第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能

材料力學(xué)性能

裴立宅材料科學(xué)與工程學(xué)院Email:lzpei1977@163.com,lzpei@

2/4/20231安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院不同的材料具有不同的使用性能，在工業(yè)、社會(huì)生活等各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用研究材料的根本目的是改善和提高其使用性能使用性能包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能（也是物性的一種）對(duì)于金屬、無(wú)機(jī)非金屬等結(jié)構(gòu)材料來(lái)講，力學(xué)性能是最重要的使用性能2/4/20232安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料力學(xué)性能的定義:材料在外加載荷（外力）作用下，或載荷與環(huán)境因素（如溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為，又稱為力學(xué)行為。宏觀上一般表現(xiàn)為材料的變形或斷裂。材料的力學(xué)性能包括：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐磨性等2/4/20233安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院機(jī)器零件（簡(jiǎn)稱機(jī)件）的承載條件一般用各種力學(xué)參數(shù)（如應(yīng)力、斷裂韌度等），所以就將表征材料的力學(xué)參數(shù)的臨界值或規(guī)定值稱為材料的力學(xué)性能指標(biāo)或判據(jù)。材料力學(xué)性能指標(biāo)具體數(shù)值的高低表示材料抵抗變形和斷裂能力的大小，是評(píng)定材料質(zhì)量的主要依據(jù)。2/4/20234安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料的力學(xué)性能主要由材料的內(nèi)在因素決定內(nèi)在因素：材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、表面及內(nèi)部缺陷外部因素：載荷性質(zhì)，如靜載荷、沖擊載荷、交變載荷應(yīng)力狀態(tài)，如拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、溫度、環(huán)境介質(zhì)等因此，分析內(nèi)、外因素對(duì)材料力學(xué)性能的影響，掌握材料力學(xué)性能的變化規(guī)律，對(duì)于正確選擇材料，明確提高材料力學(xué)性能的方向和途徑具有重要意義2/4/20235安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料作為一門(mén)大型基礎(chǔ)學(xué)科，內(nèi)容涉及廣泛，我們無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)的學(xué)生不僅要了解、掌握無(wú)機(jī)非金屬材料，還需要了解金屬材料的力學(xué)性能，這對(duì)以后大家的學(xué)習(xí)、就業(yè)和工作等方面都是大有益處的。2/4/20236安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第二章金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能第四章金屬的斷裂韌度第五章金屬的疲勞第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂第七章金屬磨損和接觸疲勞第八章金屬高溫力學(xué)性能第十章陶瓷材料的力學(xué)性能第十一章復(fù)合材料的力學(xué)性能普通混凝土的力學(xué)性能2/4/20237安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院關(guān)于材料力學(xué)性能的參考書(shū)：[1]高建明主編.材料力學(xué)性能[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2004.[2]石德珂,金志浩主編.材料力學(xué)性能[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1998.[3]劉瑞堂主編.工程材料力學(xué)性能[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001.[4]陳楷主編.陶瓷材料物理性能[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1980.[5]吳振鐸主編.無(wú)機(jī)材料物理性能[M].北京:清華大學(xué)出版社,1992.2/4/20238安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)：溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率一定，通常用標(biāo)準(zhǔn)的光滑圓柱試樣來(lái)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)可以揭示金屬材料在靜載荷作用下常見(jiàn)的力學(xué)行為：彈性變形、塑性變形及斷裂本章主要介紹靜拉伸載荷下力學(xué)性能指標(biāo)的物理概念及實(shí)用意義，并分析金屬?gòu)椥宰冃?、塑性變形及斷裂的基本?guī)律與原理2/4/20239安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第一節(jié)力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線力-伸長(zhǎng)曲線：是拉伸試驗(yàn)中拉伸力與伸長(zhǎng)的關(guān)系曲線2/4/202310安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/4/202311安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/4/202312安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第二節(jié)彈性變形一、彈性變形及其實(shí)質(zhì)2/4/202313安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二、虎克定律（一）簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)的虎克定律2/4/202314安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/4/202315安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（二）廣義虎克定律2/4/202316安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院三、彈性模量定義：當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐粋€(gè)單位時(shí)，彈性模量即為彈性應(yīng)力，即產(chǎn)生100%彈性變形時(shí)所需要的應(yīng)力。這個(gè)定義對(duì)金屬來(lái)講是沒(méi)有任何意義的，這是因?yàn)榻饘俨牧纤墚a(chǎn)生的彈性變形量是很小的。2/4/202317安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院工程上彈性模量被稱為材料的剛度，表征金屬材料對(duì)彈性變形的抵抗力機(jī)器零件或構(gòu)件的剛度與材料剛度不同，前者用其截面積A與所用材料的剛度E的乘積，即AE表示所以要提高機(jī)件的剛度，在橫截面積相同時(shí)，應(yīng)該選擇E值大的材料，如鋼鐵、陶瓷材料等單晶體金屬的彈性模量在不同晶體學(xué)方向上不一致，原子間距較小的晶體學(xué)方向上的彈性模量較大，反之則較小，所以單晶金屬表現(xiàn)為彈性各向異性多晶金屬的彈性模量為各晶粒彈性模量的統(tǒng)計(jì)平均值，呈現(xiàn)各向同性2/4/202318安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院四、彈性比功又稱彈性比能、應(yīng)變比能，表示材料吸收彈性變形功的能力2/4/202319安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院因?yàn)閺椥员裙κ怯脝挝幻娣e材料吸收的最大彈性變形功表示，所以機(jī)件的體積越大，則吸收的彈性功越大，可儲(chǔ)備的彈性能越大。彈簧是典型的彈性零件，其重要作用是減振和儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)，所以彈簧材料應(yīng)具有較高的彈性比功，如高碳鋼2/4/202320安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院五、滯彈性純彈性體的彈性變形只與載荷大小有關(guān)，而與加載方向和加載時(shí)間無(wú)關(guān)但對(duì)于實(shí)際的金屬材料來(lái)講，其彈性變形不僅是應(yīng)力的函數(shù)，而且是時(shí)間的函數(shù)在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨著時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象，稱為滯彈性。滯彈性應(yīng)變量與材料成分、組織有關(guān)，也與試驗(yàn)條件有關(guān)材料組織越不均勻，滯彈性越明顯。2/4/202321安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院由于實(shí)際金屬具有滯彈性，金屬在彈性區(qū)快速加載卸載時(shí)，由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，稱為彈性滯后環(huán)（圖a）。如果施加交變載荷，且最大應(yīng)力低于宏觀彈性極限，加載速率比較大，則也得到彈性滯后環(huán)（圖b）。如果交變載荷中最大應(yīng)力超過(guò)宏觀彈性極限，就會(huì)得到塑性滯后環(huán)（圖c）。2/4/202322安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬的循環(huán)韌性定義：金屬材料在交變載荷（或振動(dòng)）下吸收不可逆變形功的能力，也稱為金屬的內(nèi)耗或消振性。意義：循環(huán)韌性越高，機(jī)件依靠自身的消振能力越好，所以高循環(huán)韌性對(duì)于降低機(jī)器的噪聲，抑制高速機(jī)械的振動(dòng)，防止共振導(dǎo)致疲勞斷裂意義重大。2/4/202323安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院六、包申格效應(yīng)（Bauschinger）2/4/202324安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院包申格效應(yīng)的定義：金屬材料經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形，殘余應(yīng)變約1-4%，卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（彈性極限或屈服強(qiáng)度）增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低的現(xiàn)象。2/4/202325安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院包申格效應(yīng)是多晶金屬具有的普遍現(xiàn)象，與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)位錯(cuò)：是晶體中的一維缺陷，缺陷區(qū)是細(xì)長(zhǎng)的管狀區(qū)域，管內(nèi)的原子排列混亂，破壞了點(diǎn)陣的周期性位錯(cuò)的TEM圖像2/4/202326安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/4/202327安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院消除包申格效應(yīng)的方法：(1)預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形；(2)在第二次反向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。2/4/202328安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第三節(jié)塑性變形一、塑性變形方式和特點(diǎn)變形方式：(1)滑移(2)孿生2/4/202329安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(1)滑移是金屬材料在切應(yīng)力作用下位錯(cuò)沿滑移面和滑移方向運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的切變過(guò)程滑移面是原子排列最密排的晶面，而滑移方向是原子最密排的方向滑移面和滑移方向的組合稱為滑移系，滑移系越多，金屬的塑性越好，但滑移系的數(shù)目不是決定金屬塑性的唯一因素面心立方fcc金屬（如Cu、Al）的滑移系比體心立方bcc金屬（α-Fe)的少，但由于前者晶格阻力低，位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng)，所以塑性比后者好。2/4/202330安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(2)孿生也是金屬材料在切應(yīng)力作用下的一種塑性變形方式孿生本身提供的變形量很小，例如Cd孿生變形只有7.4%的變形量，而滑移形變度可達(dá)300%。孿生變形可以調(diào)整滑移面的方向，使新的滑移系開(kāi)動(dòng)，間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)。孿生變形也是沿特定的晶面和特定晶向進(jìn)行。2/4/202331安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院多晶金屬中每一晶?；谱冃蔚囊?guī)律與單晶金屬相同，但是多晶金屬中存在晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性變形有如下特點(diǎn)：(1)各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性(2)各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性2/4/202332安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(1)各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性多晶體由于各晶粒取向不同，在受外力時(shí)，某些取向有利的晶粒先開(kāi)始滑移變形，而那些取向不利的晶?？赡苋蕴幱趶椥宰冃螤顟B(tài)，只有繼續(xù)增加外力，才能使滑移從某些晶粒傳播到另外一些晶粒，并不斷傳播下去，從而產(chǎn)生宏觀塑性變形。金屬組織越不均勻，則起始塑性變形不同時(shí)性就越顯著。金屬材料塑性變形的不同時(shí)性實(shí)際反映了塑性變形的局部性，即塑性變形量的不均勻性。這種不均勻性不僅存在于各晶粒之間，基體金屬晶粒與第二相晶粒之間，即使同一晶粒內(nèi)部，各處的塑性變形量也不同。所以當(dāng)宏觀塑性變形量還不大時(shí)，個(gè)別晶?；蚓Я＞植繀^(qū)域的塑性變形量可能已達(dá)到極限。由于塑性耗竭，加上變形不均勻產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，就有可能在這些晶粒中形成裂紋，從而導(dǎo)致金屬材料的早期斷裂。2/4/202333安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(2)各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性多晶體作為一個(gè)連續(xù)的整體，不允許各個(gè)晶粒在任一滑移系中的自由變形，否則必將造成晶界開(kāi)裂，這就要求各晶粒之間能夠協(xié)調(diào)變形。所以每個(gè)晶粒必須能夠同時(shí)沿幾個(gè)滑移系進(jìn)行滑移，即能進(jìn)行多系滑移，或在滑移同時(shí)進(jìn)行孿生變形。2/4/202334安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二、屈服現(xiàn)象和屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）屈服現(xiàn)象是材料產(chǎn)生宏觀塑性變形的一種標(biāo)志。金屬材料從彈性變形階段向塑性變形階段的過(guò)渡明顯，表明外力保持恒定時(shí)試樣仍繼續(xù)伸長(zhǎng)，或者外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，然后外力幾乎不變時(shí)，試樣仍繼續(xù)伸長(zhǎng)變形，這就是屈服現(xiàn)象。呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料在拉伸時(shí)，試樣在外力保持恒定仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，又稱屈服強(qiáng)度。屈服現(xiàn)象在退火、正火處理的中、低碳鋼和低合金鋼中最為常見(jiàn)2/4/202335安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院屈服伸長(zhǎng)上屈服點(diǎn)下屈服點(diǎn)2/4/202336安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與屈服現(xiàn)象相關(guān)的三個(gè)因素：(1)材料變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小，或雖然有大量位錯(cuò)但被釘扎住，如鋼中的位錯(cuò)為雜質(zhì)原子或第二相質(zhì)點(diǎn)所釘扎(2)隨塑性變形發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖(3)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力密切相關(guān)2/4/202337安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院屈服強(qiáng)度的表示方法：用應(yīng)力表示的屈服點(diǎn)（σs）或下屈服點(diǎn)(σs1)就是表征材料對(duì)微量塑性變形的抗力，即為屈服強(qiáng)度由于正常條件下，σs1再現(xiàn)性較好，所以下屈服強(qiáng)度也選作材料屈服強(qiáng)度指標(biāo)之一。2/4/202338安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院對(duì)于連續(xù)屈服特征的金屬材料，在拉伸試驗(yàn)時(shí)看不到屈服現(xiàn)象對(duì)于這一類材料，可用規(guī)定微量塑性伸長(zhǎng)應(yīng)力表征材料材料對(duì)微量塑性變形的抗力規(guī)定微量塑性伸長(zhǎng)應(yīng)力是人為規(guī)定的拉伸試樣標(biāo)距部分產(chǎn)生一定的微量塑性伸長(zhǎng)率（如0.01%、0.05%、0.2%等）時(shí)的應(yīng)力。根據(jù)測(cè)定方法不同，可分為三種指標(biāo)2/4/202339安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(1)規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力（σp）試樣在加載過(guò)程中，標(biāo)距部分的非比例伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力，例如σp0.01、σp0.05、σp0.2等(2)規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（σr）試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力，常用的是σr0.2，表示規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力在不規(guī)定測(cè)定方法的情況下，可用σ0.01、σ0.05、σ0.2表示，一般將σ0.2稱為屈服強(qiáng)度(3)規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力（σt）試樣標(biāo)距部分的總伸長(zhǎng)（彈性伸長(zhǎng)與塑性伸長(zhǎng)之和）達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力常用的規(guī)定總伸長(zhǎng)率為0.5%，σt0.5表示規(guī)定伸長(zhǎng)總伸長(zhǎng)率為0.5%時(shí)的應(yīng)力2/4/202340安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院屈服強(qiáng)度是金屬材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)，是工程上從靜強(qiáng)度角度選擇韌性材料的基本依據(jù)由于實(shí)際零件不可能在抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的很大的均勻塑性變形條件下服役，所以傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法規(guī)定，許用應(yīng)力：2/4/202341安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院三、影響屈服強(qiáng)度的因素金屬材料是多晶體合金，具有多相組織，所以討論影響屈服強(qiáng)度的因素，必須注意以下三點(diǎn)：（1）屈服變形是位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，所以凡是影響位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的各種因素必然影響屈服強(qiáng)度（2）實(shí)際金屬的力學(xué)行為是由許多晶粒綜合作用的結(jié)果，所以要考慮晶界、相鄰晶粒的約束、材料的化學(xué)成分以及第二相的影響（3）各種外界因素通過(guò)影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而影響屈服強(qiáng)度2/4/202342安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（一）內(nèi)在因素1.金屬本性與晶格類型2.晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)亞結(jié)構(gòu)：在實(shí)際金屬晶體中，一個(gè)晶粒內(nèi)部其晶格位向并不像理想晶體那樣完全一致，而是存在許多尺寸更小、位向差也很?。ㄒ话銥閹资值?-2度）的小晶塊，它們相互鑲嵌成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)，或稱亞晶粒、鑲嵌塊。2/4/202343安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院3.溶質(zhì)元素在純金屬中加入溶質(zhì)原子（間隙型或置換型）形成固溶合金或多相合金中的基體相，將顯著提高屈服強(qiáng)度，稱為固溶強(qiáng)化。間隙型固溶體的強(qiáng)化效果大于置換型固溶體2/4/202344安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院4.第二相第二相質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)化效果與質(zhì)點(diǎn)本身在屈服變形過(guò)程中能否變形有很大關(guān)系所以第二相質(zhì)點(diǎn)可分為不可變形的（如鋼中的碳化物與氮化物等）和可變形的（如粗大的碳化物等）兩類這些第二相質(zhì)點(diǎn)比較小，有的可用粉末冶金法獲得（由此產(chǎn)生的強(qiáng)化稱為彌散強(qiáng)化），有的可用固溶處理和隨后的沉淀析出獲得（由此產(chǎn)生的強(qiáng)化稱為沉淀強(qiáng)化）第二相的強(qiáng)化效果還與其尺寸、形狀和數(shù)量以及第二相與基體的強(qiáng)度、塑性和應(yīng)變硬化特性、兩相之間的晶體學(xué)配合和界面能等因素有關(guān)屈服強(qiáng)度是一個(gè)對(duì)成分、組織極為敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，受許多內(nèi)在因素的影響，改變合金成分或熱處理工藝都可使屈服強(qiáng)度產(chǎn)生明顯變化。2/4/202345安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（二）影響屈服強(qiáng)度的外在因素1.溫度2.應(yīng)變速率3.應(yīng)力狀態(tài)2/4/202346安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.溫度升高溫度，金屬材料的屈服強(qiáng)度降低，但是金屬晶體結(jié)構(gòu)不同，其變化趨勢(shì)并不同2/4/202347安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2.應(yīng)變速率由于應(yīng)變速率增加而產(chǎn)生的強(qiáng)度提高效應(yīng)，稱為應(yīng)變速率硬化現(xiàn)象2/4/202348安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院3.應(yīng)力狀態(tài)切應(yīng)力越大，越有利用塑性變形，屈服強(qiáng)度則越低，所以扭轉(zhuǎn)比拉伸的屈服強(qiáng)度低，拉伸比彎曲的屈服強(qiáng)度低，但三向不等拉伸下的屈服強(qiáng)度為最高不同應(yīng)力狀態(tài)下材料屈服強(qiáng)度不同，并非是材料性質(zhì)變化，而是材料在不同條件下表現(xiàn)的力學(xué)行為不同而已2/4/202349安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院四、應(yīng)變硬化（形變強(qiáng)化）定義：在金屬整個(gè)變形過(guò)程中，當(dāng)外力超過(guò)屈服強(qiáng)度之后，塑性變形并不是像屈服平臺(tái)那樣連續(xù)流變下去，而需要不斷增加外力才能繼續(xù)進(jìn)行，這說(shuō)明金屬有一種阻止繼續(xù)塑性變形的抗力，這種抗力就是應(yīng)變硬化性能。塑性應(yīng)變是硬化的原因，而硬化則是塑性應(yīng)變的結(jié)果，應(yīng)變硬化是位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)受阻所致2/4/202350安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)變硬化指數(shù)nn反映了材料抵抗均勻塑性變形的能力，是表征材料應(yīng)變硬化行為的性能指標(biāo)2/4/202351安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院n=1，表示材料是完全理想的彈性體n=0，S=K=常數(shù)，表示材料沒(méi)有應(yīng)變硬化能力，如室溫下產(chǎn)生再結(jié)晶的軟金屬及已受強(qiáng)烈應(yīng)變硬化的材料大多數(shù)金屬材料的n值為0.1-0.5

2/4/202352安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)變硬化的作用：(1)應(yīng)變硬化可使金屬機(jī)件具有一定的抗偶然過(guò)載能力，保證機(jī)件安全。(2)應(yīng)變硬化和塑性變形適當(dāng)配合可使金屬均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實(shí)施。(3)可降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性能。2/4/202353安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院五、縮頸現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度（一）定義縮頸是金屬等韌性材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象，這是應(yīng)變硬化（物理因素）與截面減?。◣缀我蛩兀┕餐饔玫慕Y(jié)果。2/4/202354安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（二）縮頸判據(jù)拉伸失穩(wěn)或縮頸的判據(jù)應(yīng)為dF=0，在任一瞬間，拉伸力F為真實(shí)應(yīng)力S與試樣瞬時(shí)橫截面積A之積，即F=SA上式即為縮頸判據(jù)當(dāng)真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上某點(diǎn)的斜率（應(yīng)變硬化速率）等于該點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力（流變應(yīng)力，即屈服后繼續(xù)塑性變形并隨之升高的抗力）時(shí)，縮頸產(chǎn)生。2/4/202355安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院抗拉強(qiáng)度定義：拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷過(guò)程中最大試驗(yàn)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。σb只代表金屬材料所能承受的最大拉伸應(yīng)力，表征金屬材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力2/4/202356安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院抗拉強(qiáng)度σb的實(shí)際意義：(1)標(biāo)志塑性金屬材料的實(shí)際承載能力，但這種承載能力僅限于光滑試樣單向拉伸的受載條件，韌性材料的σb不能作為設(shè)計(jì)參數(shù)，這是因?yàn)棣襜對(duì)應(yīng)的應(yīng)變遠(yuǎn)非實(shí)際使用中所要達(dá)到的(2)對(duì)于脆性金屬材料，一旦拉伸力達(dá)到最大值，材料便迅速斷裂，所以σb是脆性材料的斷裂強(qiáng)度，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其許用應(yīng)力可以σb為判據(jù)(3)抗拉強(qiáng)度的高低由屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)來(lái)決定，屈服強(qiáng)度一定時(shí)，應(yīng)變硬化指數(shù)越大，抗拉強(qiáng)度越高(4)σb與布氏硬度HBW、疲勞極限σ-1有一定經(jīng)驗(yàn)關(guān)系2/4/202357安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院六、塑性（一）塑性與塑性指標(biāo)塑性定義：指金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形（不可逆永久變形）的能力。由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分構(gòu)成均勻塑性變形量比集中塑性變形量小得多，一般不超過(guò)集中變形量的50%所以縮頸形成后，塑性變形主要集中于試樣縮頸附近2/4/202358安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院塑性指標(biāo)：(1)斷后伸長(zhǎng)率2/4/202359安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(2)斷面收縮率斷面收縮率是試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)φ表示2/4/202360安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（二）塑性的意義與影響因素對(duì)機(jī)件來(lái)講，都要求材料具有一定的塑性，以防止機(jī)件偶然過(guò)載時(shí)產(chǎn)生突然破壞。影響因素：1.溶質(zhì)元素會(huì)降低鐵素體的塑性；2.鋼的塑性受碳化物體積比以及形狀的影響；3.細(xì)化顆?？墒共牧系乃苄栽黾?。2/4/202361安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院韌度是度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)，分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度韌性是材料的力學(xué)性能，是指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力，或指材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力材料在拉伸時(shí)單位體積材料斷裂前所吸收的功定義為靜力韌度，它是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)工程上可用近似計(jì)算方法，如對(duì)于韌性材料，靜力韌度UT為：七、靜力韌度靜力韌度對(duì)于按照屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而在服役中有可能遇到偶然過(guò)載的機(jī)件，如鏈條、起重吊鉤等，是必須考慮的重要指標(biāo)2/4/202362安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第四節(jié)金屬的斷裂一、斷裂的類型機(jī)件三種重要的失效形式：磨損、腐蝕、斷裂完全斷裂：在應(yīng)力作用下，有時(shí)還有熱和介質(zhì)的共同作用，金屬材料被分為兩個(gè)或幾個(gè)部分不完全斷裂：機(jī)件內(nèi)部存在裂紋研究金屬材料完全斷裂（簡(jiǎn)稱斷裂）的宏觀、微觀特征、斷裂機(jī)理、斷裂的力學(xué)條件及影響金屬斷裂的內(nèi)外因素，對(duì)于設(shè)計(jì)工作者和材料工作者進(jìn)行機(jī)件安全設(shè)計(jì)與選材，分析機(jī)件斷裂失效事故是十分必要的大多數(shù)金屬材料的斷裂過(guò)程都包括裂紋形成與擴(kuò)展兩個(gè)階段2/4/202363安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院一、斷裂的類型根據(jù)斷裂前塑性變化大小分類：（一）韌性斷裂和脆性斷裂韌性斷裂：指金屬斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有一個(gè)緩慢的撕裂過(guò)程，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中不斷消耗能量。韌性斷裂斷口特征：韌性斷裂的斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力并與主應(yīng)力成45°角斷口呈纖維狀、灰暗色2/4/202364安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院中、低強(qiáng)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，斷口呈杯錐形由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域組成（斷口特征三要素）2/4/202365安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/4/202366安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院脆性斷裂：是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，沒(méi)有明顯征兆，因而危險(xiǎn)性很大脆性斷裂斷口特征：脆性斷裂的斷裂面一般與正應(yīng)力垂直斷口平齊、光亮，呈放射狀或結(jié)晶狀通常脆性斷裂也產(chǎn)生微量塑性變形，一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5%為脆性斷裂，反之為韌性斷裂因此，金屬材料的韌性和脆性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來(lái)規(guī)定的2/4/202367安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院按裂紋擴(kuò)展的途徑分類：（二）穿晶斷裂與沿晶斷裂多晶金屬斷裂時(shí)，裂紋擴(kuò)展的路徑可能不同，穿晶斷裂的裂紋穿過(guò)晶體內(nèi)，而沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴(kuò)展。2/4/202368安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院宏觀上看，穿晶斷裂可以是韌性斷裂（如韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上的穿晶斷裂），也可以是脆性斷裂（如低溫下的穿晶解理斷裂），而沿晶斷裂大多數(shù)為脆性斷裂沿晶斷裂是由晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物，破壞了晶界的連續(xù)性所造成的，也可能是雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起的應(yīng)力腐蝕、氫脆、淬火裂紋、磨削裂紋等都是沿晶斷裂2/4/202369安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院沿晶斷裂的斷口呈冰糖狀2/4/202370安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院根據(jù)斷裂機(jī)理分類：（三）純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂(1)剪切斷裂：金屬材料在切應(yīng)力的作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂；包括滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。純金屬，尤其是單晶體金屬常產(chǎn)生純剪切斷裂微孔聚集型斷裂是通過(guò)微孔成核、長(zhǎng)大聚合而導(dǎo)致材料分離。由于實(shí)際材料中常同時(shí)形成許多微孔，通過(guò)微孔長(zhǎng)大互相連接而最終導(dǎo)致斷裂，所以常用金屬材料一般都產(chǎn)生這類性質(zhì)的斷裂2/4/202371安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(2)解理斷裂：是指金屬材料在一定條件下（如低溫），當(dāng)外加正壓力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂；解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面，由于與大理石的斷裂相似，所以稱這種晶體學(xué)平面為解理面。2/4/202372安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院解理斷裂與脆性斷裂的區(qū)別：一般解理斷裂是脆性斷裂，但有時(shí)在解理斷裂前也有一定的塑性變形，所以解理斷裂與脆性斷裂不是同義詞解理斷裂指斷裂機(jī)理脆性斷裂指斷裂的宏觀狀態(tài)2/4/202373安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院根據(jù)斷裂面的取向分類：如果斷裂面取向垂直于最大正應(yīng)力，為正斷型斷裂；例如解理斷裂或塑性變形受較大約束下的斷裂如果斷裂面取向與最大切應(yīng)力方向一致，而與最大正應(yīng)力方向成45度角，為切斷型斷裂。例如塑性變形不受約束或約束較小情況下的斷裂2/4/202374安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/4/202375安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/4/202376安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二、解理斷裂（一）解理裂紋的形成和擴(kuò)展關(guān)于斷裂機(jī)理的三種理論：1.甄納-斯特羅位錯(cuò)塞積理論2.柯垂耳位錯(cuò)反應(yīng)理論3.史密斯理論解理斷裂是典型的脆性斷裂，而韌性斷裂多數(shù)是微孔聚集型斷裂2/4/202377安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(二)解理斷裂的微觀斷口特征

1.解理斷裂解理斷裂是沿特定界面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，斷裂斷口是由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的解理面集合而成；這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。在解理刻面內(nèi)部只從一個(gè)解理面發(fā)生解理破壞實(shí)際上是很少的，多數(shù)情況下