金屬在單向靜拉伸下的力學(xué)性能

1、第一章金屬在單向靜拉伸下的力學(xué)性能單向靜載拉伸是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能實驗之一，該實驗的特點是溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速 率是確定的，通過該實驗可以給出金屬材料最基本的力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長 率、斷面收縮率。1.1拉伸曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力和應(yīng)變復(fù)習(xí)應(yīng)力、應(yīng)變的定義，包括正應(yīng)力、切應(yīng)力、正應(yīng)變、切應(yīng)變。 給出在拉伸條件下工程應(yīng)力、工程應(yīng)變（又稱為名義應(yīng)力、名義應(yīng)變）真應(yīng)力、真應(yīng)變 的定義。應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)拉伸曲線、應(yīng)力應(yīng)變曲線拉伸曲線：拉伸實驗時所記錄的載荷-伸長曲線。將拉伸曲線的載荷-伸長坐標(biāo)分別用試樣原始截面積和原始標(biāo)距長度去除，則得到應(yīng) 力應(yīng)變曲線。真應(yīng)力應(yīng)變曲線。拉伸實驗中金

2、屬材料的變形過程通常包括彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。1.2彈性變形階段的力學(xué)性能一、彈性變形及其實質(zhì)彈性變形特點：3微觀實質(zhì)：晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。二、彈性模量 是材料彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變正比關(guān)系的比例系數(shù)，表征金屬材料對彈 性變形的抗力。彈性模量與原子間作用力有關(guān)，主要決定于金屬原子本性和晶格類型。 彈性模量是一個對組織不敏感的力學(xué)參數(shù)，合金中溶質(zhì)原子及熱處理工藝 對其影響不大，冷塑性變形和升高溫度可使其降低。三、比例極限和彈性極限比例極限為拉伸過程中應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力。彈性極限為材料在拉伸過程中由彈性變形過渡到塑性變形時的應(yīng)力。四、彈性比功材料開始塑性

3、變形前單位體積所吸收的最大彈性變形功，表示金屬材料吸收彈性變形功的能力。彈性比功決定于材料的彈性模量和彈性極限。五、彈性不完整性完全的彈性變形與載荷方向和加載時間無關(guān)，而實際的彈性變形與這些因素有關(guān)，產(chǎn)生了彈性不完整性：（1）包申格效應(yīng)（Bauschinger）; （2）彈性后效；（3）彈性滯后。1-3塑性變形階段的力學(xué)性能一、金屬的塑性變形方式及特點常見塑性變形方式有滑移和攣生。fcc,多晶體金屬塑性變形特點：（a）各晶粒變形的不同時性和不均勻性；（b）各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性。二、屈服現(xiàn)象、屈服點和屈服強(qiáng)度屈服現(xiàn)象的定義：材料在拉伸變形時，從彈性變形到塑性變形存在一個明顯的過渡，表 現(xiàn)為載荷

4、增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后在載荷不增加或在某一不變值附近波動的情 況下，試樣繼續(xù)伸長變形。屈服現(xiàn)象是金屬材料開始出現(xiàn)塑性變形的標(biāo)志。上屈服點、下屈服點、屈服伸長、屈服平臺、呂得斯（Luders）帶或屈服線屈服現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：（1）間隙原子對位錯的釘扎作用；-（2）z= bPv , v =遼o屈服強(qiáng)度：上屈服點受實驗條件影響大，而下屈服點再現(xiàn)性比較好，通常將下屈服點記作。無明顯屈服現(xiàn)象的材料，屈服強(qiáng)度記作C0-2。10 .屈服強(qiáng)度的意義，屈強(qiáng)比。三、影響屈服強(qiáng)度的因素1-影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)在因素a）金屬本性及晶格類型b） 晶粒大小與亞結(jié)構(gòu)（細(xì)晶強(qiáng)化）c）溶質(zhì)原子（固溶強(qiáng)化）d）第二相粒子（彌散

5、強(qiáng)化）2.影響屈服強(qiáng)度的外在因素溫度應(yīng)變速率應(yīng)力狀態(tài)四、屈服判據(jù)(屈服條件)Tresca最大切應(yīng)力理論Von Mises畸變能理論五、形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化的意義：使機(jī)件具有一定的抗偶然過載能力；使金屬進(jìn)行均勻的塑性變形；強(qiáng)化金屬材料的重要手段；降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性能。Hollomon關(guān)系，形變強(qiáng)化指數(shù)形變強(qiáng)化指數(shù)n反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。六、頸縮現(xiàn)象韌性金屬材料在拉伸實驗時形變集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象，是形變強(qiáng)化(物理因素)與截面減小(幾何因素)共同作用的結(jié)果。dS頸縮判據(jù)：de七、抗拉強(qiáng)度與真實斷裂強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度的意義：(1)標(biāo)志塑性金屬材料的實際承載能力；(2)在有些場

6、合，可以使用Gb作為設(shè)計依據(jù)；(3)；鼻與布氏硬度、疲勞強(qiáng)度間有一定的對映關(guān)系。八、金屬的塑性塑性是指金屬斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。1.伸長率CJ,斷面收縮率c ):=! 10 100%, = Ao A 100% IQ A0金屬斷裂時的塑性變形包括均勻變形與集中變形(頸縮附近)兩部分，金屬的塑性變形與形變強(qiáng)化同步進(jìn)行是產(chǎn)生均勻變形的先決條件。頸縮后，由于形變強(qiáng)化跟不上塑性變 形的發(fā)展，遂由均勻變形轉(zhuǎn)變?yōu)榧凶冃巍?總塑性（最大塑性）均勻變形（B）與集中變形（U）兩部分。對于形成頸縮的塑性金屬有：（1）均勻變形量 比集中變形量小很多，前者通常不超過后者的50% , （2）試樣標(biāo)距長度越小，集中變

7、形所占的比例越大。3塑性的意義和影響因素意義：（1）防止偶然過載時，突然產(chǎn)生破壞，（2）金屬材料的塑性變形，可以使金屬在 軋制、擠壓等冷變形壓力加工時，得到合格產(chǎn)品，（3）塑性大小可反映材料冶金質(zhì)量好壞。影響因素：（1）平均晶粒尺寸，（2）溶質(zhì)原子，間隙式溶質(zhì)原子對塑性的降低大于置換 式溶質(zhì)原子，（3）碳化物、硫化物等第二相。實驗證明，b主要取決于基體相，u除取決于基體相外，還受第二相影響。九、靜力韌度九、靜力韌度韌度是度量金屬材料WSd；）,分為韌度是度量金屬材料WSd；）,分為只有在強(qiáng)度與塑性較好配合下，才能獲得較好的韌性。，危害最大；（2）分，危害最大；（2）分?jǐn)嗔咽墙饘俨牧先N失效形式

8、之一（斷裂、腐蝕、磨損）為完全斷裂和不完全斷裂；（3）斷裂過程包括裂紋形成與裂紋擴(kuò)展兩個階段。一、斷裂的類型一、1韌性斷裂與脆性斷裂（根據(jù)斷裂前是否產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形）斷口特征三要素：纖維 區(qū)F、放射區(qū)R和剪切唇S。1-10拉忡斤口呈規(guī)的三個氏 誠穿晶斷裂與沿晶斷裂（根據(jù)裂紋擴(kuò)展路徑）解理斷裂、純剪切斷裂與微空聚集型斷裂（根據(jù)斷裂機(jī)理）解理斷裂是金屬材料在一定條件當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一解理斷裂是金屬材料在一定條件當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一因與大理石的斷裂下（如低溫）定程度后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。類似，故稱為解理斷裂，該晶體學(xué)平面為解理面（一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面）。bcc

9、: 001,112hep: （0001）,1100）,（11 一 24）fcc:無解理斷裂。解理斷裂總是脆性斷裂。（2）剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，分為純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂（常見的金屬斷裂形式）。此外，根據(jù)斷裂面的取向分類：如果斷裂面垂直于最大正應(yīng)力，稱為正斷斷裂，斷裂面與最大切應(yīng)力方向一致而與最大正應(yīng)力方向成45度角，稱為切斷斷裂。S S Ok 0. S S 0圖靜拉伸的新口脆性斷裂機(jī)理與微觀特征解理裂紋的形成和擴(kuò)展Zener-Stroh位錯塞積理論2） Cottrel位錯反應(yīng)理論(3) Smith 模型脆性斷裂的微觀特征(1)(1)(2)河流

10、花樣：臺階匯合，同號長大，形成河流，異號相消。 舌狀花樣：解理面與攣晶面相遇，形成舌狀花樣。韌性斷裂機(jī)理與微觀特征純剪切斷裂與微空聚集型斷裂微孔形核、長大和聚合。韌性斷裂的微觀特征韌窩是微孔形核長大和聚合在斷口上留下的痕跡，是韌性斷裂的基本特征，根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)不同，可分為：等軸韌窩（正應(yīng)力垂直于微孔），拉長韌窩（扭轉(zhuǎn)或雙向不等拉伸切應(yīng)力），撕裂韌窩（拉、彎聯(lián)合作用）。四、斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度：在外加正應(yīng)力作用下，將晶體的兩個原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力，稱為理論斷裂強(qiáng)度。但異-m =E，彈性模量，s,表面能，a0,相鄰原子間平均距離。斷裂強(qiáng)度的裂紋理論（Griffith）理論-C -日二

11、 E（2s J五、2a,論的應(yīng)用-1 兀 a J五、2a,論的應(yīng)用!裂理度，s,表面能，p,塑性功。ky= 2G ；q為減低金屬材料脆斷傾向，應(yīng)提高G、s、q,降低G、d、ky。六、力學(xué)狀態(tài)圖屈服和斷裂（韌性的或脆性的，正斷或切斷）是金屬材料的失效形式，失效類型取決于應(yīng) 力狀態(tài)、材料性能、溫度和加載速率。力學(xué)狀態(tài)圖：統(tǒng)一考慮材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度極限條件與失效形式，用圖解的方法對其關(guān)系進(jìn)行概括和總結(jié)。tmax（1 ）溫度降低，可提高,而tf與;二基本不變。（2 ）提高加載速率對斷裂類型的影響與降 低溫度等效。提高加載速率、降低溫度和造成硬的應(yīng)力狀態(tài)（減?。┦鞘共牧献兇嗟娜笠蛩?。力學(xué)狀態(tài)圖的應(yīng)用：（1）預(yù)測斷裂類型；（2）合理選擇和利用材料；（3）正確選擇力學(xué)性能測試方法。習(xí)題一、名詞解釋1 彈性變形；2.塑性變形；3.屈服強(qiáng)度；4,抗拉強(qiáng)度；5,韌性；6,延伸率；7.斷面收縮率；8形變強(qiáng)化；9.頸縮現(xiàn)象；10.應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)。二、簡答題1彈性變形的