第一章 材料单向静拉伸的力学性能

PAGE19-第一章材料单向静拉伸的力学性能一．本章的教学目的与要求介绍力-伸长曲线和应力-应变曲线以及各种力学性能指标，包括弹性变形、非理想弹性、屈服、塑性变形以及断裂等，掌握各种力学性能指标的特点以及影响因素，并在此基础上探讨提高材料性能指标的途径和方向等。二．重点与难点：1.力一伸长曲线和应力一应变曲线（重点）2.弹性变形及其性能指标（重点）3.非理想弹性与内耗（难点）4.塑性变形及其性能指标（重点）5.断裂（重点）6.硬度（重点）三．主要外语词汇弹性：elasticity塑性：plasticity韧性：ductility屈服：yield断裂：fracture应力：stress应变：strain弹性模量：滞弹性：粘弹性：伪弹性：包申格效应：应变硬化：四．参考文献：1.冯瑞等.金属物理学.北京：机械工业出版社，19952.李庆生.材料强度学.太原：山西科学教育出版社，19903.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，20094.潘强，朱美华等.工程材料.上海：上海科学技术出版社，20055.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，19956.翁康荣.Mg-1.6Mn-1.5Si-0.3Ca合金的显微组织与力学性能[J].轻合金加工技术，2007,35（5）：47-54五．授课内容材料单向静拉伸的力学性能材料的力学性能：指材料的弹性、塑性、强度、韧性及寿命，是材料与力量对话的结果。静拉伸：室温和轴向加载条件下，在应变速率≤10-1/s的情况下进行的，由于这种应变速率较低，所以俗称静拉伸试验。力—伸长曲线和应力—应变曲线力—伸长曲线拉伸试样：拉伸试验一般采用圆形试样或者板状试样，其比例试样的原始标距L0，对于板状试样：长形试样L0=11.3S01/2，矩形试样L0=5.65S01/2，S0为试样原始截面积；对于圆形试样：长形试样L0=10d0，矩形试样L0=5d0，d0为试样原始直径。低碳钢的力—伸长曲线其它几种典型材料的力—伸长曲线图1淬火、高温回火后的高碳钢：只有弹性形变、少量的均匀塑性形变；2低合金结构钢：与低碳钢的曲线类似；3黄铜：弹性形变、均匀塑性形变和不均匀塑性形变；4陶瓷、玻璃类材料：只有弹性变形而没有明显的塑性形变；5橡胶类材料：弹性形变量很大，高达100%；6工程塑料：弹性形变、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形。应力—应变曲线应力的基本概念：单位面积上所受的内力为外力，单位kg，为应力，单位Pa，A0为材料受理前的初始面积下面围绕材料内部一点P取一体积单元，体积元的六个面均垂直于坐标轴X，Y，Z。分析点P应力状态。根据平衡条件，体积元上相对的两个平行平面上的法向应力，大小相等，方向相反。作用在体积元上任一平面上的两个剪应力应互相垂直。剪应力作用在物体上的总力矩等于零。2应变是用来描述物体内部各质点之间的相对位移（1）正应变（2）剪应变定义：物体内部一体积元上的二个面元之间的夹角的变化。形变未发生时线元OA及OB之间的夹角AOB形变后为A'OB'，则x，y间的剪应变定义为：二、应力—应变曲线低碳钢的应力—应变曲线注意：卸载曲线与加载曲线的区别真应力-真应变曲线假设材料在拉伸过程中是等体积变化，试推导出真应力与工程应力的关系：S=σ(1+ε)显然，真应力总是大于工程应力，真应变总是小于工程应变。弹性变形及其性能指标弹性变形的本质特点：可逆的（不一定呈线性）本质：材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。例：金属、陶瓷晶体：处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生微小位移。橡胶类材料：呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。二、弹性模数拉伸时σ=Eε剪切时τ=GγE、G—弹性模数（或弹性系数、弹性模量）在应力应变的意义上，当应变为一个单位时，弹性模量在数值上等于弹性应力，即弹性模数是产生100%弹性变形所需的应力，在工程上弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，代表了材料的刚度，刚度越大，在相同的应力下产生的弹性变形越小，越不容易产生变形。比弹性模数（比刚度）：材料的弹性模数与其密度的比值。三、影响材料弹性模数的因素1、键合方式和原子结构a、以共价健、离子键、金属键结合的材料有较高的弹性模量。如无机非金属材料，金属材料。b、以分子键结合的材料，弹性模量较低。如高分子材料（橡胶态）。c、原子结构（a）非过渡金属（b）过渡族金属原子半径较小，且d层电子引起较大的原子间结合力，弹性模数较高。且当d层电子等于6时，E有最大值2、晶体结构a、单晶体材料，由于在不同的方向上原子排列的密度不同，故呈各向异性。体心立方晶格：沿〈111〉晶向面心立方晶格：沿〈110〉晶向弹性模量高，因为沿此晶向原子排列最紧密。b、多晶体材料，E为各晶粒的统计平均值，伪各向同性。c、非晶态材料弹性模量各向同性。

化学成分，引起原子间距或键合方式的变化，弹性模量改变纯金属主要取决于原子间的相互作用力。固溶体合金：主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构，弹性模量变化不大两相合金：与第二相的性质、数量、尺寸及分布状态有关。高分子：填料对E影响很大。微观组织金属：微观组织对弹性模量的影响较小晶粒大小对E无影响；第二相对E值影响，可按两相混合物体积比例的平均值计算。E=x1E1+x2E2陶瓷：工程陶瓷弹性模数与相的种类、粒度、分布、比例、气孔率等有关。其中，气孔率的影响较大。E=E0（1-1.9ρ+0.9ρ2）。复合材料：增强相为颗粒状，弹性模数随增强相体积分数的增高而增大。单向纤维增强复合材料，E1=EfVf+EmVm1/E2=Vf/Ef+Vm/Em温度温度升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，材料的弹性模量降低。如碳钢，每升高100℃，E值下降3~5%（软化）。b、当温度变化引起材料的固态相变时，弹性模数显著变化。如碳钢的奥氏体、马氏体相变。加载条件和负荷持续时间

a、

加载方式（多向应力），加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷类材料的弹性模数几乎没有影响。陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数（与金属不同）。b、高分子聚合物，随负荷时间的延长，E值逐渐下降（松弛）。比例极限与弹性极限比限例极бp：是保证材料的弹性变形符合虎克定律的最大应力。бp=Fp/Ao弹性极限бe：材料不发生塑性变形的应力最高限。бe=Fe/Ao，应力超过бe，开始产生塑性变形。бp0.01—非比例伸长率0.01%时的应力。бp0.05—非比例伸长率0.05%时的应力。因此，бp、бe没有质的区别。

бp、бe工程意义бp—弹簧秤的设计依据。бe—不允许产生微量塑性变形的机件的设计弹性比功（弹性比能、应变比能）定义：是指材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力（即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）。弹性比功是衡量材料弹性好坏的重要指标。影响材料弹性比功的因素对于大多数工程材料，E不易改变（尤其金属材料）；要提高弹性比功，常采用提高材料弹性极限σe的方法。非理想弹性与内耗弹性：理想弹性①应变对于应力的响应是线性的②应力应变同相位（同步）③应变是应力的单值函数非理想弹性：滞弹性粘弹性伪弹性包申格效应滞弹性1、定义：材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生附加弹性变形的性能。即应变与应力不同步（相位），应变滞后。2分类（1）正弹性后效：加载时，应变落后于应力的现象，而与时间有关的滞弹性→称为正弹性后效（弹性蠕变）。(蠕变：变形随时间的延长而变化的现象）。（2）反弹性后效：卸载时，应变落后于应力的现象，成为反弹性后效。应用材料：金属材料、高分子材料

4、影响因素：与材料成分、组织、载荷、温度等有关。①组织越不均匀，滞弹性越明显②温度升高，滞弹性倾向加大。③切应力分量增大，滞弹性倾向增大

5.弹性后效的避免和应用：（1）测力弹簧（2）消振粘弹性定义：是指材料在外力作用下变形机理，既表现出粘性流体又表现出弹性固体两者的特性，弹性和粘性两种变形机理同时存在（时间效应）。2、特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的，应变与应力的关系与时间有关，但卸载后，应变恢复，无残余变形。分类：①恒应变下的应力松弛②恒应力下的蠕变。4、应用：高分子材料伪弹性（拟弹性）定义：是指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变,从而产生大幅度的弹性变形的现象。特点：伪弹性变形可达60%左右，大大超过正常弹性变形。马氏体相变是一种无扩散相变或位移型相变。

3.应用形状记忆合金四、包申格效应（Bauschinger）1.定义：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于4%），然后再同向加载规定残余伸长应力（б0.01）增加；反向加载，规定残余伸长应力（б0.01）降低的现象。2.产生原因：包申格效应是多晶体金属的普遍现象→与位错运动的阻力变化有关，因此冷变形金属，工作载荷相反时，需考虑包申格效应（强度下降15%～20%）。3.实用意义（1）经过微量冷变形的材料可以考虑在使用时与原来的受力方向相同（变形方向相同）（2）加工过程中，可使板材通过轧辊时交替的承受反向应力，以降低材料的变形抗力。

4.减弱或消除方法再结晶退火五、内耗弹性滞后环：在非理想弹性的情况下，应力与应变不同步，使加载与卸载线不重合，而形成封闭回线—弹性滞后环。内耗：这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗。其大小用滞后环面积度量：面积越大，内耗越大。应用：（1）消振材料：灰铸铁，消振性好，内耗大（2）追求音响效果的元件：循环韧性小。塑性变形及其性能指标塑性变形：指在足够大的外力作用下，材料能发生不可逆的永久变形，并不引起材料破裂的现象。塑性大小就是指材料在断裂前能承受的变形能力。一、塑性变形机理1金属材料的塑性变形（1）滑移：这种由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着某一定晶面和晶向做相对的移动，就是晶体的塑性变形的滑移机制。孪生：在切应力作用下发生孪生变形时，晶体的一部分沿一定的晶面（成为孪晶面或孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向）相对于另一部分晶体作均匀的切变。滑移变形具有以下特点（1）滑移在切应力作用下产生（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生（3）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系的个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）任意一个{hkl}晶面族中，所有的晶面数可通过下式算出：m是指数中0的个数，n是相同指数的个数滑移系数目与材料塑性的关系：一般滑移系越多，塑性越好；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与同时开动滑移系数目有关（k）。1、多晶体金属材料的塑性变形的特点：（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性（2）各晶粒变形的相互制约与协调性2、陶瓷材料的塑性变形：（1）键和方式:弹性模量大共价键具有方向性和饱和性离子键：位错运动时不仅要受到密排面和密排方向的限制，而且要受到静电作用力的限制。晶体的滑移系少（3）位错宽度小，柏氏矢量大3高分子材料的塑性变形结晶态高分子材料：塑性变形由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束实现的。非晶态高分子材料：在正应力作用下形成银纹б作用下，弱结构，微缺陷→亚微裂纹或空洞→密度低，对光线反射率很高→呈银色。切应力作用下，无取向分子链局部转变为取向排列的纤维束。屈服现象与屈服强度1、屈服现象：在外力不增加或上下波动的情况下，试样可以继续伸长变形，这种现象称为屈服。2、屈服强度（屈服点）：材料屈服或产生微量塑性变形时的应力值，бs或б0.2反映材料抵抗起始塑性变形或微量塑性变形的能力。条件屈服强度：规定残余伸长应力бr表示残余伸长达到原始标距的百分之几时的应力如：бr0.05、бr0.1、бr0.2规定总伸长应力бt表示总伸长（弹性+塑性）达到原始标距的百分之几时的应力产生屈服的原因：（1）从试验机看（2）从材料方面考虑：三屈服强度的实际意义作为防止材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据。根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中，防止脆断的参考依据。四影响金属材料屈服强度的因素纯金属的屈服强度（1）点阵阻力位错间的相互作用力（a）平行位错间交互作用产生的阻力（b）运动位错与林位错（穿过滑移面的位错）交互作用产生的阻力晶界阻力—细晶强化2合金的屈服强度固溶强化固溶合金中，溶质原子与溶剂原子直径不同，随着溶质原子的进入，晶格产生畸变，使得位错运动受阻，屈服强度升高（бs）（2）第二相强化（1）聚合型合金：其强度决定于第二相对位错运动的阻力。第二相阻碍滑移使基体产生不均匀变形，由于局部塑性约束而导致强化。（2）弥散型合金：第二相质点的强化作用主要是因为在质点周围形成应力场，而这些局部应力场随位错运动有阻碍作用。3环境因素对屈服强度的影响（1）温度体心立方晶格金属，屈服强度具有强烈的温度效应，Fe室温→-196℃，бs提高4倍。面心立方晶格的金属，屈服强度温度效应较小Ni室温→-196℃，бs提高0.4倍（2）应变速率与应力状态较高的应变速率↑→бs↑↑（显著）静拉伸：dε/dt=10-3s-1当dε/dt=10-2s-1时，бs不显著变化，当dε/dt=103s-1，бs↑↑（冷轧、冷拔)应力状态切应力分量越大，越有利于塑性变形（滑移的动力），即бs↓（3）加载速度的影响加载速度越大，屈服强度越大四、应变硬化材料产生塑性变形后，随着变形量的增大，应力不断提高的现象（冷加工硬化、应变强化、形变强化）1、应变硬化机理Ⅰ近似为直线，斜率θ1很小，单滑移系滑移，加工硬化率很小，这一阶段称为易滑移阶段。Ⅱ加工硬化率显著增加，多滑移系，位错钉扎Ⅲ加工硬化率随应变的增加而减小，领先位错绕过障碍物，继续运动。2、应变硬化指数金属材料：Hollomon公式S=Ken应变硬化指数n—反映材料抵抗继续塑性变形的能力n=1，表示材料为完全理想的弹性体（S=Ee虎克定律）n=0，S=K=常数，表示材料无应变硬化能力（室温下再结晶的软金属，铅）（大多数金属的n值在0.1~0.5之间。）直线作图法求n值：lgS=lgK+nlge在拉力—伸长曲线上确定几个点的б、ε值，分别按S=б（1+ε），e=ln（1+ε），求出S、e，在对数坐标上作lgS~lge直线，直线的斜率即为应变硬化指数n。n值大（层错能低），滑移带平坦，易滑移→бs↓；n值小（层错能高），滑移带呈波纹状，难滑移→бs↑。退火态金属：n值较大；冷加工状态：n值较小。实验表明，n与材料屈服点бs大致呈反比关系。nбs≈常数3应变硬化的意义①

应变硬化与塑性变形相配合，保证了金属材料在截面上的均匀变形，得到均匀一致的冷变形产品。②

应变硬化可以降低碳钢的塑性，改善切削加工性能。③应变强化是金属强化的一种重要手段（不能热处理强化的金属）。④应变硬化性能使金属制件在工作中具有适当的抗偶然过载的能力，保证了机件的安全工作。抗拉强度与缩颈条件定义：①бb：抗拉强度是试样拉伸过程中，所能承受的最大应力。σb=Fb/A0②缩颈：材料拉伸过程中,塑性变形集中于局部区域的现象。缩颈形成点对应于力—载荷曲线上最大载荷点，因此dF=0，依据这一关系可导出缩颈的条件：nnnbnebbbbnbbnbbbbnnbbenKeKneeAAAAeAAKnAKnASAFKnKeSb0000ln产生缩颈的载荷为：例如Mg-1.6Mn加入Si、Ca后，Ca、Si合物成为Mg2Si初生相的异质形核核心，合金的晶粒明显细化，平均晶粒尺寸从加入前的60m细化到加入后的30m。(3)Mg-1.6Mn-1.5Si-0.3Ca合金的抗拉强度为148N·mm2，伸长率达5.6%;分别比Mg-1.6Mn合金的提高54.2%和55.5%。塑性与塑性指标定义：塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。塑性可防止材料突然断裂→应变硬化压力加工的条件→塑性2、

塑性的评价指标延伸率：a、最大应力下非比例伸长率b、最大应力下总伸长率c、断后伸长率d、断面收缩率e、塑性指标之间的关系塑性指标的意义超塑性1、定义：材料在一定条件下呈现非常大的延伸长率（1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。2、特征：塑性变形过程中基本不发生应变硬化（应变前后晶粒保持等轴晶）3、产生超塑性的条件①超细晶粒，晶粒尺寸达微米量级→等轴晶②合适的变形条件，变形温度在0.4Tm以上，应变速率大于或等于10-3/s③

应变速率敏感指数较高，0.3≤m≤1m<0.3，材料不出现超塑性断裂固体材料在力的作用下，分解成若干部分的现象称为断裂。断裂是材料彻底失效。断裂的类型及断口特征1、断裂的类型①

按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形程度，分为：韧性断裂（ψ>5%）和脆性断裂（ψ≺5%）②

按晶体材料断裂时裂纹的扩展途径，分为：穿晶断裂和沿晶断裂③

按照材料断裂的微观机理，分为：解理断裂和剪切断裂④按作用力的性质，分为：正断和切断2、断口分析法材料的断裂表面称为断口。端口分析法：用肉眼，放大镜或电子显微镜等手段对材料断口进行宏观及微观的观察分析，以了解材料发生断裂的原因、条件、断裂机理以及与断裂有关的各种信息的方法，称为断口分析法。3、韧性断裂与脆性断裂①韧性断裂：断裂前材料有明显宏观塑性变形。裂纹扩展过程较慢.（晶粒变形→拉断）断口呈暗灰色，纤维状②脆性断裂：断裂前材料没有明显的宏观塑性变形。裂纹扩展速度极快（没有预兆）。断口平齐，光亮（呈放射状或结晶状）穿晶断裂沿晶断裂穿晶断裂沿晶断裂5、剪切断裂与解理断裂剪切断裂：材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的断裂。剪切断裂也常以微孔聚集型发生，断口上分布大量的“韧窝”（宏观上呈暗灰色、纤维状）。微孔聚集断裂过程包括：微孔形核、长大、聚合直至断裂。解理断裂：材料在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。解理裂纹的扩展经常是沿着晶面指数相同的一族互相平行，但不同高度的晶面进行，不同高度的解理面之间存在台阶，众多台阶的汇合变形呈河流花样；当解理裂纹高速扩展，温度较低时在裂纹前端可能形成孪晶，裂纹沿孪晶与基体界面扩展时常会形成“舌”状花样。解理台阶，河流花样，舌状花样是解理断口的基本微观特征。准解理断裂由于晶内存在硬质点，当裂纹在晶内扩展时，难以严格沿一定晶面扩展，微观上类似于解理河流花样但又非真正解理→准解理。主要区别解理裂纹源于晶界准解理裂纹起源于晶内硬质点（自硬质点放射状河流花样）

6正断与切断7、断口分析

①

韧性断裂断口（低碳钢）

断口呈杯锥状：由纤维区、放射区、剪切唇三个区组成。

当试样拉伸力达到最大时，局部开始产生缩颈，中心的应力状态由单向变为三向应力，且轴向力最大，在三向应力作用下，试样中心部分的夹杂物或硬质第二相质点破裂或基体界面脱离而形成微孔，微孔不断长大，合并形成微裂纹；微裂纹形成后，由于尖端应力集中，产生更大的塑性变形，引起新的裂纹的形核、长大和聚合，当其与己产生的裂纹连接时，裂纹便向前扩展，这一过程反复进行结果形成纤维区，纤维区所在平面垂直于拉应力方向，纤维区的微观特征为韧窝。纤维区中裂纹扩展速度较慢，当裂纹长度达到某一临界尺寸后，产生了更大的应力集中，裂纹以低能量撕裂的方式快速发展，形成放射区→放射线花样特征。微观上可以看到撕裂韧窝，撕裂时塑性变形量越大，放射线越粗。对于几乎不产生塑性变形的材料（脆性材料），放射线小时，微观断口呈解理特征。试样拉伸断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉神轴呈45º，属于典型切断型断裂。脆性断口纤维区很小，剪切唇几乎没有。材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大。一般规定：拉伸试样的断面收缩率ψ<5%为脆性断裂；ψ>5%为韧性断裂。

二、