材料性能学(1)

1、材材 料料 性性 能能 学学周晓龙周晓龙绪论绪论课课 程程 简简 介介材料性能材料性能力学性能力学性能：主要研究材料在受载过程中：主要研究材料在受载过程中的变形（的变形（2）和断裂的规律；力）和断裂的规律；力学性能指标的本质、物理概念、学性能指标的本质、物理概念、实用意义和影响因素。实用意义和影响因素。物理性能物理性能：含义广泛，包括声、光、电、：含义广泛，包括声、光、电、磁、热等，（例如电脑芯片与基磁、热等，（例如电脑芯片与基座）座） 。材料力学性能学习目的及教学内容及学时安排n学习目的学习目的n学习材料力学性能就是通过掌握材料各种主要性能的基本概念，物质本质、变化规律与性能指标的工程意义，

2、理解影响材料性能的主要因素，以便寻找改善或提高材料性能的途径与方法，或分析材料在使用过程中发生失效的原因等；同时让同学们了解材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备，以培养同学们在工程应用中选材、开发新材料的基本技能。使得同学们能够将所学材料基础理论与工程实际能够很好的结合起来，并提高同学们在工程实际中解决材料问题的能力。思考n决定材料性能的关键因素？n研究材料性能的目的在于？n如何理解材料性能失效的问题？n材料性能学所阐述内容的意义在于？教学的主要内容及学时安排教学的主要内容及学时安排n材料单向静拉伸的力学性能（5学时）n材料在其它静载荷下的力学性能（3学时）n材料的冲击韧性与低温脆性（2学时

3、）n材料的断裂韧性（5学时）n材料的疲劳性能（4学时）n材料的磨损性能（3学时）n材料的高温力学性能（2学时） 第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能 第一节第一节 力伸长曲线和应力应变曲线力伸长曲线和应力应变曲线一、力伸长曲线一、力伸长曲线例如：GB6397-86规定金属拉伸试样有：圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0nop段：比例弹性变形阶段；npe段：非比例弹性变形阶段；n平台或锯齿（s段）：屈服阶段；nsb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。nb点：形成了“缩颈”。nbk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。

4、n断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。 l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp图1-2 拉伸曲线A弹性变形阶段弹性变形阶段屈服变形阶段屈服变形阶段塑性变形阶段塑性变形阶段颈缩现象至断裂颈缩现象至断裂拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象低碳钢拉伸过程变化的四个阶段：低碳钢拉伸过程变化的四个阶段：二、应力应变曲线二、应力应变曲线图图13 低碳钢的应力应变曲线低碳钢的应力应变曲线(1)应力 ( MPa ) ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷载荷( F )除以试样的原始横截面积除以

5、试样的原始横截面积A 0 ( mm2)表示表示: (2)应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始长度始长度(mm )表示表示:0AF0ll例1: 塑性材料应力-应变曲线图（a）为最常见的金属材料应力应变曲线。Oa为弹性变形阶段，开始发生塑性变形，过程沿着abk进行。开始发生塑性变形的点就是屈服点，屈服以后的变形包括弹性变形和塑性变形，如在点m处卸载，应力会沿着mn下降到零，m点对应的应变om 为总应变量，在卸载后回复的部分m n为弹性应变量，残留部分no为塑性应变量。图（b）为具有明显屈服点材料的应力应变曲线，与图（a）相比，不

6、同之处在于出现了明显的屈服点aa ，有明显的齿状屈服平台，其相应的应变量在1%-3%范围图（c）为拉伸不出现颈缩的应力应变曲线，只有弹性变形的oa和均匀塑性变形的ak段。某些塑性较低的金属如铝青铜，或变形强化能力特别强的金属如高锰钢图（d）为拉伸不稳定型材料的应力应变曲线，其变形特点是在变形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。当孪生应变速率超过试验运动速率时，导致局部应力松弛，相应的在应力应变曲线上出现齿形特征。如某些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金具有此类应力应变行为。例2: 玻璃态高聚物的应力-应变曲线例3: 高分子材料的应力-应变曲线高分子材料的应力-应变曲线呈现出多

7、种多样的变异。若按在拉伸过程中屈服点的变化、伸长率大小及断裂状况，大致分为5中类型。第二节 弹性变形及其性能指标一、弹性变形的本质一、弹性变形的本质 金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物 线性关系线性关系 变变形量小形量小(一般小于一般小于0.5-1%，相当于原子间距的几分之一，相当于原子间距的几分之一) 橡胶态的高分子聚合物橡胶态的高分子聚合物 非线性关系非线性关系 变形量大变形量大 材料产生弹性变形的本质都是构成材料的原子（离材料产生弹性变形的本质都是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生子）或分子自平衡位置产生可逆位移可逆位移的反应。的反应。 双原子模型双

8、原子模型 在正常状态下，晶格中的离子能保持在在正常状态下，晶格中的离子能保持在其平衡位置仅作微小的热振动，是受离子之间的相互作其平衡位置仅作微小的热振动，是受离子之间的相互作用力控制的结果。用力控制的结果。 拉：拉：=E 扭：扭：=G 在应力应变关系的意义上，当应变为一个单位时，在应力应变关系的意义上，当应变为一个单位时，弹性模量（数）在数值上等于弹性应力。弹性模量（数）在数值上等于弹性应力。 在工程上弹性模量是表征材料对弹性变形的抗力，在工程上弹性模量是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。变形就

9、越小。(?)弹性模量的物理意义：弹性模量的物理意义：表示材料在外载荷下抵抗弹性变表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力形的能力 比弹性模比弹性模量量=弹性模弹性模量量/单位体积质量单位体积质量 （*空间材料）空间材料） 二、弹性模量与比弹性模量二、弹性模量与比弹性模量三、影响弹性模量量的因素主要取决于结合键的本质和原子间的结合力（键合强度）1、键合方式和原子结构、键合方式和原子结构共价键共价键 、离子键、金属键、离子键、金属键、分子键、分子键金属元素的弹性模量还与元素在周期表中的位置有关（金属元素的弹性模量还与元素在周期表中的位置有关（REE）。2、晶体结构、晶体结构单晶体材料单晶体材料 各向异

10、性各向异性密排晶向上密排晶向上E最大最大多晶体材料多晶体材料 伪各向同性伪各向同性非晶态材料非晶态材料 各向同性各向同性3、化学成分、化学成分 材料化学成分的变化将引起原子间距或键合方式的变化，因此也材料化学成分的变化将引起原子间距或键合方式的变化，因此也将影响材料的弹性模数。将影响材料的弹性模数。4、微观组织、微观组织金属的弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标，热处理金属的弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标，热处理（显微组织）、冷塑性变形对（显微组织）、冷塑性变形对E值值影响不大影响不大；而陶瓷与高；而陶瓷与高分子材料的弹性模量对结构与组织很敏感。分子材料的弹性模量对结构与组织很敏感。

11、工程陶瓷弹性模量的大小与构成陶瓷的相的种类、粒度、分工程陶瓷弹性模量的大小与构成陶瓷的相的种类、粒度、分布、比例及气孔率有关。布、比例及气孔率有关。高分子聚合物的弹性模数可通过添加增强性填料而提高。高分子聚合物的弹性模数可通过添加增强性填料而提高。复合材料为特殊的多相材料，对于增强相为粒状的复合材料，复合材料为特殊的多相材料，对于增强相为粒状的复合材料，其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大。其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大。5、温度、温度 随温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增随温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模量降低。大，结合力减弱

12、，使材料的弹性模量降低。 对金属材料而言，弹性模量对金属材料而言，弹性模量E还与金属材料的熔点成正比，还与金属材料的熔点成正比，越是难熔的金属材料其越是难熔的金属材料其E越高。越高。6、加载条件和负荷持续时间、加载条件和负荷持续时间对金属、陶瓷几乎无影响，对金属、陶瓷几乎无影响，高分子聚合物随着负荷时间的延长，高分子聚合物随着负荷时间的延长，E逐渐降低。逐渐降低。四、比例极限与弹性极限四、比例极限与弹性极限比例极限比例极限p是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力。是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力。表征材料能保持应力与应变成正比的最大抗力，为弹簧、精密表征材料能保持应力与应变成

13、正比的最大抗力，为弹簧、精密测量仪器机械构件设计要求的标准。测量仪器机械构件设计要求的标准。弹性极限，是材料在外力作用下不发生塑性变形的最大应力。弹性极限，是材料在外力作用下不发生塑性变形的最大应力。表征材料在外力作用下不发生塑性变形的最大抗力，是不允许表征材料在外力作用下不发生塑性变形的最大抗力，是不允许产生微量塑性变形的机械构件的设计要求标准产生微量塑性变形的机械构件的设计要求标准0AFpp0AFee五、弹性比功（弹性比能或应变比能）五、弹性比功（弹性比能或应变比能）定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。表示方法：应力表示方法：应力-应变曲

14、线下，弹性变形范围内所吸收的应变曲线下，弹性变形范围内所吸收的变形功，即：变形功，即：实际意义：实际意义：是比较材料弹性好坏的一个重要性能指标。是比较材料弹性好坏的一个重要性能指标。对于弹簧零件来说，不管弹簧的形状如何（螺旋或板弹簧），也不管弹簧的受力方式如何（拉压或弯扭），都要求其在弹性范围内（弹性极限以下）有尽可能高的弹性比功。处理方法：处理方法：提高e。对于一般金属材料，由于E对组织的不敏感性，只有通过提高e来提高 （因改变材料的成分与热处理能显著提高材料的e，而不能改变E）。 这表明要提高一个具体零件的弹性功，除了采取提高e 或降低E的措施外，还可以改变零件的体积，体积越大，弹性功越大

15、，也就是说储存在零件中的弹性性能越大。弹簧主要作为减震元件使用的，他既要吸收大量变形功，又不允许发生塑性变形。因此弹簧材料应具有尽可能大的弹性功。从此意义来讲，理想的弹性材料应该是具有高弹性极限和低弹理想的弹性材料应该是具有高弹性极限和低弹性模量的材料。性模量的材料。实例：人们常用提高含碳量、加入Si、Mn来强化铁素体，并通过回火、冷变形强化等来提高弹性极限。第三节 非理想弹性与内耗材料的弹性：材料受载后产生一定的变形，而卸载后这部分变形消失，材料回材料的弹性：材料受载后产生一定的变形，而卸载后这部分变形消失，材料回复到原来状态的性质成为复到原来状态的性质成为。根据材料在弹性变形过程中应力和应

16、变的响应特点，弹性可分为理想弹性理想弹性和和非理非理想弹性想弹性。理想弹性理想弹性：服从虎克定律；应变对于应力的响应是线性的；应力和：服从虎克定律；应变对于应力的响应是线性的；应力和 应变同相位；应变同相位；应变是应力的单值函数。应变是应力的单值函数。 非理想弹性非理想弹性：滞弹性，粘弹性，伪弹性及包申格效应等。：滞弹性，粘弹性，伪弹性及包申格效应等。一、滞弹性（弹性后效）一、滞弹性（弹性后效） 定义：定义： 材料在弹性范围内快速加载或卸材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能（即应变落后于应力的现象）。的性能（即应变落后于

17、应力的现象）。 加载时应变落后于应力而与时间有关的加载时应变落后于应力而与时间有关的滞弹性称为正弹性后效或弹性蠕变。滞弹性称为正弹性后效或弹性蠕变。 卸载时应变落后于应力的现象称为反弹卸载时应变落后于应力的现象称为反弹性后效。性后效。 滞弹性在金属材料和高分子材料中表现滞弹性在金属材料和高分子材料中表现得比较明显，弹性后效速率和滞弹性应变量得比较明显，弹性后效速率和滞弹性应变量与材料成分、组织有关，也与实验条件有关。与材料成分、组织有关，也与实验条件有关。组织越不均匀，温度越高，切应力分量越大，组织越不均匀，温度越高，切应力分量越大，滞弹性就越明显。滞弹性就越明显。n实际意义：n在精密仪表中的

18、弹簧、油压表或气压表的测力弹簧，要求弹簧薄膜的弹性变形能灵敏地反映出油压或气压的变化，因此不允许材料有显著的滞弹性。金属材料产生滞弹性的微观机制：与晶体中点缺陷的移动有关（如原子或空位的扩散迁移需要时间）n二、粘弹性n定义：是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。其特征是应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要一个弛豫过程，但卸载后，应变回复到初始值，不留残余变形。n*应力和应变的关系与时间有关。二、伪弹性二、伪弹性 定义：定义： 伪弹性是指在一定的伪弹性是指在一定的温度温度条件下，当条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱应力达到一定水平后，金属或合金将产生应

19、力诱发发马氏体相变马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度弹，伴随应力诱发相变产生大幅度弹性变形的现象。性变形的现象。形状记忆合金的原理形状记忆合金的原理三、包申格效应三、包申格效应定义：包申格效应是指，金属材料经定义：包申格效应是指，金属材料经预先加载预先加载产生少量塑性变形（残产生少量塑性变形（残余应变小于余应变小于4），而后再），而后再同向加载同向加载，规定残余伸长应力增加，规定残余伸长应力增加，反向加反向加载载，规定残余伸长应力降低的现象。，规定残余伸长应力降低的现象。 包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。金属受包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。金属受载产生

20、少量塑性变形时，运动位错遇林位错而弯曲受阻，并形成位错载产生少量塑性变形时，运动位错遇林位错而弯曲受阻，并形成位错缠结或胞状组织。缠结或胞状组织。实际意义：实际意义：理论上：由于它是金属变形时长程内应力的度量（长程内应力的大理论上：由于它是金属变形时长程内应力的度量（长程内应力的大小可用小可用X 光方法测量），包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制。光方法测量），包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制。工程应用上：首先是材料加工成型工艺需要考虑包申格效应。其次，工程应用上：首先是材料加工成型工艺需要考虑包申格效应。其次，包申格效应大的材料，内应力较大。包申格效应大的材料，内应力较大。(3)因包

21、申格效应是一种材料微观组织结构变化的结果，所以可通过热因包申格效应是一种材料微观组织结构变化的结果，所以可通过热处理加以消除。方法是对材料进行较大的塑性变形进行再结晶退火。处理加以消除。方法是对材料进行较大的塑性变形进行再结晶退火。四、内耗四、内耗 在非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同在非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环。存在弹性滞后环这个封闭回线称为弹性滞后环。存在弹性滞后环的现象说明加载时材料吸收的变形功大与卸载时的现象说明加载时材料吸收的变形功大与卸载时释放的变形功，

22、有一部分加载变形功被材料所吸释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收，这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的收，这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗。内耗。 内耗是材料的一种重要的力学和物理性能。在内耗是材料的一种重要的力学和物理性能。在力学性能上，内耗也称为材料的循环韧性，表示力学性能上，内耗也称为材料的循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，故材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，故又称为消震性。又称为消震性。应用：减振（此时选用循环韧性较高的材料，如应用：减振（此时选用循环韧性较高的材料，如铸铁、高铬不锈钢）。正是因为铸铁有此特性，铸铁、高铬不锈钢）。正是因为铸

23、铁有此特性，故常被用来制作机床床身和内燃机的支座。故常被用来制作机床床身和内燃机的支座。第四节 塑性变形及其性能指标一、塑性变形的机理一、塑性变形的机理材料的塑性变形材料的塑性变形是指材料微观结构的相邻部分发生永久的位移，且是指材料微观结构的相邻部分发生永久的位移，且不引起材料破裂的现象；从宏观来看，材料发生了永久性的变形。不引起材料破裂的现象；从宏观来看，材料发生了永久性的变形。 1、金属材料的塑性变形、金属材料的塑性变形 晶体的晶体的滑移滑移和和孪生。孪生。 滑移是金属晶体在切应力的作用下，沿滑移面和滑移方向进行滑移是金属晶体在切应力的作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。的切变过程。

24、 孪生也是金属晶体在切应力作用下产生的一种塑性变形方式。孪生也是金属晶体在切应力作用下产生的一种塑性变形方式。 多晶体金属材料塑性变形的特点：多晶体金属材料塑性变形的特点：（1 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（2 2）各晶粒变形的相互协调性）各晶粒变形的相互协调性a)烧结态b)加工态烧结态成颗粒状的氧化铜通过加工后出现变形行为2、陶瓷材料的塑性变形近年来关于金属氧化物的变形行为也有所报道，如Y. Hidaka 等在2005报道了氧化铁在600-1250的拉升变形实验，他们发现-Fe3O4在800以上可以获得110%的延伸率，并通过TEM观察到了位错的存在，推

25、测了位错的滑移系是111；还发现FeO发生变形的温度在700，在1200C拉升时可以获得160%的延伸率。Kim BN等在Nature上报道了混合氧化物材料（40%（体积比）ZrO2、30%（体积比）尖晶石，30%（体积比）Al2O3材料）的超塑性变形行为，结果表明，在应变速率为0.4s-1，温度为1650条件下，该复合材料的延伸率超过1050，他们认为产生超塑性的原因是混合相对晶粒长大的限制及锆的氧化物相中的位错诱发的超塑性。* Hidaka Y., Otsuka N. and Anraku T. High Temperature Deformation Behavior of Fe Oxi

26、de Scale. Influence of Scale Properties on Surface Characteristics of SteelsJ.2005, 27-35* B.N. Kim, K. Hiraga, K. Morita & Y. Sakka. A high-strain-rate superplastic ceramicJ. Nature. 2001,413(6853):288-291. 陶瓷材料在室温下很难进行塑性变形。原因：1）陶瓷晶体多为离子键、共价键，具有明显的方向性，只有个别滑移系能满足位错运动的几何、静电作用条件。2）陶瓷多晶体内部存在气孔、微裂纹、玻璃相等

27、导致位错更加不容易传播。3、高分子材料的塑性变形二、屈服现象与屈服强度二、屈服现象与屈服强度1. 1. 屈服现象屈服现象 屈服点屈服点 上屈服点上屈服点 下屈服点下屈服点 屈服伸长屈服伸长 屈服现象的本质屈服现象的本质 屈服：受力试样中，应力达到某一特定值后开始大规模塑性变形的现屈服：受力试样中，应力达到某一特定值后开始大规模塑性变形的现象称为屈服。屈服是材料由弹性变形向弹象称为屈服。屈服是材料由弹性变形向弹- -塑性变形过渡的明显标志，它塑性变形过渡的明显标志，它标志着材料的力学响应由弹性变形阶段进入塑性变形阶段。标志着材料的力学响应由弹性变形阶段进入塑性变形阶段。屈服现象：材料在拉伸实验验

28、过程中，当拉伸力达到某一定的数值时，屈服现象：材料在拉伸实验验过程中，当拉伸力达到某一定的数值时，力力- -伸长曲线上出现平台或锯齿，即外力不增加试样仍然继续伸长；或外伸长曲线上出现平台或锯齿，即外力不增加试样仍然继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况下试样仍然继续伸长，这种现象称为屈服现象。下试样仍然继续伸长，这种现象称为屈服现象。屈服现象的本质： *物理屈服现象首先在低碳钢中发现，而后在含有微量间隙溶质原子的体心立方金属（如Fe，Mo，Nb等）及密排六方金属（如Zn）中发现有屈服现象。对此现

29、象的解释最早比较公认的是溶质原子形成的Cottrell气团对位错定扎的理论。但后来在共价键晶体（如Si）及无位错晶体（如Cu晶须）中也观察到物理屈服现象。这些事实说明晶体材料的屈服是带有一定的普遍性的现象，对其屈服机理的理解可能更复杂。但对于常规金属材料，一般认为材料的屈服与位错有关。这是由于位错运动速率与金属材料的塑性应变速率有如下关系：由上式看出，在屈服前，可动位错很少，柏氏矢量为定值，那么要满足塑性应变速率的要求，必然增大位错的运动速率。而位错的运动速率决定于应力的大小：故，要位错运动速率就需要较高的应力，这就是上屈服点的由来。且塑性一旦发生，位错就大量增殖，则位错运动速率必然下降，从而

30、应力也就突然降低，从而产生屈服现象。2. 屈服强度屈服强度 材料的屈服标志着材料在应力作用下由弹性变形转变为弹塑性变形状态，材料的屈服标志着材料在应力作用下由弹性变形转变为弹塑性变形状态，因此材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑因此材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。这一应力值称为材料的屈服强度或屈服点。性变形的能力。这一应力值称为材料的屈服强度或屈服点。*有屈服平台的材料有屈服平台的材料*无屈服平台的材料（条件屈服强度）。无屈服平台的材料（条件屈服强度）。1)规定残余伸长应力是指试样卸载后，规定残余伸长应力是指试样卸载后，其标

31、距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。例如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。例如0.20.22）规定总伸长应力是指试样标距的总长达到规定的原始标距百分比时的应力。）规定总伸长应力是指试样标距的总长达到规定的原始标距百分比时的应力。如如0.5 屈服强度的意义：屈服强度的意义：1）作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据）作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据是机是机件开始塑性变形强度的设计准则；件开始塑性变形强度的设计准则；2）根据屈服强度与抗拉强度的比值的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的）根据屈服强度与抗拉强度的比值的大小，衡

32、量材料进一步产生塑性变形的倾向倾向作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。参考依据。三、影响金属材料屈服强度的因素三、影响金属材料屈服强度的因素讨论影响屈服强度的因素的基本点：屈服变形是位错增值和运动的讨论影响屈服强度的因素的基本点：屈服变形是位错增值和运动的结果；晶界、晶粒、第二相对位错的作用；外界因素对位错的影响。结果；晶界、晶粒、第二相对位错的作用；外界因素对位错的影响。1。晶体结构（。晶体结构（p18） 金属材料的屈服过程主要是位错的运动，纯金属单晶体的屈服金属材料的屈服过程主要是位错的运动，纯金属单

33、晶体的屈服强度从理论上讲是位错开始运动所需的临界切应力，其值由位错运强度从理论上讲是位错开始运动所需的临界切应力，其值由位错运动所受的各种阻力决定。这些阻力包括晶格阻力和位错间交互作用动所受的各种阻力决定。这些阻力包括晶格阻力和位错间交互作用产生的阻力等。产生的阻力等。1）晶格阻力）晶格阻力-派纳力派纳力2）位错间交互作用产生的阻力）位错间交互作用产生的阻力2。晶界与亚结构。晶界与亚结构 在首先产生滑移的晶粒中，必须塞积足够数量的位错，形成较的大应在首先产生滑移的晶粒中，必须塞积足够数量的位错，形成较的大应力集中，才能使相邻晶粒中的位错产生滑移，形成宏观的屈服。力集中，才能使相邻晶粒中的位错产

34、生滑移，形成宏观的屈服。许多金属与合金的屈服强度与晶粒度大小的关系均符合许多金属与合金的屈服强度与晶粒度大小的关系均符合Hall-Petch公式公式3。溶质元素。溶质元素 在固溶合金中，由于在固溶合金中，由于溶质原子溶质原子与与溶剂原子溶剂原子直径不同，在溶质原直径不同，在溶质原子周围形成晶格畸变应力场，该应力场与位错应力场产生交互作用，子周围形成晶格畸变应力场，该应力场与位错应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而使屈服强度提高，产生使位错运动受阻，从而使屈服强度提高，产生固溶强化固溶强化。 溶质与溶剂之间的溶质与溶剂之间的电学电学交互作用，交互作用，化学化学交互作用及交互作用及有序化有序化

35、作用作用等也对固溶强化有影响。等也对固溶强化有影响。 空位空位对材料屈服强度的影响与置换式溶质原子相似，因此任何对材料屈服强度的影响与置换式溶质原子相似，因此任何合金若含有过量淬火空位或辐照空位，将比具有平衡浓度空位的相合金若含有过量淬火空位或辐照空位，将比具有平衡浓度空位的相同合金屈服强度高。同合金屈服强度高。 固溶强化的效果是溶质原子与位错交互作用能及溶质质量分数固溶强化的效果是溶质原子与位错交互作用能及溶质质量分数的函数。的函数。 4。第二相。第二相 弥散型弥散型：不可变形质点不可变形质点，可变形质点可变形质点。 不可变形质点不可变形质点 当位错线绕过不可变形的质点时，必须克服弯曲位错的

36、当位错线绕过不可变形的质点时，必须克服弯曲位错的线张力，线张力的大小与相邻质点间的距离有关，材料屈服强度取决于第线张力，线张力的大小与相邻质点间的距离有关，材料屈服强度取决于第二相质点间的距离。二相质点间的距离。 可变形质点可变形质点 当位错线与第二相质点相遇时，位错可以切过第二相质点，当位错线与第二相质点相遇时，位错可以切过第二相质点，使之与基体一起产生变形。由于质点与基体间的晶格错排及第二相质点产使之与基体一起产生变形。由于质点与基体间的晶格错排及第二相质点产生新的界面需要做功等原因，所以也可提高屈服强度。生新的界面需要做功等原因，所以也可提高屈服强度。 聚合型聚合型：一般认为，第二相阻碍

37、滑移使基体产生不均匀塑性变形，由：一般认为，第二相阻碍滑移使基体产生不均匀塑性变形，由于局部塑性约束而导致强化。于局部塑性约束而导致强化。5。温度。温度 一般情况下，温度的升高一般情况下，温度的升高会导致金属材料的屈服强度下降。会导致金属材料的屈服强度下降。6。应变速率和应力状态。应变速率和应力状态 在应变速率较高的情况下，金属在应变速率较高的情况下，金属材料的屈服应力将显著升高。其原因材料的屈服应力将显著升高。其原因在于位错运动不能充分进行。在于位错运动不能充分进行。大量实验表明，当应变量与实验温度大量实验表明，当应变量与实验温度一定时，屈服应力与应变速率有如下关系：一定时，屈服应力与应变速

38、率有如下关系： 金属材料金属材料 m3。 应力状态的影响应力状态的影响 切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。度越低。四、应变硬化（形变强化）四、应变硬化（形变强化） 材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象称为应变硬化或形变强化。的现象称为应变硬化或形变强化。1。形变强化的机理。形变强化的机理 材料的形变强化是塑性变形过程中的材料的形变强化是塑性变形过程中的多系滑移多系滑移和和交滑移交滑移造成的。造成的。2。形变强化指数（。形变强化指数（

39、反映了材料抵抗反映了材料抵抗继续继续塑性变形的能力，是表征材料应变硬化行为塑性变形的能力，是表征材料应变硬化行为的性能指标。它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力，还决定了材料能够产生的最的性能指标。它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力，还决定了材料能够产生的最大均匀应变量大均匀应变量此数值在冷加工成型工艺中很重要）此数值在冷加工成型工艺中很重要）S=Ken式中：式中：S-真应力；真应力；K-硬化系数；硬化系数；e-真应真应变；变；n-应变硬化指数应变硬化指数。lgS=lgK+nlge n值的大小与层错能的高低有关，层错能低时，不易交滑移，位错在障碍附近产值的大小与层错能的高低有关，层错能低时，

40、不易交滑移，位错在障碍附近产生的应力集中较高，形变强化程度大，生的应力集中较高，形变强化程度大， n值大。值大。n值大的其滑移变形的特征为值大的其滑移变形的特征为平坦的平坦的滑移带滑移带，n值小的材料，则表现为值小的材料，则表现为波纹状的滑移带波纹状的滑移带。 此外，此外，n值的大小还与屈服强度有关。值的大小还与屈服强度有关。S=(1+ ）e=ln(1+ )3 3 形变强化的意义（在材料的加工和应用中有十分明显的实用价值）形变强化的意义（在材料的加工和应用中有十分明显的实用价值） 1 1）形变强化可使金属机件具有一定抗偶然过载能力，保证机件安全；）形变强化可使金属机件具有一定抗偶然过载能力，保

41、证机件安全； 2 2）形变强化和塑性变形适当配合可使金属进行均匀塑性变形，保证冷变形）形变强化和塑性变形适当配合可使金属进行均匀塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施；工艺顺利实施； 3 3）形变强化是强化金属的重要工艺手段之一；）形变强化是强化金属的重要工艺手段之一； 4 4）形变强化可降低材料的塑性，改善低碳钢的切削加工性能。）形变强化可降低材料的塑性，改善低碳钢的切削加工性能。五、抗拉强度与颈缩条件五、抗拉强度与颈缩条件 1。抗拉强度抗拉强度 1）定义定义 抗拉强度是拉伸试验时，试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。标抗拉强度是拉伸试验时，试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。标志着材料在承受

42、拉伸载荷时的实际承载能力。志着材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力。 bFb/A0 2）实际）实际意义意义 a) a) 对变形要求不高，但对重量要求严格的金属机件，可作为一个设计依据；对变形要求不高，但对重量要求严格的金属机件，可作为一个设计依据； b) b) 易于测定，重现性好；易于测定，重现性好； c) c) b b与布氏硬度与布氏硬度HBHB、疲劳强度、疲劳强度1 1等有一定的经验关系。等有一定的经验关系。 2 2 颈缩颈缩 1）定义定义 颈缩颈缩是一些金属材料和高分子材料在拉伸试验时，变形集中于局部区域的特殊状态。是一些金属材料和高分子材料在拉伸试验时，变形集中于局部区域的特殊状态。 2

43、）原因原因 以局部材料的承载能力为研究对象以局部材料的承载能力为研究对象 F=A 均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段：形变强化占主导，：形变强化占主导，A ，F F，变形转移；，变形转移； 颈缩时颈缩时：截面尺寸减小占主导，：截面尺寸减小占主导， A ， F F，变形集中。，变形集中。n即：颈缩是在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形即：颈缩是在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域而产生的。集中于试样局部区域而产生的。 自然对数的底数3）有意义的公式）有意义的公式 （1）n=eb (表明在表明在F=Fb时，应变

44、硬化指数等于最大载荷点的真应变）时，应变硬化指数等于最大载荷点的真应变） （2）b=K(n/e)nS=Ken（2）式表明，颈缩应力唯一依赖于材料的应变硬化系数K和应变硬化指数n。因此，颈缩的条件：当加工硬化速率等于该处的真应力时，或当硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时（ n=eb ）六、塑性与塑性指标六、塑性与塑性指标 1。定义定义 塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。 2。塑性指标塑性指标 1） 伸长率伸长率 Lk/L0100（Lk-L0）/L0100 断面收缩率断面收缩率 (A0-Ak)/A0100 2）试样类型对）试样类型对的影响的影响 Lk L

45、gt+ LN=L0+A01/2 Lk/L0 A01/2/L0n金属材料的断后伸长率和断后收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。金属材料的断后伸长率和断后收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。n一般零件一般零件 ，5%， 10%即可满足其技术要求。即可满足其技术要求。七、超塑性七、超塑性1。定义定义 材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000）而不发生颈缩和断裂的现象，称）而不发生颈缩和断裂的现象，称为超塑性。为超塑性。2。分类分类 相变超塑性相变超塑性 结构超塑性结构超塑性3。产生条件产生条件 1）超细等轴晶；）超细等轴晶；2）合适的变形条件，）合适的变形

46、条件，T0.4Tm; 3)应变速率敏感指数较高，应变速率敏感指数较高，0.3m1。 均匀变形阶段集中变形阶段和对几何相似的试样为常数L0/A01/2=11.3或或5.65第五节 断 裂 固体材料在力的作用下分为若干部分的现象称为断裂。在所固体材料在力的作用下分为若干部分的现象称为断裂。在所有失效形式里为最严重的一种。有失效形式里为最严重的一种。材料的断裂过程大都包括材料的断裂过程大都包括裂纹的形成裂纹的形成与与裂纹的扩展裂纹的扩展两个过程。两个过程。一、断裂的类型及断口特征一、断裂的类型及断口特征 按断裂前与断裂过程中材料的按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度宏观塑性变形的程度，可分为

47、，可分为脆性脆性断裂断裂和和韧性韧性断裂断裂；按晶体材料断裂时；按晶体材料断裂时裂纹扩展的路径裂纹扩展的路径，分为，分为穿晶穿晶断裂断裂和和沿晶沿晶断裂断裂；按；按微观断裂机理微观断裂机理，分为，分为解理解理断裂断裂和和剪切剪切断断裂裂；按；按作用力的性质作用力的性质，分为，分为正断正断和和切断切断。断口特征断口特征1）断口特征三要素：）断口特征三要素：纤维区，放射区，剪切唇纤维区，放射区，剪切唇。拉伸断口拉伸断口2 2）杯锥状断口形成过程）杯锥状断口形成过程a）在试样拉伸达到应力-应变曲线最高点时，试样局部出现颈缩，同时试样颈缩部分中小的应力状态由单向变为三向，且中心轴向应力最大。b）在三向

48、应力作用下，样品中小部分的夹杂物或硬质第二相质点破裂或与基体界面脱离而形成微孔。c）微孔不断长大合并成显微裂纹。d）显微裂纹端部产生更大的塑性变形，新的微孔就在变形带内形核、长大、聚合，且当其与已产生的裂纹连接时，裂纹便向前扩展。e）上述b、c、d过程反复进行的结果就形成纤维区。当纤维区所在平面垂直与拉伸方向，纤维区的微观断口特征为韧窝；当纤维区的裂纹达到某一临界尺寸后，产生大的应力集中，裂纹就以低能量撕裂的方式快速扩展，就形成放射区（属于韧性撕裂过程），其微观特征有放射线花样。当试样在断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇，与拉伸轴呈45度，其微观特征可看到涟波涟波花样。3）三要素对比：）三要

49、素对比：纤维区纤维区: 平面垂直于拉应力；微观特征为韧窝；扩展速平面垂直于拉应力；微观特征为韧窝；扩展速度较慢；度较慢；放射区放射区：平面垂直于拉应力；微观特征为撕裂韧窝；扩：平面垂直于拉应力；微观特征为撕裂韧窝；扩展速度较快；展速度较快；剪切唇剪切唇：与拉应力呈：与拉应力呈45度；微观特征为涟波花样；扩展度；微观特征为涟波花样；扩展速度较快。速度较快。4）影响三要素尺寸大小的因素）影响三要素尺寸大小的因素材料强度、塑性，试样尺寸，试验温度，加载速率材料强度、塑性，试样尺寸，试验温度，加载速率等。等。2。穿晶断裂与沿晶断裂。穿晶断裂与沿晶断裂 穿晶断裂穿晶断裂：可是韧性，也可是脆性断裂。：可是

50、韧性，也可是脆性断裂。沿晶断裂沿晶断裂：多为脆性断裂，宏观断口呈冰糖状，较纤维状断口明亮，较：多为脆性断裂，宏观断口呈冰糖状，较纤维状断口明亮，较纯脆性断口暗一些。纯脆性断口暗一些。 1。韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂和脆性断裂 韧性断裂：有宏观塑性变形，裂纹扩展慢，消耗变形能多，断口呈暗灰色，纤维状；韧性断裂：有宏观塑性变形，裂纹扩展慢，消耗变形能多，断口呈暗灰色，纤维状； 脆性断裂：无宏观塑性变形，无预兆，断口呈放射状或结晶状。脆性断裂：无宏观塑性变形，无预兆，断口呈放射状或结晶状。#一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率大于一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率大于5%的为韧性断裂，小于的为韧性断裂，

51、小于5%的为脆性断裂的为脆性断裂3。剪切断裂与解理断裂。剪切断裂与解理断裂 1）剪切断裂）剪切断裂 （1）定义定义 剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。成的断裂。 （2）分类分类 纯剪切断裂纯剪切断裂和和微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂 a) 纯剪切断裂纯剪切断裂 由纯粹的滑移流变所致，断口为楔形；由纯粹的滑移流变所致，断口为楔形； 单晶体：断口上有很多直线状的滑移痕迹；单晶体：断口上有很多直线状的滑移痕迹； 多晶体：多系交叉滑移，微观断口上的花样由多晶体：多系交叉滑移，微观断口上的花样由“蛇形滑动蛇形滑动”变为变为“涟波涟波”

52、花样，进而变为花样，进而变为“延伸区延伸区”。 b) 微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂 正断口；宏观呈暗灰色，纤维状；微观为韧窝。正断口；宏观呈暗灰色，纤维状；微观为韧窝。 （a）断裂过程：）断裂过程：形核，长大，聚合形核，长大，聚合和和断裂断裂。 韧窝形貌韧窝形貌（b）影响微观形貌（韧窝）的因素）影响微观形貌（韧窝）的因素 质点间距质点间距 间距越大，韧窝越大、越深；间距越大，韧窝越大、越深； 基体塑性基体塑性 塑性越好，韧窝越深；塑性越好，韧窝越深； 应力状态应力状态 三向应力（正应力），韧窝等轴；三向应力（正应力），韧窝等轴； 切应力，韧窝为椭圆或抛物线形。切应力，韧窝为椭圆或抛物线形。2)

53、解理断裂解理断裂 （a）定义）定义 在在正应力正应力作用作用下，由于原子间结合键的破坏下，由于原子间结合键的破坏引起的沿引起的沿特定晶面特定晶面发生的发生的脆性脆性穿晶断裂穿晶断裂称为解理断裂。称为解理断裂。 特定晶面特定晶面即即解理面解理面：低指：低指数晶面或表面能最低的晶面。数晶面或表面能最低的晶面。 bcc: 001 hcp: (0001) 解理断口解理断口解理台阶解理台阶 河流花样河流花样 舌状花样舌状花样（b）微观特征：微观特征：解理台阶，河流花样，舌状花样解理台阶，河流花样，舌状花样。*解理台阶是沿着两个高度不同的平行解理面上扩展解理裂纹相交时形成的。其形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺旋位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。 （c）台阶台阶的形成（两种方式）：解理裂纹与螺型位的形成（两种方式）：解理裂纹与螺