Chapter1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

载荷下的力学性能本章目的：

(1)揭示金属变形和断裂的基本规律；

(2)阐述静载荷下各种力学性能指标的本质、意义、相互关系及变化规律；

(3)静拉伸试验方法。

(1)测试的是材料的“短期”(与时间无关)力学行为；

(2)采用的是光滑试样；

(3)常温、大气介质，单调、单向拉伸载荷；

(4)可以测得材料的弹性、强度和塑性性能。引言:单向静拉伸试验的特点§1.1应力-应变曲线一、拉伸力-伸长曲线图1-1退火低碳钢的拉伸力-伸长曲线4★拉伸曲线Fl伸长计截面积A材料所受应力：材料的应变：弹性形变试样断裂塑性形变应力应变曲线呈线性，去除外力后变形可以恢复。’:残余应变e弹性极限强度s屈服强度b抗拉强度0.20.2%e、s以及b都可以反映材料的强度。我们通常所说材料的强度一般指屈服强度s

。e:最大弹性形变延伸率：材料另一个重要的性能指标：韧性，通常用延伸率来表示。另外也经常用断面收缩率表示，=(A0-A)/A0斜率为杨氏模量如果材料没有明显的屈服点，通常用产生0.2%塑性变形的应力(表示为0.2)表征屈服强度。去除外力后变形不能完全恢复，存在残余应变。塑性变形与材料中位错的移动(滑移)相关。

退火低碳钢在静拉伸作用的力-伸长曲线可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形和断裂几个阶段。

图1-2几种典型材料的拉伸力-伸长曲线1-高碳钢(淬火+高温回火)；2-低合金结构钢；3-黄铜；4-陶瓷、玻璃；5-橡胶；6-工程塑料因材料而不同二、工程应力-工程应变曲线

应力：材料受外加载荷作用时单位截面面积上的内力即为应力；

应变：单位长度(或面积)上的伸长(或收缩)称为应变。

工程应力和工程应变：基于试样初始截面和初始长度定义的应力、应变。又称条件应力和条件应变。图1-3低碳钢的工程应力一工程应变曲线条件应力：条件应变（以长度表示）条件应变（以面积表示）三、真实应力-真实应变曲线按拉伸时试样的真实断面A和真实长度L，可得到真实应力-应变曲线。

真实应力：用载荷F除以某一变形瞬间的截面积A，称为真应力S。

真实应变：在拉伸过程中，在某一瞬间，当载荷增加dF时伸长dL，则瞬时真应变为de=dL/L，则e即为真应变。图1-4真实应力一应变曲线面积表示真实应变ψe：长度表示的真实应变e：真实应力S：

1、弹性变形的定义定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。

2、弹性变形的特点

(1)可逆；

(2)在弹性变形范围内，应力和应变之间呈单值线性关系，符合胡克定律，且弹性变形量都较小。

(＜0.5~1.0%)。§1.2弹性变形

3、胡克定律单向拉伸剪切扭转相互关系4、弹性变形的物理本质—双原子模型金属的弹性变形是晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反应。图1-5弹性变形的双原子模型

5、弹性模量产生100%弹性变形所需要的应力称为弹性模量。

(1)物理意义：工程上亦称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。

(2)用途：工程上是度量零件或构件刚度的系数，是重要的力学性能指标之一。

构件的刚度：构件产生单位弹性变形所需载荷的大小。

提高构件刚度进而减少弹性变形的途径：选择高弹性模量材料；加大构件截面积。

(3)构件刚度的意义是构件抵抗弹性变形的能力。刚度小易于弹性变形，过量的弹性变形导致构件失稳。构件的刚度

小结

(1)弹性模量主要决定于原子或分子本性和晶格类型。

(2)合金化、热处理(获得不同的显微组织)、冷塑性变形对弹性模量的影响较小。

(3)金属的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。温度、加载速率等外在因素对其影响也不大。

6、弹性比功(弹性比能、应变比能)

弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。

几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。

弹性极限：在应力-应变曲线中，试件卸载后能恢复原状的最大应力。

图1-6金属拉伸弹性极限及弹性比功

弹性不完整性：金属的弹性变形与载荷方向和加载时间有关而表现出的非弹性性质。

金属在弹性变形中存在滞弹性(弹性后效)和包申格效应等弹性不完整现象。§1.3弹性不完整性图1-8滞弹性示意图一、滞弹性(弹性后效)1、定义：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，即应变落后于应力的现象。

组织越不均匀，弹性后效越显著。可以采用长时间回火处理，增加组织均匀性，降低弹性后效效果。

2、滞弹性产生的原因金属产生滞弹性的原因可能与晶体中点缺陷的移动有关。图1-9碳在α-Fe中的迁移

3、弹性滞后环和循环韧性

(1)弹性滞后环：金属在弹性区内单向或交变快速加载，紧接着快速卸载时，由于应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，封闭回线称为弹性滞后环。

(2)内耗：弹性滞后环的存在，说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属放出的变形功，有一部分变形功为金属所吸收，这部分功称之为内耗。图1-10滞后环的类型

(a)单向加载弹性滞后环-(吸收的功称为内耗)；(b)交变加载弹性滞后环-(吸收的功称为内耗)

；(c)交变加载塑性滞后环-(吸收的功称为循环韧性)(3)循环韧性：金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，叫做循环韧性，也称为内耗。

(3)循环韧性与内耗的区别

循环韧性指金属在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。

内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。

(4)循环韧性(内耗)的意义

循环韧性是金属的力学性能，它表示材料吸收不可逆变形功的能力，又称消振性。循环韧性越高，消振性越好。二、包申格效应

1、定义材料经预先加载并产生少量塑性变形(残余应变为1%~4%)，卸载后，再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。图1-11包申格效应

初始拉伸初始压缩初始压缩后卸载，再进行第二次压缩初始压缩后卸载，第二次进行拉伸初始拉伸后卸载，再进行第二次拉伸

2、包申格效应产生的原因图1-12包申格效应的林位错理论

3、包申格效应的弊与利

(1)弊：交变载荷情况下，显示循环软化，从而使强度极限下降。

(2)利：薄板反向弯曲成形、拉拔的钢棒经过轧辊压制变直，可以降低成形或压制应力。

4、消除方法

(1)预先进行较大的塑性变形；

(2)第二次受力前先在引起回复或再结晶的温度下退火。§1.3塑性变形与应变硬化一、塑性变形的主要方式

1、滑移

滑移：指的是金属在切应力作用下沿一定晶面(滑移面)和一定晶向(滑移方向)进行的切变过程。

滑移系：滑移面和滑移方向的组合。2、孪生孪生：指的是金属在切应力作用下，在金属晶体内部局部区域内，沿特定晶面和特定晶向进行的一个均匀切变过程。

孪生提供大直接变形很小，一般不超过10%，但其间接贡献却很大。二、多晶体塑性变形的特点

1、各晶粒变形的不同时性和不均匀性；

2、变形的相互协调性。三、屈服现象

(一)屈服现象

屈服：是指达到一定的变形应力之后，金属开始从弹性变形过渡到稳定的塑性变形，它标志着宏观塑性变形的开始。根据应力-应变曲线的特征，可将屈服分为非均匀屈服(不连续屈服)、均匀屈服和连续屈服三种。

图1-13拉伸曲线中的三种典型屈服现象(a)非均匀屈服-不连续屈服；(b)均匀屈服；(c)连续屈服

(二)非均匀屈服

1、非均匀屈服曲线的特点具有上、下屈服点和屈服平台。图1-14低碳钢的非均匀(不连续)屈服

2、非均匀屈服的解释

(1)非均匀屈服的柯氏气团钉扎理论

α-Fe中，C、N原子与位错交互作用形成柯氏气团，钉扎位错，使位错运动受阻——存在上屈服点。位错从柯氏气团摆脱钉扎后，可在低应力下进行运动——存在下屈服点。

实际上被强烈钉扎的位错不容易脱钉。

也无法解释非α-Fe这类含有间隙原子金属或合金的屈服现象。(2)非均匀屈服的位错塞积群理论

少量位错同向运动受阻，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(上屈服点)；一旦障碍被冲破，继续发生塑性变形所需的外应力下降(下屈服点)。

(三)均匀屈服

1、均匀屈服曲线的特点

有上、下屈服点，没有屈服平台。

2、均匀屈服的解释

低密度可动位错理论。

(三)连续屈服

1、连续屈服曲线的特点没有明显的屈服服点，没有屈服平台。

2、连续屈服的解释连续屈服可用位错运动受阻进行解释(Ref.[2])。

(四)孪生+连续屈服

此外，当金属在低温、高应变速率下进行拉伸试验时，有时试件的应力-应变曲线在正常的弹性段之后，有一系列锯齿叠加于连续屈服的抛物线型曲线上。图1-15第四种类型的应力-应变曲线

此时变形方式以孪生为主，由于孪生的萌生需要较大的应力，但随后的长大所需要的应力较小，所以其拉伸曲线出现锯齿状。

四、屈服强度和条件屈服强度

屈服强度和条件屈服强度：表征材料对微量塑性变形的抗力。对于非均匀屈服和均匀屈服而言，屈服强度指的是用应力表示的上屈服点或下屈服点。由于下屈服点较稳定，一般用下屈服点表示非均匀屈服或均匀屈服的屈服强度。

条件屈服强度：对于具有连续屈服特征或没有明显屈服现象的材料，用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力，称为条件屈服强度。可分为规定非比例伸长应力、规定残余伸长应力、规定总伸长应力三种指标。P10~P11

重点为σ0.2的含义—表示规定残余伸长率为0.2%时的应力—常用的条件屈服强度。图1-16屈服强度σs和σ0.2五、影响屈服强度的因素—阻碍位错运动

1、影响屈服强度的内因

(1)基体金属的本性及晶格类型(P12)

塑性变形主要沿基体相进行。位错所受的阻力包括：晶格阻力(P-N力)、位错间的交互作用力。

主要结论①晶体滑移所需克服的切应力是很低的；②滑移面间距a值越大，柏氏矢量的模b越小，则晶格阻力越小；③位错宽度越小，滑移的晶格阻力越大；④提高位错密度增加了位错运动的阻力，可以增加屈服强度。

(2)溶质原子固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶体合金，将显著提高屈服强度，称为固溶强化。

(3)晶粒大小和亚结构晶界(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-佩奇公式。

细晶强化：用细化晶粒提高金属屈服强度(同时可以提高其塑性)的方法称为细晶强化。

(4)第二相沉淀强化(时效强化)：依靠过饱和固溶体的脱溶产生的强化。弥散强化：用粉末冶金的方法人为地加入第二相所造成的强化。

沉淀强化与弥散强化的相同点：第二相以细小颗粒形式分布于基体中。强化类型强化机理热稳定性相图要求高温使用情况沉淀强化溶质原子偏聚→超过固溶度→共格析出→分散粒子→阻碍位错运动。热不稳定。时效有过程。欠时效→时效→过时效。有不能弥散强化外加分散粒子，无共格关系，阻碍位错运动。热稳定的无能沉淀强化与弥散强化之间的不同点如下表：

2、影响屈服强度的外因

(1)温度：T↑，σs↓。

T↑，位错密度↓；同时晶界弱化。

(2)应变速率增大，σs↑。塑性变形时位错运动需要时间，应变速率增大，则位错运动不能充分进行，滑移受阻，则屈服强度提高——应变速率硬化。

(3)应力状态切应力分量越大(可促进更多滑移系开动)，越有利于塑性变形，屈服强度则越低。六、应变硬化(形变强化、加工硬化)

应变硬化：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，形变应力不断提高的现象。

机理：位错的增殖与交互作用导致的阻碍。

1、均匀塑性变形阶段应力与应变之间符合Hollomon关系式。

应变硬化指数n：反映金属材料抵抗均匀塑性变形的能力。是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。

n=1，理想弹性体；n=0材料无硬化能力。

层错能低的材料应变硬化程度大。常用直线作图法求应变硬化指数(P16)。

2、n的意义

(1)n较大，抗偶然过载能力较强；安全性相对较好；(2)反映了金属材料抵抗、阻止继续塑性变形的能力，表征金属材料应变硬化的性能指标；

(3)应变硬化是强化金属材料的重要手段之一，特别是对不能热处理强化的材料；

(4)提高强度，降低塑性，改善低碳钢的切削加工性能。七、颈缩和抗拉强度

1、颈缩和抗拉强度的概念

颈缩：变形集中的局部区域，是构件失稳的临界条件(P17)。

抗拉强度：韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力。

2、影响抗拉强度的因素影响因素与屈服强度相似，但程度不同。

3、抗拉强度的实际意义(P19)八、塑性(定义见绪论)1、塑性的意义

(1)偶然过载时，通过塑性变形造成应变硬化即强度的提高可在一定程度上抵抗超负荷；

(2)构件内部存在应力集中时，通过塑性变形使应力缓解、重新分布；

(3)材料加工及成型性，可装配、修复。

3、影响塑性的因素

(1)细化晶粒，塑性↑。

细化晶粒是唯一既可以提高强度，同时又提高塑性的强化手段。

(2)软的第二相塑性↑；固溶、硬的第二相等，塑性↓。

(3)温度提高，塑性↑。

4、评价塑性的指标

延伸率δ和断面收缩率ψ。七、静力韧度

1、韧度度量材料韧性的力学性能指标。又分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。

2、静力韧度：金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功。

完全断裂：金属在外力作用下被分成若干部分丧失连续性的现象。

不完全断裂：内部存在裂纹的断裂。大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。一、断裂的分类

(一)韧性断裂和脆性断裂

根据断裂前塑性变形的大小进行的分类。§1.4金属的断裂1、韧性断裂及其断裂特点

(1)韧性断裂：指的是在断裂前发生明显宏观塑性变形的断裂。

(2)韧性断裂的断裂特点①断裂前发生明显宏观塑性变形ψ>5%，断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力成45°，断口呈纤维状，暗灰色；②断裂时的名义应力高于屈服强度；③裂纹扩展慢，消耗大量塑性变形能。2、脆性断裂及其断裂特点

(1)脆性断裂：指的是突然发生的断裂，断裂前基本不发生塑性变形。

(2)脆性断裂的断裂特点①断裂前不发生明显塑性变形ψ<5%，断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状；②断裂时材料承受的工作应力往往低于屈服强度—低应力断裂；③裂纹扩展快速、突然。3、该分类具工程实用意义

工程设计的依据不同。

(1)有塑断可能的金属材料，设计时取屈服强度；

(2)有脆断可能的钢(高强度钢、低温下使用的中强度钢)须从脆断角度(断裂韧度角度)计算承载力。

注意①并不只是脆性材料才发生脆性断裂，塑性较好的材料也可能发生脆断：低温时；加载速度极快时——冲击。②脆断时局部区域仍存在一定的塑性变形。(二)穿晶断裂与沿晶断裂

根据裂纹扩展途径进行的分类。

1、穿晶断裂：裂纹穿过晶界。从宏观看，穿晶断裂可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合发生。

2、沿晶断裂：裂纹沿晶扩展。从宏观看，沿晶断裂多数是脆性。(三)纯剪切断裂与微孔聚集、解理断裂

根据断裂机理进行的分类。

(1)剪切断裂

剪切断裂：在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂。分纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。

(2)解理断裂：在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面(解理面)而产生的穿晶断裂。二、断口的宏观特征

断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇。

纤维区：灰暗色，裂纹扩展速度慢；

放射区：裂纹扩散速度快，低能量撕裂，有放射线花样。

剪切唇：切断。杯状或锥状，表面光滑，与拉伸轴成45°角。图1-17板状矩形试样拉伸断口的三个区域示意图图1-16光滑圆柱试样拉伸断口的三个区域示意图图1-18杯锥状断口的形成示意图断口形成过程如下：三、断裂机理及微观断口特征(一)解理脆性断裂机理

1、甄纳-斯特罗的位错塞积理论

(1)解理裂纹的形成

思想：滑移时位错遇到障碍产生应力集中。①激发相邻晶粒位错源开动—塑性变形。②相邻晶粒不屈服，应力集中足够大，发生正断—形成解理裂纹。图1-19位错塞积形成裂纹(2)解理裂纹的长大和扩展

解理断裂过程：塑性变形形成裂纹；裂纹在同一晶粒内初期长大；裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。图1-20解理裂纹形成、长大和扩展示意图

解理裂纹扩展的临界条件：σc表示长度相当于直径d的裂纹扩展所需要的应力，或裂纹体的实际断裂强度。屈服时产生解理断裂(动力学)条件：图1-21晶粒大小对低碳钢屈服应力和断裂应力的影响

解理裂纹扩展的条件：存在拉应力；表面能γs较低；裂纹长度大于临界尺寸。图1-21位错反应形成裂纹2、柯垂耳位错反应理论晶内解理和bcc晶体，可以借助位错反应形成裂纹。

解理裂纹扩展的临界条件及屈服时产生解理断裂的条件与位错塞积理论相同。两种解理裂纹形成模型的共同之处：

(1)裂纹形核前均需塑性变形；

(2)位错运动遇界面受阻，在一定条件下形成裂纹。(二)脆性断裂的微观断口特征

1、解理断裂的微观断口特征

解理面：在正应力作用下沿一定晶体学平面所产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。

解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面，称解理刻面。

解理断裂的基本微观特征有解理台阶、河流花样和舌状花样。

(1)解理台阶和河流花样

解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。解理台阶汇合台阶高度足够大时就形成了河流状花样。

关于河流花样①是解理断裂最典型的微观特征；②判断是否解理断裂的重要微观依据；③顺河流反方向可找到裂纹源。

(2)舌状花样解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台。

2、准解理的微观断口特征

准解理：由于晶体内存在弥散硬质点，解理裂纹起源于晶内硬质处点，其扩展不是严格沿着一定晶体学平面，微观形态似解理河流又非真正解理，故称准解理。

(1)准解理与解理的相同点

都是穿晶断裂；有小解理刻面；有解理台阶或撕裂棱及河流花样。

(2)准解理与解理的不同点

①准解理小刻面不是晶体学解理面；②真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点；③准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断裂的变种。

3、沿晶断裂的微观断口特征晶界上有脆性第二相薄膜或杂质元素偏聚均可产生沿晶脆性断裂。最典型的微观特征是具有冰糖状形貌。图1-22冰糖状断口(三)韧性断裂机理

1、微孔聚集断裂机理微孔聚集型韧性断裂包括微孔形核、长大、聚合、断裂等过程。

微孔是通过第二相(或夹杂物)质点本身破裂、或第二相(或夹杂物)与基体界面脱离而成核的。图1-23裂纹在夹杂物边界上首先形成并长大的示意图2、微孔聚集断裂的微观断口特征圆形或椭圆形的韧窝。注意

(1)微孔聚集断裂一定有韧窝存在。

(2)但微观形态上出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。

四、断裂强度

(一)理论断裂强度

理论断裂强度：是指在正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。是晶体在弹性状态下的最大结合力。

图1-24原子间作用力和原子间位移关系曲线(1)设：原子间的结合力随原子间的位移按正弦曲线变化，σm为理论断裂强度。