第二章 靜態(tài)力材料行為

第二章靜態(tài)載荷作用下材料力學(xué)性能及塑性變形規(guī)律本章主要內(nèi)容及要求1.了解材料受力作用發(fā)生的彈性變形、塑性變形及斷裂之間的關(guān)系2.了解并掌握金屬材料的主要性能指標(biāo)及意義3.了解并掌握金屬塑性變形階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系4.多晶金屬塑性與晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的關(guān)系5.了解各種靜載試驗(yàn)6.理解應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料變形過(guò)程的影響7.了解缺口敏感性8.了解硬度檢測(cè)另：拉伸試驗(yàn)了解國(guó)標(biāo)與質(zhì)量體系的基本概念注意彈性變形、塑性變形與斷裂之間的關(guān)聯(lián)性退火低碳鋼拉伸試驗(yàn)曲線彈性變形階段塑性變形階段斷裂屈服強(qiáng)度：是塑性變形的起始點(diǎn)(切入點(diǎn))，不是彈性變形終了點(diǎn)!彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比“交接點(diǎn)”，是斷裂過(guò)程的切入點(diǎn)，將塑性變形過(guò)程中斷掉應(yīng)力作用下發(fā)生彈性變形；撤銷(xiāo)作用應(yīng)力，彈性變形完全消失一、拉伸試驗(yàn)與力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能指標(biāo)根據(jù)變形過(guò)程的應(yīng)力特征定義強(qiáng)度，表征抗力彈性極限：抗拉強(qiáng)度(ultimatetensilestrength)為材料斷裂前承受的最大工程應(yīng)力斷后伸長(zhǎng)率(percentelongation)斷面收縮率

(reductioninareaatfracture,percentR.A.)屈服強(qiáng)度(yieldstrength)：材料開(kāi)始發(fā)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力，是材料抵抗發(fā)生塑性變形的能力根據(jù)變形過(guò)程的應(yīng)變特征定義塑性，表征能力伸長(zhǎng)率：屈服強(qiáng)度下屈服點(diǎn)是在開(kāi)始加工硬化之前的屈服過(guò)程中的最低工程應(yīng)力(但將應(yīng)力首次降低下來(lái)的值除外－－這是一種瞬時(shí)效應(yīng))屈服強(qiáng)度(yieldstrength)是材料開(kāi)始發(fā)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力，是材料抵抗發(fā)生塑性變形的能力上屈服點(diǎn)：對(duì)應(yīng)于剛開(kāi)始發(fā)生塑性變形時(shí)的最高載荷的工程應(yīng)力退火低碳鋼的屈服平臺(tái)，是指開(kāi)始塑性變形后，沒(méi)有宏觀加工硬化的階段拉伸試驗(yàn)中力學(xué)性能指標(biāo)－－屈服強(qiáng)度規(guī)定殘余伸長(zhǎng)強(qiáng)度如：對(duì)應(yīng)于殘余伸長(zhǎng)為0.2%時(shí)的工程應(yīng)力作為“條件屈服點(diǎn)”，記做規(guī)定總伸長(zhǎng)強(qiáng)度如對(duì)應(yīng)于總伸長(zhǎng)為0.5%的工程應(yīng)力，記做無(wú)屈服平臺(tái)的情況技術(shù)處理-2拉伸試驗(yàn)中力學(xué)性能指標(biāo)－抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度

(ultimatetensilestrength)為材料斷裂前承受的最大工程應(yīng)力，記做拉伸試驗(yàn)中工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線與真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線對(duì)比注：修正涉及頸縮后的頸縮局部多向應(yīng)力狀態(tài)拉伸試驗(yàn)中力學(xué)性能指標(biāo)－－彈性極限試樣標(biāo)距部分的非比例伸長(zhǎng)達(dá)到原始標(biāo)距的規(guī)定百分比時(shí)的工程應(yīng)力

如：完全彈性變形的“終結(jié)”點(diǎn)－規(guī)定非比例伸長(zhǎng)強(qiáng)度對(duì)于彈簧鋼等具有實(shí)際意義拉伸試驗(yàn)中力學(xué)性能指標(biāo)－塑性lu、l0分別為試樣標(biāo)距范圍斷裂后的長(zhǎng)度和初始長(zhǎng)度注意：同樣材料，不同長(zhǎng)度的試樣得到的斷后伸長(zhǎng)率會(huì)不同。一般要以下腳標(biāo)標(biāo)注：非比例試樣要求給出標(biāo)距的長(zhǎng)度；比例試樣缺省值為5.65，其余的比例試樣，需要將比例值標(biāo)注：因局部頸縮對(duì)斷后伸長(zhǎng)率影響比例不同：——試樣原始標(biāo)距越長(zhǎng)，A越小最大力非比例伸長(zhǎng)率(最大均勻塑性變形量)Ag：——

最大工程應(yīng)力下的非比例伸長(zhǎng)率，也就是最大載荷處（開(kāi)始發(fā)生頸縮處）的塑性變形量斷后伸長(zhǎng)率(percentelongation)測(cè)量標(biāo)距分別為50和100mm、直徑為10mm的比例試樣拉伸試驗(yàn)得到斷后伸長(zhǎng)率分別記做和拉伸試驗(yàn)中力學(xué)性能指標(biāo)－塑性斷面收縮率

(percentR.A.)Su、S0分別為試樣標(biāo)距范圍內(nèi)的頸縮斷裂部位斷后的最小橫截面積和初始橫截面積退火低碳鋼拉伸時(shí)的不均勻變形階段－頸縮階段：超過(guò)最大工程應(yīng)力后的塑性變形—形成縮頸－屈服階段：屈服階段的不均勻塑性變形—形成Lüders帶退火低碳鋼的塑性變形特征——均勻變形階段+

不均勻變形階段二、材料的塑性變形均勻塑性變形規(guī)律性真應(yīng)力-真應(yīng)變的Hollomon關(guān)系k

稱(chēng)作應(yīng)變硬化系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，下腳標(biāo)t代表真應(yīng)力和真(塑性)應(yīng)變流變應(yīng)力：材料已經(jīng)發(fā)生塑性變形后，對(duì)于繼續(xù)發(fā)生塑性變形的抗力。流變應(yīng)力等于塑性變形階段繼續(xù)進(jìn)行塑性變形所需要的最低工程應(yīng)力金屬的均勻塑性變形：現(xiàn)象與規(guī)律性加工硬化（應(yīng)變硬化，work－h(huán)ardening）

—金屬流變應(yīng)力隨著塑性變形量的增大而增大的現(xiàn)象?；蛘哒f(shuō)，經(jīng)過(guò)預(yù)先塑性變形，金屬材料的塑性變形抗力提高的現(xiàn)象應(yīng)變硬化率(加工硬化率)

流變應(yīng)力隨著塑性變形量的增加速率，等于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率單向拉伸時(shí)均勻塑性變形條件金屬發(fā)生塑性變形時(shí)體積保持不變，即所以有均勻變形條件為：變形使承載面的承載能力加強(qiáng)單向拉伸時(shí)最大均勻塑性變形量在均勻塑性變形階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從Hollomon公式，材料拉伸過(guò)程中最大均勻塑性變形(真應(yīng)變)等于其應(yīng)變硬化指數(shù)，可試驗(yàn)測(cè)定

金屬材料應(yīng)變硬化指數(shù)數(shù)值n，“決定了”拉伸條件下材料發(fā)生塑性變形(均勻變形階段)的最大量，是塑性能力的表現(xiàn)利用上面的均勻塑性變形條件得拉伸條件下的均勻塑性變形過(guò)程中應(yīng)變硬化指數(shù)一般為0~1。—n=0時(shí)，不存在加工硬化，稱(chēng)為理想塑性材料—如果n=1，其行為等同于線彈性行為應(yīng)變硬化指數(shù)n的影響因素及試驗(yàn)測(cè)定在均勻塑性變形階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從Hollomon公式情況下拉伸過(guò)程中最大均勻塑性變形(真應(yīng)變)等于其應(yīng)變硬化指數(shù)教材P56表2、3中給出了一些金屬材料應(yīng)變硬化指數(shù)數(shù)值與金屬材料的層錯(cuò)能相關(guān)聯(lián)：層錯(cuò)能低——平直滑移線(不是波紋狀滑移線)——n值高面心立方結(jié)構(gòu)金屬的n值一般高于體心立方金屬思考：已知材料拉伸曲線，試驗(yàn)測(cè)定應(yīng)變硬化指數(shù)，如何做？多晶金屬材料塑性與晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型關(guān)系材料的塑性，是指材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力通常用拉伸試驗(yàn)中的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)衡量。這兩個(gè)數(shù)值越大，材料的塑性越好良好的塑性要求斷裂前發(fā)生大量塑性變形，必要條件之一是：材料在塑性變形過(guò)程中不過(guò)早產(chǎn)生裂紋

多晶金屬通過(guò)位錯(cuò)移動(dòng)發(fā)生塑性變形，在晶界區(qū)域需要互相協(xié)調(diào)，否則就會(huì)因?yàn)槲诲e(cuò)塞積而形成裂紋，從而降低材料的塑性應(yīng)變張量有6個(gè)不同的分量，在塑性變形過(guò)程中，體積保持不變使6個(gè)分量中的獨(dú)立分量減少為5個(gè)。為了使晶界部位變形完全協(xié)調(diào)，需要晶體有不少于5個(gè)的獨(dú)立滑移系?；葡禂?shù)量少的晶體(如只發(fā)生基面滑移六方晶體)的多晶材料，塑性很低。立方系金屬具有足夠多的獨(dú)立滑移系，滿足良好塑性基本條件材料的韌性——拉伸韌性斷裂前吸收能量的能力為韌性金屬的高韌性是高強(qiáng)度與高塑性的組合結(jié)果三、

其它常用靜態(tài)力檢測(cè)方法彎曲試驗(yàn)

使樣品一側(cè)受壓應(yīng)力、另一側(cè)受拉應(yīng)力作用，厚度方向上受力不均勻適合于陶瓷、鑄鐵、工具鋼、硬質(zhì)合金等脆性材料；用于對(duì)表面處理材料機(jī)件進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為載荷和彎曲撓度的關(guān)系可獲材料的抗彎強(qiáng)度及彎曲模量

三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲

壓縮試驗(yàn)施加單向壓應(yīng)力適用于鑄鐵、鑄鋁合金等脆性金屬材料；建筑材料等主要性能指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度三、其它常用靜態(tài)力檢測(cè)方法扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)施加純剪切應(yīng)力作用，變形過(guò)程中試樣無(wú)頸縮、橫截面積基本保持不變檢測(cè)高塑性材料的切斷抗力，也適合于對(duì)表面處理（如滲碳和表面淬火）材料機(jī)件進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)初始數(shù)據(jù)為扭矩和扭角之間的關(guān)系，由之可以獲得材料的剪切彈性模量G、屈服點(diǎn)、和抗扭強(qiáng)度應(yīng)力形式對(duì)材料塑性變形的影響應(yīng)力作用形式可能顯著影響材料的塑性受應(yīng)力作用時(shí)，除發(fā)生彈性變形外，材料同時(shí)可能發(fā)生塑性變形和斷裂。塑性變形和斷裂可以認(rèn)為是獨(dú)立的兩種狀態(tài)變化材料抵抗塑性變形和抗斷裂的能力都是一定的，且互相獨(dú)立如果等效正應(yīng)力超過(guò)了斷裂強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生正斷最大切應(yīng)力超過(guò)剪切屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生塑性變形最大切應(yīng)力超過(guò)了剪切斷裂強(qiáng)度就發(fā)生剪切斷裂——剪切斷裂強(qiáng)度一般高于剪切屈服強(qiáng)度如果等效正應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度之前，材料中的最大切應(yīng)力超過(guò)了剪切屈服強(qiáng)度或者剪切斷裂強(qiáng)度，材料先發(fā)生塑性變形，對(duì)外顯示良好塑性應(yīng)力形式對(duì)塑性變形影響應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)

拉伸試驗(yàn)應(yīng)力軟性系數(shù)為0.5單向壓縮試驗(yàn)中為2(材料的泊松比為0.25)第一主應(yīng)力為拉伸軸向應(yīng)力，第二、第三主應(yīng)力均為0；最大切應(yīng)力為軸向拉伸應(yīng)力一半扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)應(yīng)力軟性系數(shù)為0.8第三主應(yīng)力為軸向壓縮應(yīng)力，第一、第二主應(yīng)力均為0；最大切應(yīng)力為軸向壓縮應(yīng)力的一半三個(gè)主應(yīng)力分別為剪切應(yīng)力、0和剪切應(yīng)力的負(fù)值；最大切應(yīng)力為剪切應(yīng)力應(yīng)力形式對(duì)材料塑性變形影響應(yīng)力軟性系數(shù)越大，材料越可能先進(jìn)行塑性變形而后斷裂；反之，材料不發(fā)生塑性變形就斷裂的危險(xiǎn)增大

如圖所示三個(gè)強(qiáng)度值的材料1：隨著試驗(yàn)應(yīng)力的增加，材料變形：拉伸：彈性變形－塑性變形－斷裂壓縮：彈性變形－塑性變形－斷裂均能顯示良好塑性

另一種材料2：試驗(yàn)應(yīng)力增加，材料變形：壓縮：彈變－塑變－斷裂；良好塑性拉伸：彈性變形－斷裂；無(wú)塑性！金屬壓力加工金屬材料的塑性加工加載方式必須選大的應(yīng)力軟性系數(shù)關(guān)鍵是保持第一主應(yīng)力不高的情況下獲得高的最大剪切應(yīng)力，為此第三主應(yīng)力為負(fù)值

金屬塑性加工中，施加一個(gè)壓應(yīng)力是必須的，多數(shù)情況下該應(yīng)力作用于金屬伸展的“垂直”方向上以前的本科專(zhuān)業(yè)中，有關(guān)對(duì)金屬進(jìn)行塑性加工成型的專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)為“壓力加工”軋鋼、鍛壓、擠壓變形中均有壓應(yīng)力；拉拔工藝的壓應(yīng)力來(lái)自拔絲模的作用三、其它常用靜態(tài)力檢測(cè)方法采用標(biāo)距內(nèi)有缺口的試樣進(jìn)行的各種靜載試驗(yàn)。通過(guò)人為制造的應(yīng)力集中效應(yīng)，檢測(cè)材料的性能對(duì)于缺口的敏感程度。通常用缺口強(qiáng)度比（notchstrengthratio—NSR）來(lái)表示：其定義為有缺口的試樣所顯示的抗拉強(qiáng)度與光滑試樣的對(duì)應(yīng)性能之比：

NSR=缺口試驗(yàn)缺口敏感性注意：NSR等于1，并不意味著材料的性能不受缺口的影響塑性好材料，NSR大于1脆性材料，NSR小于1鋼鐵材料的缺強(qiáng)比與強(qiáng)度的關(guān)系NSR大于1，并非是缺口導(dǎo)致材料自身性能提高而是缺口處引入多向應(yīng)力狀態(tài)所致思考：能否采用缺口來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化，提高材料利用效率？四、硬度試驗(yàn)

（Hardnesstest）以硬度值給出的性能數(shù)據(jù)與其它高費(fèi)用的檢測(cè)方法獲得的性能指標(biāo)之間有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單易行，費(fèi)用低，近無(wú)損檢測(cè)

(1)試樣簡(jiǎn)單－－要求足夠的厚度，表面相對(duì)平整、無(wú)雜物；(2)檢測(cè)過(guò)程中只需在檢測(cè)部位壓出很小凹坑即可；(3)檢測(cè)設(shè)備體積、重量都小，自身價(jià)格低(4)可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件使用現(xiàn)場(chǎng)操作硬度試驗(yàn)方法分類(lèi)(1)壓入法：施加力的作用，將一個(gè)硬的測(cè)試體壓入到試樣內(nèi)某個(gè)深度處，通過(guò)比較相同載荷下壓入的程度來(lái)比較材料的軟硬程度—包括Brinell硬度（HB）、Rockwell硬度（HR）、及Vickers硬度（HV）。這種硬度，在實(shí)驗(yàn)中，反映材料對(duì)于塑性變形的抗力以及應(yīng)變硬化能力；(2)彈性回跳法：也有通過(guò)檢測(cè)測(cè)試體落下后從試樣表面回彈高度來(lái)比較其硬度的方法—肖氏硬度(HS)。這種方法中，通過(guò)檢測(cè)回彈高度，反映材料受到測(cè)試體落下造成的沖擊中能量在塑性變形與彈性變形之間的分配情況—強(qiáng)度高，塑性變形小，彈性能量比例大，回彈高度大；(3)滑痕法：莫氏硬度。反映材料對(duì)于切斷的抗力布氏硬度HBS和HBW分別對(duì)應(yīng)于用鋼球和硬質(zhì)合金作為測(cè)試體的硬度

P為以kg來(lái)表示的載荷(多級(jí)別)D為測(cè)試球的直徑(2.5/5/10mm)d、h分別為壓痕的直徑和深度

(單位為mm)洛氏硬度與維氏硬度洛氏硬度

—壓頭小通過(guò)壓痕深度確定硬度值(分級(jí)HRA、HRB、HRC等9級(jí)，此外還有表面洛氏硬度檢測(cè)方法和裝置)維氏硬度－金剛石錐壓頭通過(guò)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度確定與布氏硬