第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 - 副本

材料性能学第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能主要内容塑性变形弹性变形拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线金属的断裂单向静拉伸试验特点:应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定；可揭示最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）；最广泛使用的力学性能检测手段→强度、塑性等。§1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线

力—伸长曲线试验过程（GB/T228-2002）常温光滑试样拉伸试验机缓慢加载，低的变形速率

拉伸试样（GB/T6397-1986）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0拉伸强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力σe

、σs

、σb、δ、ψ图1-29圆形拉伸试样图1-30低碳钢单向静拉伸曲线F－Δl→σ－ε公式：σ=F/s0

,ε=Δl/l0

拉伸曲线

弹性变形oe

Eσ=Eε

σe

均匀塑性变形（强化）sb

σb

不均匀集中塑性变形bz“缩颈”现象低碳钢单向静拉伸曲线

不均匀屈服变形es

σs、σ0.2z点：试样发生断裂σs、σ0.2及σb是设计和选材的主要依据陶瓷、玻璃塑料含杂质铁合金淬火高温回火高碳钢黄铜低合金钢S—真应力，e—真应变，K—强度系数n—应变硬化指数，材料的应变强化能力§1-2弹性变形一、弹性变形及其实质可逆变形本质：

材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。二、虎克定律简单应力状态的虎克定律1.单向拉伸2.剪切和扭转3.E、G和ν的关系广义虎克定律(复杂应力状态）三、弹性模量物理意义：材料对弹性变形的抗力，其值越大，在相同应力下产生的弹性变形越小，工程上被称为材料的刚度。用途：

工程上，刚度；梁、曲轴，弹簧钢特点：

决定于金属原子本性和晶格类型，对组织不敏感E定义：产生100%弹性变形时所需要的应力。四、弹性比功定义：材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。几何意义：σ-ε曲线上弹性阶段下的面积用途：弹簧钢、橡胶（减震、储能），要求ae大①提高σe，或者降低E。②体积越大，ae越大五、滞弹性（弹性后效）现象：

弹性应变落后于应力，与时间相关。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。影响因素：材料成分、组织均匀性弹性滞后环：由于具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时，应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线（图a）。存在滞后环说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属恢复变形放出的变形功，有一部分变形功为金属所吸收，大小用滞后环面积度量。σ＜σe

，图b。σ＞σe

，图c。六、金属的循环韧性定义：金属在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的内耗或消振性。意义：

力学性能之一；

循环韧性越高，机件的消振能力越好。七、包申格效应（Bauschinger）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，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载规定残余伸长应力降低（特别是弹性极限几乎降低到零）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，规定残余应力σr增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，规定残余应力σr降低。度量指标：包申格应变在给定应力下，正向加载和反向加载两应力-应变曲线之间的应变差。β=bc危害影响疲劳寿命（交变载荷）

低周：应变控制，β↑，变形能力↑，抗疲劳↑。高周：应力控制，β↑，强度↓，抗疲劳↓。

造成强度损失

对于需要高强度的构件有害

对于需要塑性成型的构件有利消除方法预先进行较大的塑形变形：位错增殖难于重分布，反向加载时强度变化不大。反向受力前做回复或再结晶退火处理§1-3塑性变形一、塑性变形的方式及特点微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象方式：滑移主要方式通过位错的运动实现方式：滑移主要方式孪生低温或快速形变时切应力多晶体的塑性变形特点(1)晶界阻碍位错运动

晶界使变形抗力提高，

细晶强化(2)晶粒分批逐步变形，具有不同时性和不均匀性

材料表面优先软位向先变形(3)各晶粒变形的相互协调性需要多系滑移，应变硬化速率比单晶体高。二、屈服现象和屈服强度材料产生宏观塑性变形的一种标志屈服现象弹性向塑性变形过渡明显，外力保持恒定时试样仍继续伸长，或外力增加到一定数值时突然下降，然后外力几乎不变时，试样仍继续伸长变形。屈服伸长变形是不均匀塑性变形，外力从上屈服点下降到下屈服点时，在试样局部区域开始形成与拉伸轴约成45的雷德斯带或屈服线，随后在试样长度方向逐渐扩展，当屈服线布面整个长度方向时，屈服伸长结束，试样开始进入均匀塑性变形阶段。

屈服机理外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程三个因素：

①变形前可动位错密度很小柯氏气团：溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团，位错被钉扎位错塞积群：n个位错同向运动受阻，形成塞积群②随塑性变形发生，位错能快速增殖③位错运动速率与外加应力有强烈依存关系

应变速率与位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比

晶体结构变化，b↑,应变速率↑位错增值，ρ↑，应变速率↑提高外应力τ,υ↑,应变速率↑

塑性变形前，位错密度低，欲满足一定的应变速率，必提高外应力，这就是实验中的上屈服点，一旦塑性变形产生，位错大量增殖，位错运动速率必然下降，相应的应力也就突然降低，从而产生屈服现象。位错运动速率对应力大小越敏感，屈服现象越明显，如bcc的低碳钢有明显屈服。

屈服强度

σs（σsu、σsl）有些材料屈服点不明确,用规定微量塑性伸长应力表示屈服强度，如σ0.2条件屈服强度——规定微量塑性伸长应力根据测定方法不同，有三种指标：规定非比例伸长应力(σP)σ0.01（条件比例极限）或σ0.05，加载过程中测定规定残余伸长应力(σr)σr0.2（屈服强度），卸载后测定。试样在外力保持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服强度σs=Fs/A0规定总伸长应力(σt0.5)，弹性伸长加塑性伸长，加载过程中测定强度设计：[σ]=σs/n（n≥2）屈服判据：

屈雷斯加最大切应力判据：σ1-σ3=σs

米赛斯畸变能判据：

(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2=2σs2开始塑性变形的强度设计准则。是否越高越好?屈强比屈强比高，材料利用率高，但过高的屈强比，不利于某些应力集中部位的应力重新分布，极易引起脆性断裂，所以应力状态较硬、应变速率较高、截面变化较大的机件，选择屈服强度值较低的材料。降低屈服强度有利于材料冷成型加工和改善焊接性。σs——工程上从静强度角度选择韧性材料的依据三、影响屈服强度的因素合金：基体+强化相塑性变形——位错——基体影响位错增殖和运动→影响屈服强度内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相外在因素：温度、应变速率、应力状态1、金属本性及晶格类型纯金属单晶体，位错运动所受的各种阻力决定晶格阻力，派纳力理想晶体中仅存一个位错运动时所需克服的阻力，与位错宽度和柏氏矢量有关位错交互作用阻力，与柏氏矢量和位错密度有关位错强化W—位错宽度2、晶粒大小和亚结构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派奇（Hall-Petch）公式细晶强化3、溶质元素溶质——晶格畸变应力场晶格畸变应力场与位错应力场产生交互作用，是位错运动受阻，是屈服强度提高。间隙固溶体的强化效果比置换的大！固溶强化4、第二相弥散强化、沉淀强化位错切过或绕过尺寸、形状、数量及分布；与基体的晶体学匹配程度第二相强化屈服强度对成分、组织极为敏感

影响屈服强度的外在因素（1）温度提高，位错运动容易，σs↓BBC温度效应显著FCC、HCP不显著→结构钢低温脆性（2）应变速率提高，σs↑应变速率硬化m——应变速率敏感指数（3）应力状态切应力τ↑，σs↓。切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。扭转强度＜拉伸强度＜弯曲强度

非材质变化，应力状态硬四、应变硬化（形变强化）定义：材料在应力作用下进入塑性变形阶段，随着变形量的增加，形变应力不断提高的现象。机理：塑变变形过程中的多系滑移和交滑移造成的位错增殖，运动受阻所致

应变硬化的意义（1）使金属进行均匀的塑性变形；（2）改善切削加工性能；（3）保证机器的安全工作；（4）提高材料强度的重要手段（形变强化）。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=0.1~0.5n=1：s=ke,理想弹性体n=0：s=k,无硬化能力退火态、层错能低，n大与σs成反比，冷加工态n小直线作图法求得定义材料在静拉伸条件下的最大位伸应力。意义：（1）易于测定，重现性好，重要的力学性能指标（2）脆性材料产品设计重要依据（3）取决于σs和n，σs/σb重要五、抗拉强度和缩颈现象

缩颈现象：

韧性材料，变形集中于局部区域

应变硬化与截面减小共同作用的结果B点之前，塑性变形均匀，应变硬化可以补偿因试样截面减小所带来的承载力下降；B点之后，应变硬化跟不上塑性变化的发展，是变形集中于试样局部区域产生缩颈。B点之前，dF>0；B点之后，dF<0。B点为拉伸失稳点或塑性失稳点，B后断裂开始发生。BdS/de＞S，硬化作用较强，足以补偿因截面减小所引起的应力升高dS/de＜S，加工硬化的能力微弱，导致颈缩发生缩颈的判据：在缩颈点（拉伸失稳点）处Hollomon关系成立

SB=keBn

作微分运算，得：

dSB=KneBn-1deB利用颈缩判据，可得：

KeBn

＝KneBn-1于是有：

n=eB表明当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，缩颈就会产生。

缩颈颈部应力修正缩颈一旦产生，其中心部分拉伸变形的径向收缩受到约束，单向应力状态被破坏，缩颈区出现三向应力状态，塑性变形比较困难，为了继续变形，就必须提高轴向应力，因而缩颈处的轴向真实应力高于单向受力下的真实应力。为了得到颈部真实应力-应变曲线，需对颈部应力进行修正。六、塑性定义：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。

均匀塑性变形+集中塑性变形塑性指标

断后伸长率δ

断面收缩率ψ

说明用断面收缩率更接近真实变形。直径d0

相同时，l0，l0=10d0

，

10l0=5d0

，5

，5>10

>时，无颈缩，为脆性材料特征

<时，有颈缩，为塑性材料特征影响因素细化晶粒，塑性↑；软的第二相，塑性↑；温度提高，塑性↑；高固溶、硬的第二相，塑性↓。塑性的意义安全力学性能指标塑性变形缓和应力集中轧制、挤压等冷热加工变形七、静力韧度韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。韧度：度量材料韧性的力学性能指标，

静力韧度、冲击韧度和断裂韧度静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂前所吸收的功，它是强度和塑性的综合指标。静力韧度对于按屈服强度设计，而在服役中可能遇到偶然过载的机件（如链条、起重吊钩等），是必须考虑的重要指标。思考题画出该材料的工程应力-应变曲线和真应力-应变曲线求n和K，并写出Hollomon方程今有10mm直径的正火态60Mn拉伸试样，其试验数据如下(d=9.9mm为屈服平台刚结束时的试样直径)：F/KN39.543.547.652.955.454.052.44843.1d/mm9.919.879.819.659.218.618.217.416.78金属在单向静拉伸载荷下的力学性能§1-4金属的断裂失效：磨损、腐蚀和断裂断裂：材料在力的作用下分成若干部分的现象裂纹:不完全断裂断裂过程包括裂纹萌生与扩展研究目的：防止断裂一、断口分析手段：肉眼、放大镜、扫描电子显微镜（SEM）宏观、微观结合注意：宏观断裂形态，微观断裂特征材料断裂的实际情况复杂目的：了解材料断裂时裂纹萌生及扩展的起因、经历及方式二、断裂的类型断裂前塑性变形大小：脆性断裂；韧性断裂断裂面的取向：正断；切断裂纹扩展的途径：穿晶断裂；沿晶断裂断裂机理：解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂（一）韧性断裂和脆性断裂定义：金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。特点：断裂面与主应力成45o角断口特征：纤维状，灰暗色，呈杯锥形。纤维区:裂纹扩展慢放射区:快速低能量撕裂剪切唇:表面光滑,切断1.韧性断裂（ductilefracture）韧性断裂过程:中心夹杂物或硬质点破裂或与基体脱离定义：突然发生的断裂，基本不发生塑性变形，无明显前兆，危害性很大。断口特征断口与正应力垂直，平齐光亮，放射状或结晶状；人字纹花样2.脆性断裂（brittlefracture）3.脆性与韧性断裂的判定ψ＜5％，脆性断裂；(微量的均匀塑性变形，无颈缩）ψ＞5％，韧性断裂。韧性与脆性断裂比较断裂类型塑性变形扩展速度断口特征材料韧性断裂明显慢灰暗色,纤维状金属及高分子脆性断裂无突然,快速齐平光亮,放射或结晶状淬火钢,铸铁,陶瓷

断口三要素的应用(1)断裂分析中寻找裂纹源→放射线;(2)断裂类型的初步判定→三区比例;(二)正断和剪断宏观断裂微观断裂正断与剪断的宏观与微观形式（三）穿晶断裂与沿晶断裂裂纹穿过晶界韧性或脆性断裂裂纹沿晶界扩展多数为脆性断裂断口一般呈结晶状(四)纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂（1）纯剪切断裂在切应力作用下，沿滑移面分离，断口呈楔形或刀尖型，纯粹由滑移流变造成的断裂。单晶体金属或者纯金属的常见断裂形式，完全韧性断裂。（2）微孔聚集型断裂微孔形核、长大、聚合导致材料分离。沿晶界局部微孔聚合，形成沿晶脆性断裂；在晶内微孔聚合，形成穿晶韧性断裂。（3）解理断裂正应力作用下，因原子间结合键断裂，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。解理面——低指数晶面或表面能量低的晶面。FCC一般不发生解理断裂总是脆性断裂晶体结构材料主要解理面次要解理面BCCHCPFe,W,MoZn,Cd,Mg{001}{0001},{1100}{112}{1124}根据断裂前塑性变形大小分类断裂前产生明显塑性变形,断裂形貌是暗灰色纤维状根据断裂面的取向分类韧性断裂正断切断断裂的宏观表面垂直于σmax方向断裂的宏观表面平行于τmax方向裂纹穿过晶粒内部裂纹沿晶界扩展穿晶断裂沿晶断裂脆性断裂根据裂纹扩展的途径分类断裂前没有明显的塑性变形,形貌是光亮的结晶状根据断裂机理分类解理断裂微孔聚集型断裂纯剪切断裂沿滑移面分离剪切断裂(单晶体)通过缩颈导致最终断裂(多晶体,高纯金属)沿晶界微孔聚合,沿晶脆性断裂在晶内微孔聚合,穿晶韧性断裂无明显塑性变形沿解理面分离,穿晶脆性断裂三、解理断裂机理和微观断口特征1、甄纳-斯特罗(Zener-Stroh)位错塞积理论位错在晶界前受阻并相互靠近形成位错塞积塞积头处应力集中不能为塑性变形松弛，超过材料的强度极限裂纹形成（一）解理裂纹的形成和扩展

解理断裂→有少量塑性变形→与位错运动有关理论断裂强度塞积头处最大拉应力：τ：外加切应力τi：位错运动阻力d：晶粒直径r：位错塞积头到裂纹形成点的距离形成裂纹的条件：r与a0相当E=2G(1+ν)τf：形成裂纹所需的切应力位

解理裂纹扩展过程(a)塑性变形形成裂纹;(b)裂纹同一晶粒内初期长大;(c)裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。解理裂纹形成后并不一定迅速扩展而断裂，其扩展需要经历三个阶段，要满足一定的力学条件。解理裂纹扩展的条件柯垂尔，能量分析法，解理裂纹扩展的条件为：外加正应力所做的功必须等于产生裂纹新表面的表面能。滑移带上的切应力因出现塑性位移nb而松弛，故弹性剪切位移等于塑性位移。弹性剪切位移塑性位移晶粒细化，临界断裂应力（断裂强度）提高，材料的脆性减小。合金中第二相质点的间距越小，材料的断裂强度↑。由于屈服时裂纹已经形成，τ=τs，而τs与晶粒直径之间满足霍尔-派奇关系，即：脆性裂纹扩展条件：ky：位错定扎系数2、柯垂耳(cottrell)位错反应理论两刃型位错相遇反应，新形成的位错为不动位错，结果两相交滑移面上的位错群在该不动位错附近产生塞积，当塞积位错较多时，其多余半原子面如同楔子一样插入解理面中间形成裂纹。2、柯垂耳(cottrell)位错反应理论BCC，位错反应，降低能量，自发进行；FCC，位错反应不能降低能量，不能自发进行科垂耳理论和甄纳理论共同之处：裂纹形核前均需有塑性变形；位错运动受阻，在一定条件下便会形成裂纹。裂纹在晶界、亚晶界、孪晶交叉处出现。（二）解理裂纹的微观断口特征1、解理断裂电子显微镜微观特征：解理台阶、河流花样和舌状花样

解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。解理台阶：解理断裂时，裂纹跨越若干相互平行且位于不同高度的解理面，从而在一个刻面内部出现了台阶状微观特征。河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合，同号台阶相互汇合长大，当汇合台阶足够大时，便形成河流花样。解理台阶、河流花样形成示意图舌状花样：解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台2、准解理淬火回火钢断裂路径主要与细小的碳化物质点有关形成从晶内某点发源的放射状河流花样。不独立，解理断裂的变种。相同点：都是穿晶断裂，都有小刻面、台阶、河流花样；不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面，解理裂纹起源于晶界、亚晶界、孪晶界处，准解理起源于晶内硬质点出。四、微孔聚集断裂机理及微观断口特征（1）成核：位置：点缺陷聚集处；界面开裂；第二相质点碎裂或脱落；原因：位错引起的应力集中，不均匀塑性形变/第二相与基体塑性变形不协调而产生分离（一）微孔形核和长大断裂过程：微孔成核、长大、聚合，直至断裂（2）长大位错遇到质点，形成位错环位错环在质点处堆积；位错环移向质点与基体界面是时，界面沿滑移面分离，形成微孔滑移面上的位错向微孔运动，使其长大（3）聚合相邻微孔间基体发生内缩颈（4）裂纹长大（5）断裂（二）微孔聚集断裂的断口特征（1）宏观特征：断口颜色灰暗，纤维区、剪切唇较大，放射线粗大（2）微观特征：韧窝等轴韧窝、剪切韧窝和撕裂韧窝。有韧窝不一定是韧性断裂，晶界微孔聚集断裂属沿晶脆断等轴韧窝撕裂韧窝剪切韧窝解理断裂机理形成：扩展：微观断口特征：微孔聚集断裂机理过程：微观断口特征：位错塞积，位错反应解理台阶、河流花样和舌状花样微孔形核、长大、聚合、断裂韧窝五、断裂强度理想完整晶体，断裂强度取决于原子间结合力曲线上最大值，在弹性状态下的最大结合力-理论断裂强度该曲线可近似为正弦曲线（一）理论断裂强度五、断裂强度断裂时，外力所做的功用来供给形成两个新裂纹表面所需之表面能晶体弹性模量越大，表面能越大、原子间距越小，理论断裂强度越大。解理面的表面能低，所以容易解理断裂。理论断裂强度：例：FeE=2×105MPa,γs=2J/m2,a0=2.5×10-10m实际金属中存在缺陷，使断裂强度显著下降。实际断裂强度与理论断裂强度（二）断裂强度的裂纹理论（Griffith理论）（1）出发点为了解释玻璃、陶瓷等脆性材料断裂强度理论值与实际值的巨大差异材料中已存在裂纹平均应力还很低时，局部应力集中已达到很高数值，致使裂纹快速扩展并导致脆性断裂；裂纹扩展（增加新表面），使系统的弹性能降低，弹性能降低足以满足裂纹表面能增加之需时，裂纹失稳扩展。（2）格雷菲斯模型单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力（平面应力），隔绝外界能源板内开一长度为2a，并垂直于应力的裂纹。拉紧的平板由于裂纹的存在将释放弹性能释放的弹性能裂纹形成产生新表面所需要的能量W=4aγs

γs:单位长度裂纹表面能系统总