第一章 材料单向静拉伸的力学性能-材料性能学

第一章材料单向静拉伸的力学性能一.力——伸长曲线§1-1力——伸长曲线和应力——应变曲线拉伸试验（GB/T228-2002）圆形试样直径d0=3-25mm，有效长度l0=5×d0、10×d0板状试样有效宽度b0=10、15、20、30mm计算机控制电子万能试验机

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材料的力——伸长曲线弹性变形均匀塑变非均匀塑变断裂材料在载荷作用下的力学行为材料力学行为变形断裂弹性变形塑性变形非线弹性变形线弹性变形均匀塑性变形非均匀塑性变形{{{{1高碳钢2低合金结构钢3黄铜4陶瓷、玻璃5橡胶6工程塑料几种材料的力——伸长曲线应力σ=F/A应变ε=△L/L二.应力——应变曲线低碳钢的应力——应变曲线真实应力——应变曲线真实应变、真实应力与工程应变、工程应力的关系：§1-2弹性变形及其性能指标一.弹性变形的本质弹性变形：物体在外力作用下产生了变形，当外力去除后能恢复原来形状的变形。普弹性金属材料、陶瓷材料、玻璃态高分子材料可逆性小变形量：0.1-1.0%高弹性高分子聚合物可逆性大变形量：5-10%热效应：伸长时放热，回缩时吸热。i+1i高分子链键角转动模型1-引力2-斥力3-合力双原子模型二.弹性模数单元体应力分量广义虎克（HookeR.）定律虎克定律工程应用形式狭义虎克定律式E：宏观弹性模数，杨氏模数（YoungT.)G：切变弹性模数定义：当应变为一个单位时，弹性模数即为弹性应力即产生100%弹性变形时所需要的应力。

意义：材料对弹性变形的抵抗能力。刚度材料刚度=弹性模数E构件刚度G=E×A几种材料在常温下的弹性模数材料名称弹性模数E材料名称弹性模数E低碳钢低合金钢奥氏体不锈钢铜合金铝合金钛合金金刚石碳化硅三氧化二铝2.0×105（2.2-2.0）×105（2.0-1.9）×105（1.3-1.0）×105（0.75-0.60）×105（1.16-0.96）×10510.39×1054.14×1053.8×105尖晶石石英玻璃氧化镁氧化锆尼龙聚乙烯聚氯乙烯皮革橡胶2.4×1050.73×1052.1×1051.9×105（0.32-0.25）×105（4.3-1.8）×103（2.8-0.1）×103（4.0-1.2）×102（7.8-0.2）×10三.影响弹性模数的因素弹性模数：结合键强度的主要标志。键合方式和原子结构共价键、离子键、金属键＞范德华键、氢键无机非金属材料、金属材料＞高分子材料晶体结构单晶体：各向异性，多晶体：伪各向同性非晶体：各向同性化学成分固溶体：决定于溶剂，溶质含量增大弹性模数多相合金：合金成分，第二相性质、数量、尺寸、分布状态微观组织影响较小温度温度升高，弹性模数降低加载条件和负载时间加载方式、速率、负载时间对金属、陶瓷几乎没有影响高分子聚合物弹性模数随负载时间延长而降低影响因素四.比例极限与弹性极限比例极限：保证材料的弹性变形按比例关系变化的最大应力。应力——应变曲线上，开始偏离直线时的应力值。弹性极限：材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力。应力——应变曲线上，开始产生塑性变形的应力值。规定非比例伸长应力：非比例伸长达到原始标距长度规定的百分比时的应力。如：五.弹性比功用途：制造弹簧的材料，要求弹性比功大。弹性比功（弹性比能、应变比能）：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。表示方式：材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功。几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。σσeεeεe§1-3非理想弹性与内耗弹性理想弹性（完全弹性）非理想弹性（弹性不完整性）服从虎克定律应变对应力的响应是线性的应力与应变同相位应变是应力的单值函数滞弹性粘弹性伪弹性包申格效应弹性：材料受载后产生一定的变形，卸载后这部分变形消失，恢复原来状态的性质。一.滞弹性滞弹性示意图实际金属材料，弹性变形不仅是应力的函数，而且还是时间的函数。⑴定义在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。

⑵影响因素：晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。切应力越大，影响越大。温度升高，变形量增加。⑶危害：长期承载的传感器，影响精度。二.粘弹性（Viscoelasticity

）弹性：材料受载后产生一定的变形，卸载后这部分变形消失，恢复原来状态的性质。粘性：流体内部质点间作相对运动时产生内摩擦力的特性称为粘性。粘性是流动性的反面。粘弹性：材料组合了固体的弹性和流体的粘性两者的特征的力学行为。粘弹性的特征：弹性变形的时间效应.uF0xu=0yYdudy牛顿粘性定律：剪应力的大小与速度梯度成正比弹性粘弹性非线性粘弹性线性粘弹性高弹性普弹性动态静态粘性Deformation形变性能ElasticityHighelasticityViscosityviscoelasticityLinearviscoelasticityStaticDynamicNon-Linearviscoelasticity应力松弛蠕变滞后力学损耗三.伪弹性伪弹性应力——应变曲线AB：常规弹性变形B（σBM

）：应力诱发马氏体相变开始点C：马氏体相变结束点CD：马氏体弹性变形DF：卸载，马氏体变形恢复F（σFP）：马氏体逆相变开始点G：马氏体逆相变结束GH：初始组织变形恢复伪弹性：应力诱发马氏体相变产生大幅度弹性变形的现象。四.包申格效应（BauschingerEffect)包申格效应示意图定义：材料经过预先加载并产生少量塑性变形，卸载后，再同向加载，弹性极限增加，反向加载，弹性极限降低的现象。微观本质：预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同向加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易残余伸长应力降低。包申格效应的危害及防止方法交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降）预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火。五.内耗循环应力、应变与时间的关系单向加载、交变加载滞后环由于应变滞后于应力，使加载曲线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。物理意义：

加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。或，回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。这部分被金属吸收的功，称为内耗。内耗示意图

内耗取决于应变与应力之间的相角差δ：W：振动能，T：振幅，ν：振动频率Δm：模量亏损，ω：应变角频率，τ：驰豫时间循环韧性：

若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可得到塑性滞后环。金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫循环韧性。循环韧性又称为消振性。循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性的大小。循环韧性的应用：

减振材料（机床床身、缸体等）；乐器要求循环韧性小。§1-4塑性变形及其性能指标一.塑性变形的机理1.金属材料的塑性变形单晶体：滑移+孪生滑移孪生相同点1切应力；2沿一定的晶面、晶向进行；3不改变结构。不同点

晶体位向不改变（对抛光面观察无重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）位移量滑移方向上原子间距的整数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，较小。对塑变的贡献很大，总变形量大。有限，总变形量小。变形应力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于滑移变形条件一般先发生滑移滑移困难时发生变形机制全位错运动的结果部分位错运动的结果晶体滑移与孪生的对比多晶体塑性变形不同时性：在外力作用下，软取向晶粒首先达到临界分切应力，开始变形，随着晶体的转动，软硬取向易位，硬取向晶粒开始变形。不均匀性：由于晶粒位向的不同，变形的不同时性，晶界的阻塞作用，使得不同晶粒、同一晶粒的不同区域，塑性变形量不同。相互协调性：多晶体塑性变形时，变形可以在不同晶粒之间传递，而保证晶体的完整性，需要各晶粒之间相互协调。2.陶瓷材料的塑性变形陶瓷材料晶态：常温大部分塑性，简单结构有塑性，复杂结构无塑性，气孔、微裂纹、玻璃相限制塑性变形。高温（>1000℃）有塑性，主滑移系可以开动。超塑性：微晶，晶界滑动、晶界液相流动。非晶态：常温无塑性，不存在滑移和孪生机制。大于粘流温度有塑性，分子位置的热激活交换，粘性流动变形机制。3.高分子材料的塑性变形形变温度IIIIII玻璃态高弹态玻璃化转变区Tg粘流态粘弹态转变区Tf聚合物的力学三态：玻璃态（区域I）：温度低，聚合物在外力作用下弹性变形，具有虎克弹性行为，形变小，表现为质硬而脆。高弹态（区域II）：在较小外力作用下，也能迅速产生很大的弹性形变。粘流态（区域Ⅲ）：聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆。交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。高分子材料塑变机理结晶态：薄晶沿应力方向转变为微纤维束。晶球破坏→应力垂直的薄晶与无定型相分离→薄晶沿应力方向排列，破碎成小晶粒→小晶体沿拉伸方向排列，形成长纤维。非晶态：形成银纹（Craze)：在正应力作用下，弱结构或缺陷部位被拉开，形成亚微观裂纹或空洞，发展成银纹。排成纤维束：在切应力作用下，无取向的分子链局部转变为排列的纤维束。二、屈服现象与屈服强度1、屈服现象材料开始塑性变形的现象称为屈服。在金属材料中，（1）塑性变形开始后，出现外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的现象，形成锯齿状的屈服平台。（2）应变随应力的增加不断增加。

屈服的实质是位错开始滑移。屈服平台形成的机理柯氏气团理论

位错与溶质原子交互作用，溶质原子聚集在位错线的周围形成气团（柯氏气团、史氏气团）。位错被气团钉扎，提高外应力，位错才能运动；一旦运动，脱出气团的影响，继续发生塑性变形所需的外应力降低。不同滑移系上位错的先后开动，形成锯齿状屈服平台。位错运动理论应变速率与位错密度、位错运动速率的关系：滑移-孪生理论滑移机制转变为滑移-孪生机制，孪晶的出现会产生以下效果：孪晶行核需要很高的应力，而长大速率很大、所需应力很小。孪晶的形成有利为错的滑移。位错塞积理论位错同向运动受阻，形成塞积群，导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力，一旦障碍被冲破，继续发生塑性变形所需的外应力降下。

2.屈服强度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σs：

σs=Ps/A0对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形硬化过程是连续的，此时将屈服强度定义为产生0.05%、0.1%、0.2%残余伸长时的应力，如σ0.2：

σs=σ0.2=P0.2/A00.002L0三.影响金属材料屈服强度的因素1.晶体结构位错运动的阻力：晶格阻力（派纳力）、位错交互作用产生的阻力。晶格阻力（派纳力）：位错交互作用力：2.晶界与亚结构晶界（亚晶界）是位错运动的障碍，要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。霍尔——配奇（Hall-Petch）公式：细化晶粒，可以提高材料的强度——细化强化。3.溶质元素溶质元素形成点缺陷，引起晶格畸变，阻碍位错滑移，提高材料的强度——固溶强化。4.第二相位错绕过第二相粒子的示意图第二相颗粒周围的位错环第二相不变形可变性绕过机制(粒子、位错环阻碍位错运动)切过机制（表面能、错排能、粒子阻碍位错运动）第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。

位错切过颗粒机制5.温度温度升高金属材料的屈服强度降低，晶体结构不同，变化趋势不同。

体心立方温度效应明显，而面心立方和密排六方的温度效应不明显。6.应变速率与应力状态

应变速率升高，屈服强度也升高。应力状态不同，切应力分量不同，位错滑移的难易程度就不同。四.应变硬化金属经冷加工变形后，其强度、硬度增加、塑性降低的现象——应变硬化、加工硬化、形变硬化。高分子材料也具有应变硬化的现象。1.应变硬化机理单晶体的应变硬化应力-应变曲线明显可分为三个阶段：

I．

易滑移阶段：单滑移，位错移动和增殖所遇到的阻力很小，θI

很低，约为10-4G数量级。

II．线性硬化阶段：多系滑移，位错运动困难，θII

远大于θI约为G/100-G/300，并接近于常数。单晶体应力－应变曲线III．抛物线硬化阶段：交滑移，θIII

随应变增加而降低，应力应变曲线变为抛物线。多晶体的应变硬化多晶体晶粒各取向不同，不可能一个滑移系滑移，所以，没有典型单晶体的第Ⅰ阶段--易滑移阶段。因为多晶体各晶粒变形需相互协调，至少有5个独立的滑移系开动，滑移系启动困难，加工硬化率明显高于单晶体。锌的单晶与多晶的应力－应变曲线结晶态高分子的应变硬化屈服：原有的晶态结构破坏，载荷下降。颈缩：但不断裂。应变强化：继续变形时出现。晶体转变为微纤维结构承载键：范德华力变为共价键2.应变硬化指数金属材料真实应力-应变曲线上均匀塑变阶段符合Hollomon公式。

n—应变硬化指数；k—硬化系数应变硬化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。

n=1，理想弹性体；n=0材料无硬化能力，大多数金属材料n值在0.1-0.5之间。层错能低的材料应变硬化程度大，18-8不锈钢、高Mn钢（Mn13），层错能力低，n大；层错能高的，n值小，铝。应变硬化指数的测量与计算：拉伸实验获得应力、应变数据（σi、εi），计算真实应力、应变（Si、ei）：利用作图或者数据拟合的方法求的应变硬化指数。3.应变硬化的意义应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。使构件具有一定的抗偶然过载能力。强化金属，提高力学性能。提高低碳钢的切削加工性能。五.抗拉强度与颈缩条件抗拉强度定义为试件断裂前所能承受的最大工程应力，也称为强度极限。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σb：σb=Pmax／A0颈缩是金属、高分子材料拉伸时不均匀塑变的结果，变形集中于局部区域。颈缩发生在工程应力-应变曲线上最大载荷点。经过积分，得n=e

即：金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性变量时，缩颈便产生。材料的塑性是指材料断裂前发生塑性变形的能力。材料的塑性常用延长率和断面收缩率表示。测定方法如下：拉伸试验前测定试件的标距L0，拉伸断裂后测得标距为Lk，断裂前的截面积A0，断裂后断面截面积Ak，然而按下式计算。六.塑性与塑性指标七.超塑性超塑性：材料在一定条件下呈现非常大的延长率（约1000%）而不发生颈缩和断裂的现象。产生超塑性的条件：超细晶粒：晶粒尺寸达微米量级，等轴晶粒；变形温度：大于0.4Tm；应变速率：大于等于10-3s-1；应变速率敏感指数：0.3≤m≤1。一.断裂的分类分类方法名称断裂示意图特征根据断裂前塑性变形的大小脆性断裂断裂前没有明显的塑性变形，断口形貌呈光亮的结晶状。韧性断裂断裂前产生明显的塑性变形，断口形貌呈暗灰色纤维状。断裂就是一个整体分裂成两个或两个以上部分的现象。§1-5断裂分类方法名称断裂示意图特征根据断裂面的取向正断断裂的宏观表面垂直于最大正应力方向。切断断裂的宏观表面平行于最大切应力方向。根据裂纹扩展的途径穿晶断裂裂纹穿过晶粒内部扩展。沿晶断裂裂纹沿晶界扩展5μm穿晶断裂5μm沿晶断裂分类方法名称断裂示意图特征根据断裂机理解理断裂无明显的塑性变形，沿解理面分离，穿晶断裂。韧窝断裂产生明显的塑性变形。沿晶界微孔聚合，沿晶断裂。沿晶内微孔聚合，穿晶断裂。纯剪切断裂沿滑移面分离剪切断裂（单晶体）。通过颈缩导致最终断裂（多晶体，高纯金属）。杯状断口形成示意图拉伸断口宏观形貌拉伸断口裂纹源二.脆性断裂的机理脆性（解理）断裂的裂纹萌生萌生方式位错塞积模型位错反应模型第二相开裂模型Ze