现象和屈服点（屈服强度）屈服现象和屈服点（屈服强度） v 3.3 3.3 影响屈服强度的因素影响屈服强度的因素 v 3.4 3.4 应变硬化（形变强化）应变硬化（形变强化） v 3.5 3.5 缩颈现象缩颈现象 v 3.6 3.6 塑性塑性 第三节第三节 塑性变形塑性变形 72 v金属材料常见的变形方式：金属材料常见的变形方式： v（1）滑移）滑移 滑移是金属材料在切应力作用下沿滑移面和滑移是金属材料在切应力作用下沿滑移面和 滑移方向进行的切变过程。通常，滑移面

34、是原滑移方向进行的切变过程。通常，滑移面是原 子最密排的晶面，而滑移方向是原子最密排的子最密排的晶面，而滑移方向是原子最密排的 方向。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。方向。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。 v（2）孪生）孪生 孪生也是金属材料在切应力作用下的一种塑孪生也是金属材料在切应力作用下的一种塑 性变形方式。孪生变形可以调整滑移面的方向性变形方式。孪生变形可以调整滑移面的方向 ，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献 。 3.1 塑性变形方式及特点塑性变形方式及特点 73 3.1 塑性变形方式及特点塑性变形方式及特点 v多晶体金属中，每一晶粒滑

35、移变形的规多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规 律与单晶体金属相同。但由于多晶体金律与单晶体金属相同。但由于多晶体金 属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同 ，因而其塑性变形有如下特点：，因而其塑性变形有如下特点： v（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性）各晶粒变形的不同时性和不均匀性 v（2）各晶粒变形的相互协调性）各晶粒变形的相互协调性 74 3.2 屈服现象和屈服点（屈服强度）屈服现象和屈服点（屈服强度） v屈服现象屈服现象是材料产生宏观塑性变形的一种是材料产生宏观塑性变形的一种标志标志 。 v金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过金属材料从弹性变形阶段向塑

36、性变形阶段的过 渡明显，表明外力保持恒定时试样仍继续伸长渡明显，表明外力保持恒定时试样仍继续伸长 ，或者外力增加到一定数值时突然下降，然后，或者外力增加到一定数值时突然下降，然后 外力几乎不变时，试样仍继续伸长变形，这就外力几乎不变时，试样仍继续伸长变形，这就 是是屈服现象屈服现象。 v呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外 力保持恒定仍能继续伸长的应力称为力保持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点屈服点， 记为记为s，又称，又称屈服强度屈服强度。 75 3.3 影响屈服强度的因素影响屈服强度的因素 v（一）内在因素（一）内在因素 v1. 金属本身及晶格类

37、型金属本身及晶格类型 v一般多相合金的塑性变形主要沿基体相进行，一般多相合金的塑性变形主要沿基体相进行， 这表明位错主要分布在基体相中。如果不计合这表明位错主要分布在基体相中。如果不计合 金成分的影响，那么一个基体相就相当于纯金金成分的影响，那么一个基体相就相当于纯金 属单晶体。属单晶体。纯金属单晶体的屈服强度从理论上纯金属单晶体的屈服强度从理论上 来说是使位错开始运动的临界切应力，其值由来说是使位错开始运动的临界切应力，其值由 位错运动所受的各种阻力决定。位错运动所受的各种阻力决定。这些阻力有晶这些阻力有晶 格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。不同格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。不同 的

38、金属及晶格类型，位错运动所受的各种阻力的金属及晶格类型，位错运动所受的各种阻力 并不相同。并不相同。 76 3.3 影响屈服强度的因素影响屈服强度的因素 v2. 晶粒大小和亚结构晶粒大小和亚结构 v晶粒大小的影响是晶界影响的反映，因为晶界晶粒大小的影响是晶界影响的反映，因为晶界 是位错运动的障碍，在一个晶粒内部，必须塞是位错运动的障碍，在一个晶粒内部，必须塞 积足够数量的位错才能提供必要的应力，使相积足够数量的位错才能提供必要的应力，使相 邻晶粒中的位错源开动并产生宏观可见的塑性邻晶粒中的位错源开动并产生宏观可见的塑性 变形。因而，变形。因而，减小晶粒尺寸将增加位错运动障减小晶粒尺寸将增加位错

39、运动障 碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使 屈服强度提高屈服强度提高（细晶强化细晶强化）。）。 77 3.3 影响屈服强度的因素影响屈服强度的因素 v2. 晶粒大小和亚结构晶粒大小和亚结构 v亚结构亚结构：在实际金属晶体中，一个晶粒内部其：在实际金属晶体中，一个晶粒内部其 晶格位向并不像理想晶体那样完全一致，而是晶格位向并不像理想晶体那样完全一致，而是 存在许多尺寸更小、位向差也很小（一般为几存在许多尺寸更小、位向差也很小（一般为几 十分到十分到1-2度）的小晶块，它们相互镶嵌成一度）的小晶块，它们相互镶嵌成一 颗晶粒，颗晶粒，这些小晶块称为亚结构

40、，或称亚晶粒这些小晶块称为亚结构，或称亚晶粒 、镶嵌块、镶嵌块。 v亚晶界的作用与晶界类似，也阻碍位错运动。亚晶界的作用与晶界类似，也阻碍位错运动。 78 3.3 影响屈服强度的因素影响屈服强度的因素 v3. 溶质元素溶质元素 v在纯金属中加入溶质原子（间隙型或置换型）在纯金属中加入溶质原子（间隙型或置换型） 形成固溶合金（或多相合金中的基体相），将形成固溶合金（或多相合金中的基体相），将 显著提高屈服强度，称为显著提高屈服强度，称为固溶强化固溶强化。 v通常，间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体通常，间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体 。 79 3.3 影响屈服强度的因素影响屈服强度的因素 v

41、4. 第二相第二相 v 第二相质点的强化效果与质点本身在屈服变形过程中第二相质点的强化效果与质点本身在屈服变形过程中 能否变形有很大关系。能否变形有很大关系。据此可将第二相质点分为不可据此可将第二相质点分为不可 变形的变形的（如钢中的碳化物与氮化物等）（如钢中的碳化物与氮化物等）和可变形的和可变形的（ 如时效铝合金中如时效铝合金中GP区的共格析出物区的共格析出物 相及粗大的碳化 相及粗大的碳化 物等）物等）两类两类。这些第二相质点都比较小，有的可用粉。这些第二相质点都比较小，有的可用粉 末冶金法获得（由此产生的强化叫末冶金法获得（由此产生的强化叫弥散强化）弥散强化），有的，有的 则可用固溶处理

42、和随后的沉淀析出获得（由此产生的则可用固溶处理和随后的沉淀析出获得（由此产生的 强化叫强化叫沉淀强化沉淀强化）。）。 v 表征金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分表征金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分 、组织极为敏感的力学性能指标、组织极为敏感的力学性能指标，受许多内在因素的，受许多内在因素的 影响，影响，改变合金成分或热处理工艺改变合金成分或热处理工艺都可使屈服强度产都可使屈服强度产 生明显变化。生明显变化。 80 3.3 影响屈服强度的因素影响屈服强度的因素 v（二）外在因素（二）外在因素 v1. 温度温度 v 一般，升高温度金属材料的屈服强度降低。一般，升高温度金属材料的屈

43、服强度降低。 v2. 应变速率应变速率 v 因应变速率增加而产生的强度提高效应，称为因应变速率增加而产生的强度提高效应，称为应变速应变速 率硬化率硬化现象。现象。 v3. 应力状态应力状态 v 应力状态也影响屈服强度，应力状态也影响屈服强度，切应力分量越大，越有利切应力分量越大，越有利 于塑性变形，屈服强度则越低于塑性变形，屈服强度则越低，所以扭转比拉伸的屈，所以扭转比拉伸的屈 服强度低，拉伸要比弯曲的屈服强度低，服强度低，拉伸要比弯曲的屈服强度低，但三向不等但三向不等 拉伸下的屈服强度为最高。拉伸下的屈服强度为最高。 v 扭转强度拉伸强度弯曲强度扭转强度拉伸强度弯曲强度 81 3.4 应变硬

44、化（形变强化）应变硬化（形变强化） v定义：定义： v在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度 之后，塑性变形并不是像屈服平台那样连续流之后，塑性变形并不是像屈服平台那样连续流 变下去，而需要不断增加外力才能继续进行，变下去，而需要不断增加外力才能继续进行， 这说明金属有一种阻止继续塑性变形的抗力，这说明金属有一种阻止继续塑性变形的抗力， 这种抗力就是这种抗力就是应变硬化性能应变硬化性能。 v塑性应变是硬化的原因，而硬化则是塑性应变塑性应变是硬化的原因，而硬化则是塑性应变 的结果。的结果。应变硬化是位错增殖、运动受阻所致应变硬化是位错增殖、运动受阻所致

45、。 82 3.4 应变硬化（形变强化）应变硬化（形变强化） v应变硬化的作用：应变硬化的作用： v（1）应变硬化可使金属机件具有一定的抗偶）应变硬化可使金属机件具有一定的抗偶 然过载能力，保证机件安全。然过载能力，保证机件安全。 v（2）应变硬化和塑性变形适当配合可使金属）应变硬化和塑性变形适当配合可使金属 均匀塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。均匀塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。 v（3）可降低塑性，改善低碳钢的切削加工性）可降低塑性，改善低碳钢的切削加工性 能。能。 83 3.5 缩颈现象和抗拉强度缩颈现象和抗拉强度 v（一）定义（一）定义 v缩颈是韧性金属材料在拉伸试验时缩颈是韧性金属

46、材料在拉伸试验时变形集中于局变形集中于局 部区域部区域的特殊现象，这是的特殊现象，这是应变硬化（物理因素）应变硬化（物理因素） 与截面减小（几何因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。共同作用的结果。 v 缩缩颈颈一旦产生，拉伸试样原来所受的单向应力一旦产生，拉伸试样原来所受的单向应力 状态就被破坏，而在缩颈区出现三向应力状态。状态就被破坏，而在缩颈区出现三向应力状态。 84 3.6 塑性塑性 v（一）塑性与塑性指标（一）塑性与塑性指标 v塑性定义：塑性定义： 指金属材料断裂前发生塑性变形（不可逆永久变指金属材料断裂前发生塑性变形（不可逆永久变 形）的能力。形）的能力。 v金属材料断裂前所

47、产生的塑性变形由均匀塑性变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。形和集中塑性变形两部分构成。试样拉伸至缩颈试样拉伸至缩颈 前的塑性变形是前的塑性变形是均匀塑性变形均匀塑性变形，缩颈后缩颈区的，缩颈后缩颈区的 塑性变形是塑性变形是集中塑性变形集中塑性变形。 v金属材料常用的塑性指标为金属材料常用的塑性指标为断后伸长率断后伸长率和和断面收断面收 缩率缩率。 v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是试样拉断后标距的伸长与原始标距 的百分比，用的百分比，用表示表示 v式中：式中：L0：试样原始标距长度；：试样原始标距长度； L1：试样断裂后的标距长度。

48、：试样断裂后的标距长度。 85 %100 0 01 L LL 3.6 塑性塑性 v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，用符号大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号表表 示示 v式中：式中：A0：试样原始横截面积；：试样原始横截面积； A1：缩颈处最小横截面积。：缩颈处最小横截面积。 86 %100 0 10 A AA 3.6 塑性塑性 87 3.6 塑性塑性 v（二）塑性的意义与影响因素（二）塑性的意义与影响因素 v对机件来讲，都要求材料具有一定的塑性，以防对机件来讲，都要求材料具有一定的塑性，以防 止机件偶然过

49、载时产生突然破坏。止机件偶然过载时产生突然破坏。 v影响因素：影响因素： （1）溶质元素会降低铁素体的塑性；）溶质元素会降低铁素体的塑性； （2）钢的塑性受碳化物体积比以及形状的影响；）钢的塑性受碳化物体积比以及形状的影响； （3）细化颗粒可使材料的塑性增加。）细化颗粒可使材料的塑性增加。 88 v 4.1 4.1 断裂的类型断裂的类型 v 4.2 4.2 解理断裂解理断裂 v 4.3 4.3 微孔聚集断裂微孔聚集断裂 第四节第四节 金属的断裂金属的断裂 89 第四节第四节 金属的断裂金属的断裂 v断裂断裂是工程材料的主要失效形式之一。工程结构是工程材料的主要失效形式之一。工程结构 或机件的断

50、裂会造成重大的经济损失，甚至人员或机件的断裂会造成重大的经济损失，甚至人员 伤亡。因此，如何提高材料的断裂抗力，防止断伤亡。因此，如何提高材料的断裂抗力，防止断 裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。在材裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。在材 料塑性变形过程中，也在产生微孔损伤。微孔的料塑性变形过程中，也在产生微孔损伤。微孔的 产生与发展，即损伤的累积，导致材料中微裂纹产生与发展，即损伤的累积，导致材料中微裂纹 的形成与长大，即连续性的不断丧失，这种损伤的形成与长大，即连续性的不断丧失，这种损伤 达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断 裂。可以

51、说，裂。可以说，任何断裂过程都是由裂纹形成和扩任何断裂过程都是由裂纹形成和扩 展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的 结果。结果。对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的 机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程 的认识制订合理的措施，实现有效的断裂控制。的认识制订合理的措施，实现有效的断裂控制。 90 4.1 断裂的类型断裂的类型 v磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效磨损、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。形式，其中以断裂的危害最大。 v在应力

52、作用下（有时还兼有热及介质的共在应力作用下（有时还兼有热及介质的共 同作用），金属材料被分成两个或几个部同作用），金属材料被分成两个或几个部 分，称为分，称为完全断裂完全断裂；内部存在裂纹，则为；内部存在裂纹，则为 不完全断裂不完全断裂。 91 4.1 断裂的类型断裂的类型 v按断裂前有无产生明显的宏观塑性变形按断裂前有无产生明显的宏观塑性变形分类：分类： v（一）韧性断裂与脆性断裂（一）韧性断裂与脆性断裂 v韧性断裂韧性断裂：指金属断裂前产生明显的宏观塑性变指金属断裂前产生明显的宏观塑性变 形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在 裂纹扩展过程中不

53、断消耗能量。裂纹扩展过程中不断消耗能量。 v韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主 应力成应力成45角。用肉眼或放大镜观察时，断口角。用肉眼或放大镜观察时，断口 呈呈纤维状，灰暗色纤维状，灰暗色。纤维状是塑性变形过程中微。纤维状是塑性变形过程中微 裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是 纤维断口表面对光反射能力很弱所致。纤维断口表面对光反射能力很弱所致。 92 4.1 断裂的类型断裂的类型 v中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸 断裂是典型的韧性断裂，其宏

54、观断口呈断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形杯锥形， 由由纤维区纤维区、放射区放射区和和剪切唇剪切唇三个区域组成（图三个区域组成（图1- 17），即所谓的），即所谓的断口特征三要素断口特征三要素。这种断口的。这种断口的 形成过程如图形成过程如图1-18所示。所示。 93 4.1 断裂的类型断裂的类型 v这种断口的形成过程如图这种断口的形成过程如图1-18所示。所示。 94 4.1 断裂的类型断裂的类型 v当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉 伸力伸力伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩 颈，

55、同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心 轴向应力最大。轴向应力最大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形在中心三向拉应力作用下，塑性变形 难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点 本身碎裂、或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微本身碎裂、或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微 孔。微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。孔。微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。早期形成早期形成 的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极 窄的高变形带内。这些剪切变形带从宏观上看

56、大致与窄的高变形带内。这些剪切变形带从宏观上看大致与 径向呈径向呈5060角。新的微孔就在变形带内成核、角。新的微孔就在变形带内成核、 长大和聚合，当其与裂纹连接时，裂纹便向前扩展了长大和聚合，当其与裂纹连接时，裂纹便向前扩展了 一段距离。这样的过程重复进行就形成锯齿形的纤维一段距离。这样的过程重复进行就形成锯齿形的纤维 区。区。纤维区所在平面（即裂纹扩展的宏观平面）垂直纤维区所在平面（即裂纹扩展的宏观平面）垂直 于拉伸应力方向。于拉伸应力方向。 95 4.1 断裂的类型断裂的类型 v纤维区中裂纹扩展的速率是很慢的，当其达到临界尺纤维区中裂纹扩展的速率是很慢的，当其达到临界尺 寸后就快速扩展而

57、形成放射区。寸后就快速扩展而形成放射区。放射区是裂纹作放射区是裂纹作快速快速 低能量低能量撕裂形成的。撕裂形成的。放射区有放射线花样特征。放射区有放射线花样特征。放射放射 线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前瑞（每一瞬间线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前瑞（每一瞬间 ）的轮廓线，并）的轮廓线，并逆指向裂纹源逆指向裂纹源。撕裂时塑性变形量越撕裂时塑性变形量越 大，则放射线越粗。大，则放射线越粗。对于几乎不产生塑性变形的极脆对于几乎不产生塑性变形的极脆 材料，放射线消失。温度降低或材料强度增加，由于材料，放射线消失。温度降低或材料强度增加，由于 塑性降低，放射线由粗交细乃至消失。塑性降低，放射线由粗

58、交细乃至消失。 v试样拉伸断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇。试样拉伸断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇。 剪切唇表面光滑，与拉伸轴呈剪切唇表面光滑，与拉伸轴呈45 ，是典型的切断型，是典型的切断型 断裂。断裂。 96 4.1 断裂的类型断裂的类型 v韧性断口的宏观断口同时具有上述三个区域，而韧性断口的宏观断口同时具有上述三个区域，而 脆性断口纤维区很小，剪切唇几乎没有脆性断口纤维区很小，剪切唇几乎没有。 v一般说来，材料强度提高，塑性降低，则放射区一般说来，材料强度提高，塑性降低，则放射区 比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而 纤维区变化不

59、大。纤维区变化不大。 97 4.1 断裂的类型断裂的类型 v脆性断裂脆性断裂是突然发是突然发 生的断裂，断裂前生的断裂，断裂前 基本上不发生塑性基本上不发生塑性 变形，没有明显征变形，没有明显征 兆，因而兆，因而危害性很危害性很 大大。脆性断裂的断脆性断裂的断 裂面一般与正应力裂面一般与正应力 垂直，断口垂直，断口平齐而平齐而 光亮光亮，常呈，常呈放射状放射状 或或结晶状结晶状。板状矩板状矩 形拉伸试样断口中形拉伸试样断口中 的人字纹花样如图的人字纹花样如图 1-19所示。所示。 98 4.1 断裂的类型断裂的类型 v人字纹花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行人字纹花样的放射方向也与裂纹扩展方向

60、平行 ，但其尖顶指向裂纹源。，但其尖顶指向裂纹源。实际多晶体金属断裂实际多晶体金属断裂 时主裂纹向前扩展，其前沿可能形成一些次生时主裂纹向前扩展，其前沿可能形成一些次生 裂纹，这些裂纹向后扩展借低能量撕裂与主裂裂纹，这些裂纹向后扩展借低能量撕裂与主裂 纹连接便形成人字纹。纹连接便形成人字纹。 99 4.1 断裂的类型断裂的类型 v通常，脆断前也产生微量塑性变形。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定一般规定 光滑拉伸试样的断面收缩率小于光滑拉伸试样的断面收缩率小于5者为脆性者为脆性 断裂；反之，大于断裂；反之，大于5者为韧性断裂。者为韧性断裂。由此可由此可 见，金属材料的韧性与脆性是根据一定