金属力学性能.第一章

1、金属力学性能金属力学性能根据GB16023金属力学性能是指：金属材料在力的作用下金属材料在力的作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应力应变关系的性能。应变关系的性能。也就是金属材料在外力作用下，金属材料在外力作用下，（或载荷与环（或载荷与环境因素共同作用下）境因素共同作用下）所表现出来的力学行为所表现出来的力学行为。也可简单理解为，或金属材料的失效抗力。或金属材料的失效抗力。 v强度、强度、硬度硬度、塑性、韧性、耐磨性、缺口敏、塑性、韧性、耐磨性、缺口敏感性、断裂韧性等。感性、断裂韧性等。如强度指标：b、0.2、-1;塑性指标：、;韧性指标：AK、KI

2、C等。v材料的力学性能是检验材料质量、实材料的力学性能是检验材料质量、实际零件设计的主要依据。际零件设计的主要依据。v金属材料的力学性能取决于：金属材料的力学性能取决于： 等内在因素。等内在因素。v同时，也取决于同时，也取决于等因素等因素。金属力学性能课程的主要内容是：金属力学性能课程的主要内容是：v1.金属材料在各种服役条件下的变形和断金属材料在各种服役条件下的变形和断裂现象及微观机理。裂现象及微观机理。v2.指标的本质、物理意义、实用意义，以指标的本质、物理意义、实用意义，以及各种指标间的相互关系。及各种指标间的相互关系。v3.了解影响力学性能的因素，以及提高金了解影响力学性能的因素，以及

3、提高金属力学性能的方向和途径。属力学性能的方向和途径。v4.金属力学性能指标的测试技术。金属力学性能指标的测试技术。本章主要介绍的基本内容本章主要介绍的基本内容v1.力学性能指标的物理概念及实用意义。力学性能指标的物理概念及实用意义。v2.讨论金属弹性变形、塑性变形及断裂的讨论金属弹性变形、塑性变形及断裂的基本规律和原理。基本规律和原理。v3.探讨改变性能指标的途径和方向。探讨改变性能指标的途径和方向。第一章第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能主要包括：主要包括：强度强度（s；0.2

4、；b；）、；）、 塑性塑性（；）。）。光滑试样单向静拉伸试验方法的主要特点：光滑试样单向静拉伸试验方法的主要特点：v试验过程中，温度、应力状态和加载速率是一定的。试验过程中，温度、应力状态和加载速率是一定的。v试样通常为试样通常为光滑圆柱形状光滑圆柱形状。v揭示了工件三种失效形式，即揭示了工件三种失效形式，即过量弹性变形、过量过量弹性变形、过量塑性变形塑性变形和和断裂的过程。断裂的过程。v标定出材料最基本的力学性能指标。标定出材料最基本的力学性能指标。第一章第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1力力伸长曲线和应力应变曲线伸长曲线和应力应变曲线v力力伸长曲线是拉

5、伸试验中，记录拉伸伸长曲线是拉伸试验中，记录拉伸力对伸长的关系曲线。力对伸长的关系曲线。1力力伸长曲线和应力应变曲线伸长曲线和应力应变曲线vo-e段，段，弹性变形阶段，弹性变形阶段，试样产生弹性变形。试样产生弹性变形。ve-c段，段，不均匀屈服塑性变形段，不均匀屈服塑性变形段，试样产生屈试样产生屈服变形。服变形。vc-b段，段，均匀塑性变形段，均匀塑性变形段，试样产生均匀塑性试样产生均匀塑性变形。变形。vb-k段，段，不均匀塑性变形段，不均匀塑性变形段，试样产生颈缩。试样产生颈缩。vk点以后点以后试样断裂。试样断裂。1力力伸长曲线和应力应变曲线伸长曲线和应力应变曲线v应力应力应变曲线，应变曲线

6、，将力将力伸长曲线的纵横坐标分伸长曲线的纵横坐标分别以拉伸试样的原始截面积别以拉伸试样的原始截面积A、原始标距长度、原始标距长度L去除，则得到应力去除，则得到应力应变曲线。应变曲线。称为称为“工程应力工程应力应变曲线应变曲线”00LLeAL1力力伸长曲线和应力应变曲线伸长曲线和应力应变曲线v真实应力真实应力应变曲线，应变曲线，用用拉伸过程中每一拉伸过程中每一瞬间的真实应力和真实应变瞬间的真实应力和真实应变 绘制的曲线绘制的曲线1力力伸长曲线和应力应变曲线伸长曲线和应力应变曲线v其中：其中：S:为真应力；为真应力；e(e)为真应变；为真应变；TTTApS1)(0LnLLLneTe2 弹弹 性性

7、变变 形形v金属材料在外力的作用下，产生变形，当外金属材料在外力的作用下，产生变形，当外力去除以后变形也随之消失的现象力去除以后变形也随之消失的现象,称为称为“弹弹性性”。而此时而此时产生的变形产生的变形称为称为“弹性变形弹性变形”.v弹性变形弹性变形是一种可逆现象，是一种可逆现象，不论在加载期还是不论在加载期还是在卸载期，其在卸载期，其应力和应变之间都保持单值线性应力和应变之间都保持单值线性关系。关系。v弹性变形量都很小，弹性变形量都很小，一般在一般在0.51之间。之间。v金属材料的金属材料的原子弹性位移量只相当于原子间原子弹性位移量只相当于原子间距的几分之一距的几分之一。故弹性变形量小于。

8、故弹性变形量小于1。2 弹弹 性性 变变 形形v一、弹性变形及实质一、弹性变形及实质v金属材料的金属材料的弹性变形可以用双原子模型弹性变形可以用双原子模型来解释。来解释。2 弹弹 性性 变变 形形v平衡状态下，金属中的平衡状态下，金属中的原子在平衡位置附原子在平衡位置附近振动。相邻两个原子之间的近振动。相邻两个原子之间的作用力由作用力由引引力力和和斥力斥力迭加而成。迭加而成。v其中引力是其中引力是由金属正离子和自由电子间的由金属正离子和自由电子间的库仑力所产生库仑力所产生，而斥力是，而斥力是由离子之间因电由离子之间因电子壳层产生应变所致子壳层产生应变所致。v引力和斥力都是引力和斥力都是原子间距

9、的函数原子间距的函数。4202)(rArrArFA、r0：与原子本性或晶体、与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数。晶格类型有关的常数。2 弹弹 性性 变变 形形v上式中第一项为上式中第一项为引力引力，第二项第二项为为斥力斥力。v由上式可以看出，弹性变形过程中由上式可以看出，弹性变形过程中并非完全的并非完全的线性关系线性关系，而是而是抛物线关系抛物线关系，但在外力较小但在外力较小时时，原子偏离平衡位置不远，原子偏离平衡位置不远，近似为线性关近似为线性关系，系，因此虎克定律只有在外力较小时近似成立。因此虎克定律只有在外力较小时近似成立。2 弹弹 性性 变变 形形v由双原子模型可以看出：由双原子模型

10、可以看出：vF为零时，为为零时，为平衡状态平衡状态，即，即 。v当当 时斥力接近于零，时斥力接近于零，F最大最大,记为记为 。v 是拉伸时两原子间的最大结合力。对应是拉伸时两原子间的最大结合力。对应的原子间距为的原子间距为 ，当拉伸过程中，当拉伸过程中 时，时，就可以克服原子之间的引力而分离，因此，就可以克服原子之间的引力而分离，因此， 也就是材料在弹性状态下的断裂载荷（断也就是材料在弹性状态下的断裂载荷（断裂抗力）。裂抗力）。 就是弹性状态下最大的弹就是弹性状态下最大的弹性变形量大约为性变形量大约为23。（理论）。（理论）mrr maxFmaxFmrmrr0rrmmaxF0rr v二、弹性模

11、量二、弹性模量v材料产生单位弹性应变时，所需要的弹材料产生单位弹性应变时，所需要的弹性应力性应力。即材料产生。即材料产生100弹性变形时所弹性变形时所需要的应力。（对金属无意义）需要的应力。（对金属无意义）v拉伸时为杨氏模量即：拉伸时为杨氏模量即：v剪切时为切变模量即：剪切时为切变模量即：v其中其中E和和G分别为杨氏模量、切变模量。分别为杨氏模量、切变模量。2 弹弹 性性 变变 形形EGv单晶体的弹性模量呈各向异性。多晶体的弹性单晶体的弹性模量呈各向异性。多晶体的弹性模量呈伪同向性，为统计平均值。模量呈伪同向性，为统计平均值。v弹性模量决定于原子本性和晶格类型。弹性模量决定于原子本性和晶格类型

12、。v溶质原子可改变晶格常数，但影响不大。（碳溶质原子可改变晶格常数，但影响不大。（碳钢与合金钢弹性模量差别小于钢与合金钢弹性模量差别小于12）v热处理（显微组织）对弹性模量影响不大（晶热处理（显微组织）对弹性模量影响不大（晶粒大小、第二相分布影响不大，淬火后粒大小、第二相分布影响不大，淬火后E值略有值略有下降，但回火后又得以恢复）。下降，但回火后又得以恢复）。v铸铁铸铁E值与石墨形态有关，片状较低，而球状较值与石墨形态有关，片状较低，而球状较高。高。2 弹弹 性性 变变 形形2 弹弹 性性 变变 形形v冷塑性变形使冷塑性变形使E值下降，出现形变织构时值下降，出现形变织构时出现各向异性。出现各向

13、异性。v温度升高，温度升高，E值下降（值下降（35/100），），但在但在5050范围内变化不大。范围内变化不大。v加载速率对加载速率对E值影响不大（弹性变形速率值影响不大（弹性变形速率接近声速，远大于静拉伸加载数率）接近声速，远大于静拉伸加载数率） 。v综上所述，综上所述，E值是一个较稳定的力学性能值是一个较稳定的力学性能指标，外在因素对其影响不大。指标，外在因素对其影响不大。2 弹弹 性性 变变 形形v几种材料在常温下的弹性模量：几种材料在常温下的弹性模量：2 弹弹 性性 变变 形形v刚度：工程上材料的弹性模量代表材料刚度：工程上材料的弹性模量代表材料的刚度，表现为的刚度，表现为材料抵抗弹

14、性变形的能材料抵抗弹性变形的能力力。v构件的刚度，通常取决于材料本身的性构件的刚度，通常取决于材料本身的性质和构件的截面形状与面积，与材料的质和构件的截面形状与面积，与材料的状态无关。状态无关。2 弹弹 性性 变变 形形v三、比例极限与弹性极限三、比例极限与弹性极限v1.比例极限：比例极限：应力与应变在正比关系范围应力与应变在正比关系范围内的最大应力内的最大应力。v2.弹性极限：弹性极限：材料由弹性变形过渡到弹材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力塑性变形时的应力。0AFpp0AFee2 弹弹 性性 变变 形形v四、弹性比功（弹性比能、应变比能）四、弹性比功（弹性比能、应变比能）v金属材料吸收

15、弹性变形功的能力金属材料吸收弹性变形功的能力。v一般用材料开始塑性变形前单位体积吸一般用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功来表示。收的最大弹性变形功来表示。Eaeeee22122 弹弹 性性 变变 形形v弹性比功的含义就是弹性比功的含义就是弹性变形过程中所弹性变形过程中所吸收的引起弹性变形的能量吸收的引起弹性变形的能量。v数值上等于在应力应变曲线中被弹性变数值上等于在应力应变曲线中被弹性变形阶段的曲线所覆盖的面积。形阶段的曲线所覆盖的面积。2 弹弹 性性 变变 形形v几种金属材料的弹性比功：几种金属材料的弹性比功：3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v完全弹性体的弹性变形只与载荷

16、大小有完全弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方式和加载时间无关。关，而与加载方式和加载时间无关。v金属材料是不完全纯弹性体，因此，即金属材料是不完全纯弹性体，因此，即使在很小的应力作用下，也会显示出非使在很小的应力作用下，也会显示出非弹性性质。其弹性变形过程除和载荷大弹性性质。其弹性变形过程除和载荷大小有关外和上述其它因素均有关。因而小有关外和上述其它因素均有关。因而产生了包申格效应、弹性后效和弹性滞产生了包申格效应、弹性后效和弹性滞后等弹性不完整现象。后等弹性不完整现象。3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v一、包申格（一、包申格（Bauschinger）效应）效应v包申格效应可使

17、规定残余伸长应力降低包申格效应可使规定残余伸长应力降低1520。v包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象。v规定残余伸长应力：规定残余伸长应力：试样卸除拉伸力后，其标距部分试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v包申格效应（包申格效应（ 规定残余伸长应力）规定残余伸长应力）:r3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v包申格效应与金属材料中位错运动所受包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力有关。的阻力有关。3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性

18、v包申格应变：包申格应变：v在给定的压力下，拉伸卸载后第二次再拉伸与拉在给定的压力下，拉伸卸载后第二次再拉伸与拉伸卸载后第二次压缩两曲线之间的应变差伸卸载后第二次压缩两曲线之间的应变差。v包申格应变是度量包申格效应的基本定量指标。包申格应变是度量包申格效应的基本定量指标。v如金属预先受大量的塑性变形，因位错增殖和难如金属预先受大量的塑性变形，因位错增殖和难于重新分布，则在随后反向加载时，包申格应变于重新分布，则在随后反向加载时，包申格应变等于零。等于零。v循环软化：循环软化：由于对材料反复加载，而且每次加载由于对材料反复加载，而且每次加载都要产生少量的变形，使得材料的规定残余拉伸都要产生少量的

19、变形，使得材料的规定残余拉伸应力下降，产生的软化现象应力下降，产生的软化现象。3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v材料的包申格应变材料的包申格应变 v图中的图中的b-c段为包申格应变。段为包申格应变。消除包申格效应的方法：消除包申格效应的方法：1.预先进行较大的塑性变预先进行较大的塑性变形。形。2.在第二次反向受力前使在第二次反向受力前使金属材料在回复或再结晶金属材料在回复或再结晶温度下退火温度下退火 (如钢：如钢：400500以上，铜合金：以上，铜合金：250270以上以上)。3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v二、弹性后效二、弹性后效（滞弹性）（滞弹性）v加载（或卸载）加载（或卸载

20、）时应变落后于时应变落后于应力而和时间应力而和时间有关的现象。有关的现象。v加载时为正弹加载时为正弹性后效，卸载性后效，卸载时为反弹性后时为反弹性后效。效。3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v弹性后效产生的原因：弹性后效产生的原因：v主要与金属中的点缺陷移动有关。主要与金属中的点缺陷移动有关。3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v弹性后效速率和滞弹性应变量与材料的弹性后效速率和滞弹性应变量与材料的成分组织有关，也与试验条件有关。成分组织有关，也与试验条件有关。v材料组织越不均匀，则弹性后效越明显。材料组织越不均匀，则弹性后效越明显。v温度升高，弹性后效的速率和滞弹性应温度升高，弹性后效的

21、速率和滞弹性应变量都急剧增加。变量都急剧增加。v切应力分量越大弹性后效越强列。切应力分量越大弹性后效越强列。3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v三、弹性滞后和循环韧性三、弹性滞后和循环韧性1.弹性滞后：弹性滞后：金属在弹性区内加载和卸载金属在弹性区内加载和卸载时，由于应变落后与应力，使加载与卸时，由于应变落后与应力，使加载与卸载线不重合而行成的一封闭回线载线不重合而行成的一封闭回线。3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v由弹性滞后回线围起来的面积由弹性滞后回线围起来的面积称为称为“弹性滞后弹性滞后环环”，该环表示，该环表示金属在加载和卸载的过程中，金属在加载和卸载的过程中，一部分能量被金

22、属所吸收，这部分一部分能量被金属所吸收，这部分被吸收的能被吸收的能量称为量称为“金属的内耗金属的内耗”。v金属内耗功的大小用该滞后环的面积度量。金属内耗功的大小用该滞后环的面积度量。v如果所加载荷为交变载荷则得到的滞后环为交如果所加载荷为交变载荷则得到的滞后环为交变滞后环。变滞后环。v如果所加最大应力低于该材料的宏观弹性极限，如果所加最大应力低于该材料的宏观弹性极限，则所得到的滞后环为弹性滞后环。则所得到的滞后环为弹性滞后环。v如果所加最大应力高于该材料的宏观弹性极限如果所加最大应力高于该材料的宏观弹性极限则所得到的滞后环为塑性滞后环。则所得到的滞后环为塑性滞后环。3 弹弹 性性 不不 完完

23、整整 性性v三种滞后环的类型：三种滞后环的类型：3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性2.循环韧性（消振性）循环韧性（消振性）v金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，称为力，称为“金属的循环韧性金属的循环韧性”，也叫，也叫“金属的金属的内耗内耗”。v循环韧性指循环韧性指金属在塑性变形区内加载吸收不可金属在塑性变形区内加载吸收不可逆变形功的能力逆变形功的能力。用塑性滞后环来度量。用塑性滞后环来度量。v金属内耗指金属内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力变形功的能力，用弹性滞后环面积来度量。，用弹性滞后环面积来度

24、量。v通常可以混用。通常可以混用。3 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v循环韧性的意义在于：材料的循环韧性越高，则循环韧性的意义在于：材料的循环韧性越高，则机件依靠材料自身的消振能力越好，故又称为机件依靠材料自身的消振能力越好，故又称为“消振性消振性”。v通常用振动试样中自由震动振幅的自然对数值通常用振动试样中自由震动振幅的自然对数值 来表示循环韧性的大小。来表示循环韧性的大小。v影响循环韧性的因素与影响弹性滞后的因素类似。影响循环韧性的因素与影响弹性滞后的因素类似。TTTTTTTkklnln13 弹弹 性性 不不 完完 整整 性性v自由振动衰减曲线自由振动衰减曲线3 弹弹 性性 不不 完完

25、 整整 性性v一些金属材料的循环韧性一些金属材料的循环韧性4 塑塑 性性 变变 形形v一、塑性变形方式及特点一、塑性变形方式及特点v金属材料常见塑性变形方式滑移和孪生。金属材料常见塑性变形方式滑移和孪生。v滑移是滑移是金属材料在切应力作用下金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑沿滑移面和滑移方向进行的切变过程移方向进行的切变过程。v孪生也是孪生也是滑移变形的过程滑移变形的过程,只不过和位错滑移不只不过和位错滑移不同的是同的是,它是沿孪晶面整体对称滑移它是沿孪晶面整体对称滑移。滑移后的。滑移后的金属原子以滑移面为对称轴和未滑移的金属原金属原子以滑移面为对称轴和未滑移的金属原子一一对称。子一一对称。

26、v发生孪生滑移较位错滑移所需外力更大发生孪生滑移较位错滑移所需外力更大,滑移更滑移更加困难。因此加困难。因此,只有位错滑移不能进行的条件下只有位错滑移不能进行的条件下才产生孪生滑移。才产生孪生滑移。4 塑塑 性性 变变 形形v位错滑移与孪生滑移位错滑移与孪生滑移v滑移是沿着滑移面上的滑移方向进行的，通常滑移是沿着滑移面上的滑移方向进行的，通常每一个滑移面和一个滑移方向被称为一个滑移每一个滑移面和一个滑移方向被称为一个滑移系。金属中滑移系越多则该金属越易产生位错系。金属中滑移系越多则该金属越易产生位错滑移。滑移。v通常金属中的滑移面在原子的最密排面上，而通常金属中的滑移面在原子的最密排面上，而滑

27、移方向为原子的最密排方向。滑移方向为原子的最密排方向。vbcc金属有金属有6个滑移面，个滑移面，2个滑移方向个滑移方向/面，面，12个个滑移系。而滑移系。而fcc金属有金属有4个滑移面，有个滑移面，有3个滑移方个滑移方向向/面，面，12个滑移系，但个滑移系，但fcc金属的塑性好于金属的塑性好于bcc金属，说明滑移方向在滑移过程中的作用大于金属，说明滑移方向在滑移过程中的作用大于滑移面。滑移面。hcp金属只有两个滑移面，有三个滑金属只有两个滑移面，有三个滑移方向移方向/面，共面，共6个滑移系，因此个滑移系，因此hcp金属的塑金属的塑性，较性，较fcc、bcc要差。易于产生孪生变形。要差。易于产生

28、孪生变形。4 塑塑 性性 变变 形形4 塑塑 性性 变变 形形v多晶体塑性变形的特点：多晶体塑性变形的特点：v多晶体中每一个晶粒的塑性变形过程和单多晶体中每一个晶粒的塑性变形过程和单晶体相同，但各晶粒之间存在着晶界，而晶体相同，但各晶粒之间存在着晶界，而且各晶粒的取向不同，因此塑性变形有其且各晶粒的取向不同，因此塑性变形有其特有的特点。特有的特点。v1.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。v2.各晶粒变形的相互协调性。各晶粒变形的相互协调性。4 塑塑 性性 变变 形形v二、屈服现象和屈服点二、屈服现象和屈服点v材料在拉伸过程中，当应力增加到一定材料在拉伸过程中，当应

29、力增加到一定数值，突然下降并在一定数值下保持恒数值，突然下降并在一定数值下保持恒定（或波动），而变形持续增加，这种定（或波动），而变形持续增加，这种现象称为现象称为“屈服现象屈服现象”。v产生屈服现象时的应力称为产生屈服现象时的应力称为“屈服点屈服点”。记为记为“ ”，试样，试样发生屈服而力首次下发生屈服而力首次下降前的最大应力称为降前的最大应力称为“上屈服点上屈服点”记为记为“ ”屈服阶段中的最小应力称为屈服阶段中的最小应力称为“下下屈服点屈服点”，记为记为“ ”。ssusl4 塑塑 性性 变变 形形v上、下屈服点、屈服平台、屈服伸长、上、下屈服点、屈服平台、屈服伸长、吕德斯（吕德斯（Lde

30、rs）线）线4 塑塑 性性 变变 形形v屈服现象产生的原因：屈服现象产生的原因：v材料在拉伸过程中，当外力大于屈服极限材料在拉伸过程中，当外力大于屈服极限后，在不增加外力的条件下，材料变形继后，在不增加外力的条件下，材料变形继续增加，并产生吕德斯（续增加，并产生吕德斯（Lders）线，随）线，随时间的增加吕德斯线沿试样表面增加，直时间的增加吕德斯线沿试样表面增加，直至布满试样表面，屈服现象结束。至布满试样表面，屈服现象结束。v屈服伸长是一个不均匀塑性变形的过程。屈服伸长是一个不均匀塑性变形的过程。4 塑塑 性性 变变 形形屈服现象和下列三个因素有关：屈服现象和下列三个因素有关：v1.材料在变形

31、前可动位错密度很小。材料在变形前可动位错密度很小。v2.随塑性变形的发生，位错快速增殖。随塑性变形的发生，位错快速增殖。v3.位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。v塑性变形应变速率与可动位错密度、位错运动速塑性变形应变速率与可动位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比。率及柏氏矢量成正比。v位错运动速率决定于外加应力大小位错运动速率决定于外加应力大小。vbmv)(0塑性变形应变速率；塑性变形应变速率；b柏氏矢量的模；柏氏矢量的模；可动位错密度；可动位错密度；v位错运动平均速率。位错运动平均速率。沿滑移面上的切应力；沿滑移面上的切应力；0位错以单位速率运

32、动所需的位错以单位速率运动所需的切应力；切应力；4 塑塑 性性 变变 形形vm : 位错运动速率应力敏感指数。位错运动速率应力敏感指数。v该指数越小，则屈服现象越明显。该指数越小，则屈服现象越明显。v通常试验中上屈服点（通常试验中上屈服点（su），波动性较），波动性较大，因此常采用下屈服点来代表材料的大，因此常采用下屈服点来代表材料的屈服强度。屈服强度。0AFss0AFslsl4 塑塑 性性 变变 形形v对于屈服现象不明显的材料，常采用规定微量塑对于屈服现象不明显的材料，常采用规定微量塑性变形伸长应力来表征材料对微量塑性变形的抗性变形伸长应力来表征材料对微量塑性变形的抗力（屈服强度）。力（屈服

33、强度）。v（1）规定非比例伸长应力：）规定非比例伸长应力：拉伸过程中，材料拉伸过程中，材料标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距的百标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距的百分比时的应力分比时的应力。( )常用的如：常用的如： 、 v (2) 规定残余伸长应力：规定残余伸长应力：试样卸除拉伸力后，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力比时的应力。（。（ ）常用的如：）常用的如： 等。等。v（3）规定总伸长应力：）规定总伸长应力：试样标距部分的总伸长试样标距部分的总伸长达到规定的原始标距百分比时的应力达到规定的原始标距百分

34、比时的应力。( ）pr2 . 0r01. 0p2 . 0pt4 塑塑 性性 变变 形形v三、影响屈服强度的因素三、影响屈服强度的因素v金属材料往往具有多相组织，故考虑影响金属材料往往具有多相组织，故考虑影响屈服强度因素时，应注意以下三点：屈服强度因素时，应注意以下三点：1.屈服变形是位错增殖和运动的结果。屈服变形是位错增殖和运动的结果。2.实际金属材料中，单个晶粒的力学行为不实际金属材料中，单个晶粒的力学行为不能决定整个材料的力学行为（晶界、相邻能决定整个材料的力学行为（晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分、第二相的晶粒的约束、材料的化学成分、第二相的影响等影响等) 。3.各种外界因素通过影响

35、位错运动而影响屈各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。服强度。4 塑塑 性性 变变 形形v（一）影响屈服强度的内在因素（一）影响屈服强度的内在因素v1.金属本性及晶格类型金属本性及晶格类型v晶格阻力（派纳力晶格阻力（派纳力 ）v派纳力：派纳力：在理想晶体中。仅存在一个位错运动在理想晶体中。仅存在一个位错运动时所需克服的阻力时所需克服的阻力。v：位错宽度，位错宽度， ，为滑移面内原子位移，为滑移面内原子位移大于大于50b区域的宽度。区域的宽度。npbbanpeGeG2)1(212121a4 塑塑 性性 变变 形形v位错宽度位错宽度大时，原子偏离平衡位置小，大时，原子偏离平衡位置小，晶格畸变

36、小，派纳力小。反之，则大。晶格畸变小，派纳力小。反之，则大。v滑移面的原子面间距最大，滑移方向原子滑移面的原子面间距最大，滑移方向原子间距最小，派纳力小，位错最易运动。间距最小，派纳力小，位错最易运动。v不同的材料，其滑移面、滑移方向的原子不同的材料，其滑移面、滑移方向的原子间距不同，故派纳力也不相同。间距不同，故派纳力也不相同。v派纳力还和剪切模量派纳力还和剪切模量G有关。有关。4 塑塑 性性 变变 形形位错之间交互作用产生的阻力有两种类型：位错之间交互作用产生的阻力有两种类型：v平行位错间交互作用产生的阻力。平行位错间交互作用产生的阻力。v运动位错和林位错交互作用产生的阻力。运动位错和林位

37、错交互作用产生的阻力。v两者都正比于两者都正比于Gb，反比于位错间距离，反比于位错间距离L。LGb。、位错结构及分布有关比例系数，与晶体本性主滑移面中位错密度:2/1 L因为，21Gb故，4 塑塑 性性 变变 形形v2.晶粒大小和亚结构晶粒大小和亚结构v晶粒小，晶界面积增加，阻碍位错运动，故使晶粒小，晶界面积增加，阻碍位错运动，故使材料的屈服强度增加。材料的屈服强度增加。v晶粒小，减小晶粒内部位错塞积长度，使材料晶粒小，减小晶粒内部位错塞积长度，使材料的屈服强度增加。的屈服强度增加。v屈服强度与晶粒大小的关系符合霍尔派奇屈服强度与晶粒大小的关系符合霍尔派奇（Hall-Patch）公式，即：）公

38、式，即：晶粒平均直径；晶界对位错的钉扎常数位错运动的总阻力；:2/1dkdkyiyis4 塑塑 性性 变变 形形v霍尔霍尔-派奇公式对以铁素体为基的钢而言，晶粒大小派奇公式对以铁素体为基的钢而言，晶粒大小在在0.3400m之间都符合。之间都符合。vbcc金属较金属较fcc、hcp金属的金属的ky值都高，所以值都高，所以bcc金属细金属细晶强化作用明显，而晶强化作用明显，而fcc、hcp金属则差之。金属则差之。v细晶强化不仅可以提高金属的强度，同时也使金属细晶强化不仅可以提高金属的强度，同时也使金属的塑性、韧性增加。的塑性、韧性增加。v亚晶界的作用和晶界类似。符合霍尔派奇公式。亚晶界的作用和晶界

39、类似。符合霍尔派奇公式。v相界也阻碍位错运动，同时相界两侧金属具有不同相界也阻碍位错运动，同时相界两侧金属具有不同的晶体结构和性能，因此，多相合金中第二相的大的晶体结构和性能，因此，多相合金中第二相的大小、形状、分布等因素均对屈服强度有影响小、形状、分布等因素均对屈服强度有影响。4 塑塑 性性 变变 形形v3.溶质元素溶质元素v金属中加入溶金属中加入溶质元素，将对质元素，将对金属产生固溶金属产生固溶强化作用，使强化作用，使材料的屈服强材料的屈服强度增加。度增加。v通常，间隙溶通常，间隙溶质对金属的强质对金属的强化作用大于置化作用大于置换原子。换原子。v溶质原子与基体原子的直径不同，引起晶溶质原

40、子与基体原子的直径不同，引起晶格畸变，形成畸变应力场，使金属强化。格畸变，形成畸变应力场，使金属强化。v溶质原子对位错的运动起到了钉扎作用。溶质原子对位错的运动起到了钉扎作用。v溶质原子还和基体原子之间产生电学交互溶质原子还和基体原子之间产生电学交互作用、化学交互作用以及有序化作用。作用、化学交互作用以及有序化作用。v空位对金属的强化作用，类似与置换溶质空位对金属的强化作用，类似与置换溶质的作用。的作用。v固溶强化将增加材料的强度，但同时降低固溶强化将增加材料的强度，但同时降低材料的塑性和韧性。材料的塑性和韧性。4 塑塑 性性 变变 形形4 塑塑 性性 变变 形形v4.第二相第二相v多相合金中

41、，除基体以外的其它相。多相合金中，除基体以外的其它相。第二相对屈服强度的影响：第二相对屈服强度的影响：v第二相可以分为两类第二相可以分为两类v不可变形的第二相，如碳化物、氮化物等。不可变形的第二相，如碳化物、氮化物等。v可变形的第二相，如可变形的第二相，如GP区、区、相等。相等。4 塑塑 性性 变变 形形v不可变形的第二相大都是以很小的质点不可变形的第二相大都是以很小的质点方式存在，其强化可以有两种类型：方式存在，其强化可以有两种类型：v弥散强化、沉淀强化。弥散强化、沉淀强化。v弥散强化：弥散强化：以很细小的质点方式分布在以很细小的质点方式分布在基体上基体上。v沉淀强化：沉淀强化：先固溶到基体

42、里，然后在回先固溶到基体里，然后在回火（或时效）时弥散析出在基体上火（或时效）时弥散析出在基体上。4 塑塑 性性 变变 形形v根据位错理论，材料中的位错在运动过根据位错理论，材料中的位错在运动过程中，遇到不可变形的第二相，将采取程中，遇到不可变形的第二相，将采取绕过的办法，并留下位错环，材料的屈绕过的办法，并留下位错环，材料的屈服强度取决于第二相质点的密度。服强度取决于第二相质点的密度。4 塑塑 性性 变变 形形v含有可变形第二相的材料，当位错运动含有可变形第二相的材料，当位错运动遇到第二相时，可以运用切过机制，使遇到第二相时，可以运用切过机制，使之与基体一同变形，由此也可以提高屈之与基体一同

43、变形，由此也可以提高屈服强度。服强度。v这是由于质点与基体间晶格错排及位错这是由于质点与基体间晶格错排及位错切过质点产生新的界面需要做功等原因切过质点产生新的界面需要做功等原因造成的。这类质点的强化效果与粒子本造成的。这类质点的强化效果与粒子本身的性质及与基体的结合情况有关。身的性质及与基体的结合情况有关。4 塑塑 性性 变变 形形v块状第二相对屈服强度的影响块状第二相对屈服强度的影响v一般认为，块状第二相阻碍滑移，使基一般认为，块状第二相阻碍滑移，使基体产生不均匀滑移，由于局部的约束增体产生不均匀滑移，由于局部的约束增加而导致强化。加而导致强化。v一些经验公式可以测这两相组织的强度：一些经验

44、公式可以测这两相组织的强度：如：混合率或霍尔派奇公式等如：混合率或霍尔派奇公式等:混合率：混合率：)(31313)1 (CFesff4 塑塑 性性 变变 形形v霍尔派奇公式也是适用，如：珠光体霍尔派奇公式也是适用，如：珠光体强度：强度：212.0ptKS片片状状珠珠光光体体的的屈屈服服强强度度：材材料料常常数数。珠珠光光体体片片层层间间距距。的的总总阻阻力力，摩摩擦擦阻阻力力。位位错错在在基基体体金金属属中中运运动动、:2.0 KSipiv上式表明上式表明,在某些混合物中，合金的强度决在某些混合物中，合金的强度决定于第二相对位错运动的阻力。定于第二相对位错运动的阻力。v第二相的强化效果还与其尺

45、寸、形状、数第二相的强化效果还与其尺寸、形状、数量和分布以及第二相与基体的强度、塑性量和分布以及第二相与基体的强度、塑性和应变硬化特性、两相之间的晶体学配合和应变硬化特性、两相之间的晶体学配合和界面能等因素有关。和界面能等因素有关。v长型的第二相比球形的对位错阻力更大，长型的第二相比球形的对位错阻力更大，因此，片状珠光体比球状珠光体强度高。因此，片状珠光体比球状珠光体强度高。4 塑塑 性性 变变 形形4 塑塑 性性 变变 形形v一般第二相都是硬、脆物质。因此如果第一般第二相都是硬、脆物质。因此如果第二相以网状在晶界分布时，材料较脆。二相以网状在晶界分布时，材料较脆。v弥散分布于较软的基体上，韧

46、性最好。弥散分布于较软的基体上，韧性最好。v综上所述，综上所述，屈服强度是一个对成分、组织屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标，受许多内在因极为敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺都素的影响，改变合金成分或热处理工艺都可使屈服强度产生明显变化。可使屈服强度产生明显变化。4 塑塑 性性 变变 形形（二）影响屈服强度的外在因素】（二）影响屈服强度的外在因素】v影响屈服强度的外在因素有温度、应变速率、影响屈服强度的外在因素有温度、应变速率、应力状态。应力状态。v一般，温度升高，金属材料的屈服强度降低，一般，温度升高，金属材料的屈服强度降低，图图116。v晶体

47、结构不同，其变化规律不同，图晶体结构不同，其变化规律不同，图115 。4 塑塑 性性 变变 形形vbcc金属温度效应较强烈，金属温度效应较强烈，fcc、hcp金属金属差之。差之。v屈服强度随应变速率的变化较抗拉强度屈服强度随应变速率的变化较抗拉强度的变化强烈的多，图的变化强烈的多，图117 。4 塑塑 性性 变变 形形v通常，静拉伸试验使用的应变速率为通常，静拉伸试验使用的应变速率为。v对许多工程材料，应变速率按此值变化一个对许多工程材料，应变速率按此值变化一个数量级，它们的数量级，它们的曲线不发生变化。曲线不发生变化。v但当应变速率过高时，材料的屈服强度和抗但当应变速率过高时，材料的屈服强度

48、和抗拉强度将明显增加。如：冷扎、拉丝应变速拉强度将明显增加。如：冷扎、拉丝应变速率可达率可达。v在测定材料的屈服强度时应按在测定材料的屈服强度时应按GB规定的伸长规定的伸长速率进行试验，才能得到可资比较的屈服强速率进行试验，才能得到可资比较的屈服强度值。度值。4 塑塑 性性 变变 形形v在应变量与温度一定时，流变应力与应在应变量与温度一定时，流变应力与应变速率的关系为：变速率的关系为：应变速率敏感指数；应变速率；一定应力状态下为常数流变应力；应变量与温度一定时的、mCt1mtC)(1、vC1和和 m与试验温度及晶粒大小有关。与试验温度及晶粒大小有关。v纯金属材料的纯金属材料的m值很低（值很低（

49、0.1）v对于一般钢材对于一般钢材 m = 0.2 ;v对于超塑性金属，对于超塑性金属，m 值较高（值较高（m3）；）；v金属材料金属材料m值越高，拉伸时越易产生缩颈；值越高，拉伸时越易产生缩颈；v应力状态也影响屈服强度，切应力分量越大，应力状态也影响屈服强度，切应力分量越大，材料越易产生塑性变形，屈服强度越低。材料越易产生塑性变形，屈服强度越低。v三向应力条件下材料的屈服强度增加。三向应力条件下材料的屈服强度增加。4 塑塑 性性 变变 形形4 塑塑 性性 变变 形形（形变强化）（形变强化）v所谓应变硬化就是说，所谓应变硬化就是说，材料发生屈服以后，随材料发生屈服以后，随着变形的进行，变形抗力

50、不断增加的现象着变形的进行，变形抗力不断增加的现象。v（一）应变硬化的意义（一）应变硬化的意义v1.提高机件的抗偶然过载能力。提高机件的抗偶然过载能力。v2.可使金属均匀塑性变形。可使金属均匀塑性变形。v3.强化金属的重要手段。强化金属的重要手段。v4.改善低碳钢的切削加工性能改善低碳钢的切削加工性能。4 塑塑 性性 变变 形形v（二）应变硬化机理（二）应变硬化机理v上图为三种不同单晶体金属屈服后的上图为三种不同单晶体金属屈服后的曲线，曲线，曲线的斜率称为曲线的斜率称为“应变硬化速率应变硬化速率”。v图中图中fcc单晶体金属的硬化曲线可以分为三个阶单晶体金属的硬化曲线可以分为三个阶段，即：易滑

51、移阶段、线性硬化阶段、抛物线硬段，即：易滑移阶段、线性硬化阶段、抛物线硬化阶段。化阶段。v易滑移阶段：易滑移阶段：d/d很低，大约为很低，大约为10-4G量级。量级。v线性硬化阶段：线性硬化阶段： d/d为常数为常数,大约大约300/G量级。量级。v抛物线阶段：抛物线阶段： d/d随形变增加逐渐减小。随形变增加逐渐减小。v三个变形阶段对应三种不同的变形和硬化机理。三个变形阶段对应三种不同的变形和硬化机理。4 塑塑 性性 变变 形形4 塑塑 性性 变变 形形v易滑移阶段，主要是单系滑移。位错密度很低，易滑移阶段，主要是单系滑移。位错密度很低，运动不受其它位错的阻碍，故运动不受其它位错的阻碍，故d

52、/d很低，大约很低，大约在在10-4G的量级。的量级。v线性硬化阶段，线性硬化阶段， d/dG/300，为多系滑移，由，为多系滑移，由于位错的交互作用，形成割阶、于位错的交互作用，形成割阶、Lomer-Cottrell位位错锁和胞状结构等障碍，使位错运动阻力增加，错锁和胞状结构等障碍，使位错运动阻力增加，故故d/d线性增加。线性增加。v抛物线硬化阶段，塑性变形是通过交滑移来实现抛物线硬化阶段，塑性变形是通过交滑移来实现的，并有可能通过双交滑移而使位错回到原来的的，并有可能通过双交滑移而使位错回到原来的滑移面，避开滑移障碍。因此，使得滑移面，避开滑移障碍。因此，使得 d/d下降。下降。在此阶段的

53、硬化主要是由滑移面上的刃位错引起在此阶段的硬化主要是由滑移面上的刃位错引起的，因为刃位错不能产生交滑移。的，因为刃位错不能产生交滑移。v多晶体金属一开始就是交滑移所以在应力应变曲多晶体金属一开始就是交滑移所以在应力应变曲线上没有易滑移阶段，主要是第三阶段且线上没有易滑移阶段，主要是第三阶段且d/d较较单晶体要大。单晶体要大。4 塑塑 性性 变变 形形（三）应变硬化指数（三）应变硬化指数nv应变硬化指数反映了金属材料抵抗继续塑性变应变硬化指数反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。是表征应变硬化的性能指标。形的能力。是表征应变硬化的性能指标。v在金属材料真应力应变曲线上的均匀塑性变形在金属材料真应

54、力应变曲线上的均匀塑性变形阶段，应力与应变之间符合阶段，应力与应变之间符合Hollmon关系式，关系式，即：即：nKeS 时的真实应力。变等于硬化系数，是真实应应变硬化指数；真实应变；真实应力；0.1KneS 4 塑塑 性性 变变 形形vn=1,表示完全理想弹性体，表示完全理想弹性体，S与与e成正比关系；成正比关系；vn=0,表示材料没有应变硬化能力，表示材料没有应变硬化能力，S=K常数；常数；v大多数金属的大多数金属的n值在值在0.10.5之间。之间。v和和n值有关的因素：值有关的因素：vn值和材料的层错能有关，层错能高值和材料的层错能有关，层错能高n值低。值低。4 塑塑 性性 变变 形形4

55、 塑塑 性性 变变 形形v屈服强度高，屈服强度高，n值低。值低。ns=常数。常数。v合金中合金中,溶质原子数量增加溶质原子数量增加,n值下降。值下降。v晶粒尺寸增大晶粒尺寸增大,n值提高。值提高。v应变硬化指数应变硬化指数n数值上等于形成颈缩时的真数值上等于形成颈缩时的真实均匀应变量实均匀应变量eB(或或eB)。条件是。条件是:只有在真应只有在真应力应变曲线上的均匀塑性变形阶段力应变曲线上的均匀塑性变形阶段,且符合且符合Hollomon关系式时才成立。关系式时才成立。v奥氏体钢由于形变诱发马氏体相变引起的硬奥氏体钢由于形变诱发马氏体相变引起的硬化大于应变硬化化大于应变硬化,故此类钢不存在故此类

56、钢不存在n=eB关系。关系。v只有退火、正火、调质态金属只有退火、正火、调质态金属n值才等于值才等于eB.4 塑塑 性性 变变 形形v中碳钢经淬火、不同温度下后的中碳钢经淬火、不同温度下后的n与与eB的的对比数据：对比数据：4 塑塑 性性 变变 形形v根据根据GB5028-85金属薄板拉伸应变硬化指数金属薄板拉伸应变硬化指数（n值）值） 试验方法试验方法规定测定规定测定n值。值。v一般用直线作图法：将一般用直线作图法：将Hollomon公式两边取对公式两边取对数数,则：则： lgS=lgK+nlge则有：则有：lgs-lge线性线性关系曲线，该曲线关系曲线，该曲线的斜率则为所求的的斜率则为所求

57、的n值。即为值。即为“应变硬应变硬化指数化指数“。v五、缩颈现象五、缩颈现象（一）缩颈的意义（一）缩颈的意义v缩颈是应变硬化与截面减小综合作用的结果。缩颈是应变硬化与截面减小综合作用的结果。v在在B点以前，塑性变形是均匀的，因为随着材料变形的点以前，塑性变形是均匀的，因为随着材料变形的增加应变硬化增加，且承载能力增加，可以补偿因截面增加应变硬化增加，且承载能力增加，可以补偿因截面减小使其承载能力下降的作用。减小使其承载能力下降的作用。vB点以后，由于点以后，由于 应变硬化跟不上塑性变形发展，使变形应变硬化跟不上塑性变形发展，使变形集中于试样的局部，因此产生缩颈现象。集中于试样的局部，因此产生缩

58、颈现象。vB点以前点以前dF0,B点以后点以后dF0，B点点dF0为最大力点。为最大力点。vB点是局部塑性变形开始点，亦称拉伸失稳点或塑性失点是局部塑性变形开始点，亦称拉伸失稳点或塑性失稳点。稳点。4 塑塑 性性 变变 形形4 塑塑 性性 变变 形形v（二）缩颈的判据（二）缩颈的判据vdF=0,即拉伸图上的即拉伸图上的B点（最大力点），点（最大力点），也是曲线的拐点。对其进行全微分，也是曲线的拐点。对其进行全微分，则有则有 dF=AdS+SdA=0;v所以所以 v在塑性变形中，在塑性变形中，dS恒大于零，恒大于零，dA恒小恒小于零。于零。v根据塑性变形中，体积不变的原理则根据塑性变形中，体积不

59、变的原理则有：有：dV=0；因；因V=AL,故：故：AdL+LdA=0;SdSAdAv故，故，v联立以上两式，则有：联立以上两式，则有：v根据上式，当应变根据上式，当应变 硬化速率等于该点硬化速率等于该点 的真实应力（流变的真实应力（流变 应力）时，缩颈产应力）时，缩颈产 生。生。v下图中两曲线的交下图中两曲线的交 点则为缩颈的产生点则为缩颈的产生 点。（点。（dS/de=S）4 塑塑 性性 变变 形形1ddeLdLAdA1SddSdedSS或（三）确定缩颈点及颈部应力的修正（三）确定缩颈点及颈部应力的修正1.缩颈点的确定缩颈点的确定v用分析法确定拉伸失稳点用分析法确定拉伸失稳点v在拉伸失稳点

60、处，在拉伸失稳点处，Hollomon关系成立，关系成立，v这表明，金属材料的应变硬化指数等于最这表明，金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时，缩颈便会产生。大真实均匀塑性应变量时，缩颈便会产生。4 塑塑 性性 变变 形形)(为试样的真实抗拉强度bnbbSKeS 。1nbbKnedS因此：所以，,1nbnbKneKenebv缩颈还和应变硬化敏感指数缩颈还和应变硬化敏感指数m有关。有关。v若若m值低，则在一定温度和应变条件下的值低，则在一定温度和应变条件下的流变应力就比较低，致流变应力就比较低，致dS/deS,故不能有故不能有效阻止缩颈形成；效阻止缩颈形成；v反之，反之，m值高时，缩颈