材料力學第一章-金屬在單向靜拉伸載荷下的力學性能

1、江蘇科技大學 材料科學與工程學院金屬單向靜拉伸性能內容1 拉伸應力應變曲線2 彈性變形胡克定律、彈性模量、彈性比功滯彈性、包申格效應3 塑性變形塑性變形方式、屈服應變硬化4 金屬的斷裂斷裂類型斷裂強度21 拉伸應力應變曲線1.1 單向拉伸試驗最常用的金屬力學性能試驗方法。GB/T 228-2002 金屬材料室溫拉伸試驗方法31.1 拉伸力(絕對)伸長曲線定義：記錄拉伸實驗中力與伸長量的關系曲線。ACBkeLFFe1、彈性變形階段：e以下2、A-C：屈服階段，不均勻屈服塑性變形3、C-B：均勻塑性變形階段4、B-k：頸縮階段(不均勻集中塑性變形階段）A0L041.2 應力應變曲線應力載荷除以試件

2、的原始截面積即得工程應力，應變伸長量除以原始標距長度即得工程應變，ksbSs真應力-應變曲線（工程應用）應力-應變51.3 室溫下幾種典型的拉伸曲線 s= 0.2sb玻璃陶瓷灰鑄鐵淬火高碳鋼銅合金正火退火碳素結構鋼低合金結構鋼高錳鋼高碳鋼冷拔鋼絲經(jīng)硬化的材料調質鋼黃銅、鋁合金6ACBke2 彈性變形 e1、彈性變形階段：e以下2、A-C：屈服階段，不均勻屈服塑性變形3、C-B：均勻塑性變形階段4、B-k：頸縮階段(不均勻集中塑性變形階段）7（工程）應力-應變曲線2 彈性變形定義8材料受外力作用發(fā)生尺寸和形狀變化，稱為變形。外力去除后隨之消失的變形為彈性變形，剩余的（久性的）變形為塑性變形。2.

3、1 彈性變形理論雙原子模型假定有兩個原子，N1與N2，原子之間存在長程的吸引力和短程的排斥力，外力F 作用下原子間距r 發(fā)生變化，則原子間作用力也發(fā)變化。式中，式中第一項為引力，第二項為斥力。A是與原子本性或晶體、晶格類型有關的常數(shù)。引 力斥力合力N2N1r9金屬彈性變形理論物理機制：外力致使處于平衡位置的原子位移，在宏觀上就是所謂彈性變形。外力去除后，原子復位，位移消失，宏觀彈性變形消失。102.2 胡克定律虎克定律：材料在彈性變形時，應變與應力成正比。(一) 簡單應力狀態(tài)的胡克定律1單向拉伸11胡克定律2. 剪切和扭轉3. E、G和的關系m軸鍵齒輪12胡克定律（二）廣義胡克定律實際機件受力

4、狀態(tài)比較復雜，應力往往兩向或者三向。xyzz z y z x x zx x y y z y xy式中 、 、 主應力； 、 、 主應變。 如果主應力中有壓應力時，其前方應冠以負號。求得的應變?yōu)檎枙r表示伸長，負號則為縮短。132.3 金屬彈性變形特征實質是外力作用下晶格中原子自平衡位置發(fā)生位移的結果加載卸載期內，應力與應變之間保持單值線性關系；彈性變形是可逆的變形量小，不超過0.5%1%變形速度快14電子顯微鏡首次拍攝到的氫化釩2.4 彈性模量 E金屬在彈性變形時，應變與應力成正比，比例常數(shù)即為彈性模量，E。彈性模量是產(chǎn)生100彈性變形所需的應力。這個定義對金屬而言是沒有任何意義的，因為金屬材

5、料所能產(chǎn)生的彈性變形量是很小的。剛度表征構件對彈性變形的抗力。其值愈大，則在相同應力下產(chǎn)生的彈性變形就愈小。15彈性模量的特點（1）彈性模量是一個表征晶體中原子間結合力強弱的物理量。因此，彈性模量也和其他的物理量如熔點、汽化熱等一樣，與原子鍵合方式、晶體結構關系密切。 除了過渡族金屬外，一般地講，彈性模量E隨原子半徑增大而減小，亦即隨原子間距的增大而減小。 過渡族金屬的彈性模量較大，。 （2）合金化、熱處理、冷塑變形對彈性模量的影響較小，金屬材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學性能指標。（3）一般地，加載速率并不影響彈性性能，因為固體的彈性變形以介質中的聲速傳播。因此，金屬的彈性變形速度很快

6、，遠遠超過一般的加載速率。（4）單晶各向異性，由大量隨機取向的晶粒組成的多晶體，其彈性性能卻顯示出各向同性。16幾種金屬材料在常溫下的彈性模量金屬材料E/105MPa結合鍵鐵2.17金屬銅1.25金屬鋁0.72金屬低碳鋼2.0金屬鑄鐵1.71.9金屬低合金鋼2.02.1金屬奧氏體不銹鋼1.92.0金屬金剛石11.4共價鍵聚乙烯0.002范德華力172.5 彈性比功指材料吸收變形功而不發(fā)生永久變形的能力，它標志著單位體積材料所吸收的最大彈性變形功，是一個韌性指標。e0 e 式中 彈性比功； 彈性極限； 最大彈性應變。18彈性極限彈性極限由彈性變形過渡到彈-塑性變形時的應力。超過彈性極限，開始發(fā)生

7、塑性變形。 e=Fe / A0 定義殘余變形為0.01%時對應的應力為規(guī)定彈性極限e。此時的彈性極限表示材料對微量塑性變形的抗力，是對組織敏感的力學性能指標。19彈簧材料的彈性比功彈簧的分類：硬彈簧：彈簧鋼制造，通過合金化、熱處理和冷加工，提高其彈性極限的方法來增大彈性比功。軟彈簧（儀表彈簧）：磷青銅或鈹青銅制作，具有較高的彈性極限和較小的彈性模量，因而彈性比功也較大。20 第二種故障主要是材料的彈性極限 偏低所致。改進措施：（1）更換彈性極限高的材料（2）對材料進行適當熱處理。思考題某汽車彈簧，在未裝滿載時已變形到最大位置，缺載后可完全恢復到原來狀態(tài)；另一汽車彈簧，使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)彈簧弓

8、形越來越小，即產(chǎn)生了塑性變形，而且塑性變形量越來越大。試分析這兩種故障的本質及改變措施。第一種故障主要是材料的剛度不足，抵抗彈性變形能力不夠。改進措施：（1）更換彈性模量E 高的材料（2）改變材料的截面形狀尺寸。比較彈性模量與彈性極限212.6 滯彈性實際金屬材料，即使在彈性變形范圍內，應變與應力也不呈嚴格的即時對應關系。應變不僅與應力有關，還與時間有關，應變落后于應力。較長時間保持載荷突然加載這種在彈性范圍內快速加載或卸載后，隨時間延長產(chǎn)生附加彈性應變的現(xiàn)象，稱為滯彈性。22原因和危害對于多晶體金屬材料，滯彈性與各晶粒中應變不均一性有關。 經(jīng)淬火或塑性變形的鋼材料的成分和組織不均勻 、應力作

9、用下金屬中點缺陷的產(chǎn)生、移動。測試溫度、載荷頻率越高滯彈性越明顯。應力狀態(tài)對滯彈性有強烈的影響：切應力分量愈大，愈明顯危害儀表和精密機械儀表精度不足甚至無法使用。制造業(yè)中構件的形狀穩(wěn)定性（校直的工件會發(fā)生彎曲）。減少彈性后效的辦法是長時間回火。2324氣壓計工作原理示意圖循環(huán)韌性在彈性范圍內對金屬快速加載，卸載時應變落后于應力，引起彈性滯后。因此，加載和卸載時的應力應變線不重合，形成一封閉的回線，稱為彈性滯后環(huán)。 由于彈性滯后，加載時金屬所吸收的彈性變形能大于卸載時所釋放的彈性變形能，即有一部分變形能不可逆地為金屬所吸收，其數(shù)值可用彈性滯后環(huán)的面積來量度。這種在交變載荷下吸收不可逆變形工的能力

10、，稱為金屬的循環(huán)韌性。25循環(huán)韌性的應用循環(huán)韌性是材料靠自身來消除機械振動的能力 （即消振性的好壞），所以在生產(chǎn)上是一個重要的機械性能指標，具有很重要的意義。循環(huán)韌性的應用：（1）減振材料（機床床身、缸體等），Cr13系列鋼和灰鑄鐵的循環(huán)韌性大，是很好的消振材料。（2）樂 器（音響效果元件音叉、簧片、鐘等）， 希望聲音持久不衰，即振動的延續(xù)時間長久，則必須使循環(huán)韌性盡可能小。262728與普通AFM探針相比，新奈材料提供的碳納米管AFM探針具有分辨率高，使用壽命長以及可以提高垂直方向探測深度等優(yōu)點這種懸臂大小在數(shù)十至數(shù)百微米，通常由硅或者氮化硅構成，其上載有探針，探針之尖端的曲率半徑則在納米量

11、級彈性系數(shù)為0.06 - 0.58 N/m2.7 包申格效應定義：經(jīng)過預先加載產(chǎn)生微量塑性變形（殘余應變小于4） ，然后再同向加載，其彈性極限升高；反向加載變形則其彈性極限降低的現(xiàn)象。124.00328.7217.848.5230.129包申格效應敏感材料：退火或高溫回火的金屬或合金。敏感工況： 組織不均勻、晶體內殘存應力或者加載速度很快的時候產(chǎn)生原因： 預塑性變形，位錯增殖、運動、纏結；同向加載，位錯運動受阻；反向加載，位錯被迫作反向運動，運動容易。30包申格效應的意義如果金屬材料預先經(jīng)受大量塑性變形，因位錯增殖和難于重分布，則在隨后反向加載時，包申格應變等于零。 用處： （1）包申格效應對

12、于承受應變疲勞載荷作用的機件在應變疲勞過程中，每一周期內都產(chǎn)生微量塑性變形，在反向加載時，微量塑性變形抗力(規(guī)定殘余伸長應力)降低，顯示循環(huán)軟化現(xiàn)象。 （2）對于預先經(jīng)受冷塑性變形的材料，如服役時受反向力作用，就要考慮微量塑性變形抗力降低的有害影響，如冷拉型材及管子在受壓狀態(tài)下使用就是這種情況。 （3）利用包申格效應，如薄板反向彎曲成型。拉撥的鋼棒經(jīng)過軋輥壓制變直等。 消除包申格效應的方法是:預先進行較大的塑性變形，或在第二次反向受力前先使金屬材料于回復或再結晶溫度下退火，如鋼在400500以上，銅合金在250270以上退火。313 塑性變形ACBke1、彈性變形階段：e以下2、A-C：屈服階

13、段，不均勻屈服塑性變形3、C-B：均勻塑性變形階段4、B-k：頸縮階段(不均勻集中塑性變形階段）323 塑性變形333.1 塑性變形的方式與特點塑性變形：外力移去后不能恢復的變形；塑性：材料經(jīng)受此種變形而不破壞的能力。 延伸率，斷面收縮率。%100%，常稱為超塑性。塑性變形和形變強化是金屬材料區(qū)別于其它工業(yè)材料的重要特征。陶瓷材料在高溫下也具有一定的塑性變形能力。34塑性變形物理過程塑性變形的方式：滑移：在形變溫度不低的情況下產(chǎn)生于滑移系多的晶系，對變 形量的貢獻大(90%)；孿生：產(chǎn)生于滑移系少的晶系，且須沖擊應力(來不及傳遞開)、溫度較低等條件下才發(fā)生，對變形量的貢獻??；擴散蠕變和晶界滑動

14、只在高溫時才起作用；353.1.1 滑移滑移：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的滑移面和滑移方向（滑移系）產(chǎn)生相對位移。c當作用在滑移面上沿著滑移方向的分切應力達到某一臨界值c時，晶體開始滑移。 = = c 是取向因子或Schmid因子。c為臨界分切應力。36實際測得晶體滑移的臨界分切應力值比理論計算值低34個數(shù)量級，理論和實驗研究的結果證明，滑移是通過位錯在滑移面上的運動來實現(xiàn)的；凡是影響位錯增殖和運動的各種因素都要影響材料的臨界分切應力。位錯的滑移37晶體結構滑移面滑移方向滑移系數(shù)目常見金屬面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106 212Fe,W,Mo體心立方

15、12112 112Fe,W12324 124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方最密排面最密排方向金屬的位錯滑移系38金屬材料的塑性差異Fcc的c 值比BCC 低一個數(shù)量級391、塑性變形時，晶體中固有滑移系并不同時開動，只有滑移系上的分切應力達到臨界值才會滑移。2、 對于體心立方晶體，其塑性變形主要由螺位錯的運動決定，面心立方晶體由刃位錯決定，在相同應力下，螺位錯運動速度比刃位錯慢很多。這是因為螺位錯是非平面位錯芯結構，具有很高的點陣阻力。為什么面心立方的金屬比體心立方的塑性好？3.1.2 孿生孿生變形：在切應力作用下，晶體的一部分沿某一晶

16、面相對另一部分產(chǎn)生剪切變形，晶體變形后兩部分呈鏡像對稱（孿晶）。對稱性低、滑移系少的晶體容易發(fā)生孿生變形。孿生可提供的變形量有限，如鎘孿生變形只提供約7.4%的變形量，而滑移變形量可達300%。但是孿生可以改變晶體取向，以便啟動新的滑移系統(tǒng)，或者使難于滑移的取向變?yōu)橐子诨频娜∠颉?0孿生特點（1）孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)內與孿晶面平行的每一層原子面均相對于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離，且每一層原子相對于孿生面的切變量跟它與孿生面的距離成正比。 （2）孿晶的兩部分晶體形成鏡面對稱的位向關系。（3）原子移動距離不是孿生方向原子間距整數(shù)倍。（3）孿生變形也是在切應力作用下發(fā)生的，并通常

17、出現(xiàn)于滑移受阻而引起的應力集中區(qū)，因此，孿生所需的臨界切應力要比滑移時大得多。 hcp容易孿生變形，低溫易發(fā)生孿生變形413.1.3 多晶體金屬塑性變形1. 晶粒之間塑性變形的不均勻性。塑性變形首先在個別取向有利的晶粒內先開始，然后擴展到整個系統(tǒng)。2. 變形的相互協(xié)調性。多晶體作為一個整體，不允許晶粒僅在一個滑移系中變形，否則將造成晶界開裂。五個獨立的滑移系開動，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。外應力與滑移面法線的夾角；外應力與滑移方向的夾角；coscos滑移取向因子。423.1.4 思考431、比較彈性變形與塑性變形：可逆性、速度、形變量、應力方向、機制等。2、比較滑移與孿生兩種機制

18、：方向性、難易程度、不同金屬不同機制、變形量、機制3.2 屈服現(xiàn)象與屈服強度44受力試樣中，應力達到某一特定值后，開始大規(guī)模塑性變形的現(xiàn)象稱為屈服。屈服現(xiàn)象是材料由彈性變形過渡到塑性變形的標志。低碳鋼單向拉伸應力-應變曲線ACBke屈服平臺45拉伸曲線中的三種典型屈服現(xiàn)象(a) 非均勻屈服-不連續(xù)屈服；(b) 均勻屈服；(c) 連續(xù)屈服 根據(jù)應力-應變曲線的特征，可將屈服分為非均勻屈服(不連續(xù)屈服)、均勻屈服和連續(xù)屈服三種。 屈服曲線形式463.2.1 屈服現(xiàn)象47屈服是一個不均勻塑性變形過程。首先開始于試樣微觀不均勻處，或應力集中的部位，一般在距離試樣夾持點較近的地方。此時可觀察到滑移帶：l

19、ders帶。屈服現(xiàn)象48Lder帶的產(chǎn)生：單軸拉伸試樣在最大切應力作用下局部滑移處應力集中嚴重化，成為Lder帶的起點。Lder帶前一般與拉伸軸成約45度。外應力與滑移面法線的夾角；外應力與滑移方向的夾角；coscos滑移取向因子。49Lders帶的寬度為幾個晶粒大小。50Lders帶掃過的地方，試樣橫截面有明顯的收縮。當試樣被Lders帶掃過一遍后，繼續(xù)拉伸出現(xiàn)硬化現(xiàn)象。51屈服現(xiàn)象（包括Lder帶）實際上反映了材料的微觀不均勻變形過程。拉伸過程中應變分布及l(fā)uders條帶移動52呂德斯帶是退火的低碳鋼薄板在沖壓加工時于局部突然屈服產(chǎn)生不均勻變形，在鋼板表面產(chǎn)生條帶狀皺褶的一種現(xiàn)象。對沖壓件

20、來說，呂德斯帶的出現(xiàn)是不容許的，它會使工件表面產(chǎn)生皺褶，影響工件的表面質量。對于承受高壓沖擊載荷的鋼質薄壁高壓容器來說，呂德斯帶還會使容器在使用中產(chǎn)生體裂，造成事故，嚴重影響容器的使用性能。屈服現(xiàn)象的產(chǎn)生的條件53研究指出，屈服現(xiàn)象的發(fā)生與下述三個因素有關: 材料在變形前可動位錯密度很小(或雖有大量位錯但被釘扎住，如鋼中的位錯為雜質原子或第二相質點所訂扎)； 隨塑性變形發(fā)生，位錯能快速增殖； 位錯運動速率與外加應力有強烈依存關系。位錯增殖54材料的塑性應變速率為，其中， 為可動位錯密度，為位錯運動速度，b為位錯柏氏矢量。塑性變形開始前較低，為保證變形速率，位錯的平均運動速率需要提高。塑性變形開

21、始后， 增大，位錯平均運動速度下降。位錯運動速率應力敏感指數(shù)55其中，m值越小，使位錯運動速率變化所需的應力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。bcc金屬mm100。錯運動速度決定于所受的外力：為作用于滑移面上的切應力；0為位錯以單位速度運動所需的切應力；m為位錯運動速率的壓力敏感系數(shù)。位錯運動速率應力敏感指數(shù)56上屈服點：塑性變形前有限，為保證變形速率，v需要提高，分切應力需要提高；下屈服點：塑性變形發(fā)生，位錯大量增殖，使可動位錯密度迅速增加，從而使位錯運動速度降低和所需的應力下降，這就是屈服降落?？麓範枤鈭F57Cottrell(1948)提出小半徑原子（C,N）與位錯彈性相互作用應用于-Fe的屈服問

22、題。小半徑溶質原子在位錯附近形成氣團，釘扎位錯，提高了位錯起始運動的阻力。一旦位錯在外力和熱激活作用下擺脫氣團釘扎，此時位錯繼續(xù)運動所需的力小于擺脫氣團釘扎的時候，也就是宏觀表現(xiàn)出金屬的突然變軟?？梢远康姆显囼灉y得-Fe的上屈服應力與溫度的關系。缺點是無法解釋晶粒大小與屈服強度的關系，以及單晶體的屈服強度總小于多晶體的現(xiàn)象。3.2.2 屈服強度58屈服強度：呈屈服現(xiàn)象的材料拉伸時，外力不再增加仍能繼續(xù)伸長時的應力，或是材料抵抗微量塑性變形的抗力，采用s 或0.2 表示。ACLFFsuFsl1、出現(xiàn)明顯的屈服平臺上屈服點：su=Fsu/A0下屈服點：sl=Fsl/A0一般用下屈服點sl表征材

23、料的屈服強度屈服強度592、無明顯屈服平臺規(guī)定非比例伸長應力 標距部分非比例伸長達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力，p0.2, p0.05。LFFp0.2p0.2=Fp0.2 / A0=L0 0.2%屈服強度60規(guī)定總伸長應力 加載時總伸長達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力，常用總伸長率0.5%。t0.5, 。t0.5=Ft0.5 / A0LFFt0.5=L0 0.5%規(guī)定殘余伸長應力 拉伸應力卸載后，其標距部分的殘余伸長達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力，常用殘余伸長率0.2%時的應力， r0.2。屈服強度的工程意義61從靜強度角度選擇韌性材料的基本判據(jù)：傳統(tǒng)強度設計方法規(guī)定： = s / n復雜

24、受載狀況：屈雷斯加最大切應力判據(jù)：米塞斯畸變能判據(jù)：62金屬塑性加工加工時塑性變形抗力較低一些 多采用熱加工 材料生產(chǎn)者必須可以調控材料的屈服強度 為此，必須了解強度的影響因素其他工藝性能的度量參考：屈服強度高，氫脆和應力腐蝕敏感；屈服強度低，冷加工性能和焊接性能好。3.3 影響屈服強度的因素631、影響屈服強度的內因 (1) 基體金屬的本性及晶格類型 塑性變形主要沿基體相進行。 位錯所受的阻力包括：晶格阻力(P-N力)、位錯間的交互作用力。64 主要結論 晶體滑移所需克服的切應力是很低的； 滑移面間距a值越大，柏氏矢量的模b越小，則晶格阻力越小； 位錯寬度越小，滑移的晶格阻力越大； 提高位錯

25、密度增加了位錯運動的阻力，可以增加屈服強度。 影響屈服強度的因素65(2) 晶粒大小和亞結構 晶界(亞晶界)是位錯運動的障礙。要使相鄰晶粒中的位錯源開動，必須加大外應力霍爾-派奇公式。 細晶強化：用細化晶粒提高金屬屈服強度(同時可以提高其塑性)的方法稱為細晶強化。影響屈服強度的因素663）溶質元素固溶強化：在純金屬中加入溶質原子形成固溶體合金，將顯著提高屈服強度，稱為固溶強化。鐵素體中固溶強化效果 影響屈服強度的因素674) 第二相不可變形的第二相，位錯只能繞過，留下的位錯環(huán)減小了第二相之間的距離，增大流變阻力?？勺冃蔚牡诙啵诲e切過，晶格錯排，以及新的界面產(chǎn)生需要能量。液液稀土摻雜鉬合金制

26、備68影響屈服強度的因素692、外在因素1）溫度：一般，溫度升高金屬材料的屈服強度降低；bcc金屬較為明顯2）應變速率：應變速率提高，金屬屈服強度增加；3）應力狀態(tài)：切應力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強度越低。思考：提高屈服強度的機制701、固溶強化2、形變強化3、沉淀強化和彌散強化4、細晶強化：既能提高強度又能增加塑性。3.4 應變硬化71定義：金屬材料屈服后，只有繼續(xù)提高應力才能使得塑性變形繼續(xù)進行，這個現(xiàn)象稱作應變硬化，或加工硬化、形變強化。原因：位錯增殖與運動受阻。工程應力-應變曲線中，當載荷超過曲線上最大值后，繼續(xù)變形，應力下降，此與材料的實際硬化行為不符。準確全面描述材料的應變

27、硬化行為，要使用真實應力-應變曲線。應變硬化72表征：Hollomon公式S為真實應力；e為真實應變；n為硬化指數(shù)；K為硬化系數(shù)。n=1，理想彈性體n=0，理想塑性體大部分工業(yè)金屬材料應變硬化73n的物理意義：反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。n的特點：隨層錯能降低而增加，對金屬材料冷熱變形十分敏感，退火態(tài)金屬n高，處于冷機工狀態(tài)時比較小，而且會隨金屬強度等級降低而增加。實驗證明，n與材料的屈服強度大致呈反比關系；材料晶粒變粗n值提高。應變硬化74n的工程意義：決定了材料開始頸縮時的最大應力，決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻應變量（頸縮）。對于服役中的工件，有一定的加工硬化能力可防止偶爾過載引

28、起過量塑性變形、局部不均勻變形或者斷裂。和塑性變形適當配合可使金屬進行均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實施。 強化金屬；可降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性能。應變硬化75室溫下幾種材料的n、K值3.5 頸縮現(xiàn)象與抗拉強度76定義頸縮是材料在拉伸實驗時變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象，是應變硬化與截面減小的共同作用結果。ACBkeB點之前，應力不斷提高，B點之后，應力下降，B點是最大力點，也是局部塑性變形的開始點。77頸縮的判據(jù)78頸縮前變形沿整個試樣長度是均勻的，頸縮后變形主要集中在局部區(qū)域。出現(xiàn)頸縮時，相當于載荷F-變形曲線上的最大載荷處，因此有：頸縮的判據(jù)79應變硬化表征：Hollomon公式

29、S為真實應力；e為真實應變；n為硬化指數(shù)；K為硬化系數(shù)。頸縮的判據(jù)80應變硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑性應變量時，頸縮就會產(chǎn)生。工業(yè)純鐵真應力-應變曲線兩個曲線交點的左側dS/dS,即加工硬化作用足以補償應力的升高，而在交點右側dS/dS，加工硬化能力較弱，導致頸縮的發(fā)生?？估瓘姸?1韌性金屬試樣拉斷過程中，最大力所對應的應力稱為抗拉強度。ACBkeLFFe抗拉強度的實際意義82韌性金屬材料實際承載能力，光滑試樣單向拉伸。用于產(chǎn)品規(guī)格說明、質量控制指標。脆性材料產(chǎn)品設計時候的許用應力判據(jù)。高低決定于屈服強度和應變硬化指數(shù)。屈服強度與布氏硬度、疲勞極限-1之間存在經(jīng)驗公式。3.6 塑性83定義金屬

30、材料斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分構成。金屬材料常用的塑性指標為斷后伸長率斷面收縮率。84塑性的意義851、不能直接用于機件設計，預防偶然過載，緩和應力；2、松弛裂紋尖端局部應力，阻滯裂紋擴展；3、對金屬材料的加工成形十分重要。3.7 靜力韌度86 韌度是度量材料韌性的力學性能指標，其中又分靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。 金屬材料在靜拉伸時單位體積材料斷裂前所吸收的功定義為靜力韌度，它是強度和塑性的綜合指標。測出材料真實應力-應變曲線下包圍的面積，可以精確獲得靜力韌度值。但工程上用近似計算方法，如對韌性材料，靜力韌度為 或 靜力

31、韌度對于按屈服強度設計，而在服役中有可能遇到偶然過載的機件如鏈條、起重吊鉤等，是必須考慮的重要指標。 4. 金屬的斷裂878889904 金屬的斷裂91斷裂：應力、熱、介質作用下金屬材料被分成兩個或幾個部分；內部存在裂紋。過程：裂紋的萌生和裂紋的擴展內容：斷裂的基本類型斷裂微觀形貌斷裂的物理過程和微觀機制目的：研究斷裂過程的機理及其影響因素，認識斷裂過程，實施斷裂控制。斷口分析921、斷口處理斷裂發(fā)生的環(huán)境不同：干燥空氣、油污、潮濕空氣、腐蝕環(huán)境中等2、斷口分析斷口分析宏觀分析延、脆、疲勞裂紋源微觀分析成分形貌機理934.1 斷裂的類型1. 韌性斷裂與脆性斷裂2. 穿晶斷裂與沿晶斷裂3. 純剪

32、切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂 磨損、腐蝕和斷裂是機件的三種主要失效形式，其中以斷裂的危害最大。944.1.1 按塑性變形量區(qū)分 韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷地消耗能量。 中、低強度鋼的光滑圓 柱試樣在室溫下的靜拉伸斷 裂是典型的韌性斷裂，其宏 觀斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、 放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組 成，即所謂的斷口特征三要 素。95韌性斷裂96 光滑圓柱拉伸試樣的宏觀韌性斷口的形成過程d) 微孔連續(xù)形成鋸齒狀 e) 邊緣剪切斷裂縮頸導致三向應力 微孔成長 c) 微孔長大 脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性

33、變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大。 脆性斷裂的斷裂面一般與正應力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結晶狀。板狀矩形拉伸試樣斷口中的人字紋花樣如圖所示。 脆性斷裂974.1.2 按照裂紋擴展途徑 多晶體金屬斷裂時，裂紋擴展的路徑可能是不同的。穿晶斷裂的裂紋穿過晶內；沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴展沿晶斷裂的斷口形貌呈冰糖狀 。穿晶斷裂和沿晶斷裂有時可以混合發(fā)生。9899304不銹鋼焊接熱影響區(qū)晶界被削弱4.1.3 按照斷裂面取向100正斷和切斷4.1.4 按照塑性變形量大小分類的問題1011、沒有絕對的脆性斷裂事實上，金屬中絕對的脆性斷裂（在微觀上為純解理斷裂）是很少見的，因為斷裂前總是要伴隨那怕是很

34、小的塑性變形玻璃4.1.4 按照塑性變形量大小分類的問題1022、量化區(qū)分標準與微觀機理之間存在矛盾工程實際上判斷脆性與韌性斷裂：5%定義為韌性斷裂。一些光滑試樣的脆性斷裂，按照收縮率標準，盡管其斷口齊平，斷口上看不到纖維區(qū)、剪切唇，只存在放射區(qū)。但在微觀上是準解理，甚至還有不少韌窩。4.1.4 按照塑性變形量大小分類的問題1033、脆性斷裂的涵蓋太廣脆性斷裂意味著斷裂應力低于材料屈服強度。廣義上脆性斷裂包括低應力脆斷，環(huán)境脆斷和疲勞斷裂。 狹義斷裂的分類(習慣)：一般脆性斷裂特指低應力脆斷，在彈性應力范圍內一次加載即產(chǎn)生斷裂，包括：材料冶金質量有關低溫脆斷；零件的結構特點有關應力集中（缺口敏

35、感）;加載速率有關動載脆斷等。4.1.3 按照斷裂機理（1）剪切斷裂 剪切斷裂是金屬材料在切應力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，其中又分清斷(純剪切斷裂)和微孔聚集型斷裂。 （2）解理斷裂 解理斷裂是金屬材料在一定條件下(如低溫)，當外加正應力達到-定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學平面為解理面。解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。 1044.2 解理斷裂機理及微觀斷口特征105解理斷裂是在正應力作用下，金屬原子鍵遭到破壞而產(chǎn)生的一種穿晶斷裂。其斷裂特點是，解理裂紋起源于晶界、亞晶界、孿晶交叉處，并嚴格按照金屬的結晶學平面擴

36、展，其斷裂單元為一個晶粒尺寸。4.2 解理斷裂機理及微觀斷口特征1061、裂紋的形成 甄納-斯特羅的位錯塞積理論思想：a 滑移時位錯遇到障礙產(chǎn)生應力集中。 b 相鄰晶粒不屈服，應力集中得不到松弛形成解理裂紋。1、解理裂紋的形成107 柯垂耳位錯反應理論 晶內解理和bcc晶體，可以借助位錯反應形成裂紋。2、解理裂紋的擴展108 解理斷裂過程包括如下三個階段:塑性變形形成裂紋；裂紋在同一晶粒內初期長大；裂紋越過晶界向相鄰晶粒擴展，它和多晶體金屬的塑性變形過程十分相似。 109 c表示長度相當于直徑d的裂紋擴展所需要的應力，或裂紋體的實際斷裂強度。屈服時產(chǎn)生解理斷裂(動力學)條件：110晶粒大小對低

37、碳鋼屈服應力和斷裂應力的影響 解理裂紋擴展的條件：存在拉應力；表面能s較低；裂紋長度大于臨界尺寸。3、解理斷裂微觀斷口特征111解理臺階，河流花樣和舌狀花樣是解理斷裂的基本微觀特征。解理斷裂并不是在單一的解理面進行，而是沿著一組相互平行的晶面進行，不同高度上的解理面以解理臺階相連。在解理裂紋的擴展過程中，解理臺階相互匯合形成河流花樣。舌狀花樣是解理面和形變孿晶相互作用形成。解理臺階112理裂紋AB與螺位錯CD相交在斷面上形成高度為柏氏矢量b的解理臺階。22Cr：整個斷口全部是較平整的片狀形貌，為解理斷裂。河流花樣113臺階沿裂紋前端滑移而相互匯合長大，形成河流花樣。河流的流向和裂紋擴展方向一致。河流花樣是解理斷裂的重要微觀依據(jù)。Cd合金斷口舌狀花樣114材料：0Cr13工況：1020保溫后油淬，低溫沖擊試驗解理斷裂的另一個微觀特征是舌狀花樣，它是解理裂紋沿孿晶界擴展而留下的舌狀凸臺或凹坑。 準解理115 準解理：由于晶體內存在彌散硬質點，解理裂紋起源于晶內硬質處點，其擴展不是嚴格沿著一定晶體學平面，微觀形態(tài)似解理河流又非真正解理，故稱準解理。淬火+低溫回火高強度鋼常見。 (1) 準解理與解理的相同點 都是穿晶斷裂；有小解理刻面；有解理臺階或撕裂棱及河流花樣。 116 (2) 準解理與解理的不同點 準解理小刻面不是晶體學解理面； 真正解理裂紋常源于晶界