第三章+材料的力学性能

第三章 材料的力学性能内内 容容金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能力学实验力学实验 蠕变蠕变 疲劳疲劳 磨损磨损金属在单向静拉伸载荷下的力学性能n力-伸长曲线和应力应变曲线Op直线关系与pe偏离直线关系，即弹性形变阶段（可逆形变）；F到达FA至Fc点时，产生不均匀塑性变形（不可逆的永久变形）；CB均匀塑性变形；Bk再次不均匀塑性变形；K点发生断裂纵横坐标分别除以原始截面积A0和原始标距长度L，即可得应力应变曲线COc真实应力应变曲线真实应力应变曲线与工程应力应变曲线不同，为什么？弹性变形弹性变形及其实质弹性变形及其实质n材料在受到外力作用时产生变形或者尺寸的变化，而且能够恢复的变形叫做弹性变形。n弹性变形的重要特征是其可逆性，即受力作用后产生变形，卸除载荷后,变形消失。n金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。弹性变形弹性模量弹性模量n 弹性模量，又称杨氏模量，弹性模数是产生弹性模数是产生100%弹性变弹性变形所需的应力。形所需的应力。n拉伸时拉伸时=E，剪切时，剪切时=G，E和和G分别为拉伸时的杨氏模分别为拉伸时的杨氏模数和切变模数。数和切变模数。n可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。n材料的抗弹性变形的一个量，材料刚度的一个指标。它只与材料的化学成分有关，与其组织变化无关，与热处理状态无关。各种钢的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量影响也很小。弹性变形比例极限与弹性极限比例极限与弹性极限弹性变形比例极限与弹性极限比例极限与弹性极限对于要求服役时其应力应变关系对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系严格遵守线性关系的机的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，则应以的关系显示载荷大小的，则应以比例极限比例极限作为选择材料作为选择材料的依据；对于服役条件的依据；对于服役条件不允许产生微量塑性变形不允许产生微量塑性变形的机件，的机件，设计时应按设计时应按弹性极限弹性极限来选择材料。来选择材料。p、e的工程意义弹性变形弹性比功弹性比功思考：人们日常所说的材料弹性的好坏指的是什么？思考：人们日常所说的材料弹性的好坏指的是什么？（1）提高）提高e提高材料弹性比功的途径（2）降低）降低E举例举例（高弹性比功材料）（高弹性比功材料）弹簧（金属材料）弹簧（金属材料）减振、储能减振、储能橡胶（高分子材料）橡胶（高分子材料）不能做受力结构件不能做受力结构件塑性变形塑性变形方式及特点塑性变形方式及特点金属材料常见的塑性变形机理为金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移晶体的滑移和和孪生孪生两种。两种。塑性变形塑性变形：材料的塑性变形上微观结构的相邻部分产生：材料的塑性变形上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。永久性位移，并不引起材料破裂的现象。金属材料的塑性变形机理金属材料的塑性变形机理塑性变形塑性变形-滑移滑移定义：滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向。滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系越多，材料的塑性越好。晶体结构的影响较大：fccbcchcp滑移的临界分切应力 =(P/A)coscos 外应力与滑移面法线的夹角；外应力与滑移向的夹角；=coscos 称为取向因子。塑性变形塑性变形-滑移模型滑移滑移是金属晶体在是金属晶体在切应力切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。切变过程。塑性变形塑性变形-孪生模型孪生本身提供的变形量很小孪生本身提供的变形量很小,但可以但可以调整滑移面的方向调整滑移面的方向,使新使新的滑移系开动的滑移系开动,因而可以对塑性变形产生影响。因而可以对塑性变形产生影响。单晶金属塑性变形的特点 （1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性 各晶粒的取向不同 即 coscos不同。对于具体材料，还存在 相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。（2）变形的相互协调性 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。屈服现象屈服机理影响金属材料屈服强度的因素（1 1）晶体结构：金属材料的屈服过程主要是位错的运动。）晶体结构：金属材料的屈服过程主要是位错的运动。（2 2）晶界与亚结构：晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多，）晶界与亚结构：晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多，对材料屈服强度的提高贡献越大。对材料屈服强度的提高贡献越大。（晶粒细化）（晶粒细化）（3 3）溶质元素：晶格畸变应力场与位错应力场产生交互作用；）溶质元素：晶格畸变应力场与位错应力场产生交互作用；溶质与溶剂之间的电学交互作用；化学交互作用；有序作用等溶质与溶剂之间的电学交互作用；化学交互作用；有序作用等都使位错运动受阻，从而提高屈服强度，产生固溶增强化。都使位错运动受阻，从而提高屈服强度，产生固溶增强化。影响金属材料屈服强度的因素（4 4）第二相：其强化效果与质点的性质有关）第二相：其强化效果与质点的性质有关。（5 5）温度：一般情况下，温度升高金属材料的屈服强度下降。）温度：一般情况下，温度升高金属材料的屈服强度下降。但是，晶体结构不同，其变化形式各异。但是，晶体结构不同，其变化形式各异。（6 6）应变速率与应力状态：应变速率对金属材料的屈服强）应变速率与应力状态：应变速率对金属材料的屈服强度有明显的影响。应变速率高，金属材料的屈服应力显著提高；度有明显的影响。应变速率高，金属材料的屈服应力显著提高；应力状态对金属材料屈服强度的影响规律是：切应力分量越大，应力状态对金属材料屈服强度的影响规律是：切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度就越低。越有利于塑性变形，屈服强度就越低。应变硬化应变硬化应变硬化应变硬化抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度：拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的：拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的应力。其值等于最大拉力应力。其值等于最大拉力FbFb除以试样的原始横截面面积除以试样的原始横截面面积A A0 0，抗，抗拉强度用拉强度用b b表示，即表示，即 b b=F=Fb b/A/A0 0 抗拉强度是材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力。抗拉强度是材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力。高分高分子材料子材料和和陶瓷材料陶瓷材料的抗拉强度是的抗拉强度是产品设计的重要依据。产品设计的重要依据。塑性与塑性指标塑性与塑性指标（1）定义：塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。）定义：塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。（2）材料塑性的评价：在工程上一般以光滑圆柱试样的）材料塑性的评价：在工程上一般以光滑圆柱试样的拉伸拉伸伸长率伸长率和和断面收缩率断面收缩率作为塑性性能指标。常用的塑性性能指标作为塑性性能指标。常用的塑性性能指标有三种：有三种：定义：固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。定义：固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。材料的断裂材料的断裂是力对材料作用的最终结果，它意味着材是力对材料作用的最终结果，它意味着材料的彻底失效，因材料断裂而导致的机件失效与其他料的彻底失效，因材料断裂而导致的机件失效与其他失效方式（如磨损、腐蚀等）相比危害性更大，并且失效方式（如磨损、腐蚀等）相比危害性更大，并且可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏观可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂力学条件，以及影响材与微观特征、断裂机理、断裂力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值。有很大的实用价值。金属的断裂金属的断裂材料的断裂过程大都包括材料的断裂过程大都包括裂纹的形成裂纹的形成与与扩展扩展两个阶段。两个阶段。按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度：度：脆性断裂脆性断裂和和韧性断裂韧性断裂；按晶体材料断裂时裂纹扩展的途径：按晶体材料断裂时裂纹扩展的途径：穿晶断裂穿晶断裂和和沿晶断裂沿晶断裂；按微观断裂机理：按微观断裂机理：解理断裂解理断裂和和剪切断裂剪切断裂；按作用力的性质：按作用力的性质：正断正断和和切断。切断。1、断裂的类型、断裂的类型2、断口特征、断口特征断口：材料的断裂表面称为断口。断口：材料的断裂表面称为断口。断口分析法断口分析法：用：用肉眼、放大镜肉眼、放大镜或或电子显微镜电子显微镜等手段对材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裂的原因、条件、断裂机理原因、条件、断裂机理以及与断裂有关的各种信息，以及与断裂有关的各种信息，称为断口分析法。称为断口分析法。（1）韧性断裂与脆性断裂）韧性断裂与脆性断裂韧性断裂定义韧性断裂定义：材料断裂前及断裂过程中产生明显：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂韧性断裂特征特征：裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大：裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能，韧性断裂的断口用肉跟或放大镜观量塑性变形能，韧性断裂的断口用肉跟或放大镜观察时往往呈暗灰色、纤维状。察时往往呈暗灰色、纤维状。形成形成原因原因：纤维状是由于塑性变形过程中，众多微细裂：纤维状是由于塑性变形过程中，众多微细裂纹不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色是纤维断口表纹不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致。面对光的反射能力很弱所致。举例：一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温举例：一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。脆性断裂定义脆性断裂定义：是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变：是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。而具有很大的危险性。脆性断裂脆性断裂特征特征：脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观：脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。例如：淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程例如：淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程及断口常具有上述特征。及断口常具有上述特征。（2）穿晶断裂与沿晶断裂）穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；而沿晶断穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；而沿晶断裂则多数为脆性断裂。裂则多数为脆性断裂。材料物理与性能材料物理与性能（3）剪切断裂与解理断裂）剪切断裂与解理断裂剪切断裂剪切断裂与与解理断裂解理断裂是两种不同的微观断裂方式，是材是两种不同的微观断裂方式，是材料断裂的两种重要料断裂的两种重要微观机理微观机理。剪切断裂：剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离剪切断裂：剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。而造成的断裂。解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。材料物理与性能材料物理与性能剪切断裂的另一种形式为微孔剪切断裂的另一种形式为微孔聚集型断裂，微孔聚集型断裂聚集型断裂，微孔聚集型断裂是材料韧性断裂的普通方式，是材料韧性断裂的普通方式，其断口在宏观上常其断口在宏观上常呈现暗灰色、呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样则纤维状，微观断口特征花样则是断口上分布大量是断口上分布大量“韧窝韧窝”，如图如图1-261-26所示，微孔聚集断裂所示，微孔聚集断裂过程包括微孔形核、长大、聚过程包括微孔形核、长大、聚合直至断裂。合直至断裂。（3）微孔聚集型断裂）微孔聚集型断裂力学实验力学实验力学实验力学实验弯曲实验弯曲实验硬度实验硬度实验冲击实验冲击实验布氏硬度实验布氏硬度实验洛氏硬度实验洛氏硬度实验维氏硬度实验维氏硬度实验材料物理与性能材料物理与性能(a)(a)(b)(b)22204.0102.0dDDDFAFHB布 氏 硬 度 试 验布 氏 硬 度 试 验 材料物理与性能材料物理与性能常数2222211DFDFDF材料物理与性能材料物理与性能002.0hkHRHRAHRA、HRBHRB、HRC HRC 洛 氏 硬 度 试 验洛 氏 硬 度 试 验 材料物理与性能材料物理与性能维维氏氏硬硬度度试试验验 221891.02136sin204.0102.0dFdFAFHV硬硬度度的的类类型型动载动载压人法压人法布氏硬布氏硬度度洛氏硬洛氏硬度度维氏硬维氏硬度度莫氏硬度莫氏硬度 努氏硬度努氏硬度 肖氏硬度肖氏硬度 显微硬显微硬度度静载静载压人法压人法刻刻划划法法材料物理与性能材料物理与性能材料物理与性能材料物理与性能冲击实验冲击实验 材料物理与性能材料物理与性能材料物理与性能材料物理与性能材料物理与性能材料物理与性能冲击弯曲试验主要有以下四方面用途冲击弯曲试验主要有以下四方面用途（1 1）评定原材料的冶金质量和热加工后产品的质量。）评定原材料的冶金质量和热加工后产品的质量。通过测量通过测量AkAk值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气孔、值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气孔、夹杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷；还可以检查过热、夹杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷；还可以检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。（2 2）测定材料的韧脆性转变温度。）测定材料的韧脆性转变温度。根据系列冲击试验（低温冲击试验）可获得根据系列冲击试验（低温冲击试验）可获得AkAk与温度的关系曲线，与温度的关系曲线，据此确定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计。据此确定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计。（3 3）作为材料承受大能量冲击时的抗力指标，或作为评）作为材料承受大能量冲击时的抗力指标，或作为评定某些构件寿命与可靠性的结构性能指标。（举例）定某些构件寿命与可靠性的结构性能指标。（举例）（4 4）确定应变时效敏感性。）确定应变时效敏感性。应变时效：钢铁材料经过冷加工变形后长期处于较高温度下工作应变时效：钢铁材料经过冷加工变形后长期处于较高温度下工作时，其塑性和韧性下降，而屈服强度升高的现象。时，其塑性和韧性下降，而屈服强度升高的现象。时效敏感性时效敏感性=（A Ak k前前-A-Ak k后后）/A/Ak k前前100%材料物理与性能材料物理与性能应变硬化（加工硬化）性能n在材料的拉伸压缩实验中，材料经过屈服阶段之后，又增强了抵抗变形的能力。这时，要使材料继续变形需要增大应力。经过屈服滑移之后，材料重新呈现抵抗继续变形的能力，称为应变硬化。应变硬化性能应变硬化的意义应变硬化的意义n 应变硬化可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件安全。n 应变硬化和塑性变形适当配合可使金属进行均匀塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。n 应变硬化和塑性变形适当配合可使金属进行均匀塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。n 应变硬化还可以降低塑性改善低碳钢的切削加工性能。应变硬化性能应变硬化机理应变硬化机理应变硬化机理 a）易滑移阶段：单系滑移 hcp金属（Mg、Zn）不能产生多系滑称，易滑移段长。b）线性硬化阶段：多系滑移 位借交互作用，形成割阶、面角位错、胞状结构等；位错运动的阻力增大。c）抛物线硬化阶段：交滑移，或双交滑移刃型位错不能产生交滑移。多晶体，一开动便是多系滑移，无易滑移阶段。Hollomon关系式：S=ken （真应力与真应变之间的关系）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。层错能低的材料应变硬化程度大;高Mn钢（Mn13），层错能力低 n大 应变硬化指数，常用直线作图法求得应变硬化性能应变硬化机指数应变硬化机指数nNature vol.440(7088),(27 Apr 2006)关于关于“应变应变硬化硬化”机理的新理论机理的新理论n多年来，“应变硬化”被认为来自成对位移碰撞，在这种碰撞过程中，相互交叉的位移形成产生强度的接合点。现在，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一个小组发现，该理论是不全面的，因为它忽略了“多体位移相互作用”。以用钼晶体所做实验为依据的新的模拟结果表明，晶体在应力作用下发生硬化，是因为位移线三个一组捆绑在一起，变成很紧的结，这些结形成多个接合点。应变硬化性能应变硬化机理应变硬化机理（知识拓展）（知识拓展）蠕变金属的蠕变现象金属的蠕变现象