《材料力学性能》

材料力学性能Mechanicalpropertiesofmaterials大连理工大学

材料科学与工程学院材料通常是指可以用来直接制造有用物件、构件或器件的物质，是科学与工业技术发展的基

础。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明

进步的标志。

一种新材料的问世及其应用，往往

会引起人类社会的重大变革。

新

材

料

时

代钢铁

时

代石

器

时

代

青

铜

时

代

铁

器

时

代材料的发展与人类社会的进步前1司母戊鼎是商代后期由王

室所铸，1939年在河南省安阳市

出土，是商朝青铜器代表作，是

迄今为止出土的最大最重的青铜

器，现藏于中国国家历史博物馆。前铜是人类最早应用的金属。2四羊方尊，商朝晚期偏早青

铜器。属于礼器，祭祀用品。是中

国现存商代青铜器中最大的方尊，

高58.3厘米，重近34.5公斤，1938

年出土于湖南宁乡，现藏于中国国

家历史博物馆。前

言3前

言前言52021年7月8日星期四前

言铜条轧轮不锈钢制品前言2021年7月8日星期四7世界杯用球复合泡沫耐磨，反弹力大，球速快而稳定液晶电视晶体硅对比度好，清晰度高，

显示速度快，体积小录像机用DVD-RW盘片体积小，重量轻，存储节目容量大，兼容性好仿真手臂高强度碳纤维强度高，重量轻，旋转灵活前部分新型材料应用图例

所用材料

特点没有半导体材料的工业化生产，就不可能

有目前的计算机技术。ElectronicNumericalIntegratorAndComputer前

言所用材料：单晶硅片，高纯钛、SiO₂

和铬等薄膜单晶硅棒单晶晶园片以纯硅石为原料提

炼出的多晶硅在单

晶炉内拉成单晶棒，在单晶棒上切

出的一片晶园片(Wafer)上就可以做

出数百个计算机用的芯片(Chip)。一

个

芯片上的晶体管由

初期的数百个到早

期大规模集成电路

上的100,000个，目

前主频为1GHz的个

人电脑芯片上晶体

管的数目己超过30,000,000个。50,000290330.100000550000200600000007集成电路由原料到集成电路：硅石一多晶硅一单晶硅棒一单晶晶园一集成电路前

言10不同时期飞机发动机温度600

F1200

F2000

F3500F华氏度=摄氏度×1.8+32发动机温度涡扇式喷气

发动机涡轮喷气式

发动机超音速燃烧

冲压发动机一次世界大战时的水冷式发动机三十年代的气冷式发动机前

言2000温度(华氏度)11300

F4000300010000没有高温高强度的结构材料，就不可

能有今天的航空工业

和宇航工业。前

言12自二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。

言前Whilst

materials

create

technological

wonders,theyare

also

the

disaster

strikesTITANIC14

Titanic

sank

because

of

brittle

fracture

failure

of

steel

!!!2021年7月8日星

期四前

言1912年4月10日，当时英国最大、最豪华的邮轮“泰坦尼克号”离开港口，进行她的处女航。它预定从英国驶向美国纽约，时间为7天。船

上共有2208人，其中乘客1316人，船员892人。乘客中不乏英美两国著名

的实业家、富豪及其家眷。在航行的头4天中一路顺风。然而，出航后

的第五天夜晚，“泰坦尼克号”正以每小时23海里的速度航行在大西洋上，深夜11时40分，这艘巨轮突然撞上了游离的冰山，船的吃水线以下被划破一个长长的口子，船体立刻大幅度摇晃，船舱内一片混乱。凌晨0

时15分，“泰坦尼克号”发出第一个求救信号。0时45分，救生艇开始放

入水中，乘客们争先恐后地登上救生艇。但船上仅有16只救生艇。于是男子们决定先把妇女与儿童送上救生艇，他们自己则留在船上。船长爱德华

·史密斯也执意不肯离船，与“泰坦尼克号”同生死。凌晨2时20分，号称“不沉之船”的“泰坦尼克号”带着1523名乘客和船员，葬身大西洋底。前Titanic

号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果16前

言哥伦比亚号航天飞机17前

言哥伦比亚号航天飞机是美国第一架正式服役的航天飞机，它在1981年4月12日首次执行任务，正式开启了NASA

的太空运输系统计划之序章。然而很不幸的是，哥伦比亚号在2003年2月1日，在执行第28次任务重返大气层的阶段中与控制中心失去联系，并且在不久后被发现在德克萨斯州上空爆炸解体，机上7名宇航员全数罹难。事后查明，哥伦比号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷是造成事故的

祸首。外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的名

为“增强碳碳”(即增强碳-碳隔热板)的材料。当航天飞机返回时，经

过大气层，产生剧烈摩擦使温度高达摄氏1400度的空气在冲入左机翼后

融化了内部结构，致使机翼和机体融化，导致了悲剧的发生。前

言挑战者号是美国正式使用的第二架航天飞机。1986年1月28日，挑战者号在进行第10次太空任务时，因为右侧固态火箭推进器上面的一

个O

形环失效，导致一连串的连锁反应，并且在升空后73秒时，爆炸解体坠毁。机上的7名宇航员都在该次意外事故中丧生。前事后查明，发射时气温过低，发射台上已经结冰，造成固定右副燃料舱的O

形环硬化失效。在点火时，火焰从上往下烧，O型环要及时膨胀，但O

型环已经失效，火焰往外冒，断断续续冒出了黑烟。但是

由于燃料中添加了铝，燃烧形成的铝渣堵住了裂缝，在明火冲出裂缝前临时替代了O

型环的密封作用。在爆炸前十几秒，宇航飞机遭到一股强气流，威力相当与卡特里娜飓风。接下来的震动让铝渣脱落，移除了阻碍明火从接缝处泄漏出来的最后一个屏障-铝渣，致使火焰直接喷射在主燃料舱上。在爆炸前一秒，火焰烧灼让主燃料舱的O

型环脱落，造成了主燃料

舱底部脱落。宇航飞机的机鼻也撞上了主燃料舱的顶部。在发射后73秒，“挑战者”号在40000公升燃料的爆炸下，炸成了几千个碎片。前

言●金属材料●高分子材料●陶瓷材料●复合材料金属复合材料高分子

陶瓷●按属性或化学成分可将材料分为前

言21有色金属●以金属键结合为主●良好的导电性、导热性、

延展性和金属光泽●用量最大、应用最广泛前

黑色金属言●金属材料机械制造业中大约90%的材料为钢铁材料前言前尽管我们三千多年前就有了无与伦比的冶炼技

术，但直到晚清的洋务运

动才开始发展钢铁工业。1949年———15万吨1996年——1亿吨2001年————1.5亿吨2006年———4.1亿吨2011年—6.8亿吨2013年—7.8亿吨24前言●以分子键和共价键为主●塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小●包括塑料、橡胶及合成

纤维等石油、天然气、

煤炭等作为原料吕裂解反应单体聚合反应高分子聚合物加工高分子材料●高分子材料前

言26塑料橡胶合成纤维涂料粘合剂功能高分子天然高分子合成高分子按材料性能和用途按材料来源前

言◆低的强度和较高的比强度；◆高弹性和低弹性模量；◆粘弹性；◆高耐磨性；◆高绝缘性好热膨胀性；◆低导热性和耐热性；◆高化学稳定性；前

言2021年7月8日星期四前言●陶瓷材料陶瓷材料日用瓷建筑瓷

美术瓷

结构陶瓷

功能陶瓷传统陶瓷特种陶瓷成型配料前

言煅烧30

前三

●化学稳定性高；●硬度高、耐磨损、强度高；●高温抗蠕变能力强；●耐高温、耐氧化、耐腐蚀；●塑性和韧性较低(陶瓷材料最大的弱点);●是良好的绝缘体，可用于隔电的绝缘材料；●具有介电特性，可作为电器的介质；●功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。●密度小、熔点高、弹性模量大；普通陶瓷前特种陶瓷是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料

以微观或宏观的形式组合在

一起而形成的材料。分散分布在基体中，也可称为分散相。可以是陶瓷、高分子或金属材料中的一种，以不同形态加入：颗粒、

纤维、晶须或片状，分布方式可以是定向和随机的。复合材料的主体，即自身保持连续而包围增强的材料，可以是金属、高分子或陶瓷材料中的一种。

●复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料前

言增强体基体34金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子基复合材料颗粒增强复合材料纤维增强复合材料层叠复合材料按基体材料分类按增强体特征分类复合材料前

言前

言▲比强度和比弹性模量高；▲抗疲劳和抗断裂性能好；▲具有良好的减震和耐磨性能；▲优越的高温性能；▲高韧性和良好的抗冲击性能；▲特殊的光、电、磁等性能；前

言前

言铁合金：60%~70%,绝大部分为低合金高强度钢铝、镁合金：5%~10%;塑料：10%~20%;其它：5%~10%;镁、铝合金密度小，比强度高，阻尼性及切削加工性好，导热性好，减振性好，无毒，无磁性，易于回收。用镁合金代替钢和铸铁，可使零件质量降低70%,有效达到节能减排的目的。前

言1985～1995亚音速飞机波音767结构材料是把强度作为主要功能应用

的材料。前

按使用性能可将材料分为结构材料和功能材料。前言

功能材料是以强度以外的功能为主的材料。美国F-117隐身战斗机一吸波材料言前导电材料

导热材料

磁性材料

半导体薄膜材料

纳米材料

非晶合金

超导材料磁悬浮列车一磁性材料前

言44从发展的观点看可将材料分为传统材料和新型材料。传统材料是指具有悠

久使用历史的材料，如钢铁、水泥、普通陶瓷、砖瓦、橡胶等，也称基础材料。前

言新型材料包含着三个层面的含义，一是新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材料；二是高技术发展需要，具有

特殊性能的材料；三是由于采用新技术(工艺、装备),使材料性能比原有性能有明显提高，或出现新的功能的材料。前

言离子注入使材料表面层的物理、化学和冶金特

性发生变化，突破了传统

冶金学的规律，许多很难

互溶的金属形成了新的合

金相，使有关合金相、金

属间化合物以及固溶体生

成墒和焓的研究获得了新

的研究结果。离子注入半导体掺杂技术已成为现代超大规模集成电路制造的核

心工艺之一前言Amorphous

strip

20-25

pm

thicknesszzle急冷法制备非晶态合金MeltingfurnaceInductionheatingCeramic

nV~100kmlhCucasting

wheelT=20C前

言Liquid

metal前曰优异的力学

性能，是目前世界上最优良的穿

甲弹芯材料良好的加工性能，延伸率可达15000%优良的化学特性，是极好的

化学反应催化和光催化材料优良的软磁、硬磁及独

特的膨胀特性良好的耐腐蚀能力50材料的制备和

加工工

艺对性

能有很

大影响51前材料的性能本质上由其内部结构决定原子排列方式键合方式显微组织原子结构力学性能：金属材料在外加载荷或载荷

与环境因素(温度、介质、加载速率)联合

作用下所表现出来的力学行为。前

言前言几个生活中常见的问题1、一个铁棒拉长后，会发生什么变化?2、怎样徒手弄断一块砖?3、怎样徒手弄断一根铁丝?4、怎样徒手弄断一根带包装的火腿肠?5、为什么打铁时要把铁烧红?6、怎样把一块比较结实的布撕成两半?塑性、韧性等，用各种力学性能参量表示，如强度指标σ0.2(R,)、σ1、σ₆(Rm);塑性指标δ(A)、

y(Z);

韧性指标Aκ

、K₁c等。力学性能指标具体

数值的高低，表示金属材料抵抗变形和断裂能

力的大小，是评定材料质量的主要依据。可将

其理解为：金属材料抵抗外加载荷引起变形和断裂的能力。54前言金属材料的力学性能包括：强度、硬度、金属材料的力学性能取决于：内在因素一材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力、表面状态、内部缺陷；外在因素一载荷性质(静载荷、冲击载

荷、交变载荷),应力状态(拉、压、

弯曲、扭转),温度、环境介质等。前

言静载荷韧性断裂低碳钢

常温前

言脆性断裂韧性断裂脆性断裂冲击载荷断裂低温561.金属材料在各种服役条件下的变形和断裂行为及微观机理。2.金属力学性能指标的概念、本质、实用意义

及各指标间的相互关系。3.影响金属力学性能的因素及改善金属力学性

能的手段和方法。4.金属力学性能指标的测试技术。本课程主要内容：前

言屈服强度o(00.2)抗拉强度o₆(Rm)

伸长率δ(A)断面收缩率y(Z)单向静载拉伸试验是应用最广泛的材料力

学性能测试方法。试验温度确定应力状态确定

加载速率确定第一章

单向静载下材料的力学性能可测试58拉伸试验机强调试样光滑是为了避免表面产生应力集中导致三向应力状

态；强调轴向拉伸是防止试样

偏斜或不对中情况，否则将导

致复杂应力状态。第一章

单向静载下材料的力学性能第一节应力一应变曲线GB/T228-2002规定：拉伸试样为光滑圆柱试样，两种规格：l=5d₀(短试样)l=10d₀(长试样)图1-1圆柱拉伸试样I

区一弹性变形阶段IⅡ区一屈服变形阶段Ⅲ区一均匀塑性变形阶段IV区一集中塑性变形阶段△L第一章

单向静载下材料的力学性能图1-2退火低碳钢的拉伸力一伸长曲线正火、退火、调质的各种碳素结构钢和一般合金结构钢也都具有类似的力一伸长曲

线，只是力的大小和变形量不同而已。我们

将图1-2的力一伸长曲线的纵坐标力除以试样

的原始截面积，横坐标长度除以试样的原始

标距，就得到了应力一应变曲线，曲线的形状不变。但是并非所有的材料都具有相同类

型的应力一应变曲线，还有如下几种：第一章单向静载下材料的力学性能第一章

单向静载下材料的力学性能弹性一均匀塑性型E许多金属和合金、部

分陶瓷和非晶态高聚物大多数玻璃、陶瓷、

岩石、低温下的金属σ纯弹性型σ

第一章

单向静载下材料的力学性能低温和高应变

速率下的fcc金属。

其塑性变形常常是

通过孪生实现的。

当孪生速率超过夹

头运动速率时出现

此种类型曲线。第一章

单向静载下材料的力学性能一些结晶态的高聚

物和未经拉伸的非晶

态高聚物一些bcc的铁基合金和若干有色合金。弹性一不均匀塑性一均匀塑性型弹性一不均匀塑

性一均匀塑性型σσ第

一

章

单向静载下材料的力学性能同一种材料在不同拉伸条件下其应

力一应变曲线也会不同。比如，退火低碳钢在低温下脆性大大增加，其拉伸曲

线就只有弹性变形部分。第一章

单向静载下材料的力学性能TSStrainStress金属的弹性变形是一种可逆变形，应力和应变之间保持单值线性关系：施加外

力→变形产生，外力消失→变形消失，不论加载期或卸载期，应力与应变之间的关

系都是单值的线性关系。变形量<1%。第一

章

单向静载下材料的力学性能第二节弹性变形一、弹性变形及其实质第一章

单向静载下材料的力学性能引力由金属正离子和自由电子间的库仑力产生原子

在平衡位置振动斥力

由离子之间及电子之间的排斥作用所致当原子间的相互平衡力因外力作用而受到破坏时，原子位置必须作相应的调整，从而产生位移，以期达到新的平衡。原子位移的总和在宏观上就表现为变形。外力去除后，原子依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置，此时位移消失，宏观上变形也就消失，从而表现弹性变形68的可逆性。引力和斥力均为原子间距的函数R

为材料可承受的最大弹性变形量，理论值可达23%!但实际上材料的弹性变形量<1%,是由于实际材料中不

可避免地存在各种缺陷所致。第一章

单向静载下材料的力学性能原子间作用力：

—

引

力原子间作用力非直线关系FmaxM原子间距r2021年7月8日星期四图1-3双原子模型RNF=0—斥

力

—

合力斥力引力1、单向拉伸：2、剪切和扭转：t=Gy3、相互关系：弹性模量—一般性术语ε-纵向拉伸应变；8、ε₂-横向收缩应变；E-弹性模量(杨氏模量);

v-泊松比；ox-拉应力；T-切应力；G-切变模量；第一章

单向静载下材料的力学性能律

杨氏模量—特指拉伸加载

y-切应变应

力

状

态

胡克

定&y=Ez=—VEx简单70在这些面上只有正应力，而切应力等于零，这样的面称为应力主平面(简称主平面),主平面上的正应力

称为主应力。O₂

O₂O₃三向应力状态

双向应力状态

单向应力状态71

复杂应力状态

简单应力状态第

一

章

单向静载下材料的力学性能任何应力状态，总能找到三对互相垂直的面，义

胡

克定律O₁

O₁O

Oo-主应力s-主应变如果主应力中有压应力，其前方应冠以负号，

求得的应变为正号时表示伸长，负号时表示缩短。72第一章

单向静载下材料的力学性能适用于复杂应力状态二

、弹性模量E弹性模量是材料抵抗弹性变形的能

力。单晶体金属的弹性模量在不同的晶

体学方向上是不一致的，因此，单晶体

金属表现为弹性各向异性。多晶体金属

的弹性模量为各晶粒弹性模量的统计评

均值，呈现为各向同性。第一

章

单向静载下材料的力学性能材料E/10⁵MPaTm/℃键型铝0.72600金属键铜1.251084金属键钢2.071538金属键Al₂O₃4.02050共价键钨4.13387金属键金刚石11.43800共价键聚苯乙烯0.3Tg~100范德华力聚乙烯0.02Tg~137范德华力

第一章

单向静载下材料的力学性能表1-1

一些工程材料的弹性模量、熔点和键型74弹性变形是原子间距在外力作用下可逆变化的结果，因而弹性模量E

与原子间作用力和原子间距都有关系。原子间作用力取决于原子本性和晶格类

型，故E也取决于原子本性与晶格类型。75

第

一

章

单向静载下材料的力学性能影响因素室温下金属的E值是原子序数的周期函数：■同一周期元素随原子序数增大E

值增大，这与元素价电子数增多及原子半径减小有关。■同一族元素随原子序数增大E

值减小，这与原子半径增大有关。■过渡族金属E

最大：如Fe、Ni、Mo、W等，这

也是它们在工程上得到广泛应用的原因之一。76第一章

单向静载下材料的力学性能●合金中固溶的溶质元素可以改变合金的晶格常数，但对于常用的钢铁材料而言，合金元素对其晶格常数的改变不大，因而对弹性模量的影响很小，合金钢和碳钢的弹性模量数值相当接近。●热处理(显微组织)对弹性模量的影响不大。

如晶粒大小对E

值无影响；第二相的大小和分布

对E

值的影响也很小；淬火后E

值稍有下降，但

退火后又恢复到原来的水平。第一章

单向静载下材料的力学性能第一章

单向静载下材料的力学性能●冷塑性变形对E

值稍有降低，

一般在4%～6%,这

与出现残余应力有关。当塑性变形量很大时，因产

生形变织构而使E

值出现各向异性，此时沿变形方向

E

值最大。●温度升高原子间距加大，E值降低。碳钢加热时每

升高100℃

,E

值下降3%～5%。但在-50℃~+50℃

范围内，钢

的E

值变化不大，可不考虑温度的影响。第一章

单向静载下材料的力学性能弹性变形的速率和声速一样快，远

超过实际加载速率，故加载速率对E值也

无大的影响。结论：弹性模量是组织不敏感的力学性能指标能力称为刚度：

9是金属材料重要的力学性能指

标。机器零件或构件的刚度不

仅与材料的弹性模量有关，还

与其截面形状、尺寸、载荷作

用方式有关。起重机梁；桁架

结构；精密机床主轴；内燃机

曲轴；镗床镗杆…..F=98N介钢：1cm铝合金：3cm聚苯乙烯：60cm第

一

章

单向静载下材料的力学性能弹性范围构件抵抗变形的第一章

单向静载下材料的力学性能要增加构件的刚度，要选用E值高的材料或增

加构件的截面积，但这对于航空航天装置是不适

用的。为了降低重量，对材料的比弹性模量(Elp)

也很重视，如表1-2所示，由于铍的比弹性模量最

大，因此在航空航天中得到了广泛应用，氧化铝、

氮化硅等也具有明显的优势。表1-2几种常用材料的比弹性模量材

料铜钼铁钛铝铍氧化铝碳化硅比弹性模量/×10⁸cm1.32.72.62.72.716.810.517.5第

一

章

单向静载下材料的力学性能三

、弹性比功用金属材料开始塑性变形前单位体积吸收的最

大弹性变形功表示。表示金属材料吸收弹性变形功的能力。1De

Ee2Oe2E2图1-4.弹性比功材料E/MPaσ(os)/MPaae/MJ

·m-3高碳弹簧钢2100009652.21765Mn13804.76155Si2Mn14805.47650CrVA20000014205.041不锈钢(冷轧)10002.5铍青铜1200005881.44磷青铜1010004501.0元素：Si,Mn,Cr等，强化铁素体基体，提高淬透性；3、合适的热处理工艺：淬火+中温回火，回火屈氏体组织；4、冷变形强化。表1-3部分弹簧材料的弹性比功第一章

单向静载下材料的力学性能机械零件的体积越大，可吸收的弹性比功越大。弹簧材料要求

高的弹性比功，方法有：1、提高碳含量：中、高碳；2、加入合金第一章单向静载下材料的力学性能第三节

弹性的不完整性理想的弹性变形应该是单值的、可逆的，而

且其变形只与载荷的大小有关，而与加载的方向

和时间无关。但实际中的金属是多晶体并伴随有

各种缺陷，所以，变形时并不是完整弹性的，会

出现包申格效应、弹性后效和弹性滞后等现象。事实上，人们很早就发现，金属材料即使在

很小的应力作用下也会显示非弹性性质，这是因84

为金属材料不是完全的纯弹性体。应力(弹性极限或屈服强度)增加；反向加载，规定残余

伸长应力降低的现象，称为85包申格效应。定义：效腐材料经过预先加载产生少量塑性变形(残余

应变小于1%～4%),而后

再同向加载，规定残余伸长第一章

单向静载下材料的力学性能一、包申格(Bauschinger)应力/MPa第一章

单向静载下材料的力学性能规定残余伸长应力：试样卸除拉伸力后，其标距

部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的

应力。许多金属材料在拉伸时没有明显的屈服现

象，对于这类材料，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，即人为规定拉伸

试样标距部分产生一定的微量塑性伸长率(如0.01%,0.05%,0.2%等)时的应力，根据测定方

法不同，又可区分为三种指标：第一章

单向静载下材料的力学性能手、规定非比例伸长应力(op)试样在加载过程中，标距长度内的非比例伸长量(弹

性伸长+塑性伸长)达到规定值(以%表示)时的应力，如

Op0.01’Op₀.05

等。第一章

单向静载下材料的力学性能2、规定残余伸长应力(o)试样卸载后，标距部分的残余伸长量(塑性伸长)达到规定值时的应力，常用的为σ0.2。第一章

单向静载下材料的力学性能3、规定总伸长应力(q)试样加载后，试样标距部分的总伸长量达到规定值时的应力，常用的为

σt₀

.5,O₀.6,O₀.7

等。第一章

单向静载下材料的力学性能o和σ,是在试样加载时直接从应力-应

变曲线上测量的，而σ则要求卸载测量。由

于卸载法测定比较困难，而且效率低，而加载中测试半径效率高，而且易于实现测

量的自动化，所以在材料屈服抗力评定中更趋于采用op和o。

而

o

在测试上比op方便，

所以，在大规模工业生产中，

一般采用σ的

测定方法提高效率。90包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。如图1-6所示。在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某一滑移面运动，遇林位错弯曲，结果，在位错前方，林位错密度增加，形成位错

缠结和胞状组织(图中1位置)。这种位错结构在力学上是相当稳定

的，宏观上表现为规定残余伸长应力增加。卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，反向路径上像林位错这类障碍数量较少，而且也不

一定恰好位于位错运动的前方，故

位错可以在较低应力下移动较大距

离，即第二次反向加载，规定残余

伸长应力降低。第一章

单向静载下材料的力学性能图1-6.林位错对位错运动的影响91第一章

单向静载下材料的力学性能

包申格应变：在给定应力下，正向加载与反向加载应力-应变曲线之间的应变差。图1-7包申格应变包申格效应可能使规定的残余伸长应力降低15%～20%,所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包申格效应，它是多晶体金属

所具有的普遍现象。包申格效应对于研究金属疲劳问题是很重要的。

因为材料在疲劳过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加

载时，微量塑性变形抗力(规定残余伸长应力)降低，显示循环软化

现象。另外，对于预先经受冷变形的材料，如服役时受到反向力的作

用，就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子

在受压状态下使用就是这种情况。消除包申格效应的方法是：预先进行较大的塑性变形；或在第二次反向受力前先使金属材料在回复或再结晶温度下退火。第一章

单向静载下材料的力学性能第一章

单向静载下材料的力学性能二、滞弹性对于完整的弹性体，弹性变形与加载速率无关，但对实际的金属材料而言，弹性变形不仅是应力的函数，而且是时间的函数。在弹性范围内快速加载或卸

载后，随时间延长产生附加弹

性应变的现象称为滞弹性。ABeO图1-7.滞弹性示意图第一章

单向静载下材料的力学性能

影

响因素

材料成分；组织；实验条件；材料的组织越不均匀，滞弹性越明显。如钢淬火或塑性变形后，增加了组织的不均匀性，滞

弹性倾向增大。温度升高，滞弹性速率和变形量都显著增加。如Zn拉伸时温度升高15℃,滞弹性速率增加50%;扭

转时温度升高10℃,变形量增加1倍。温度下降，变形量显著下降，-185℃以下就无法确定滞弹性是

否存在。第一章

单向静载下材料的力学性能产生滞弹性的原因可能与金属中点缺陷的移动有关。例如，α-Fe中碳处于八面体空隙及等效位置上，施加z方向的拉应力后，x,y轴上

图1-8.碳在α-Fe

中的扩散的碳原子就会向z轴扩散移动，会使z方向继续伸长变

形(图1-8),于是就产生附

加的弹性变形。96因扩散移动需要时间，故附加应变为滞弹性应变，卸载

后z轴多余的碳原子又会回到

原来x,y轴上，使滞弹性应变

消失。感元件的材料时，需要考虑滞弹性问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感

件等，如选用的材料滞弹性比较明显，

会使仪表精度不足甚至无法使用。还有

经过较直的工件放置一段时间以后又会

弯曲，就是由于滞弹性造成的。

第一

章单向静载下材料的力学性能在仪表和精密机械中，选用重要传金属在弹性区内加载卸载时，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，此封闭回线称为弹性滞后环。如果所加为

交变载荷，其最大应力低于弹性极限，且加载速

率比较大使弹性后效不能顺利进行，得到交变载

荷下的弹性滞后环，如交变载荷中的最大应力超

过宏观弹性极限，则得到塑性滞后环。第一章单向静载下材料的力学性能三、循环韧性第一章

单向静载下材料的力学性能

单向加载弹性滞后环

交变加载弹性滞后环

交变加载塑性滞后环存在滞后环现象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，因而有一部分变形功为金属所吸收，这部分被吸收的功就称为金属的循环99韧性，其大小用回线面积来衡量。金属在交变载荷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。二

者经常混用，但严格说来，二者是有区别的：内耗：弹性区内加载吸收不可逆变形功的能力，用弹性滞后环的面积表示。循环韧性：塑性区内加载吸收不可逆变形功的

能力，用塑性滞后环的面积表示。100第一章单向静载下材料的力学性能第一章

单向静载下材料的力学性能循环韧性也是金属材料的力学性能指标之一，它又称为消振性。目前尚无统一的评定循环

韧性的指标，通常用振动试样中自由振动振幅衰

减的自然对数来表示其大小。如图1-9所示，设T和Tk+1为自由振动相邻振幅的大小，则循环韧性：δ

ln

k

图1-9.

自由振动衰减曲线+1101循环韧性的意义：材料的循环韧性越高，则机件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循环韧性对于降低机械噪声，抑制高速机械振

动，防止共振导致疲劳断裂是非常重要的。飞

机螺旋桨、气轮机叶片需要高δ;而追求音响效果的元件如音叉、簧片等要低δ;灰铸铁的δ大，常用来作机床的床身、发动机的缸体和支架等。102第一章

单向静载下材料的力学性能一、塑性变形的特点塑性变形是金属材料区别于其它工业材料的

重要特征，也是金属材料在人类文明史上能够发

挥无与伦比的作用的原因。对塑性变形的机制和

规律的研究，有助于我们更好地理解材料强度和

塑性，为使用和研制新材料打下良好的基础。103第一章

单向静载下材料的力学性能第四节塑性变形

第一

章单向静载下材料的力学性能金属在外力作用下，当超过弹性

极限后就开始发生塑性变形，它是一

种不可逆变形，随外力增加，变形量

也增加，直致断裂。根据材料和实验

条件的不同，变形量可达百分之几至

几十，超塑性可达100~1000%,远远

高于弹性变形。104第一章

单向静载下材料的力学性能二

、塑性变形的方式金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生。滑

移是材料在切应力作用下位错沿滑移面和滑移方向运动而进行的切变过程。滑移示意图(a)

未变形105(b)滑移第一章

单向静载下材料的力学性能○

○

●

●

●●

●

●

●

●●

●

●

●

●●

●

●

●

●

●●

●

●

●

●●

●

●

●

O

t●●106T●●O第一章

单向静载下材料的力学性能移滑移方向一原子最密排方向

系滑移面一原子最密排的晶面滑107晶格体心立方面心立方密排六方滑移面{110}×6{111}×4六方底面×1滑移方向<111>×2<110>×3底面对角线×3滑移系数量12123第一章

单向静载下材料的力学性能体心立方面心立方密排六方表1-3三种典型金属晶格的滑移系108

第一章

单向静载下材料的力学性能其原因是原子密度最大的晶面面间距最大，点阵阻力最小，而原子密度最大的方向原子间距

最短，位错柏氏矢量最小。事实上，bcc金属的原

子密排程度不如fcc

和hcp,

所以它不具有突出的

最密集晶面，其滑移面可有{110},{112}和{123}

三组，具体的滑移面因材料、温度等因素而定，但滑移方向总是<111>。109第一章单向静载下材料的力学性能滑移系越多，金属的塑性越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大，故fcc金属的塑性要好

于bcc金属。滑移系的数目不是决定金属塑性的唯一

因素。比如，fcc金属的滑移系和bcc金属的一样多，

但fcc金属的晶格阻力低，位错容易运动，故塑性优

于bcc金属。实验观察到，滑移面受温度、金属成分、和预先塑性变形程度等因素的影响较大，而滑移方向则110比较稳定。例如，温度升高时，bcc

金属可能沿{112}及{123}滑移，这是由于高指数晶面上的位错源容

易被激活。轴比为1.587的钛(hcp)中含有氧和氮

等杂质时，若氧含量为0.1%,滑移面为(1010),

当氧含量为0.01%时，滑移面变为(0001)。由于

hcp金属只有三个滑移系，所以其塑性较差，并

且这类金属塑性变形程度与外加应力方向有很大

关系。第

一

章

单向静载下材料的力学性能111①滑移只能在切应力作用下发生，产生

滑移的最小切应力称为临界切应力；②滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生，这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间的间距最大，原子结合

力最弱，产生滑移所需切应力最小。112第一

章

单向静载下材料的力学性能滑移变形的特点：第一

章单向静载下材料的力学性能③滑移时，晶体两部分的相对位移量是原

子间距的整数倍，滑移的结果是在晶体表

面形成台阶——滑移线，若干滑移线组成

一个滑移带，如图1-10所示。图1-11为工

业纯铁表面的滑移带，图1-12为多晶铜经

塑性变形后在预先抛光的表面上观察到的

滑移带。113~100原子间距滑移线

~10000原子间距图1-10铝单晶体滑移线和滑移带示意图第一章

单向静载下材料的力学性能滑移带~1000原子间距114

图1-11工业纯铁表面的滑移带

图1-12变形多晶铜抛光表面上的滑移带下部晶体综品体部晶体115

图1-13滑移变形示意图单向静载下材料的力学性能第一章上部晶体2021年7月8日星

期四上部晶体④滑移的同时伴随着晶体转动：滑移面向外力轴方向转动，滑移方向向最大切应力方向转动。当滑移面和滑移方向都与外力轴方向成45°角时，

滑移方向上的切应力分量最大，当滑移面和滑移方向与外力轴方向平行或垂直时，切应力分量=0,晶体不发生滑移。外力在晶面上的分解图1-14滑移时晶体的转动116第一章

单向静载下材料的力学性能最大切应力方向第一章单向静载下材料的力学性能⑤滑移是通过滑移面上位错运动来实现的。计算

表明，把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临

界切应力比实际测量值大3-4个数量级，而按照位

错运动模型计算所得的临界切应力值则与实测值

相符。图1-15所示的是一刃型位错在切应力作用

下在滑移面上运动的过程，即通过一根位错线从

滑移面的一侧到另一侧的运动形成一个原子间距滑移量的过程。117第一章

单向静载下材料的力学性能图1-15晶体中通

过位错运动造成

滑移的示意图2021年7月8日星

期四118位错运动过程中滑移面上原子位移情况如图1-16所示。当晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，而且它们的移动距离远小于一个原子间距，因而所需的临界切应力小，称为位错的易动性。

图1-16位错运动时的原子位移第一章

单向静载下材料的力学性能119当一个位错移动到晶体表面时，便产生一个原子间距的滑移量，同一滑移面上大量的位错移出，就在晶体表面形成了

一条滑移线。120第一章

单向静载下材料的力学性能2021年7月8日星

期四○00○○OO○

O

●

○

O00

○

0

○

00○

○

○

O0O0

○

O柏氏矢量b○0设一截面积为A的圆柱形单晶体受轴向拉力F作用，F

在滑移方向的分力为Fcosθ,滑移面的面积为A/cosa,

则外力在该滑移面沿滑移方向的分切应力：当滑移系中的分切应力达到其临界分切应力值t

开始滑

移时，FIA应为宏观上晶体的屈服强度σ。称cosθcosa

为取向因子或施密特因子。滑移方向图1-17计算分切应力分析图单向静载下材料的力学性能第一章2021年7月8日星期四121第一章

单向静载下材料的力学性能滑移开始的条件为：

T=o,cosθcosa。显然，对任一给定的α值，若滑移方向是位于F与滑移面法线所组成的平面上，即a+θ=90°,则此时的t值较其他α时的值大，取向因子cosθcosa=cos(90°-α)cosα=/2sin2a,故

当α=45时取向因子具有最大值0.5。由公式亡t=ogcosθcosaα可以看出，当α=90°或θ=90°时，t=0,

即当滑移面与外力方向平行，或者滑移方向与

外力垂直的情况下不可能产生滑移，而滑移面与外力成45时分切应力最大。通常称取向因子大的方向为软取向，取向因子小的方向为硬取向。滑移的临界分切应力是一个真实反映单晶体受力起始屈服的物理量，其数值不仅与晶体类型、纯的及温度等因素有关，还与该晶体的加工和热处理状态、变形速度以及滑移系类型有关。122单系滑移一只有一个滑移系开动，晶体(或晶粒)表面只有一组平行的直线形滑移线，如图1-17所示

图1-17铜的单系滑移第一

章

单向静载下材料的力学性能滑移的种类：123第一章

单向静载下材料的力学性能多系滑移一多个滑移系同时开动，晶体(或晶粒)表面有多组相交的直线形滑移线，如图1-18所示。图1-18铝的多系滑移124交滑移：当晶体滑移受阻时，另一个与原滑移系方向相同但滑移面不同的交滑移系开动使滑

移继续进行的滑移。晶体中的交滑移是通过螺

位错的交滑移进行的。第

一

章

单向静载下材料的力学性能图1-19晶体中的交滑移125第一章

单向静载下材料的力学性能图1-20单位螺位错的交滑移

图1-21铝晶体交滑移的波纹状滑移线126第一章

单向静载下材料的力学性能层错能越低，扩展位错就越宽，交滑移束集时要

做的功也越大，越不容易产生交滑移。低层错能材料————平直状滑移线高层错能材料——波纹状滑移线122堆垛层错：金属结构在堆垛时，没有严格的按照堆垛顺序，形成堆垛层错。层错是一种晶格缺陷，它破坏了晶体的周期完整性，引起能量升高，通常把单位面积层错所增加的能量称为层错能。层错出现时仅表现在改变了原子的次近邻关系，几乎不产生点阵畸变。但破坏了晶体的完整性和周期性，使体系的能量增加——层错能，但层错能相对于晶界能而言是比较小的。层错能越小的金属，则层错出现的几率越大。面心立方晶格的堆垛顺序为：ABCABC...堆垛层错：ABCBCABC...

或ABCBABC...扩展位错

(extended

dislocation):一个全位错分解为两个或多个不全位错，其

间以层错带相联，这个过程称为位错的扩展，

形成的缺陷体系称为扩展位错。第一章

单向静载下材料的力学性能CBACB128为了降低两个不全位错间的层错能，力求把两个不全位

错的间距缩小，这相当于给予

两个不全位错一个吸力，其数

值即等于层错能。而两个不全

位错间的斥力则力图增加层错

宽度，当斥力与吸力平衡时，扩展位错稳定下来。129第一章

单向静载下材料的力学性能图1-22fcc晶体中的扩展位错第一

章

单向静载下材料的力学性能位错也可能通过双交滑移返回原来的滑移面。图1-23双交滑移示意图130孪生是塑性变形的另一种重要形式，是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生的切变。第一章

单向静载下材料的力学性能2021年7月8日星

期四孪生变形过程孪

生131第一章

单向静载下材料的力学性能fcc晶体在切应力作用下发生孪生变形时，晶体内局部地区的各个(111)面沿[112]方向产生彼此相对移动距离为

6012]的均匀切变，如图1-

22所示。图中纸面相当于(110)(111)面垂直于纸面，AB为(111)面与纸面的交线，相当于[112]晶向。孪晶面图1-24fcc晶体孪生变形示意图

(111)孪生方向[112]孪生方向[112]孪晶面—(111)(T10)晶面132第一章

单向静载下材料的力学性能可以看出，均匀切变集中发生在中部，由AB

至GH中的每个(111)面都相对于其邻面沿[112]方向移动了6112的距离，这样的切变并未使晶体的点阵类型发生变化，但它却使均匀切变区中的晶体取向发生变更，切变区与未切变区呈镜向对称，这一变形过程称为孪生，变形

与未变形两部分晶体合称为孪晶，切变区与未切变区的分界面(镜面

对称面)称为孪晶界，发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面(本例中

为(111)面),孪生面的移动方向称为孪生方向(本例中为[112])。孪晶面

孪生方向图1-24

fcc晶体孪生变形示意图

(111)

[112]133孪生具有以下特点：·孪生变形也是在切应力作用下产生的，通常出现于

滑移受阻而引起的应力集中区，其所需的临界应力比

滑移大得多。如Mg孪生所需的分切应力在4.9~34.3M

Pa,

而滑移的临界切分应力仅为0.49MPa。

但孪晶在

萌生后长大所需的应力相对较小，因此孪晶长大的速

度极快，与冲击波传播速度相当。由于在孪晶形成时

在极短时间内有相当数量的能量被释放出来，因而有时伴随明显的声响。134第一章

单向静载下材料的力学性能孪生是一种均匀切变，即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向移动了移动距离，每一层原子的切变量跟它与孪生面的距离成正比。·孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。·孪生提供的变形量很小，相当于滑移的十几到几十分之

一，但可以调整滑移面的方向，间接对塑性变形有贡献。·fcc、bcc、hcp金属材料都能以孪生方式产生塑性变形，不过fcc金属只在很低的温度下才能产生孪生变形，而hcp

金属由于滑移系少，并且在c轴方向上没有滑移矢量，因而更容易产生孪生变形。135第一章

单向静载下材料的力学性能第一章

单向静载下材料的力学性能孪晶面晶轴改变位向

孪晶区域(孪晶带)图1-25滑移和孪生

图1-26锌拉伸过程中形变孪晶的生长晶轴保持直线136第一章

单向静载下材料的力学性能图1-27纯钛中的变形挛晶单晶体受力后，外力P在任何晶面上都可分解为正

应力和切应力，正应力只能引起弹性变形及解理断裂，只有

在切应力的作用下，金属才能

产生塑性变形。塑性变形的方

式有两种：滑移和孪生。多数情况下，金属的塑性变形是以滑移方式进行的。138第一章

单向静载下材料的力学性能三、单晶体金属的塑性变形图1-28单晶体的拉伸变形第一章单向静载下材料的力学性能四

、多晶体金属的塑性变形多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规律与

单晶体金属相同，但由于多晶体金属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性变形具

有如下一些特点：1.各晶粒变形的不同时性和不均匀性变形的不同时性和不均匀性是相互联系的。

多晶体由于各晶粒取向不同，受外力作用时，某第一

章单向静载下材料的力学性能取向有利的晶粒先开始滑移变形，而那

些取向不利的晶粒可能仍处于弹性变形状态，只有继续增加外力才能使滑移从

某些晶粒传播到另外一些晶粒，并不断

传播下去，从而产生宏观可见的塑性变

形。多相合金也是如此。金属组织越不

均匀，塑性变形的不同时性就越显著。140塑性变形的不同时性实际上反映了塑性变形的局部性，也即塑性变形量的不均匀性。这种不

均匀性存在于各晶粒之间、基体金属晶粒和第二

相晶粒之间，即使同一晶粒内部，各处的塑性变形量也往往不同，所以，当宏观塑性变形量还不

大的时候，个别局部地区的晶粒的变形量可能已

达到极限值，并且由于变形不均匀会产生较大的内应力，从而导致金属的早期断裂。141第一章

单向静载下材料的力学性能2.

各晶粒变形的相互协调性虽然多晶体金属内部各晶粒之间的变形时

间和变形量不会相同，但多晶体金属作为一个

连续的整体，不允许各个晶粒在任一滑移系中

自由变形，否则就会造成晶界开裂，这就要求

各晶粒之间能协调变形，为此，每个晶粒必须

能同时沿几个滑移系进行滑移，或在滑移的同时进行孪生变形。142第一章

单向静载下材料的力学性能米赛斯(Von

Mises)经过研究认为，每个晶粒必须至少有5个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向

上不受约束的塑性变形并维持体积不变。由此可见，多晶体金属能否塑性变形的关键在于金

属本身滑移系的数量。立方金属(如Cu、Ni、A1)的滑移系都在12个以上，这些金属的多晶体都具有较好的塑性，而hcp金属(Zn

、Mg

、Ti)的滑移系最少，只有3个，

不能满足协调性的要求，所以此类金属的塑性极差。金属化合物的滑移系数量更少，故而更脆。143第一章

单向静载下材料的力学性能对组织的影响：金属发生塑性变形时，不仅外形发生变

化，而且其内部晶粒也相应

被拉长或压扁。当变形量很

大时，晶粒将被拉长为纤维

状，晶界变得模糊不清，还可能使晶粒破碎为亚晶粒，

如图1-29所示。第一

章

单向静载下材料的力学性能五、塑性变形对金属组织和性能的影响图1-29工业纯铁在塑性变

形前后的组织变化144达到一定程度(70%以上)时，绝大部分晶粒的位向与外力方向趋于一致，这种现象称为形变织构或择优取向，如图1-30所示。形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不均。对性能的影响：随变形量增加，

金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称为加工硬化。145第一章

单向静载下材料的力学性能在塑性变形过程中，当变形(a)丝织构

(b)板织构图1-30形变织构示意图第一章

单向静载下材料的力学性能六、屈服现象和屈服强度σ屈服现象：金属材料在拉伸时产生屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的标志。试样在拉伸过程中外力不增加而试样仍然

能继续伸长，或外力增加到一定的数值时突然

下降，随后在外力不增加或上下波动情况下试

样仍能继续伸长的现象称为屈服。146对于没有明显屈服点的材料，用人为规定的办法确定屈服点：0.01%;0.05%;0.2%;147图1-31为低碳钢和黄铜拉伸时的应力应变曲线。第一

章

单向静载下材料的力学性能O屈服

伸长A00.2CAC一屈服平台C一下屈服点A

一上屈服点低碳钢黄铜图1-31屈服现象示意图0.2%O吕德斯带随后沿试样长度方向逐渐扩展，当屈服线布满整个试样时，屈服伸长结束，试样开始进入均148

匀塑性变形阶段。屈服变形始于试样微观不均匀处或应力集中部位。

屈服阶段的伸长变形是不均

匀的，在局部开始形成与拉

伸轴约成45°角的平行线，被称为吕德斯(Lüders)带。第一章

单向静载下材料的力学性能图1-32吕德斯带示意图■材料在变形前可动位错密度小，或虽有大量位错但被钉扎，如钢中的位错被杂质原子或第二

相粒子所钉扎；■随塑性变形的发生，位错能快速增殖；■位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。149第一章

单向静载下材料的力学性能屈服现象与下面三个因素有关：m

值越低，则为使位错运动速率变化所需的应力变化就越大，屈服现象越明显。bcc金属的m

值一般小于20,所以具有较明显的屈服现象；而fcc金属的m值大于100～200,屈服现象就不太明显。150t—沿滑移面上的切应力to_位错以单位速率运动所需

的切应力m-应力敏感指数έ一塑性变形应变速率

b一柏氏矢量的模p

一可动位错密度V一位错运动平均速率第

一

章

单向静载下材料的力学性能材料变形速率έ=b.pA.Vf2021年7月8日星

期四第一章单向静载下材料的力学性能用屈服强度表示金属材料对屈服变形

的抗力，对于没有明显屈服现象的金属材料，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，如0.2%,本课程涉

及屈服强度的有关具体问题时，不计测定

方法，统一用σ或0o.2表示材料的屈服强度。

但实际使用时，测定方法应予以标注。151静强度角度选择材料的基本依据。传统设计方法规定，许用应力n≥2对于复杂的受载情况，单向拉伸测得的σ仍

然是建立屈服判据的重要指标。关于屈服的强度理论主要有屈雷斯加最大切

应力理论(第三强度理论)和米赛斯畸变能理论

(第四强度理论)。

第一章

单向静载下材料的力学性能σg是材料重要的力学性能指标，是工程上从152安全服役条件：第三强度理论曾被许多塑性材料的试验结果所证实，且稍偏于安全。这个理论所提供的计算式比较简单，故它在工程设计中得到了广泛的应用。该理论没有考虑中间主应力o₂

的影响，但其带来的最大误差一般不超过15%,而在大多数情况下远比此为小。癌雷斯加(Tresca)最大切应力理论：无论材料内各点的应力状态如何，只要有一点的最大切应力tmax达到单向拉伸屈服

切应力ts时，材料就在该处出现明显塑性变形或屈服：第一章

单向静载下材料的力学性能153采

赛

斯(Mises)

畸变能理论：假定：复杂应力状态下材料的畸变能密度达到单向拉伸时使材料屈服的畸变能密度时，材料即会发生屈服：(o₁-

σ2)²+(σ2-

σ3)²+(σ3-

σ1)²≥2os²安全服役条件：Mises理论和许多塑性材料的试验结果相符，用这个理论判断碳素钢的屈服失效是相当准确的。该理论可应用于绝大多数塑性材料结构

的强度计算，结果较第三强度理论更精确。154第一章

单向静载下材料的力学性能第一章单向静载下材料的力学性能按以上准则，采用屈服强度高的材料，可减

小机件的体积或尺寸。但屈服强度过高会增大屈

强比，不利于应力重新分布，易引起脆性断裂。

在脉冲束辐照产生的热激波、高速碰撞及爆炸等

产生的冲击波这类强动载荷作用下，材料显现出

的屈服强度与静态载荷作用时的屈服强度不同，

因此，在工程实际中，对于强动载荷常常采用动

态屈服强度，它约为静态屈服强度的2~4倍。155第一章

单向静载下材料的力学性能工程应用深冲用的低碳薄钢板在冲压成形时，会因不均匀变形使工件某些区域(应变量对应屈服伸长阶段)的

表面粗糙不平———桔皮现象。光整冷轧：将薄钢板在冲压之前先经过一道微量的冷

轧(通常为1~2%的压下量)使屈服点消失，随后进

行冲压加工，可保证工件表面的平整光洁。156■材料的屈服变形是位错运动和增殖的结果，凡影响位错增殖和运动的各种因素都会影响材

料的屈服强度。▲实际材料大多为多晶体，单个晶粒的力学行为并不能决定整个材料的力学行为，要考虑晶

界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分以及第

二相的影响。157第

一

章

单向静载下材料的力学性能七、影响屈服强度的因素1.金属本性及晶格类型一般多相合金的塑性变形主要沿基体相进行，

这表明位错主要分布在基体相中。158内在因素外在因素金属本性及晶格类型温度晶粒大小及亚结构应变速率溶质元素应力状态第二相第一章

单向静载下材料的力学性能表1-4影响屈服强度的因素

第一

章

单向静载下材料的力学性能如果不计合金成分的影响，那么一个

基体相就相当于纯金属的单晶体。纯金属

单晶体的屈服强度从理论上说是使位错开

始运动的临界切应力，其值由位错运动所受的各种阻力所决定——晶格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。晶格阻力(派纳力tp-)—理想晶体中，仅存在一个位错运动时所受的阻力。G—

切变模量；v—泊松比；a—滑移面的晶面间距；b—

柏氏矢量的模；w—

位错宽度(滑移面内原子位移大于50%b区域的宽度)●滑移面的a最大

→tp-n小→位错容易运动。不同材料的a不同，故tp-不

同。●位错宽度w

大→

晶格畸变小→位错容易运动，如fcc金属。●切变模量G

大→tp-大→位错不易运动。160单向静载下材料的力学性能第一章2021年7月8日星

期四第一章

单向静载下材料的力学性能平行位错间的交互作用位错间的交互作用：运动位错与林位错间的交互作用α与晶体本性、位错结构及分布有关。如fcc金属a≈0.2,bcc金属a≈0.4。a—比例系数；b一柏氏矢量的模；L一位错间距离；G一切变模量；LT=aGb

2p

一位错密度；161L=1

1

22.晶粒大小和亚结构晶粒大小的影响实际上是晶界影响的反

映。晶界是位错运动的障碍，在一个晶粒内

部必须塞积足够数量的位错才能提供必要的

应力使邻接的晶粒中的位错源开动并产生宏

观可见的塑性变形，因而减小晶粒尺寸将增

加位错运动障碍的数目，使屈服强度提高。第一

章单向静载下材料的力学性能第一章

单向静载下材料的力学性能切应力

T塞积位错T位错源位错源Applystress第一章单向静载下材料的力学性能多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近45°的晶粒，当晶界处塞积位错前端达到一定程度时相邻晶粒中的位错源开动，大量晶粒

发生滑移后，宏观上显示出塑性变形。晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多，塑性变形抗力越

高。晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变

形的晶粒数目也多，变形越均匀，且断裂前可发生

较大的变形，强度和塑性同时增加，因而韧性也好。164o—

位错在基体金属中运动的总阻力，也称摩擦阻力，取决于晶体结构和位错密度；d—

晶粒平均直径；k,—钉扎常数，衡量晶界对强

化贡献的大小。在一定的温度和应变速率下，o

和k,为常数。晶粒越小，屈服强度越高——细

晶强化，同时还提高材料韧性，是金属强

韧化的重要手段。165第一章

单向静载下材料的力学性能

1Hall-Petch

公式：Os=Oi+

kyd

2

第一

章单向静载下材料的力学性能亚晶界的作用与晶界类似，Hall-Petch公式也完全适用于亚晶粒，只是σ和k,不同。相界也阻碍位错运动，因为相界两侧

材料具有不同的取向，位错柏氏矢量也不

同，或具有不同的晶体结构和性能，所以，多相合金中第二相的大小、分布和形

状等将影响屈服强度。166第一章

单向静载下材料的力学性能.溶质元素在纯金属中加入溶质元素形成固溶合金将

显著提高材料的屈服强度———固溶强化。通常，间隙固溶体的强化效果要好于置换固溶体。主要是形成了畸变的应力场，与位错产生

弹性交互作用，强化的效果是溶质原子与位错

交互作用能及溶质浓度的函数。如图1-33所示。167第一章

单向静载下材料的力学性能

空位引起的晶格畸变类似于由置换型原子所引起的晶格畸变：淬火空位、辐照空位。原子能工程上必须考虑材料在服役过程中空位浓度不断增加，使屈服强度显著提高，脆性增加，引起突发性灾难。二

全

10∠图1-33低碳铁素体中固溶强化效果(MPa)168鸟4.第二相工程上的金属材料，组织一般是多相的，除基体产生固溶强化外，第二相对屈服强度也有影响。第二相质点用粉末冶金法获

得—弥散强化，固溶处理后沉淀析出—沉

淀

(析出)强化。第二相质点的强化效果与质点

本身在基体变形过程中能否变形有关。第

一

章

单向静载下材料的力学性能过，就要克服弯曲位错的线张力，这与相邻质点的间距有关，绕过质点的位错线在质点周围留下

一个个位错环，这相当于质点间距减小，屈服强

度增大。对于可变形的第二相质点，位错可以切过，同基体一起变形，产生新的界面需要作功，质点

与基体晶格错排，也会导致屈服强度增加。170第一章

单向静载下材料的力学性能对于不可变形的第二相质点，位错只能绕第一章

单向静载下材料的力学性能位错线位错环第二相粒子图1-34位错绕过第二相粒子示意图171

图1-35

α黄铜中围绕Al₂O₃粒子的位错环第一章

单向静载下材料的力学性能

滑移面

第二相粒子

生成表面

顶视图图1-36位错切过第二相粒子示意图图1-37Ni-Cr-Al合金中位错切过Ni₃Al粒子172第二相的强化效果与其尺寸、形状和数量以及与基体的结合强度、塑性、应变硬化特性

及两相之间的晶体学配合和界面能等因素有关。

体积比相同的情况下，长