材料力學(xué)性能第一章

材料力學(xué)性能材料科學(xué)與工程學(xué)院材料力學(xué)性能（Mechanicalpropertiesofmaterials）引言第一章材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第二章材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能第三章材料的沖擊載荷下的力學(xué)性能第四章材料的斷裂韌度第五章材料的疲勞性能第六章材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能

第七章材料的耐磨性能第八章材料的高溫力學(xué)性能引言材料性能：對(duì)材料在一定的外界條件下表現(xiàn)出的行為人為規(guī)定的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)稱為材料的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)-電化學(xué)性能（腐蝕）。引言在載荷（拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切、疲勞、磨損）作用下表現(xiàn)出的力學(xué)行為有變形、斷裂、磨損等；在熱、磁、電、光等條件下表現(xiàn)出的物理行為有熱膨脹、磁化、導(dǎo)電、折射、反射、干涉等。在外界環(huán)境和介質(zhì)的作用下，材料表面因發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而受到破壞的行為－腐蝕性能。引言材料性能學(xué)研究的內(nèi)容：1）在各種物理、化學(xué)、力學(xué)刺激作用下，材料的表現(xiàn)行為，即材料各種性能行為的宏觀規(guī)律；2）用什么樣的指標(biāo)來描述和衡量這些行為表現(xiàn)，即定量化。3）這些行為表現(xiàn)在材料內(nèi)部的微觀機(jī)制。4）如何進(jìn)行材料性能的實(shí)際測(cè)量，即測(cè)試原理，技術(shù)，設(shè)備，手段等試驗(yàn)技術(shù)。引言

學(xué)習(xí)材料力學(xué)性能的用途？評(píng)定材料優(yōu)劣的依據(jù)工程設(shè)計(jì)中選材的依據(jù)失效分析的依據(jù)為研究新材料、改進(jìn)新工藝，充分發(fā)揮材料性能潛力提供研究依據(jù)。引言舉例：泰坦尼克號(hào)（Titanic）首航沉沒于冰海1995年2月美國《PopularScience

》雜志發(fā)表了RGannon的文章，標(biāo)題是『WhatReallySankTheTitanic』。

Titanic號(hào)鋼板（左圖）和現(xiàn)代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果高含硫量引言1、使用性能：力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、硬度……）材料的力學(xué)性能：材料抵抗外加載荷（外力）引起變形和斷裂的能力。服役過程:

保持設(shè)計(jì)要求的外形和尺寸，保證在服役期內(nèi)安全地運(yùn)行。引言生產(chǎn)過程:

要求材料具有優(yōu)良的加工性能。如壓力加工要求優(yōu)良的塑性和低的塑性變形抗力。2、加工性能（可制造性）熱加工：鑄、鍛、焊、熱處理……冷加工：車、銑、磨……特種加工：電火花、激光、離子……引言材料的力學(xué)性能指標(biāo)：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等。內(nèi)在因素：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、表面和內(nèi)部缺陷等。外在因素：載荷性質(zhì)（靜、沖擊、交變）、應(yīng)力狀態(tài)（拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)）、溫度、環(huán)境介質(zhì)等。影響因素引言按服役溫度分類：低溫、常溫和高溫力學(xué)性能。一般以所處溫度與材料熔點(diǎn)的相對(duì)值為高、低溫的分界。按加載速度分類：靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。一般以應(yīng)變速率進(jìn)行劃分材料力學(xué)性能的基本分類可由材料的主要服役條件來確定。小于10－1／s為靜載性能大于10－1／s為動(dòng)載性能引言按服役介質(zhì)的腐蝕性分類：普通和環(huán)境介質(zhì)下的力學(xué)性能。前者通常指在干燥空氣介質(zhì)下，后者則指有腐蝕性的介質(zhì)下（如腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕等）。按應(yīng)力狀態(tài)（或加載方式）分類：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等。如拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度是不能等同的。引言描述應(yīng)力狀態(tài)的參數(shù)：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)：引言一般地，切應(yīng)力引起塑性變形，使材料發(fā)生韌性斷裂；正應(yīng)力則通常引起彈性變形，導(dǎo)致材料產(chǎn)生脆性斷裂。從宏觀上講，可以利用不同應(yīng)力狀態(tài)中最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值來判斷在所受加載方式下材料更趨向于哪種變形和斷裂。引言越大，表示應(yīng)力狀態(tài)愈軟，材料愈易產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂。越小，表示應(yīng)力狀態(tài)愈硬，材料愈易產(chǎn)生脆性斷裂。意義：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)表征了材料在一定應(yīng)力狀態(tài)下的變形與斷裂傾向。引言單元六面體上的應(yīng)力分量zzxzyxxzxyyxyzy引言可分別由材料力學(xué)所給出的第二強(qiáng)度理論和第三強(qiáng)度理論確定：1、2、3分別是按大小順序排列的三個(gè)主應(yīng)力；是泊松比。

第一章材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能力學(xué)性能－研究材料在受載荷過程中變形和斷裂的規(guī)律。

靜拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)方法，也是操作最簡單，最直觀，宏觀規(guī)律最明顯，數(shù)據(jù)處理簡單且有代表性的試驗(yàn)。第一章材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能本章的意義揭示材料在靜載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及常見的三種失效形式（過彈性變形、塑性變形和斷裂）的特點(diǎn)和基本規(guī)律，評(píng)定出材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率。這些性能指標(biāo)即是材料的工程應(yīng)用、構(gòu)件設(shè)計(jì)和

科學(xué)研究等方面的計(jì)算依據(jù)，也是材料的評(píng)定和選用以及加工工藝選擇的主要依據(jù)。第一章材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能舉例：

彈性模量E，主要用于零件的剛度設(shè)計(jì)中；

材料的屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb則主要用于零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中；

材料的塑性，斷裂前的應(yīng)變量，主要是為材料在冷熱變形時(shí)的工藝性能作參考。第一章材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能本章的內(nèi)容：

介紹拉伸性能的物理概念、物理意義及工程意義，討論材料彈性變形，塑性變形及斷裂行為的基本規(guī)律及其與材料組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上探討提高材料性能指標(biāo)的途徑和方向。第一章材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第五節(jié)斷裂第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線一、力—伸長曲線（拉伸圖）F-L曲線是靜拉伸試驗(yàn)得到的第一手資料。在整個(gè)拉伸過程中，x-y記錄儀的兩個(gè)坐標(biāo)分別記錄下力與位移的變化過程。第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線設(shè)備：多功能材料試驗(yàn)機(jī)第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線雖然載荷和變形曲線作為描述變形過程的參量真實(shí)地表現(xiàn)了試件或?qū)嵨锛虞d變形以至斷裂的全過程，但也有明顯的不足之處：即試樣或被試機(jī)件實(shí)物的尺寸和形狀是各式各樣的，載荷是對(duì)試件所加的總載荷，變形是加載過程中所測(cè)載荷相應(yīng)的總變形，所以它們不能清楚地說明材料受載的嚴(yán)重程度，不具有可比性；評(píng)價(jià)材料和進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)很不方便。第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線如何規(guī)定各種材料的力學(xué)性能指標(biāo)：原則：1可比性；2測(cè)量方便。怎樣利用上述測(cè)定的結(jié)果并滿足上述原則呢？較好的方法是建立以應(yīng)力和應(yīng)變作為描述變形過程參量的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線

二、應(yīng)力—應(yīng)變曲線（工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線）

應(yīng)力—應(yīng)變曲線力—伸長曲線

比較一下圖1和圖2，看看有何區(qū)別？

1形狀完全相似；2坐標(biāo)單位有區(qū)別

其中，A0、L0－為原始截面積和原始長度。

第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線

第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線國標(biāo)GB/T228-2002

試樣板：l0=5.65A01/2或11.3A0

1/2圓柱：l0=5d0或l0=10d0β、γ對(duì)于同一材料制成的幾何形狀相似的試樣來說是常數(shù)斷后伸長率第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線要回答這個(gè)問題，我們先要搞清楚變形過程中經(jīng)歷的每個(gè)階段，即變形行為。低碳鋼的拉伸變形過程包括了所有材料拉伸過程中可能出現(xiàn)的變形行為。在這條曲線上能得到哪些對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)？應(yīng)力—應(yīng)變曲線OE：彈性段E點(diǎn)：彈性極限e過E：塑性變形A點(diǎn)：上屈服點(diǎn)C點(diǎn)：下屈服點(diǎn)CD：屈服。屈服強(qiáng)度sDB：形變強(qiáng)化B點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度bK點(diǎn)：斷裂。彈性變形

塑性變形斷裂無屈服平臺(tái)時(shí)，取0.2%變形量時(shí)的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度屈服階段均勻塑性變形階段不均勻集中塑性變形階段（縮頸）第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線強(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度：材料產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力抗拉強(qiáng)度：材料斷裂前所能承受的最大應(yīng)力強(qiáng)度：材料抵抗塑性變形和開裂的能力塑性指標(biāo)：“斷后伸長率”k：k=(Lk-L0)/L0

“斷面收縮率”k：k=(A0-Ak)/A0第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線斷裂時(shí)長度標(biāo)距斷面面積原始面積韌性指標(biāo)：拉伸曲線的面積。第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線根據(jù)該曲線可以獲得材料靜拉伸條件下的力學(xué)性能指標(biāo)：比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)，、安全校核指標(biāo)。第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線是不是所有材料在室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線或者說是拉伸變形行為都是一樣的呢？第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線

幾種典型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線材料分類：按材料在拉伸斷裂前是否發(fā)生塑性變形，將材料分為脆性材料和塑性材料兩大類。脆性材料在拉伸斷裂前不產(chǎn)生塑性變形,只發(fā)生彈性變形；塑性材料在拉伸斷裂前會(huì)發(fā)生不可逆塑性變形。

高塑性材料在拉伸斷裂前①不僅產(chǎn)生均勻的伸長，而且②發(fā)生縮頸現(xiàn)象，且③塑性變形量大。低塑性材料在拉伸斷裂前只發(fā)生均勻伸長，不發(fā)生縮頸，且塑性變形量較小。第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線不同材料或同種材料在不同條件下可有不同形式的應(yīng)力應(yīng)變曲線，這主要是由材料的鍵合方式、化學(xué)成分和組織狀態(tài)等因素決定的。第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線Tb：脆化溫度Tg：玻璃化溫度Tf：粘流溫度A：玻璃態(tài)C：高彈態(tài)E：粘流態(tài)特點(diǎn)：與溫度密切相關(guān)舉例：高分子的拉伸性能第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖高分子的拉伸曲線①應(yīng)力應(yīng)變成正比，直至斷裂②出現(xiàn)屈服點(diǎn)，隨后應(yīng)力降低③屈服點(diǎn)后試樣能發(fā)生很大的應(yīng)變，隨后應(yīng)力上升至斷裂④高彈態(tài)，無屈服點(diǎn)，在不明顯增加應(yīng)力時(shí)，應(yīng)變變化很大遠(yuǎn)小于TgT小于TgT接近TgT大于Tg第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線三、真應(yīng)力－應(yīng)變曲線

在變形過程中，截面積在減少，而伸長量在增加，所以工程應(yīng)力和工程應(yīng)變并非是真實(shí)或瞬時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變，在此引入真應(yīng)力應(yīng)變曲線。第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線真應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線工程應(yīng)變和真應(yīng)變之間的關(guān)系：真應(yīng)變：形變的微分增量為de=dL/L，則試樣自L0伸長至L后，總的應(yīng)變量為：假設(shè)材料的拉伸變形是等體積變化過程，則真應(yīng)力和工程應(yīng)力之間就有如下關(guān)系：

第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線真應(yīng)變總是小于工程應(yīng)變，真應(yīng)力總是大于工程應(yīng)力。真應(yīng)力：S＝F/A

第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線兩曲線形狀的對(duì)比：在彈性變形階段，兩線基本重合，真實(shí)屈服應(yīng)力和工程屈服應(yīng)力非常接近，為什么？伸長和截面積變化很小。但在塑性變形階段，兩者之間就出現(xiàn)了顯著的差異。第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線四、三條曲線的應(yīng)用1、力－伸長曲線：基本數(shù)據(jù)－第一手資料。2、工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線：工程設(shè)計(jì)和材料選用的依據(jù)。在工程應(yīng)用中，因?yàn)槎鄶?shù)構(gòu)件的變形量限制在彈性變形范圍內(nèi)，與真應(yīng)力應(yīng)變的區(qū)別可以忽略，而且測(cè)量和計(jì)算簡單。3、真應(yīng)力－應(yīng)變曲線：材料科學(xué)研究，應(yīng)變硬化行為研究。第一節(jié)力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線各種拉伸曲線銅合金陶瓷高錳鋼純銅鋼絲第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)一、彈性變形的本質(zhì)

定義：彈性變形－外力去處后，變形消失而恢復(fù)原狀。

特點(diǎn)：彈性變形有可逆性。

應(yīng)力－應(yīng)變之間的關(guān)系：金屬、陶瓷、結(jié)晶態(tài)高分子——彈性變形量較小，應(yīng)力和應(yīng)變呈單值線性關(guān)系。橡膠態(tài)的高分子——彈性變形量較大，應(yīng)力和應(yīng)變之間呈非線性。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形的本質(zhì)：概括說來，構(gòu)成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。晶體材料——處于晶格結(jié)點(diǎn)的原子（或離子）在力的作用下，在其平衡位置附近產(chǎn)生的微小位移。橡膠類材料——呈卷曲狀的分子鏈在力的作用下通過鏈段的運(yùn)動(dòng)沿著受力方向產(chǎn)生的伸展。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)2雙原子模型A、B、m、n分別為與原子本性和晶格類型有關(guān)的常數(shù)。彈性狀態(tài)下的斷裂載荷第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形過程其實(shí)就是，外力(F)與原子間引力(A/rm)、斥力(B/rn)的平衡過程。二、彈性模量

1定義：E和G分別為拉伸時(shí)的楊氏模量（彈性模量，彈性系數(shù)，彈性模數(shù)）和剪切時(shí)的切變模量。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)廣義虎克定律

泊松比當(dāng)應(yīng)力為兩向或三向時(shí)？第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

2工程意義：表征材料對(duì)彈性變形的抗力，即材料的剛度。E越大，相同應(yīng)力下產(chǎn)生彈性變形越小。在工程設(shè)計(jì)中，為保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過量的彈性變形，都要考慮結(jié)構(gòu)材料的這一重要力學(xué)性能指標(biāo)。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)減小長度、增加截面尺寸或改變截面形狀。但是，當(dāng)零件的形狀尺寸一定時(shí)，零件的剛度不夠就只能改變材料了。零件的剛度：具體零件抵抗變形的能力，除了與零件的截面尺寸與形狀以及加載方式有關(guān)外，還和構(gòu)成零件的材料的剛度有關(guān)。當(dāng)零件的剛度不夠怎么辦？第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)3比模量（比剛度）材料的比模量：彈性模量/密度載荷形式：拉伸時(shí)E/，懸臂梁時(shí)E1/2/，板受彎曲時(shí)E1/3/，單位為m或cm既要?jiǎng)偠群?，又要重量輕時(shí)，用此指標(biāo)。例如選擇空間飛行器材料等。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)材料密度(g/cm3)楊氏模量E(GPa)E/E1/2/E1/3/CFRP，58％單向碳纖維在環(huán)氧樹脂中1.518912693.8GFRP，50％單向玻璃纖維在聚酯中2.048243.51.8高強(qiáng)度鋼7.8207271.80.76鋁合金2.871253.01.5第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

4剛度的重要性：許多情況下，對(duì)材料剛度的要求在性能上是第一重要的，在設(shè)計(jì)時(shí)剛度要求的零件尺寸會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于強(qiáng)度要求的尺寸，為什么？舉例：精密機(jī)床的主軸如果不具有足夠的剛度，就不能保證零件的加工精度。如果汽車的曲軸彎曲剛度不足，就會(huì)影響活塞、連桿及軸承等重要零件的正常工作。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)三、影響彈性模量的因素1鍵合方式離子鍵和共價(jià)鍵>金屬鍵>分子鍵2原子結(jié)構(gòu)金屬鍵結(jié)合的材料E還和原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。原子半徑越大，E越小。3晶體結(jié)構(gòu)單晶體E為各向異性，原子排列最密的晶向E大，反之較小。多晶體材料E表現(xiàn)為各向同性，非晶體材料E是各向同性的。E=k/rmm>1第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)4化學(xué)成分化學(xué)成分的變化如果引起了原子間距或鍵合方式的變化，E將改變。一般來說，合金的微小成分變化對(duì)E的影響不大（碳鋼和合金鋼），但當(dāng)?shù)诙?qiáng)化相的量較大時(shí)，E會(huì)有一定影響（鋁中加入鎳、硅）。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)5微觀組織作為結(jié)構(gòu)材料使用的大多數(shù)金屬材料，E是組織結(jié)構(gòu)不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。但是，陶瓷則不同，E一般通過實(shí)際測(cè)得，隨著氣孔率的上升而下降。高分子材料的E可通過添加增強(qiáng)性填料而提高。復(fù)合材料的E由組成相的彈性模量和組成相的體積分?jǐn)?shù)共同決定。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)孔隙率對(duì)陶瓷材料彈性模量的影響p為孔隙率第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)復(fù)合材料第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)6溫度溫度變化會(huì)引起相變和力學(xué)狀態(tài)改變（高分子材料，玻璃態(tài)－橡膠態(tài)－粘流態(tài)），E會(huì)顯著改變。對(duì)金屬和陶瓷，無相變時(shí)，溫度升高，E減小。對(duì)橡膠態(tài)高分子材料，溫度升高，E略有升高。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)E－T關(guān)系圖第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)7加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間金屬和陶瓷對(duì)加載方式和持續(xù)時(shí)間不敏感，陶瓷的壓縮彈性模量大于拉伸。但對(duì)高分子材料，E隨負(fù)荷持續(xù)時(shí)間延長而減小，松弛模量。因此高分子聚合物的彈性模數(shù)常用加載一段時(shí)間后的數(shù)值量E(t)表示。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)四、比例極限與彈性極限比例極限是保證材料的彈性變形按正比關(guān)系變化的最大應(yīng)力，即在拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線上開始偏離直線時(shí)的應(yīng)力值，其表達(dá)式為：

第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)OE：彈性段E點(diǎn)：彈性極限e過E：塑性變形A點(diǎn)：上屈服點(diǎn)C點(diǎn)：下屈服點(diǎn)CD：屈服。屈服強(qiáng)度sDB：形變強(qiáng)化B點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度bK點(diǎn)：斷裂。斷裂強(qiáng)度k

彈性變形

塑性變形斷裂無屈服平臺(tái)時(shí)，取0.2%變形量時(shí)的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度屈服階段均勻塑性變形階段頸縮斷裂階段（集中塑性變形斷裂段）第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)彈性極限是材料由彈性變形過渡到彈－塑性變形時(shí)的應(yīng)力，應(yīng)力超過彈性極限以后，材料便開始塑性變形，其表達(dá)式為：第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)比例極限和彈性極限的工程意義對(duì)于要求服役時(shí)其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系嚴(yán)格遵守線性關(guān)系的機(jī)件，如測(cè)力計(jì)彈簧，是依靠彈性變形的應(yīng)力正比與應(yīng)變的關(guān)系顯示載荷大小的，則應(yīng)以比例極限作為選擇材料的依據(jù)；對(duì)于服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機(jī)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按彈性極限來選擇材料。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，以發(fā)生非比例伸長值達(dá)到原始標(biāo)距長度一定的百分比定義比例極限，將非比例伸長值以下角注形式給出。如，表示非比例伸長量為0.01％和0.05％。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

實(shí)際測(cè)量時(shí)，以發(fā)生殘留變形（即塑性變形）值達(dá)到原始標(biāo)距長度一定的百分比定義彈性極限，將殘留變形值以下角注形式給出。如，表示殘留變形量為0.01％和0.05％。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)五、彈性比功1.定義：彈性比功是材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力。用材料彈性變形達(dá)到彈性極限時(shí)單位體積吸收的彈性變形功來表示。表達(dá)式為

日常所說的彈性好壞實(shí)際上就是指彈性比功的大小，彈性比功還可以在拉伸曲線上表示出來。如何表示？第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)e0εeε

We=eε

e/2=e2/(2E)制造彈簧的材料要求高的彈性比功：（e

大，E

?。┑诙?jié)彈性變形及其性能指標(biāo)2.從上定義總結(jié)提高材料（零件）彈性的方法？一提高e，如何提高？

變化成分、熱處理、冷加工例如：選用碳含量較高的鋼，加入Si、Mn等合金強(qiáng)化鐵素體基體，并經(jīng)淬火加中溫回火獲得回火屈氏體，以及冷變形強(qiáng)化，可有效提高彈性極限。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)二降低E，材料確定，E確定，不易改變。材料改變，E可改變，但E要滿足剛度要求，剛度低，有時(shí)不行（沙發(fā)一坐就深陷下去了，雖然彈性很好，但不能用。）第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)

3.實(shí)際應(yīng)用

彈性比功是評(píng)價(jià)彈簧材料最重要的指標(biāo)。彈簧鋼用來減震或儲(chǔ)能（撐桿跳高），鈹青銅制作儀表彈簧（1無磁性，2耐腐蝕，3高彈性比功），還有橡膠，低E和高彈性應(yīng)變，也可做減震和儲(chǔ)存能量元件，如電子器件中的按鈕彈（如計(jì)算器按鍵）。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)問：某汽車彈簧，在未裝滿載時(shí)已變形到最大位置，缺載后可完全恢復(fù)到原來狀態(tài)；另一汽車彈簧，使用一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)彈簧弓形越來越小，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(zhì)及改變措施。答：第一種故障主要是材料的剛度（彈性模量）不足，抵抗彈性變形能力不夠。改進(jìn)措施：（1）更換彈性模量高的材料；（2）改變材料的截面形狀尺寸。第二種故障主要是材料的彈性極限偏低所致。改進(jìn)措施：（1）更換彈性極限高的材料；（2）對(duì)材料進(jìn)行適當(dāng)熱處理。第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗彈性的概念:

材料受載后產(chǎn)生一定的變形，卸載后這部分變形消失，材料恢復(fù)到原來的狀態(tài)的性質(zhì)稱為材料的彈性。

根據(jù)材料在彈性變形過程中應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)特點(diǎn)，彈性可分為：

理想彈性（完全彈性）—應(yīng)力和應(yīng)變服從胡克定律，滿足：1應(yīng)力對(duì)于應(yīng)變的響應(yīng)是線性的；2應(yīng)力和應(yīng)變同相位；3應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)。第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性（彈性不完整性）應(yīng)力－應(yīng)變非線性響應(yīng)、不同位相、應(yīng)變非應(yīng)力的單值函數(shù)。

包括滯彈性；粘彈性；偽彈性；包申格效應(yīng)等幾種類型。實(shí)際上絕大部分固體材料都表現(xiàn)出非理想彈性性質(zhì)，工程中的材料按理想彈性處理只是一種近似處理。第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗一、滯彈性（彈性后效）

材料在快速加載或卸載后，隨時(shí)間的延長而產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的性能。其應(yīng)力－應(yīng)變曲線與時(shí)間的關(guān)系如圖所示。

滯彈性示意圖第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗一、滯彈性（彈性后效）特點(diǎn)：在彈性應(yīng)力范圍內(nèi)，與所加應(yīng)力對(duì)應(yīng)一個(gè)初始應(yīng)變，在保持應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生附加應(yīng)變。

應(yīng)力加載條件：瞬間加載或卸載主要影響因素：材料成分、組織的均勻性、溫度、應(yīng)力狀態(tài)。

第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗α-Fe中的C處于八面體空隙及等效位置上，施加z向拉應(yīng)力后x、y軸上的軸上的碳原子就會(huì)向z軸擴(kuò)散遷移，使z軸方向繼續(xù)伸長變形.因擴(kuò)散遷移需要時(shí)間，故附加應(yīng)變?yōu)闇椥?卸載后z軸多余的碳原子又會(huì)擴(kuò)散回到原來的x、y軸上，滯彈性應(yīng)變消失.金屬材料產(chǎn)生滯彈性的原因

滯彈性有利之處：消振性，例如：鑄鐵作為機(jī)床支座；1Cr13鋼做汽輪機(jī)葉片。不利之處：精密儀表中的彈簧，油壓表，氣壓表中的測(cè)力彈簧要求靈敏地反應(yīng)指針數(shù)的變化，不允許有滯彈性。第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗二、粘彈性

定義：粘彈性是指材料在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機(jī)理同時(shí)存在的力學(xué)行為。（針對(duì)高分子材料）特征：應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)不是瞬時(shí)完成的，有一個(gè)弛豫過程，但卸載后，應(yīng)變恢復(fù)到初始值。第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系與時(shí)間有關(guān)，可分為：恒應(yīng)變下的應(yīng)力松弛

加載一恒定彈性范圍的應(yīng)變后，有一初始應(yīng)力值，但應(yīng)變保持不變，應(yīng)力緩慢下降到某一恒定值，如圖a。應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系應(yīng)力松弛第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗

恒應(yīng)力下的蠕變

加載一恒定彈性范圍的應(yīng)力后，有一初始應(yīng)變值，但應(yīng)力保持不變，應(yīng)變緩慢增加到某一恒定值，如圖b。應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系蠕變變形第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗0t1212滯彈性粘彈性三、偽彈性

偽彈性是指在一定溫度下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定水平后，金屬或合金將產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，伴隨應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變產(chǎn)生大幅度（～60％）彈性變形現(xiàn)象。大大超過正常彈性變形。應(yīng)用：形狀記憶合金。

第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗偽彈性示意圖第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗0ε理想彈性行為，循環(huán)變形過程沒有能量損失四、內(nèi)耗第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗加載和卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線不重合形成一封閉回線------彈性滯后環(huán)第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗彈性滯后環(huán)說明加載時(shí)材料吸收的變形功（能）大于卸載時(shí)材料釋放的變形功，有一部分變形功被材料吸收，稱為內(nèi)耗（又叫消振性），用回線的面積大小度量。內(nèi)耗的計(jì)算：第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系常用力學(xué)損耗角正切tanδ來表示內(nèi)耗的大小。第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗測(cè)量δ角比較復(fù)雜，通常采用振動(dòng)試樣自由振動(dòng)振幅衰減的自然對(duì)數(shù)值來表示內(nèi)耗的大小Tk和Tk+1表示自由振動(dòng)相鄰振幅的大小。對(duì)于高聚物而言，內(nèi)耗的大小與本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。順丁橡膠內(nèi)耗較小，因?yàn)樗姆肿渔溕蠜]有取代基團(tuán)，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦阻力較?。欢”较鹉z和丁腈橡膠的內(nèi)耗比較大，因?yàn)槎”侥z有龐大的側(cè)苯基；丁腈橡膠有極性較強(qiáng)的側(cè)氰基，因而它們的鏈段運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦阻力較大。內(nèi)耗較大的橡膠，吸收沖擊能量較大，回彈性就。較差第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗高聚物的變形和內(nèi)耗與溫度的關(guān)系內(nèi)耗峰第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗內(nèi)耗與溫度有關(guān)高聚物的內(nèi)耗與頻率的關(guān)系高彈性區(qū)黏彈區(qū)剛性區(qū)第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗內(nèi)耗與振動(dòng)頻率有關(guān)

工程應(yīng)用：音叉在真空中做彈性振動(dòng)，但是由于內(nèi)耗的作用，振幅逐漸衰減，最后停止（樂器的制作）。利用材料的內(nèi)耗性高，消振性好，有利于防止共振導(dǎo)致疲勞斷裂（機(jī)床床身材料的選擇）。第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗

產(chǎn)生了少量塑性變形的材料（殘余應(yīng)變<4%），再同向加載則彈性極限（屈服強(qiáng)度）升高；反向加載則彈性極限（屈服強(qiáng)度）降低的現(xiàn)象。0ε1240217832874852′301退火軋制黃銅五、包申格效應(yīng)第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗包申格應(yīng)變是度量包申格效應(yīng)的定量指標(biāo)。它是指在給定應(yīng)力下，拉伸卸載后第二次再拉伸與拉伸卸載后再壓縮兩曲線之間的應(yīng)變差。工程意義：

不利：經(jīng)拉伸變形成型的構(gòu)件要考慮其承受壓縮載荷的能力，以免使微量塑性變形抗力下降造成危害。特別是承受應(yīng)變疲勞載荷作用的機(jī)件，呈現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象。

有利：如薄板反向彎曲成型，拉拔的鋼棒經(jīng)輥壓校直等。

第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗林位錯(cuò)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)。因?yàn)榻?jīng)過正向變形后，晶內(nèi)位錯(cuò)最后總是停留在障礙密度較高處，一旦有反向變形，則位錯(cuò)很容易克服曾經(jīng)掃過的障礙密度較低處。第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗消除包申格效應(yīng)的方法：預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，或在第二次受力前先使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火，如鋼在400～500℃，銅合金在250～270℃退火。材料的塑性變形是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，并不引起材料破裂的現(xiàn)象。材料的種類和性質(zhì)不同，其塑性變形機(jī)理也不相同。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)一、塑性變形的機(jī)理1金屬材料的塑性變形金屬常見的塑性變形機(jī)理為——滑移＋孿生

滑移是在切應(yīng)力作用下，沿著滑移面和滑移方向進(jìn)行的切變過程。思考：何為滑移系？哪些面可做滑移面？fcc，bcc，hcp的滑移系有幾個(gè)？室溫與高溫下有何區(qū)別？滑移系的多少與金屬的塑性好壞有何關(guān)系？第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

孿生是金屬在切應(yīng)力作用下的另外一種塑性變形方式。孿生變形可以調(diào)整滑移面的方向，使新的滑移系開動(dòng)，間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)。

思考：在什么條件下金屬會(huì)以孿生方式塑性變形？為什么？金屬的滑移系較少、低溫、高速變形的條件下。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)在切應(yīng)力下孿晶中的晶格位向變化

1.金屬塑性變形的特點(diǎn)1）各晶粒塑性變形的非同時(shí)性金屬多晶體中，不同相、不同晶粒在外力作用下由彈性變形向塑性變形的過渡不可能同時(shí)開始。所以人為規(guī)定了一些微量殘留變形量條件，如0.05％，表示力學(xué)性能。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)2）塑性變形量的不均勻性不同組織的塑性變形程度不同，在外部宏觀變形量不大的情況下，有些晶?？赡芤呀?jīng)達(dá)到極限，出現(xiàn)早期開裂。補(bǔ)充：取向因子cosφcosλ組織越不均勻，塑性變形不同時(shí)性和不均勻性越嚴(yán)重。

第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)拉應(yīng)力與分切應(yīng)力關(guān)系圖分切應(yīng)力τ=(P/A)cosφcosλ

≥τ臨界φ—外應(yīng)力與滑移面法線的夾角；λ—外應(yīng)力與滑移方向的夾角；Ω=cosφcosλ稱為取向因子。取向因子cosφcosλ第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)3）各晶粒塑性變形的相互協(xié)調(diào)性多晶體金屬作為一個(gè)連續(xù)整體，不允許各個(gè)晶粒在任一滑移系自由變形，否則必將導(dǎo)致晶界開裂，這就要求各晶粒之間能協(xié)調(diào)變形。每個(gè)晶粒必須能同時(shí)沿幾個(gè)滑移系進(jìn)行滑移，或在滑移的同時(shí)產(chǎn)生孿生變形，以保持材料的整體性。4）變形過程中金屬的力學(xué)性能和其它物理性能、化學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化。如密度降低、電阻和矯頑力增加、化學(xué)活性增大以及抗腐蝕性能降低等。2.陶瓷材料的塑性變形

陶瓷材料最大的缺點(diǎn)是脆－即塑性變形很難，為什么？共價(jià)鍵具有方向性，且是強(qiáng)固的結(jié)合鍵，使晶體具有較高的抗晶格畸變、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力。離子鍵方向性雖不明顯，但受靜電作用力的限制，其實(shí)際可動(dòng)滑移系較少。多晶材料，還存在氣孔、微裂紋、玻璃相等。位錯(cuò)不易向周圍晶粒傳播，更易在晶界處塞積而產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋。

第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)化合物L(fēng)iFMgOAl2O3SiO2Si3N4SiCSi負(fù)電性差3.02.32.01.71.20.70離子鍵（％）8973635130110共價(jià)鍵（％）112737497089100陶瓷材料離子鍵與共價(jià)鍵的混合比

非晶態(tài)玻璃，在室溫下沒有塑性，為什么？沒有晶體的滑移系，塑性變形通過分子（原子）位置的熱激活交換來進(jìn)行的，屬于粘性流動(dòng)變形機(jī)制，塑性變形需要在一定溫度下進(jìn)行。非晶的原子排布第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)3.高分子材料的塑性變形結(jié)晶態(tài)高分子塑變過程－薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)檠貞?yīng)力方向排列的微纖維束。非晶態(tài)高分子塑變過程－正應(yīng)力作用下形成銀紋，切應(yīng)力作用下無取向分子鏈轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕械睦w維束。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)銀紋（craze）：銀紋是高分子材料在變形過程中產(chǎn)生的一種缺陷，由于它的密度低，對(duì)光線的反射能力很高，看起來呈銀色，因而得名。銀紋產(chǎn)生于高分子材料的弱結(jié)構(gòu)或缺陷部位，銀紋內(nèi)部為有取向的纖維和空洞交織分布。銀紋＝裂紋？第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)聚苯乙烯板中的銀紋圖中箭頭指主應(yīng)力方向；（b）是圖（a）中一段的放大照片(a)(b)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)二、屈服現(xiàn)象與屈服強(qiáng)度

1屈服現(xiàn)象在材料拉伸曲線上，彈性變形向塑性變形的過渡階段有一個(gè)平臺(tái)或鋸齒。在外力不增加或上下波動(dòng)的情況下試樣可以繼續(xù)伸長，這種現(xiàn)象稱為材料在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)的屈服現(xiàn)象。許多鐵基合金、有色金屬和高分子材料中會(huì)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)2屈服強(qiáng)度

定義：屈服強(qiáng)度－材料開始塑性變形的應(yīng)力。通常用下屈服點(diǎn)的應(yīng)力值表示。

何為上、下屈服點(diǎn)？

定義式：物理意義：材料抵抗起始塑性變形的能力或產(chǎn)生微量塑性變形的能力。

第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)呂德斯帶屈服伸長變形是不均勻的第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)呂德斯帶的顯微照片第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)材料變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小隨塑性變形發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈依存關(guān)系屈服現(xiàn)象發(fā)生的三個(gè)要素：塑性應(yīng)變速率柏氏矢量的?？蓜?dòng)位錯(cuò)密度位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)沿滑移面上的切應(yīng)力位錯(cuò)以單位速率運(yùn)動(dòng)所需的切應(yīng)力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)m’值越低，則使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需之應(yīng)力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。對(duì)于看不到明顯屈服現(xiàn)象的材料，工程上其屈服強(qiáng)度由人為按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，稱為條件屈服強(qiáng)度。(1)比例極限

應(yīng)力超過σp時(shí)即認(rèn)為材料開始屈服。(2)彈性極限應(yīng)力超過σe時(shí)即認(rèn)為材料開始屈服。(3)屈服強(qiáng)度

以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)，如以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，符號(hào)為σ0.2。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中，用規(guī)定殘余伸長應(yīng)力r和規(guī)定總伸長t表示材料的屈服強(qiáng)度。r0.05、r0.1、r0.2、t0.5r和t都可以表征材料的屈服強(qiáng)度，但t可以在加載過程中測(cè)量，且容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

工程意義：

屈服強(qiáng)度是很重要的力學(xué)性能指標(biāo)。

1作為防止因材料過量塑性變形而導(dǎo)致機(jī)件失效的設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)；

2根據(jù)屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值（屈強(qiáng)比）的大小，衡量材料進(jìn)一步產(chǎn)生塑性變形的傾向，作為材料冷塑性變形加工和確定機(jī)件緩解應(yīng)力集中防止脆性斷裂的參考依據(jù)。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)也就是說，屈服強(qiáng)度高，提高了許用應(yīng)力，減輕了零件或構(gòu)件的重量，減小零件尺寸和體積，但是，對(duì)缺口敏感，脆性增加，所以要選最佳值。

第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法：對(duì)塑性材料，以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=σs/n，安全系數(shù)n一般取2或更大；對(duì)脆性材料，以抗拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=σb/n，安全系數(shù)n一般取6。

3高分子材料的屈服第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)通常把拉伸曲線上出現(xiàn)應(yīng)力極大點(diǎn)定義為屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變約為5％～10％，甚至更大。如拉伸曲線上不出現(xiàn)極大點(diǎn)，則對(duì)應(yīng)應(yīng)變2％處的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度。

三、影響材料屈服強(qiáng)度的因素

(金屬)

內(nèi)因：晶格類型、結(jié)合鍵、組織結(jié)構(gòu)

1晶體結(jié)構(gòu)

屈服強(qiáng)度從理論上講是位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)所需的臨界切應(yīng)力，其值由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的各種阻力決定。

FCC金屬位錯(cuò)容易移動(dòng)，即容易屈服；BCC金屬位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力大，屈服強(qiáng)度高。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)τp-n：晶格阻力；v：泊松比；G：切變模量

a：滑移面的晶面間距ω：位錯(cuò)寬度位錯(cuò)寬度大，晶格畸變小，位錯(cuò)易于移動(dòng)Gfcc：bcc：Cu的屈服強(qiáng)度小于Fe？第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)τ：位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力α：比例系數(shù)（fcc0.2,bcc0.4）ρ：位錯(cuò)的密度G：切變模量

b：柏氏矢量的模產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象的原因2結(jié)合鍵

陶瓷的結(jié)合鍵為離子鍵和共價(jià)鍵，結(jié)合力最大，要塑變必須使鍵斷開，所以屈服強(qiáng)度最高，脆性最大；金屬鍵結(jié)合力屬于中，有一個(gè)范圍，取決于原子本性（原子半徑及其電子結(jié)構(gòu)），屈服強(qiáng)度屬于中等；高分子的分子鍵力很小，分子鏈容易彼此滑過，所以屈服強(qiáng)度很低。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)3組織結(jié)構(gòu)

使金屬強(qiáng)化的因素引起屈服強(qiáng)度升高，有四種機(jī)制：細(xì)晶強(qiáng)化（屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系）；固溶強(qiáng)化（屈服強(qiáng)度與溶質(zhì)濃度的關(guān)系）；第二相強(qiáng)化（屈服強(qiáng)度與第二相的類型、尺寸、形狀、數(shù)量、分布等有關(guān)）；形變強(qiáng)化方式、形變量等。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙霍耳—配奇(Hall-Petch)公式σi：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的總阻力，決定于晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)密度ky：晶界對(duì)強(qiáng)化貢獻(xiàn)大小的釘扎常數(shù)d：晶粒平均直徑第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)在固溶合金中，由于溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑不同，在溶質(zhì)原子周圍形成晶格畸變應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生交互作用，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而使屈服強(qiáng)度提高，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。通常間隙固溶體的強(qiáng)化作用更大。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)低碳鐵素體中固溶強(qiáng)化效果不可變形第二相種類可變形細(xì)小彌散分布型塊狀聚合型克服彎曲位錯(cuò)的線張力，其與質(zhì)點(diǎn)間距有關(guān)質(zhì)點(diǎn)與基體間晶格錯(cuò)排和質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生新界面使基體產(chǎn)生不均勻塑變，即局部塑性約束而導(dǎo)致強(qiáng)化第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)外因——1溫度溫度升高，屈服強(qiáng)度降低。2應(yīng)變速率應(yīng)變速率升高，屈服強(qiáng)度升高。C1：在一定應(yīng)力狀態(tài)下為常數(shù)；m：應(yīng)變速率敏感指數(shù)；3應(yīng)力狀態(tài)切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)四、應(yīng)變硬化（形變硬化）

隨著變形量的增大，形變應(yīng)力不斷提高的現(xiàn)象。

應(yīng)變硬化是材料阻止繼續(xù)塑性變的一種力學(xué)性能，絕大多數(shù)金屬和高分子材料具有應(yīng)變硬化特性，這種特性在材料的加工和應(yīng)用中具有十分重要的意義。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)1應(yīng)變硬化機(jī)理

金屬材料：普遍認(rèn)為是塑性變形過程中的多系滑移和交滑移造成的。在多系滑移過程中，由于位錯(cuò)的交互作用，形成割階、Lomer-Cottrell位錯(cuò)鎖和胞狀結(jié)構(gòu)等障礙，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，而產(chǎn)生應(yīng)變硬化。在交滑移過程中，硬化主要是由于原滑移面中刃位錯(cuò)引起的。因?yàn)槿形诲e(cuò)不能產(chǎn)生交滑移，因而隨應(yīng)力增加，刃位錯(cuò)密度增大，產(chǎn)生應(yīng)變硬化。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)高分子材料：當(dāng)結(jié)晶高分子材料發(fā)生屈服后原有的結(jié)構(gòu)開始破壞，載荷下降，應(yīng)力應(yīng)變曲線的最低點(diǎn)表示原有結(jié)構(gòu)完全破壞，并出現(xiàn)縮頸。如果在縮頸開始后不迅速發(fā)生斷裂，則隨應(yīng)變的增加，被破壞的晶體又重新組成方向性好、強(qiáng)度高的微纖維結(jié)構(gòu)。載荷將不再由范德瓦爾斯鍵承擔(dān)，而是由強(qiáng)的多的共價(jià)鍵承擔(dān)。每個(gè)微纖維都有很高的強(qiáng)度，再加上微纖維間的聯(lián)結(jié)分子鏈進(jìn)一步伸開，微纖維結(jié)構(gòu)的繼續(xù)變形非常困難，從而造成硬化。2應(yīng)變硬化指數(shù)

概念：n應(yīng)變硬化指數(shù)——用來表征金屬材料的應(yīng)變硬化能力。

n定義：Hollomon用一個(gè)指數(shù)關(guān)系式擬合真應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的均勻塑性變形階段，符合的較好，其表達(dá)式為：S＝Ken

S－真應(yīng)力；e－真應(yīng)變；n－應(yīng)變硬化指數(shù)；K－硬化系數(shù)。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

真應(yīng)力－應(yīng)變曲線n討論：n反映了材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。n＝1時(shí)，表示材料為完全理想的彈性體，S與e成正比關(guān)系；n=0時(shí)，S=K=常數(shù)，表示材料沒有應(yīng)變硬化的能力；n＝0.1～0.5大多數(shù)金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)在此范圍。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

測(cè)量方法：GB5028-85

將S＝Ken取對(duì)數(shù)，得lgS=lgK+nlge在應(yīng)力應(yīng)變曲線上確定幾個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值，代入和，算出S和e及l(fā)gS和lge，作lgS－lge直線，斜率即為所求的n值。lgS-lge曲線第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

影響n的因素：

金屬材料的n值大小與層錯(cuò)能的高低有關(guān)，層錯(cuò)能的高低反映了材料交滑移的難易程度。層錯(cuò)能較低時(shí)，不易交滑移，應(yīng)變硬化程度大。層錯(cuò)能低的n值大，層錯(cuò)能高的n值小。

第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

與金屬的冷熱變形狀態(tài)有關(guān)，退火態(tài)的金屬n值較大，冷變形態(tài)金屬n值較小。與金屬屈服強(qiáng)度大致成反比關(guān)系，強(qiáng)度高，n值小，強(qiáng)度小，n值高。在某些合金中，溶質(zhì)濃度增加，n值減小，晶粒增大，n值增大。如低碳鋼和低合金高強(qiáng)度鋼：n=70/s第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)3應(yīng)變硬化的意義

應(yīng)變硬化是金屬極為可貴的性質(zhì)之一，如果沒有這一性質(zhì)，金屬就不可能應(yīng)用的如此廣泛。原因有三：一）那里變形那里硬化，使變形轉(zhuǎn)移到?jīng)]有變形的部位，塑變－硬化配合，反復(fù)交替進(jìn)行，使得截面均勻的冷變形產(chǎn)品成為可能。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

二）服役過程中可承受偶爾的過載，相當(dāng)于保護(hù)。如果沒有硬化，過載會(huì)怎樣？過載－變形－斷裂不可避免發(fā)生。三）強(qiáng)化手段之一。對(duì)于沒有相變的材料，不能靠熱處理強(qiáng)化，形變硬化成為唯一的強(qiáng)化方法。例如：噴丸和表面滾壓。第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)五、抗拉強(qiáng)度

定義：拉伸曲線上應(yīng)力的最大值。表征最大均勻塑性變形抗力指標(biāo)。定義式：工程意義：靜拉伸實(shí)驗(yàn)中最容易測(cè)定，重現(xiàn)性好的指標(biāo)。在工程中應(yīng)用最廣泛。該指標(biāo)影響因素同屈服強(qiáng)度。

第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)縮頸應(yīng)力依賴于材料的應(yīng)變硬化系數(shù)K和應(yīng)變硬化指數(shù)n。是否產(chǎn)生縮頸還與其應(yīng)變速率敏感指數(shù)m有關(guān)。產(chǎn)生縮頸的工程應(yīng)力為e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)m高，可推遲縮頸的產(chǎn)生六、塑性與塑性指標(biāo)塑性的概念：材料斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。測(cè)量塑性的性能指標(biāo)：

斷后伸長率和斷面收縮率第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

斷后伸長率－光滑圓柱試樣拉伸實(shí)驗(yàn)斷后，標(biāo)距范圍內(nèi)的伸長量占標(biāo)距長度的百分比。當(dāng)標(biāo)距長度是標(biāo)距部分直徑的5倍、10倍時(shí)分別表示為、。

斷后伸長率的定義式為：

第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)斷后伸長率和最大力下的總伸長率的區(qū)別經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于同一材料的幾何相似試樣來說為常數(shù)。為了比較方便，必須使為常數(shù)因此國標(biāo)規(guī)定，L0＝10d0或5d0第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)兩者之間的關(guān)系：時(shí)，說明拉斷時(shí)不產(chǎn)生縮頸；時(shí)，說明拉斷時(shí)產(chǎn)生縮頸。斷面收縮率－試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大收縮量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)表示，定義式為:

第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形的工程意義：（與應(yīng)變硬化比較）

1、承受偶然過載，與應(yīng)變硬化結(jié)合避免機(jī)件的突然破壞；2、塑性變形可緩解因機(jī)件形狀復(fù)雜引起的應(yīng)力集中；3、有利于塑性加工和修復(fù)工藝的實(shí)施；4、評(píng)價(jià)金屬材料冶金質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。

第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第五節(jié)斷裂斷裂－固體材料在力的作用下分成幾個(gè)部分的現(xiàn)象。斷裂的危害？（與其它失效方式比較）一、斷裂的類型及宏觀斷口特征 斷裂的分類有很多種：

1、按照斷裂前有無明顯的塑性變形分為：韌性斷裂(ductilefracture)、脆性斷裂(brittlefracture)。2、按晶體材料斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展的途徑分為：穿晶斷裂、沿晶斷裂。徹底失效第五節(jié)斷裂

3、按照微觀斷裂機(jī)理分為：解理斷裂、剪切斷裂（純剪切斷裂、微孔聚集型斷裂）。4、按作用力的性質(zhì)和斷裂面的取向分為，正斷、切斷。

斷裂過程包括裂紋形成和裂紋擴(kuò)展。斷裂的表面－斷口，可提供斷裂原因、條件、斷裂機(jī)理等信息，在失效分析及材料科學(xué)研究中很重要。第五節(jié)斷裂正斷混合斷切斷第五節(jié)斷裂

1韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂定義——斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑變的斷裂過程。韌性斷裂特點(diǎn)——斷裂過程較慢，消耗大量的塑性變形能。斷口的特征——纖維狀（眾多細(xì)微裂紋不斷擴(kuò)展和相互連接造成）、暗灰色（纖維狀斷口對(duì)光的反射能力很弱）。第五節(jié)斷裂韌性斷裂斷口第五節(jié)斷裂韌性斷裂斷口第五節(jié)斷裂

典型斷口的宏觀特征——一般包括三個(gè)區(qū)域：纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)。斷口特征三要素

第五節(jié)斷裂

脆性斷裂定義——斷裂前及斷裂過程中基本上不產(chǎn)生明顯宏觀塑變的斷裂過程。脆性斷裂特點(diǎn)——沒有明顯預(yù)兆，裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，具有很大的危險(xiǎn)性。斷口的特征——斷口一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。第五節(jié)斷裂第五節(jié)斷裂容易發(fā)生韌性斷裂的材料——塑性較好的金屬材料和高分子材料。容易發(fā)生脆性斷裂的材料——淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃。

第五節(jié)斷裂2穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂與沿晶斷裂示意圖第五節(jié)斷裂

穿晶斷裂定義——斷裂過程中裂紋穿過晶粒內(nèi)部的斷裂過程。穿晶斷裂特點(diǎn)——可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂。斷口的特征——穿晶斷裂的微觀機(jī)理有多種，所以斷口的特征也很復(fù)雜，除了典型的韌窩和解理花樣外還有多種混合斷口如準(zhǔn)解理，疲勞斷口等。第五節(jié)斷裂

沿晶斷裂定義——斷裂過程中裂紋沿晶界擴(kuò)展的斷裂過程。沿晶斷裂特點(diǎn)——絕大多數(shù)為脆性斷裂。斷口的特征——一般呈結(jié)晶狀（冰糖狀）。沿晶斷裂的原因大致有：①晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相，②微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚，③由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷。第五節(jié)斷裂沿晶斷裂第五節(jié)斷裂容易發(fā)生沿晶斷裂的材料－晶界上存在斷續(xù)或連續(xù)脆性第二相薄層的合金、高溫下晶界結(jié)合力較弱的金屬、共價(jià)鍵陶瓷等。容易發(fā)生穿晶斷裂的材料－大部分塑性較好的金屬材料和離子鍵結(jié)合的陶瓷材料。第五節(jié)斷裂3剪切斷裂與解理斷裂剪切斷裂與解理斷裂是兩種不同的微觀斷裂方式，是材料斷裂的兩種重要機(jī)理。剪切斷裂：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?？煞譃榧兗羟袛嗔押臀⒖拙奂蛿嗔?。第五節(jié)斷裂純剪切斷裂斷口呈鋒利的楔形（單晶體材料）斷口呈刀尖型（多晶體材料的完全韌性斷裂）第五節(jié)斷裂

微孔聚集型斷裂——是韌性斷裂的普遍方式。斷裂過程包括微孔的形核（第二相碎裂與基體界面脫離）、長大（大量位錯(cuò)進(jìn)入微孔）、聚合（相鄰微孔連接部分內(nèi)縮頸的斷裂形成微裂紋）直至斷裂（微裂紋在尖端應(yīng)力集中作用下與主裂紋連通）。微孔也可產(chǎn)生于晶界，或?qū)\晶帶等處，只是相對(duì)地說微孔萌生較遲些。NoExist第五節(jié)斷裂微孔長大聚合示意圖形核長大聚合第五節(jié)斷裂微孔聚集型斷裂斷口的特征——宏觀上常呈暗灰色、纖維狀，微觀上則為大量的韌窩。韌窩大小取決與第二相的大小及間距，一般來說間距小，韌窩也小。韌窩的深度取決與材料的塑性好壞，一般來說，塑性好，韌窩較深。第五節(jié)斷裂典型的韌窩微觀形貌斷口SEM照片第五節(jié)斷裂三種應(yīng)力狀態(tài)下的韌窩形態(tài)a)等軸韌窩b)拉長韌窩c)撕裂韌窩第五節(jié)斷裂三種應(yīng)力狀態(tài)動(dòng)畫a)等軸韌窩c)撕裂韌窩b)拉長韌窩第五節(jié)斷裂

解理斷裂定義——在正應(yīng)力的作用下，由于原子間結(jié)合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂稱為解理斷裂。解理斷裂的特點(diǎn)：

1主裂紋清晰；2晶粒內(nèi)無變形；3裂紋多萌生于晶界；表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面。？第五節(jié)斷裂解理斷裂的微觀斷口應(yīng)該是極平坦的鏡面，但是實(shí)際的解理斷口是由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的解理面集合而成的。這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。斷口的特征——解理臺(tái)階、河流花樣和舌狀花樣。第五節(jié)斷裂解理裂紋與螺位錯(cuò)相交形成臺(tái)階二次解理和撕裂形成臺(tái)階(a)次生解理(b)撕裂第五節(jié)斷裂當(dāng)匯合臺(tái)階足夠高時(shí)，便形成河流花樣河流花樣是判斷是否為解理斷裂的重要微觀依據(jù)‘‘河流”的流向與裂紋的擴(kuò)展方向一致第五節(jié)斷裂河流花樣(a)船用鋼板(b)LiF晶體扭轉(zhuǎn)晶界和大角度晶界兩側(cè)解理面方向各異第五節(jié)斷裂舌狀花樣它是由于解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的舌頭狀凹坑或凸臺(tái)，故在匹配斷口上“舌頭”為黑白對(duì)應(yīng)的。第五節(jié)斷裂解理面解理方向?qū)\晶面孿生方向解理舌形成示意圖第五節(jié)斷裂

準(zhǔn)解理斷裂定義——是微孔聚合與解理斷裂兩種微觀斷裂機(jī)理的混合。準(zhǔn)解理斷裂的特點(diǎn)——主裂紋走向不清晰，晶粒內(nèi)部有許多撕裂棱（變形大），裂紋多萌生于晶粒內(nèi)部。斷口的特征——準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面，裂紋源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。第五節(jié)斷裂準(zhǔn)解理斷口第五節(jié)斷裂4高分子材料的斷裂Tg溫度(玻璃轉(zhuǎn)變溫度）以上為韌性斷裂，以下為脆性斷裂。非晶態(tài)高分子材料的斷裂過程——銀紋產(chǎn)生和發(fā)展的過程。（與金屬微孔聚合型斷裂機(jī)理相似）晶態(tài)高分子材料的斷裂過程——應(yīng)力垂直于分子鏈方向；應(yīng)力平行與分子鏈方向。第五節(jié)斷裂陶瓷材料的斷裂過程都是以其內(nèi)部或表面存在的缺陷為起點(diǎn)而發(fā)生的。缺陷的存在是概率性的。當(dāng)內(nèi)部缺陷成為斷裂原因時(shí)，隨試樣體積增加，缺陷存在的概率增加，材料強(qiáng)度下降；表面缺陷成為斷裂源時(shí)，隨表面積增加，缺陷存在概率也增加，材料強(qiáng)度也下降。5陶瓷材料的斷裂第五節(jié)斷裂因加工產(chǎn)生的表面?zhèn)叟c氮化鋁AlN強(qiáng)度的關(guān)系第五節(jié)斷裂解理是陶瓷材料的主要斷裂機(jī)理，而且很容易從穿晶解理轉(zhuǎn)變成沿晶斷裂。陶瓷材料的斷裂是以各種缺陷為裂紋源，在一定拉伸應(yīng)力作用下，其最薄弱環(huán)節(jié)處的微小裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界值時(shí)陶瓷瞬時(shí)脆斷。第五節(jié)斷裂6斷口分析

宏觀、微觀斷口的特征可以提供給我們一些有用的信息：裂紋萌生與擴(kuò)展的起因、斷裂經(jīng)歷及方式，有助于對(duì)斷裂的原因、條件及影響因素做出正確判斷。常用于新材料研制、失效（事故）分析等工程應(yīng)用中。