材料力學第一章二拉伸過程中的變形及力學性能指標

優(yōu)選材料力學第一章二拉伸過程中的變形及力學性能指標現在是1頁\一共有28頁\編輯于星期五21、拉伸過程中的彈性變形2、拉伸過程中的塑性變形3、相應的力學性能指標第一章(二)知識要點現在是2頁\一共有28頁\編輯于星期五3一、基本概念（1）彈性（elasticity）：是指物體（材料）本身的一種特性，發(fā)生形變后可以恢復原來的狀態(tài)的一種性質。（2）彈性變形（elasticdeformation）：材料在外力作用下產生變形，當外力去除后恢復其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形。（3）彈性模量（

elasticmodulus，modulus

of

elasticity）：是表征材料彈性的物理參數，是指材料在彈性變形范圍內，應力和對應的應變的比值E=σ/ε，也是材料內部原子之間結合力強弱的直接量度?，F在是3頁\一共有28頁\編輯于星期五4一、基本概念（4）剛度（

stiffness）：指物體（固體）在外力作用下抵抗變形的能力，可用使產生單位形變所需的外力值來量度。剛度越高，物體表現越硬。（5）彈性比功（elasticspecificwork）：表示材料吸收彈性變形功的能力，彈性比能、應變比能，決定于彈性模量和彈性極限（即材料由彈性變形過渡到彈-塑性變形時的應力）。（6）滯彈性（anelasticity）：在彈性范圍內加快加載或卸載后，隨時間延長產生附加彈性應變的現象?，F在是4頁\一共有28頁\編輯于星期五5一、基本概念（7）循環(huán)彈性（cyclicelasticity）：在交變載荷（振動）下材料吸收不可逆變形功的能力。（8）包申格效應（Bauschinger′s

effect，Bauschingereffect）:

簡單地說，就是經過預先加載產生少量塑性變形后的金屬材料，再次進行同向或反向加載，會產生殘余伸長應力（彈性極限或屈服極限）增加或降低的現象。其基本定量指標是包申格應變，與金屬材料中位錯運動所受的阻力變化有關。（9）塑性變形（plastic

deformation）：材料在外力作用下產生的永久不可恢復的變形。方式：滑移和孿生?，F在是5頁\一共有28頁\編輯于星期五6一、基本概念

（10）屈服現象和屈服點/屈服極限（yield

point/yieldlimit）：

屈服現象：拉伸試驗過程中，外力不增加（恒定）試樣仍能繼續(xù)伸長，或外力增加到一定數值時突然下降，隨后在外力不增加或上下波動情況下，試驗繼續(xù)伸長變形的現象

屈服點/屈服極限：呈現屈服現象的金屬材料拉伸時，試樣在外力不增加（保持恒定）仍然能繼續(xù)伸長的應力。（11）應變硬化/形變強化（strainhardening，strain

strengthening）：在材料的拉伸/壓縮實驗中，材料經過屈服階段之后，又增強了抵抗變形的能力。這時，要使材料繼續(xù)變形需要增大應力。經過屈服滑移之后，材料重新呈現抵抗繼續(xù)變形的能力，稱為應變硬化。

應變硬化特性：金屬材料有一種阻止繼續(xù)塑性變形的能力。

塑性應變是硬化的原因，硬化是塑性變形的結果?，F在是6頁\一共有28頁\編輯于星期五7一、基本概念（12）塑性（

plasticity

）：材料斷裂前發(fā)生塑性變形（不可逆永久變形）的能力，也即固體材料在外力作用下能穩(wěn)定地產生永久變形而不破壞其完整性(不斷裂、不破損）的能力。

延展性（ductility）：材料經受塑性變形而不破壞的能力。

金屬材料斷裂前的所產生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分構成（沒有不均勻屈服塑性變形，因為只有低碳鋼才是那種應力-應變曲線）。

塑性指標（

plasticity

index

）：

斷后伸長率（δ）

斷面收縮率（

ψ）現在是7頁\一共有28頁\編輯于星期五8一、基本概念（12）韌度/韌性：

韌度（tenacity/toughness）:是度量材料韌性的力學性能指標，其中又分為靜力、沖擊和斷裂韌度（static

、impact、fracturetoughness）。

韌性（toughness）：是材料的力學性能，它是材料斷裂前吸收塑性功和斷裂功的能力，或指材料抵抗裂紋擴展的能力。

靜力韌度值：材料在靜拉伸時單位體積斷裂前所吸收的功，是強度和塑性的綜合指標現在是8頁\一共有28頁\編輯于星期五9二、知識點現在是9頁\一共有28頁\編輯于星期五10彈性變形彈性變形及其實質（1）彈性（概念？）變形表現：可逆性變形。不論是在加載期還是卸載期內，應力與應變之間都保持單值線性關系且彈性變形量比較小，金屬一般不超過0.5%～1%，陶瓷一般低于0.1%（~0.01%），高分子材料一般在200%（100~1000%）以上。（2）實質：晶格中原子自平衡位置產生可逆位移的反映。（3）解釋：雙原子模型當原子間相互平衡因受力而受到破壞時，原子的位置必須作相應的調整，即產生位移，而原子的位移總和在宏觀上就表現為變形?，F在是10頁\一共有28頁\編輯于星期五11彈性變形胡克定律：用來表征材料或微小單元應力-應變之間關系的規(guī)律，包括單向拉伸、剪切和扭曲、廣義。（1）簡單應力狀態(tài)的胡克定律（a）單向拉伸:（b）剪切:（c）扭轉:現在是11頁\一共有28頁\編輯于星期五12彈性變形胡克定律（2）廣義的胡克定律

實際上機件的受力狀態(tài)都比較復雜，應力往往是兩向或三向的。在復雜應力狀態(tài)下，用廣義胡克定律描述應力與應變的關系：式中σ1、σ2、σ3——主應力；ε1、ε2、ε3——主應變

主應力中有壓應力時，則為負。應變?yōu)檎硎旧扉L，為負表示縮短。現在是12頁\一共有28頁\編輯于星期五彈性變形彈性模量（1）是表征材料彈性的物理參數，材料在彈性變形范圍內，應力和對應的應變的比值（E=σ/ε），也是材料內部原子之間結合力強弱的直接量度。（2）彈性模量的大小反應了材料抵抗外力的能力（3）工程上彈性模量被稱為材料的剛度，表征材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同應力下產生的彈性變形越小。

單晶表現出彈性各向異性，多晶各向同性（偽各向異性）。

彈性模量與原子間作用力（主要）和原子間距有關。原子間作用力取決于材料原子本性和晶格類型，故彈性模量主要取決于材料的原子本性和晶格類型。（4）合金化、熱處理、冷塑性變形對彈性模量的影響不大，材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學性能指標，外在因素的變化對它的影響也比較小。現在是13頁\一共有28頁\編輯于星期五彈性變形彈性比功（1）彈性比功表示材料吸收彈性變形功的能力，又稱彈性比能、應變比能。（2）一般用材料開始塑性變形前體積吸收的最大彈性變形功表示。材料拉伸時的彈性比功用應力-應變曲線上彈性變形階段下的面積表示，即分別為彈性比功ae，彈性極限σe，和最大彈性應變εe，所以材料的彈性比功取決于彈性模量和彈性極限（材料由彈性變形過渡到彈-塑性變形時的應力）。εe是表征材料彈性的重要參量，εe值越高，材料的彈性越好，越不容易產生塑性變形?，F在是14頁\一共有28頁\編輯于星期五彈性變形滯彈性（彈性后效）（1）在彈性范圍內快速加載或卸載后，隨時間延長產生附加彈性應變的現象。（2）彈性/塑性滯后環(huán)（在塑性區(qū)/彈性區(qū)的加載和卸載線不重合，形成以封閉曲線）（3）循環(huán)韌性（內耗）：材料在塑性區(qū)/彈性區(qū)交變載荷（振動）下吸收的不可逆變形的能力單向拉伸滯彈性現在是15頁\一共有28頁\編輯于星期五彈性變形包申格(Bauschinger)效應（1）材料經過預先加載產生少量塑性變形（殘余應變?yōu)?–4%），卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應力（彈性極限或屈服強度）增加（的現象），或反向加載，規(guī)定殘余伸長應力降低（特別是彈性極限在反向加載時幾乎降低到零）的現象。（2）原因：包申格效應與材料中位錯運動所受的阻力變化有關。預先拉伸（應變2％)，屈服強度約為380MPa；再反向壓縮加載，壓縮屈服強度僅為100MPa左右現在是16頁\一共有28頁\編輯于星期五彈性變形包申格(Bauschinger)效應（3）度量包申格效應的基本定量指標是包申格應變，它是指在給定應力下，正向加載與反向加載兩應力－應變曲線之間的應變差。（4）消除金屬材料包申格效應的方法:預先進行較大的塑性變形，或在第二次反向受力前先使金屬材料于回復或再結晶溫度下退火。（5）包申格效應的意義：（a）包申格效應對于承受應變疲勞載荷作用的機件在應變疲勞過程中，每一周期內都產生微量塑性變形，在反向加載時，微量塑性變形抗力(規(guī)定殘余伸長應力)降低，顯示循環(huán)軟化現象。（b）對于預先經受冷塑性變形的材料，如服役時受反向力作用，就要考慮微量塑性變形抗力降低的有害影響，如冷拉型材及管子在受壓狀態(tài)下使用就是這種情況。（c）利用包申格效應，如薄板反向彎曲成型。拉撥的鋼棒經過軋輥壓制變直等。

現在是17頁\一共有28頁\編輯于星期五塑性變形塑性變形的方式及特點

材料宏觀塑性變形來源于微觀上大量位錯運動的結果。

（原子位移總和—表現—變形）金屬（陶瓷？）材料常見的塑性變形方式為滑移和孿生（材料科學基礎）。滑移是材料在切應力作用下沿滑移面（原子最密排面）和滑移方向（原子最密排方向）進行的切變過程。孿生也是材料在切應力作用下的沿特定晶面和特定晶向進行的一種塑性變形方式。

滑移系越多，材料的塑性越好。

陶瓷材料（超塑性，溫度和加載速率密切相關）由于多晶體材料存在著晶界，各晶粒的取向也不相同，多晶體材料的塑性變形特點：（1）各晶粒變形的不同時性和不均勻性（2）各晶粒變形的相互協(xié)調性現在是18頁\一共有28頁\編輯于星期五塑性變形屈服現象和屈服點（屈服強度）（1）金屬材料在拉伸試驗時產生的屈服現象是其開始產生宏觀塑性變形的一種標志。（2）屈服現象表現：在試驗過程中，外力不增加（保持恒定）試樣仍然繼續(xù)伸長（此時應力為屈服點σs）；或外力增加到一定數值時突然下降，隨后不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形。（3）用應力表示的屈服點或下屈服點就是表征材料對微量塑性變形的抗力，即屈服強度。屈服強度是金屬材料重要的力學性能指標，它是工程上從靜強度角度選擇韌性材料的基本判據。上下屈服點屈服伸長屈服平臺/齒現在是19頁\一共有28頁\編輯于星期五塑性變形屈服現象和屈服點（屈服強度）（4）屈服現象有關因素①材料在變形前可動位錯密度很小(或雖有大量位錯但被釘扎住，如鋼中的位錯為雜質原子或第二相質點所訂扎)；

②隨塑性變形發(fā)生，位錯能快速增殖；

③位錯運動速率與外加應力有強烈依存關系。（5）討論影響屈服強度因素時，必須注意：①屈服變形是位錯增殖和運動的結果，凡影響位錯增殖和運動的各種因素必然要影響屈服強度；②實際金屬材料的力學行為是由許多晶粒綜合作用的結果，因此，要考慮晶界、相鄰晶粒的約束、材料的化學成分以及第二相的影響；③各種外界因素通過影響位錯運動而影響屈服強度?，F在是20頁\一共有28頁\編輯于星期五塑性變形屈服現象和屈服點（屈服強度）（6）影響屈服強度的因素

內在因素：①晶體本性及晶格類型；②晶粒大小和亞結構：減小晶粒尺寸，就增加晶界的影響，將增加位錯運動障礙的數目，減小晶粒內位錯塞積群的長度，使屈服強度提高（細晶強化）。

霍爾-派奇（Hall-Petch）公式：③溶質元素：固溶強化④第二相：彌散強化、沉淀強化，其效果與其尺寸、形狀、數量以及與基體之間的晶體學匹配和界面能等有關

外在因素：

①溫度：一般溫度升高，屈服強度降低（溫度效應）

②應變速率：應變速率硬化現象

③應力狀態(tài)：切應力分量越大，有利于塑性變形，屈服強度越低現在是21頁\一共有28頁\編輯于星期五應變硬化（1）應變硬化性能：金屬材料有一種阻止繼續(xù)變形的能力。（2）應變硬化是位錯增殖、運動受阻所致。（2）應變硬化指數n反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力，是表征金屬材料應變硬化的性能指標。Hollomon公式：現在是22頁\一共有28頁\編輯于星期五應變硬化應變硬化的工程意義①應變硬化可使金屬機件具有一定的抗偶然過載的能力，保證機件安全。②應變硬化和塑性變形適當配合可使金屬進行均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實施。

③應變硬化是強化金屬的重要工藝手段之一。這種方法可以單獨使用，也可以和其它強化方法聯合使用。④應變硬化還可以降低塑性，改善低碳鋼（軟、粘刀）的切削加工性能現在是23頁\一共有28頁\編輯于星期五縮頸現象和抗拉強度（1）縮頸現象的意義（2）縮頸判據（3）確定縮頸點及頸部應力的修正（4）抗拉強度韌性金屬試樣拉斷過程中最大試驗力所對應的應力稱為抗拉強度?？估瓘姸圈襜的實際意義:①σb標志塑性金屬材料的實際承載能力，但這種承載能力也僅限于光滑試樣單向拉伸的受載條件，且韌性材料的不能作為設計參數（屈服強度）。②σb就是脆性材料的斷裂強度，用于產品設計，其許用應力便以σb為判據。③σb的高低決定于屈服強度和應變硬化指數。④σb與布氏硬度HB、疲勞極限σ-1等之間有一定經驗關系?，F在是24頁\一共有28頁\編輯于星期五塑性與塑性指標

（1）塑性是指金屬材料斷裂前發(fā)生不可逆永久變形（塑性變形）的能力。金屬材料斷裂前所產生的塑性變形由均勻塑性變形和（不均勻）集中塑性變形兩部分構成。（低碳鋼還有不均勻屈服塑性變形）（2）金屬材料常用的塑性指標為斷后伸長率（δ）和斷面收縮率（ψ）。（3）塑性的意義和影響因素

雖然金屬的塑性指標通常并不能直接用于機件的設計，但塑性大小能反映材料冶金質量的好壞，故可用以評定材料質量。金屬材料的塑性常與其強度性能有關（既矛盾、又統(tǒng)一）。

現在是25頁\一共有28頁\編輯于星期五斷后伸長率:

斷后伸長率是試樣拉斷后標距的伸長與原始標距的百分比，用δ表示式中L0——試樣原始標距長度;