unit5 材料的变形

1、1）屈服平台或不连续塑性变形对应的应力称为屈服强度。2）形变强化段试样所能承受的最大应力称为抗拉强度。3）试样中某处突然变小，发生所谓的“颈缩”现象。4）脆性是指材料在断裂前不产生塑性变形的性质。5）塑性表示材料在断裂前发生永久变形的性质。6）材料的强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力。7）材料的塑性大小表示材料断裂前发生塑性变形的能力（可用伸长率和断面收缩率表示）。材料脆性的大小可用材料的弹性模量和脆性断裂强度表示。8）材料的韧性指断裂前单位体积材料所吸收的变形能和断裂能，即外力所做的 功。包括三部分能量：弹性变形能、塑性变形能、断裂变形能。玻璃态9）高分子高弹态-粘流态高分子拉伸曲线：（ 应

2、力与应变成正比直至断裂。Tb （脆化温度），T （玻璃化温度）出现屈服点后应力下降。略低T，应变增加，直至断裂 T，无屈服点，应变很大。5.2材料的其他力学试验1）弯曲试验三点弯曲试验时：试样总在最大弯矩附近处断裂。四点弯曲试验时：在两加载点间，试样受到等弯矩的作用，试样通常在该长度内 的组织缺陷处发生断裂，因此能较好地反映材料的性质，结果较准确。指标：挠度、抗弯强度。陶瓷材料拉伸试验困难，通常采用弯曲试验，用抗弯强度表征力学性能弯曲试验不能测试高塑性材料，可测脆性材料、陶瓷、灰铸铁及硬质合金。2）压缩试验常用于测定脆性材料。塑性材料压缩时只发生压缩变形而不断裂，压缩曲线一直 上升。指标：抗压

3、强度、相对压缩率、相对断面扩张率。试样高径比越大，抗压强度越低。端面需光滑平整，相互平行，减小摩擦。3）扭转试验可用于测定在拉伸时表现为脆性的材料，如淬火低温回火钢的塑性。扭转曲线不出现拉伸时的颈缩现象，因此可用此测定高塑性材料的变形抗力和 变形能力。可明确区分材料的断裂方式，正断或切断：对于塑性材料，断口与试样轴线垂 直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹，这是由切应力造成的切断。对于脆性材 料，断口约与试样轴线呈45o，断口呈螺旋状；木材、带状偏析严重的合金板材 扭转断裂时可能出现层状或木片状断口。指标：扭转比例极限、切变模量、扭转屈服强度。但扭转很难测定材料的微量塑性变形抗力。5.3弹性变形

4、1）材料的弹性是指在外力作用下发生变形，外力去除后变形消失的性质，这种 可恢复的变形就称为弹性变形。”应力与应变成正比金属、陶瓷.应力与应变非线性橡胶（高弹态高分子）2）弹性变形的本质是晶体点阵内的原子具有抵抗相互分开、接近或剪切移动的 性质。3）高分子的高弹态高分子的弹性变形量很大，小变形时，应力与应变符合胡克定律，变形由分子链 内键长和键角发生改变产生，为普弹变形。高弹变形是在外力下，原先卷曲的链沿受力方向逐渐伸展产生，伸展长度和应力 不成线形关系。当外力去除后，由于分子链之间力的作用，分子链又回复全卷曲 状态。4）弹性指标a弹性模量表明了材料对弹性变形的抗力，代表了材料的刚度。也反映了材

5、料内 原子的键合强度。弹性模量是材料最稳定的力学性能参数，对成分和组织的变化 不敏感。a弹性极限是材料发生最大弹性变形时的应力值。a弹性比功是材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力。W =1/2 =二螺旋弹簧除材料的弹性外，其螺旋结构使变形量均匀分布e e e 2 E到材料上，因此弹簧能承受更大的弹性变形量。5）弹性不完整性现象：应变滞后于应力。原因：组织不均匀，各品粒应变不均匀。弹性后效与内耗：加载时应变落后于应力而和时间有关的现象称为正弹性后效，卸载时应变落后于 应力的现象称为反弹性后效。加载线与卸载线不重合而形成封闭回线，称为弹性滞后，封闭回线为弹性滞后环。 有部分变形功被材料所吸收，为

6、材料的“内耗”。大小由回线面积表示。常用于 乐器。小提琴的弦：内耗小；车床床身：内耗大-吸震。包申格效应：金属材料预先经少量塑性变形后再同向加载，弹性极限升高，反 向加载则弹性极限降低。其机理与位错运动所受阻力有关。一后果：交变应力作用（疲劳），弹性极限下降一软化。一好处：高速离心处理、轧制时来回交替运动。6）超弹性材料超弹性定义：材料在外力作用下产生远大于其弹性极限时的应变量，外力去 除自动恢复其变形的现象。原因：马氏体相变，形状记忆。温度诱发相变，应力诱发相变。5.4材料的塑性1） 塑性变形方程：广K （气）n K为强度系数，n为形变强化系数。n是材 料的加工硬化性指标，可用来表征金属材料

7、在均匀塑性变形阶段的变形。n越小 变形强化能力越弱。应力增加时，往往应变的速率也会相应增加。应变速率敏感性： T= K（气弗 T是应变速率敏感性，m是应变速率敏感指数；K是常数。 m=1为粘性固体，m越大，拉伸时抗缩颈能力越强，m=0表示材料无应变速率 敏感性。2）塑性指标：有伸长率和断面收缩率。若材料的伸长率大于断面收缩率，则该 材料只有均匀塑性变形而无颈缩现象，是低塑性材料，反之为高塑性材料。3）塑性变形机理金属材料中存在位错，金属塑性变形的本质是位错在外力的作用下发生滑移和孪 生。滑移系越多，越容易发生塑性变形。使位错产生滑移所需的分切应力为临界分切 应力。率生：切变后已变形区的晶体取向

8、与未变形区的晶体取向成镜面对称关系。孪生 可改变晶体取向，使晶体的滑移系由原先难滑动的取向转到易于滑动的取向，孪 生对塑性变形直接作用下但间接作用大。孪生变形量小，但可改变位错滑移方向。高分子塑性变形是由于分子链团的运动产生的，即粘性流动。剪切带和银纹是玻 璃态高分子局部塑性变形的两种形式。银纹垂直于应力方向，它是由于高分子在 塑性伸长时局部区域内产生大量的空穴引起的。空穴折射率不同造成全反射，但 银纹与裂纹不同，裂纹是空的，银纹中含有40%左右空穴。多晶体除位错外，还存在晶界的移动和晶粒的转动等，发生在高温蠕变、超塑性 等现象中。4）在载荷不增加或在某一载荷附近波动的情况下，试样继续伸长变形

9、，这便是 屈服现象。屈服强度的大小反映了材料对起始塑性变形的抗力。材料在变形前可动位错密度很小随塑性变形的发生，位错能快速增殖位错运动速率与外应力有强烈的依存关系应变速率 =如y b为柏氏矢量，p为位错密度，v为位错运动平均速率。位错运动速率取决于应力的大小。所以：要提高v就要较高的应力，这就是上屈 服点。一旦塑性变形产生，位错大量增殖，p增加，位错运动速率必须下降，相 应的应力也就突然降低，形成了下屈服点。此后大量位错中某些位错在切应力的 作用下滑移，产生变形，当它们的运动受阻时，另一些位错在力的作用下开始运 动，继续产生变形，由此形成了锯齿状曲折线段。5）形变强化：其机理是金属在外力的作用

10、下通过位错的滑移、孪生产生变形。 由于大量的位错之间发生交互作用，位错的滑移受阻，要让位错继续滑移，使金 属产生进一步的变形，就必须有更大的应力作用于材料。材料有阻止继续塑性变形的抗力，即形变强化性能。形变强化指数n大，塑性变形均匀，可防止局部塑变导致构件失效。因为局部塑变强化，防止进一步塑变。6）材料的强化金属塑性变形的本质是位错的运动。金属的强化机理是如何使位错难以运动 阻力有：Q点阵阻力位错间交互作用产生的阻力位错与其他晶体缺陷交互 作用的阻力1固溶强化：溶质原子与位错之间产生交互等阻碍作用。2第二相强化：第二相质点周围形成应力场阻碍位错。材料的强化 3晶粒细化强化：位错运动须克服晶界阻

11、力，位错在晶界附近塞 积，造成应力集中，激发相邻晶粒位错源开动引起宏观屈服应变。4相变强化：可通过处理获得高位错滑移阻力的组织结构而强化。 P 5无缺陷强化：如晶须等，制造少缺陷或无缺陷材料。高分子可加入纤维、无机颗粒强化，形成交联作用，力的传递。，还可复合强化。 陶瓷强度高，只有弹性变形而无塑性变形，更多的是对其增韧而非强化。5.5材料的蠕变1）金属的蠕变是指在恒定的作用力下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢 塑性变形的现象，它是高温与应力对金属共同作用的结果。高温是指（0.4-0.5）T的温度。蠕变曲线：分为过渡蠕变段、稳态蠕变段（蠕变速率是高温材料一个重要力 学性能指标）、加速蠕变段。

12、当温度或应力很小时，稳态蠕变段会很长。2）蠕变变形机理：方式：Q位错滑移：高温下位错通过热激活和空位扩散来克服某些短程障碍使变形不 断产生，即软化。而塞积为强化。稳定时强化和软化同时发生，速率保持一定。 晶界滑动：高温时晶界原子容易扩散，因此晶界受力易产生滑动，促进蠕变空位扩散：在无力作用时，空位移动无方向性，拉力时空位会流动，扩散蠕 变在金属接近熔点、应力较低的情况下进行。3）高温变形指标：蠕变极限（高温长期载荷作用下材料的塑性变形抗力）、松弛极限（总应变保持 不变而应力随时间自行降低的现象为应力松弛，原因是时间增加，一部分弹性变 形转变为塑性变形）、持久长度4）高分子粘弹态：粘性流动的内在

13、原因是高分子中分子间没有化学交联的线形 高分子产生分子间的相对滑移。粘弹性分为静态粘弹性（固定应力下表现蠕变和 应力松弛）和动态粘弹性（周期应力下的力学行为）。5）超塑性是多晶材料在断裂前各向同性地显示极高拉伸伸长率的能力。大的变形能力材料的超塑性 确定压头直径。HBS :压头为淬火钢球 HBW :压头为硬质合金钢球。Q150HBS10/100/10表示10mm直径淬火钢球加压100kgf，保持 10s。优点：分散性小，重复性好。不受个别相和不均匀影响。缺点：不宜进行无损测定，不能测定薄壁件或表面硬化层的硬度，不能测大件，压痕直径测定时间长，效率低。3）洛氏硬度直接测量压痕深度，并以压痕深浅表

14、示材料的硬度。洛氏硬度：Q分HRA、HRB直径为1.588（钢球为压头）、HRC直径为1.588金刚石压头，HRC= （0.2-e） /0.02, e=h -h 先加初载荷，再加主载荷，之后卸除主载荷。优点：简单迅速，效率高，对试样表面损伤小，可用于成品检验。Q缺点：重复性差，精度低。对成分不均匀敏感，重复性差。表面层硬度：表面硬度计（满足薄零件或镀层）。可测渗层。4）维氏硬度：QHV=0.1891F/d2 d=（d + d ）/2。i 2不知厚度时，载荷从小到大进行试验。Q金刚石四方角锥体压头，表示方法与HB 一样。优点：测量范围宽，能更好地测定薄件或膜层的硬度，精度高。 缺点：操作不方便。5）显微维氏硬度（HV）和努氏硬度（HK）：测定微小部件或极小区域内的物质， 以及陶瓷等脆性材料。显微维氏硬度实际上是小载荷的维氏硬度。努氏（HK）为金刚石长菱形压头。6）肖氏硬度又叫回跳硬度，测定原理是将一定质量的具有金属石圆头或钢球的 标准冲头从一定高度h0自由下落到试样表面，回跳到h。硬度值大小取决于材