第一章 材料單向靜拉伸的力學性能-材料性能學

第一章材料單向靜拉伸的力學性能一.力——伸長曲線§1-1力——伸長曲線和應力——應變曲線拉伸試驗（GB/T228-2002）圓形試樣直徑d0=3-25mm，有效長度l0=5×d0、10×d0板狀試樣有效寬度b0=10、15、20、30mm計算機控制電子萬能試驗機

單片機控制電子萬能試驗機

液壓萬能試驗機

材料的力——伸長曲線彈性變形均勻塑變非均勻塑變斷裂材料在載荷作用下的力學行為材料力學行為變形斷裂彈性變形塑性變形非線彈性變形線彈性變形均勻塑性變形非均勻塑性變形{{{{1高碳鋼2低合金結(jié)構(gòu)鋼3黃銅4陶瓷、玻璃5橡膠6工程塑料幾種材料的力——伸長曲線應力σ=F/A應變ε=△L/L二.應力——應變曲線低碳鋼的應力——應變曲線真實應力——應變曲線真實應變、真實應力與工程應變、工程應力的關(guān)系：§1-2彈性變形及其性能指標一.彈性變形的本質(zhì)彈性變形：物體在外力作用下產(chǎn)生了變形，當外力去除后能恢復原來形狀的變形。普彈性金屬材料、陶瓷材料、玻璃態(tài)高分子材料可逆性小變形量：0.1-1.0%高彈性高分子聚合物可逆性大變形量：5-10%熱效應：伸長時放熱，回縮時吸熱。i+1i高分子鏈鍵角轉(zhuǎn)動模型1-引力2-斥力3-合力雙原子模型二.彈性模數(shù)單元體應力分量廣義虎克（HookeR.）定律虎克定律工程應用形式狹義虎克定律式E：宏觀彈性模數(shù)，楊氏模數(shù)（YoungT.)G：切變彈性模數(shù)定義：當應變?yōu)橐粋€單位時，彈性模數(shù)即為彈性應力即產(chǎn)生100%彈性變形時所需要的應力。

意義：材料對彈性變形的抵抗能力。剛度材料剛度=彈性模數(shù)E構(gòu)件剛度G=E×A幾種材料在常溫下的彈性模數(shù)材料名稱彈性模數(shù)E材料名稱彈性模數(shù)E低碳鋼低合金鋼奧氏體不銹鋼銅合金鋁合金鈦合金金剛石碳化硅三氧化二鋁2.0×105（2.2-2.0）×105（2.0-1.9）×105（1.3-1.0）×105（0.75-0.60）×105（1.16-0.96）×10510.39×1054.14×1053.8×105尖晶石石英玻璃氧化鎂氧化鋯尼龍聚乙烯聚氯乙烯皮革橡膠2.4×1050.73×1052.1×1051.9×105（0.32-0.25）×105（4.3-1.8）×103（2.8-0.1）×103（4.0-1.2）×102（7.8-0.2）×10三.影響彈性模數(shù)的因素彈性模數(shù)：結(jié)合鍵強度的主要標志。鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)共價鍵、離子鍵、金屬鍵＞范德華鍵、氫鍵無機非金屬材料、金屬材料＞高分子材料晶體結(jié)構(gòu)單晶體：各向異性，多晶體：偽各向同性非晶體：各向同性化學成分固溶體：決定于溶劑，溶質(zhì)含量增大彈性模數(shù)多相合金：合金成分，第二相性質(zhì)、數(shù)量、尺寸、分布狀態(tài)微觀組織影響較小溫度溫度升高，彈性模數(shù)降低加載條件和負載時間加載方式、速率、負載時間對金屬、陶瓷幾乎沒有影響高分子聚合物彈性模數(shù)隨負載時間延長而降低影響因素四.比例極限與彈性極限比例極限：保證材料的彈性變形按比例關(guān)系變化的最大應力。應力——應變曲線上，開始偏離直線時的應力值。彈性極限：材料由彈性變形過渡到彈塑性變形時的應力。應力——應變曲線上，開始產(chǎn)生塑性變形的應力值。規(guī)定非比例伸長應力：非比例伸長達到原始標距長度規(guī)定的百分比時的應力。如：五.彈性比功用途：制造彈簧的材料，要求彈性比功大。彈性比功（彈性比能、應變比能）：材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力。表示方式：材料彈性變形達到彈性極限時單位體積吸收的彈性變形功。幾何意義：應力-應變曲線上彈性階段下的面積。σσeεeεe§1-3非理想彈性與內(nèi)耗彈性理想彈性（完全彈性）非理想彈性（彈性不完整性）服從虎克定律應變對應力的響應是線性的應力與應變同相位應變是應力的單值函數(shù)滯彈性粘彈性偽彈性包申格效應彈性：材料受載后產(chǎn)生一定的變形，卸載后這部分變形消失，恢復原來狀態(tài)的性質(zhì)。一.滯彈性滯彈性示意圖實際金屬材料，彈性變形不僅是應力的函數(shù)，而且還是時間的函數(shù)。⑴定義在彈性范圍內(nèi)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。

⑵影響因素：晶體中的點缺陷；顯微組織的不均勻性。切應力越大，影響越大。溫度升高，變形量增加。⑶危害：長期承載的傳感器，影響精度。二.粘彈性（Viscoelasticity

）彈性：材料受載后產(chǎn)生一定的變形，卸載后這部分變形消失，恢復原來狀態(tài)的性質(zhì)。粘性：流體內(nèi)部質(zhì)點間作相對運動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的特性稱為粘性。粘性是流動性的反面。粘彈性：材料組合了固體的彈性和流體的粘性兩者的特征的力學行為。粘彈性的特征：彈性變形的時間效應.uF0xu=0yYdudy牛頓粘性定律：剪應力的大小與速度梯度成正比彈性粘彈性非線性粘彈性線性粘彈性高彈性普彈性動態(tài)靜態(tài)粘性Deformation形變性能ElasticityHighelasticityViscosityviscoelasticityLinearviscoelasticityStaticDynamicNon-Linearviscoelasticity應力松弛蠕變滯后力學損耗三.偽彈性偽彈性應力——應變曲線AB：常規(guī)彈性變形B（σBM

）：應力誘發(fā)馬氏體相變開始點C：馬氏體相變結(jié)束點CD：馬氏體彈性變形DF：卸載，馬氏體變形恢復F（σFP）：馬氏體逆相變開始點G：馬氏體逆相變結(jié)束GH：初始組織變形恢復偽彈性：應力誘發(fā)馬氏體相變產(chǎn)生大幅度彈性變形的現(xiàn)象。四.包申格效應（BauschingerEffect)包申格效應示意圖定義：材料經(jīng)過預先加載并產(chǎn)生少量塑性變形，卸載后，再同向加載，彈性極限增加，反向加載，彈性極限降低的現(xiàn)象。微觀本質(zhì)：預塑性變形，位錯增殖、運動、纏結(jié)；同向加載，位錯運動受阻，殘余伸長應力增加；反向加載，位錯被迫作反向運動，運動容易殘余伸長應力降低。包申格效應的危害及防止方法交變載荷情況下，顯示循環(huán)軟化（強度極限下降）預先進行較大的塑性變形，可不產(chǎn)生包申格效應。第二次反向受力前，先使金屬材料回復或再結(jié)晶退火。五.內(nèi)耗循環(huán)應力、應變與時間的關(guān)系單向加載、交變加載滯后環(huán)由于應變滯后于應力，使加載曲線與卸載曲線不重合而形成的閉合曲線，稱為彈性滯后環(huán)。物理意義：

加載時消耗的變形功大于卸載時釋放的變形功?；?，回線面積為一個循環(huán)所消耗的不可逆功。這部分被金屬吸收的功，稱為內(nèi)耗。內(nèi)耗示意圖

內(nèi)耗取決于應變與應力之間的相角差δ：W：振動能，T：振幅，ν：振動頻率Δm：模量虧損，ω：應變角頻率，τ：馳豫時間循環(huán)韌性：

若交變載荷中的最大應力超過金屬的彈性極限，則可得到塑性滯后環(huán)。金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，叫循環(huán)韌性。循環(huán)韌性又稱為消振性。循環(huán)韌性不好測量，常用振動振幅衰減的自然對數(shù)來表示循環(huán)韌性的大小。循環(huán)韌性的應用：

減振材料（機床床身、缸體等）；樂器要求循環(huán)韌性小。§1-4塑性變形及其性能指標一.塑性變形的機理1.金屬材料的塑性變形單晶體：滑移+孿生滑移孿生相同點1切應力；2沿一定的晶面、晶向進行；3不改變結(jié)構(gòu)。不同點

晶體位向不改變（對拋光面觀察無重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對稱關(guān)系（對拋光面觀察有重現(xiàn)性）位移量滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對塑變的貢獻很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應力遠高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時發(fā)生變形機制全位錯運動的結(jié)果部分位錯運動的結(jié)果晶體滑移與孿生的對比多晶體塑性變形不同時性：在外力作用下，軟取向晶粒首先達到臨界分切應力，開始變形，隨著晶體的轉(zhuǎn)動，軟硬取向易位，硬取向晶粒開始變形。不均勻性：由于晶粒位向的不同，變形的不同時性，晶界的阻塞作用，使得不同晶粒、同一晶粒的不同區(qū)域，塑性變形量不同。相互協(xié)調(diào)性：多晶體塑性變形時，變形可以在不同晶粒之間傳遞，而保證晶體的完整性，需要各晶粒之間相互協(xié)調(diào)。2.陶瓷材料的塑性變形陶瓷材料晶態(tài)：常溫大部分塑性，簡單結(jié)構(gòu)有塑性，復雜結(jié)構(gòu)無塑性，氣孔、微裂紋、玻璃相限制塑性變形。高溫（>1000℃）有塑性，主滑移系可以開動。超塑性：微晶，晶界滑動、晶界液相流動。非晶態(tài)：常溫無塑性，不存在滑移和孿生機制。大于粘流溫度有塑性，分子位置的熱激活交換，粘性流動變形機制。3.高分子材料的塑性變形形變溫度IIIIII玻璃態(tài)高彈態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)Tg粘流態(tài)粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)Tf聚合物的力學三態(tài)：玻璃態(tài)（區(qū)域I）：溫度低，聚合物在外力作用下彈性變形，具有虎克彈性行為，形變小，表現(xiàn)為質(zhì)硬而脆。高彈態(tài)（區(qū)域II）：在較小外力作用下，也能迅速產(chǎn)生很大的彈性形變。粘流態(tài)（區(qū)域Ⅲ）：聚合物完全變?yōu)檎承粤黧w，其形變不可逆。交聯(lián)聚合物由于分子鏈間有化學鍵連接，不能發(fā)生相對位移，不出現(xiàn)粘流態(tài)。高分子材料塑變機理結(jié)晶態(tài)：薄晶沿應力方向轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒗w維束。晶球破壞→應力垂直的薄晶與無定型相分離→薄晶沿應力方向排列，破碎成小晶?！【w沿拉伸方向排列，形成長纖維。非晶態(tài)：形成銀紋（Craze)：在正應力作用下，弱結(jié)構(gòu)或缺陷部位被拉開，形成亞微觀裂紋或空洞，發(fā)展成銀紋。排成纖維束：在切應力作用下，無取向的分子鏈局部轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕械睦w維束。二、屈服現(xiàn)象與屈服強度1、屈服現(xiàn)象材料開始塑性變形的現(xiàn)象稱為屈服。在金屬材料中，（1）塑性變形開始后，出現(xiàn)外力不增加、甚至下降的情況下，而變形繼續(xù)進行的現(xiàn)象，形成鋸齒狀的屈服平臺。（2）應變隨應力的增加不斷增加。

屈服的實質(zhì)是位錯開始滑移。屈服平臺形成的機理柯氏氣團理論

位錯與溶質(zhì)原子交互作用，溶質(zhì)原子聚集在位錯線的周圍形成氣團（柯氏氣團、史氏氣團）。位錯被氣團釘扎，提高外應力，位錯才能運動；一旦運動，脫出氣團的影響，繼續(xù)發(fā)生塑性變形所需的外應力降低。不同滑移系上位錯的先后開動，形成鋸齒狀屈服平臺。位錯運動理論應變速率與位錯密度、位錯運動速率的關(guān)系：滑移-孿生理論滑移機制轉(zhuǎn)變?yōu)榛?孿生機制，孿晶的出現(xiàn)會產(chǎn)生以下效果：孿晶行核需要很高的應力，而長大速率很大、所需應力很小。孿晶的形成有利為錯的滑移。位錯塞積理論位錯同向運動受阻，形成塞積群，導致材料要繼續(xù)發(fā)生塑性變形必須加大外應力，一旦障礙被沖破，繼續(xù)發(fā)生塑性變形所需的外應力降下。

2.屈服強度對于拉伸曲線上有明顯的屈服平臺的材料，塑性變形硬化不連續(xù)，屈服平臺所對應的應力即為屈服強度，記為σs：

σs=Ps/A0對于拉伸曲線上沒有屈服平臺的材料，塑性變形硬化過程是連續(xù)的，此時將屈服強度定義為產(chǎn)生0.05%、0.1%、0.2%殘余伸長時的應力，如σ0.2：

σs=σ0.2=P0.2/A00.002L0三.影響金屬材料屈服強度的因素1.晶體結(jié)構(gòu)位錯運動的阻力：晶格阻力（派納力）、位錯交互作用產(chǎn)生的阻力。晶格阻力（派納力）：位錯交互作用力：2.晶界與亞結(jié)構(gòu)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?；魻枴淦妫℉all-Petch）公式：細化晶粒，可以提高材料的強度——細化強化。3.溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素形成點缺陷，引起晶格畸變，阻礙位錯滑移，提高材料的強度——固溶強化。4.第二相位錯繞過第二相粒子的示意圖第二相顆粒周圍的位錯環(huán)第二相不變形可變性繞過機制(粒子、位錯環(huán)阻礙位錯運動)切過機制（表面能、錯排能、粒子阻礙位錯運動）第二相的作用，還與其尺寸、形狀、數(shù)量及分布有關(guān)；同時，第二相與基體的晶體學匹配程度也有關(guān)。

位錯切過顆粒機制5.溫度溫度升高金屬材料的屈服強度降低，晶體結(jié)構(gòu)不同，變化趨勢不同。

體心立方溫度效應明顯，而面心立方和密排六方的溫度效應不明顯。6.應變速率與應力狀態(tài)

應變速率升高，屈服強度也升高。應力狀態(tài)不同，切應力分量不同，位錯滑移的難易程度就不同。四.應變硬化金屬經(jīng)冷加工變形后，其強度、硬度增加、塑性降低的現(xiàn)象——應變硬化、加工硬化、形變硬化。高分子材料也具有應變硬化的現(xiàn)象。1.應變硬化機理單晶體的應變硬化應力-應變曲線明顯可分為三個階段：

I．

易滑移階段：單滑移，位錯移動和增殖所遇到的阻力很小，θI

很低，約為10-4G數(shù)量級。

II．線性硬化階段：多系滑移，位錯運動困難，θII

遠大于θI約為G/100-G/300，并接近于常數(shù)。單晶體應力－應變曲線III．拋物線硬化階段：交滑移，θIII

隨應變增加而降低，應力應變曲線變?yōu)閽佄锞€。多晶體的應變硬化多晶體晶粒各取向不同，不可能一個滑移系滑移，所以，沒有典型單晶體的第Ⅰ階段--易滑移階段。因為多晶體各晶粒變形需相互協(xié)調(diào)，至少有5個獨立的滑移系開動，滑移系啟動困難，加工硬化率明顯高于單晶體。鋅的單晶與多晶的應力－應變曲線結(jié)晶態(tài)高分子的應變硬化屈服：原有的晶態(tài)結(jié)構(gòu)破壞，載荷下降。頸縮：但不斷裂。應變強化：繼續(xù)變形時出現(xiàn)。晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒗w維結(jié)構(gòu)承載鍵：范德華力變?yōu)楣矁r鍵2.應變硬化指數(shù)金屬材料真實應力-應變曲線上均勻塑變階段符合Hollomon公式。

n—應變硬化指數(shù)；k—硬化系數(shù)應變硬化指數(shù)n反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。

n=1，理想彈性體；n=0材料無硬化能力，大多數(shù)金屬材料n值在0.1-0.5之間。層錯能低的材料應變硬化程度大，18-8不銹鋼、高Mn鋼（Mn13），層錯能力低，n大；層錯能高的，n值小，鋁。應變硬化指數(shù)的測量與計算：拉伸實驗獲得應力、應變數(shù)據(jù)（σi、εi），計算真實應力、應變（Si、ei）：利用作圖或者數(shù)據(jù)擬合的方法求的應變硬化指數(shù)。3.應變硬化的意義應變硬化和塑性變形適當配合，可使金屬進行均勻塑性形變。使構(gòu)件具有一定的抗偶然過載能力。強化金屬，提高力學性能。提高低碳鋼的切削加工性能。五.抗拉強度與頸縮條件抗拉強度定義為試件斷裂前所能承受的最大工程應力，也稱為強度極限。取拉伸圖上的最大載荷，即對應于b點的載荷除以試件的原始截面積，即得抗拉強度之值，記為σb：σb=Pmax／A0頸縮是金屬、高分子材料拉伸時不均勻塑變的結(jié)果，變形集中于局部區(qū)域。頸縮發(fā)生在工程應力-應變曲線上最大載荷點。經(jīng)過積分，得n=e

即：金屬材料的應變硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑性變量時，縮頸便產(chǎn)生。材料的塑性是指材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。材料的塑性常用延長率和斷面收縮率表示。測定方法如下：拉伸試驗前測定試件的標距L0，拉伸斷裂后測得標距為Lk，斷裂前的截面積A0，斷裂后斷面截面積Ak，然而按下式計算。六.塑性與塑性指標七.超塑性超塑性：材料在一定條件下呈現(xiàn)非常大的延長率（約1000%）而不發(fā)生頸縮和斷裂的現(xiàn)象。產(chǎn)生超塑性的條件：超細晶粒：晶粒尺寸達微米量級，等軸晶粒；變形溫度：大于0.4Tm；應變速率：大于等于10-3s-1；應變速率敏感指數(shù)：0.3≤m≤1。一.斷裂的分類分類方法名稱斷裂示意圖特征根據(jù)斷裂前塑性變形的大小脆性斷裂斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口形貌呈光亮的結(jié)晶狀。韌性斷裂斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷口形貌呈暗灰色纖維狀。斷裂就是一個整體分裂成兩個或兩個以上部分的現(xiàn)象?！?-5斷裂分類方法名稱斷裂示意圖特征根據(jù)斷裂面的取向正斷斷裂的宏觀表面垂直于最大正應力方向。切斷斷裂的宏觀表面平行于最大切應力方向。根據(jù)裂紋擴展的途徑穿晶斷裂裂紋穿過晶粒內(nèi)部擴展。沿晶斷裂裂紋沿晶界擴展5μm穿晶斷裂5μm沿晶斷裂分類方法名稱斷裂示意圖特征根據(jù)斷裂機理解理斷裂無明顯的塑性變形，沿解理面分離，穿晶斷裂。韌窩斷裂產(chǎn)生明顯的塑性變形。沿晶界微孔聚合，沿晶斷裂。沿晶內(nèi)微孔聚合，穿晶斷裂。純剪切斷裂沿滑移面分離剪切斷裂（單晶體）。通過頸縮導致最終斷裂（多晶體，高純金屬）。杯狀斷口形成示意圖拉伸斷口宏觀形貌拉伸斷口裂紋源二.脆性斷裂的機理脆性（解理）斷裂的裂紋萌生萌生方式位錯塞積模型位錯反應模型第二相開裂模型Ze