材料力学性能第一章

1、第一章 材料在静拉伸条件下的力学性能拉伸试验是最简单，但却是最重要的力学性能试验方法，可测定材料的弹性、强度、塑性、应变硬化和韧性等许多重要的力学性能指标。（拉伸性能）1.1 拉伸试验室温大气中，在缓慢施加（110MPa/s）的单向拉伸载荷作用下，用光滑试件测定材料力学性能的方法。标准圆棒形拉伸20MPa/s0.0025/s10mm/min标准板状拉伸试样比例试样退火低碳钢的拉伸图弹性变形屈服均匀塑性变形局集塑性变形断裂工程应力：；工程应变：工程应力应变曲线真应力：；真应变：由于材料具有不同的化学成份和微观组织，在相同的试验条件下，也会显示出不同的应力应变响应。脆性材料铸铁、玻璃等不存在屈服平

2、台，有色金属（铝合金），焊接接头无颈缩、局集的塑变高锰钢，铝青铜无均匀塑性变形，冷拔钢丝存在非线性弹性变形聚氯乙烯工程实践中，常按材料在拉伸断裂前有无塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料。1.2 弹性变形变形：材料在外力作用下发生尺寸或形状的变化，称为变形；弹性变形：若外力除去后，变形随之消失（恢复原形状、尺寸，变形可逆），称为弹性变形。一、物理本质原子间的相互作用力当原子偏离其平衡位置较小时，原子间的相互作用力与原子间的距离近似成正比。虎克定律：二、弹性常数弹性模量：；泊松比： ；切变（剪切）模量： 体积弹性模量： 广义虎克定律：；（本构方程，物理方程，弹性矩阵）三、弹性模量及其影响因素F

3、=M/EI弹性模量E越高，在相同应力作用下，弹性变形越小，因此E代表了材料对弹性变形的抗力，或者说代表了材料的刚度（注意：和构件的刚度不同）k、m为大于1的常数1. 随原子序数做周期性变化；表明E随原子半径增大而减小（同族元素，原子核最外层电子排列方式相同），亦即随原子间的距离增大而减小。（各向异性）2. 合金元素和热处理对E影响较小；即合金化（如果不影响原子间距的话）和热处理对E基本无影响；3. 温度E（钢：34%/100）4. 一般的加载速率不影响E（钢：vs=5000m/s，摆锤冲击：46m/s，子弹出膛：1000m/s）5. 冷变形稍微降低金属的弹性模量（钢：下降46）四、弹性极限与弹

4、性比功1.比例极限（p）（proportion）非比例伸长应力材料弹性变形时应力和应变成严格的正比关系的上限应力（弹性应变和应力成正比关系的最大抗力）弹性元件（仪表）需要应力应变呈严格线性关系，即灵敏系数为定值条件（规定）比例极限的确定应力超过弹性极限，材料便开始发生塑性变形2.弹性极限（e）材料发生可逆的弹性变形的上限应力值理论上，弹性极限的测定应该是通过不断的加载与卸载，直到能使变形恢复的极限载荷为止；实际上，工程中通常规定以产生规定的某一少量残留变形（如0.005，0.01，0.05）时的应力做为弹性极限，称为条件弹性极限。（均表征材料对微量塑性变形的抗力）条件弹性极限的确定（有些不允许

5、出现残留变形的工件，例如机床的导轨）3. 屈服强度（屈服极限）（s y或0.2）屈服强度标志着金属对塑性变形的抗力，是工程技术上最为重要的力学性能指标之一。对于拉伸时出现屈服平台的材料，由于下屈服点再现性较好，故以下屈服应力做为材料的屈服强度。记为s。但是，更多的材料在拉伸时看不到屈服平台，因而人为地规定当试件发生一定残余塑性变形量时的应力做为材料的屈服强度，称为条件屈服强度。允许的残余变形量可因机件的服役条件而异。常用的条件屈服强度为0.2，表示残余变形量为0.2时的应力。（对于一些特殊机件，如高压容器，为保持严格气密性，其紧固螺栓不允许有微小的残余伸长，要采用0.01甚至0.001做为条件

6、屈服强度；而对于桥梁、建筑物等大型工程结构的构件则可以容许更大的残余变形量如0.5。因此可见，条件屈服强度和条件弹性极限没有本质的区别。）4. 弹性比功（We）又称弹性应变能密度，弹性比能，应变比能。金属材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力；是在开始塑性变形前单位体积材料所能吸收的最大弹性变形功。减震和储能，既要吸收大量变形功，又不允许发生塑性变形淬火+中温回火提高e，或降低E均可提高材料的弹性比功，而提高e作用更大（因其为平方），且E很难改变（如前述）。弹簧材料要求在低应力条件下发生较大的可见变形而又不发生塑性变形。硅锰钢e=1200MPa1600MPa（如60Si2Mn）弹性元件还多用磷

7、青铜，铍青铜，优点是无磁性，高的e（1000MPa），低的弹性模量E（110GPa），因此灵敏度高。五、弹性不完善性（弹性不完整性）完善弹性指受到应力作用时立即产生相应的弹性应变，去除应力时弹性应变也随之消失；在应力应变曲线上，加载线和卸载线完全重合，即应力和应变严格同相位。然而实际的金属材料，即使在弹性变形范围内，应变与应力也并非呈严格的对应关系，即应变不仅和应力有关，还和时间以及加载方式有关，这些与完善弹性性质不同的现象，称为弹性不完善性。主要包括弹性后效、弹性滞后以及包申格效应（Bauschinger）。1.弹性后效（滞弹性）正弹性后效（），弹性蠕变；反弹性后效（）（用于表示弹性后效的大

8、小）应变落后于应力的变化。对于多晶金属材料，弹性后效与起始变形的非同时性有关，即与各晶粒中应变不一致不均一性有关。（因此，材料的成分和组织不均匀，弹性后效增大。具有密排六方晶格的镁，晶格对称性较低（与立方晶格相比），弹性后效强烈；经淬火或冷作硬化的碳钢，弹性后效高达30（回火300450，弹性后效消失）；另外温度和应力状态对弹性后效也有明显影响）弹性后效明显，会影响仪表中弹性原件的灵敏度。2.弹性滞后和内耗相对滞后系数循环韧性Cr13系列钢用于制造汽轮机叶片 优点弹性滞后，加载时金属所吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即有一部分能量被不可逆地吸收（滞后环面积），称为内耗。可用于减震

9、（减震元件，例如灰口铸铁，做机器或结构的底座或支架） 缺点有内耗，如果做为仪表的弹性元件，将降低其灵敏度，另外，乐器中元件（例如琴弦），要求其内耗低，以使声音 共鸣而不衰减，音响效果好。1880年代，德国人，拉压试验3.包申格（Bauschinger）效应材料预先经过少量塑性变形（b(a、b共同特点：断口齐平，并且垂直于最大主应力方向，宏观正断，无塑性变形或有少量的均匀塑性变形，无颈缩，k极小。但微观并不一定是正断（解理断），b可能是剪切型断裂)（铸铁、淬火低温回火的高碳钢）（e）试样的断面可减细到近于一尖刀，然后沿最大切应力方向断开。（Sk）（纯金Au、纯铝Al）（c）既有宏观正断，又有宏观

10、切断（Sk）（d）宏观切断（Sk）（c、d共同特点：出现颈缩，试样中心先开裂，然后向外延伸（可能出现快速扩展（低能撕裂），如c），接近表面时，沿最大切应力方向的斜面断开，形成杯锥状断口。（详细后述）2.断裂类型及相关术语从工程应用角度，常将断裂分为韧性（延性）断裂和脆性断裂；韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂；脆性断裂是金属材料断裂前没有明显宏观塑性变形的断裂；根据裂纹扩展路径不同，可以分为穿晶断裂和沿晶断裂；根据扩展机制不同，可以分为解理断裂和剪切断裂（包括纯剪切和微孔聚集型断裂）；正断和切断，是指引发断裂的原因和断裂面的取向；（断裂的宏观表现与微观机理并非是一一对应的）（在

11、不同的场合，用不同的术语描述断裂的特征。应注意有关术语的含义及它们之间的相互关系和区别）三、脆性断裂脆性断裂的宏观特征，是断裂前不发生可测的塑性变形，因此，结构件中的应力不能通过材料的塑性变形而重新分布，材料也不可能通过塑性变形而强化，因而不能延缓断裂的发生；再则，材料发生脆性断裂时，裂纹的扩展速度往往很快，相当于（该材料中的）音速。所以，脆性断裂前无明显的征兆，且断裂是突然发生的，危害更大。脆性断裂的微观机制主要有解理断裂（准解理断裂）和晶间断裂。1.解理断裂 定义材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面（解理面）劈开而造成的。（解理面通常是表面能最小的晶面）

12、回火过程中马氏体分解和残余奥氏体转变都会产生碳化物（例如渗碳体）（fcc一般不解理，因其滑移系多） 形貌宏观形貌：较为平坦的、发亮的结晶状断面；微观形貌：河流状花样，河流的流向为裂纹扩展方向；舌状花样（沿孪晶面扩展形成）；（解理台阶的汇合）2.准解理断裂 定义多在马氏体回火钢（淬火回火钢，40Cr）中出现，回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。其解理面呈多种小平面，解理小平面间有明显的撕裂棱。 准解理断裂起源于晶内硬质点，向四周放射状扩展； 解理裂纹则从晶界一侧向另一侧延伸 形貌过共析钢中析出二次渗碳体，沿奥氏体晶界网状分布短而弯曲的撕裂棱，局部区域出现韧窝（是解理和微孔聚合的混合型

13、断裂），河流花样已不十分明显。（宏观表现3.沿晶断裂 定义裂纹沿晶界形成并沿晶界扩展而引发的脆性断裂（晶界强度降低的原因：晶界存在连续分布的脆性第二相；微量有害杂质元素在晶界上偏聚；由于环境因素损害了晶界，如氢脆，应力腐蚀，蠕变等） 形貌宏观形貌：粗瓷状、颗粒状，色泽稍灰暗；微观形貌：岩石状、冰糖状四、韧性断裂（延性断裂）（以微孔聚集型断裂为典型）1.断裂过程当光滑试样受拉伸载荷作用，当载荷达到最大值时，试样发生颈缩。在颈缩区形成三向拉应力状态，在三向应力作用下，使得试样心部的夹杂物或第二相质点破裂（或夹杂物或第二相质点与基体界面脱离结合形成微孔。在外力作用下，微孔在纵向和横向上均长大，并联接

14、而形成大的中心空腔（中心裂纹）（微孔形核微孔长大微孔聚合）。然后，裂纹扩展：（微孔萌生显微裂纹新的微孔萌生（在剪切带上）微孔和裂纹聚合（扩展缓慢，形成锯齿形纤维形）裂纹迅速扩展（形成放射状花样）剪切断裂（剪切唇）（束德林：工程材料力学性能；黄明志：金属力学性能）最后，沿45方向切断，形成杯锥状断口。2.微孔成核、长大与聚合机制实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔形核的源。分为两类：夹杂物（如钢中的硫化物）在不大的应力作用下便与基体脱开或本身裂开而形成微孔；强化相（如钢中弥散的碳化物或其他第二相）它们本身比较坚实，与基体结合比较牢固，因位错聚集，或在位错塞积引起的高应力或高应变条件下，第二相

15、与基体塑性变形不协调而萌生微孔。 微孔形核与长大的位错模型（见上页图） 微孔形核和长大的塑性变形不协调理论基体塑性好，随外加应力而变形，第二相粒子塑性差不易变形，两者不协调，界面上就出现了相互作用的内应力，超过一定程度时，将界面拉开而形成微孔。 微孔聚合的内颈缩或几何软化理论微孔长大后出现“内缩颈”，使实际承载的面积减小而应力增加，起到“几何软化”作用，促使变形的进一步发展，加速微孔的长大，直至聚合。3.断口形貌 宏观形貌 纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇（与主应力方向呈45，最大切应力方向）。杯锥状断口（退火低碳钢圆棒试样室温拉伸）；由纤维区、放射区和剪切唇三部分组成。（三部分所占面积和材料的塑性密切相关，材料的塑性越好，则放射区面积所占比例越小，最终放射区消失） 微观形貌韧窝三种类型：拉伸型的等轴状韧窝剪切型的伸长（抛物线型）韧窝撕裂型的伸长（抛物线