材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能

材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能2

但滑移系的數(shù)目不是決定金屬塑性的唯一因素。例如，fcc(如Cu、Al)的滑移系雖然比bcc(如a-Fe)的少，但因前者晶格阻力低，位錯容易運動,位錯不容易塞集，故塑性優(yōu)于后者，屈服強度也較低。孿晶是金屬材料在切應(yīng)力作用下的另一種塑性變形方式,孿晶變形可以調(diào)整滑移面的方向,使新的滑移系開動,間接對塑性變形有貢獻。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能3

fcc、bcc和hcp三類金屬材料都能以孿生方式產(chǎn)生塑性變形，但fcc金屬只在很低的溫度下才能產(chǎn)生孿生變形。bcc金屬在沖擊載荷或低溫下也常發(fā)生孿生變形。hcp金屬及其合金滑移系少，并且在c軸方向沒有滑移矢量，因而更易產(chǎn)生孿生變形。孿生變形也是沿特定晶面和特定晶向進行的。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能4多晶體金屬塑性變形特點多晶體金屬中，每一晶?；谱冃蔚囊?guī)律與單晶體金屬相同。但由于多晶體金屬存在著晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性變形具有如下一些特點。

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(diào)性

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屈服現(xiàn)象外力不增加，或者下降，試樣繼續(xù)伸長的現(xiàn)象。非均勻塑性變形呂德斯帶布滿試樣時，屈服結(jié)束，進入均勻塑性變形階段。鋼板冷沖壓之前進行預(yù)先冷變形（1－2％），防止褶皺。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能6屈服現(xiàn)象的本質(zhì)材料的塑性應(yīng)變速率與材料中的可動位錯密度，位錯運動速度和位錯柏氏矢量的關(guān)系為在有明顯屈服點的材料中(含有微量間隙溶質(zhì)原子的體心立方金屬，如Fe、Mo，Nb、Ta等),由于溶質(zhì)原子對位錯的釘扎作用，可動位錯密度較小，在塑性變形開始時，可動位錯必須以較高速度運動，才能適應(yīng)試驗機夾頭運動（一定）的要求。

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但位錯運動速度決定于其所受外力的大小，即為作用于滑移面上的切應(yīng)力；為位錯以單位速度運動時所需的切應(yīng)力；m為位錯運動速率的應(yīng)力敏感性指數(shù)，表明位錯速度對切應(yīng)力大小的依賴程度。

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因此，欲提高位錯運動速度，就需要較高的應(yīng)力。塑性變形一旦開始，位錯便大量增殖，使位錯密度迅速增加，從而使相應(yīng)降低和所需應(yīng)力下降。這就是屈服開始時觀察到的上屈服點及屈服降落。

鋸齒的產(chǎn)生：位錯相互作用，使可動位錯密度下降－－開動－－下降－－－開動－－2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能9位錯速度的應(yīng)力敏感性m也是一個重要因素，m值越小，為使位錯運動速度變化所需的應(yīng)力變化越大，屈服現(xiàn)象就越明顯，反之亦然。如體心立方金屬，m<20，而面心立方金屬m>100，因此，前者屈服現(xiàn)象明顯。

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屈服標準

σS定義:材料開始塑性變形的應(yīng)力。根據(jù)使用場合不同，工程上常用的屈服標準有三種：

(1)比例極限：

應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力，國際上常采用σp表示，超過σp時即認為材料開始屈服。σS≥σP

規(guī)定非比例伸長應(yīng)力，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力

屈服強度σS2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能11(2)彈性極限：

試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標準，材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力。以σe表示（σ）。應(yīng)力超過σe時即認為材料開始屈服。σe≥σP

(3)屈服強度：

通常以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標準，如常以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強度，符號為σ。(注意與規(guī)定彈性極限的區(qū)別，屈服點明顯與不明顯的區(qū)別)2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能12影響屈服強度的內(nèi)在因素（5條）

從位錯理論來看，無論是內(nèi)在因素還是外在因素，之所以影響屈服強度，都和它們阻礙位錯運動的情況有關(guān)。（1）金屬本性及晶格類型：合金中的位錯主要分布于基體相內(nèi)，位錯運動阻力首先來自于基體相。臨界切應(yīng)力和彈性模量G有關(guān),G值越高其臨界切應(yīng)力越大。過渡族金屬Fe、Ni等，G較高，其臨界切應(yīng)力也高，因而屈服強度也高。

2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能13臨界切應(yīng)力還與晶體類型有關(guān)。金屬滑移方向的原子間距b(柏氏矢量)越大，臨界切應(yīng)力越大。如面心立方金屬Cu、Al和六方金屬Mg、Zn等b小，而體心立方金屬α－Fe、Cr等b大，因此，α－Fe、Cr等的屈服強度都較Cu、Al、Zn、Mg高。以α—Fe為基的鋼的屈服強度也比奧氏體鋼的屈服強度高。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能14

根據(jù)多晶體的塑性變形滑移機構(gòu)，位錯運動時需要克服晶界的阻力，因而晶粒大小會影響屈服強度。位錯在基體金屬中的運動阻力或叫摩擦阻力，主要決定于晶體結(jié)構(gòu)（彈性模量和b）和位錯密度決定于晶體結(jié)構(gòu)的常數(shù)晶粒直徑此乃著名的霍爾－派奇公式（2）晶粒大小——細晶強化2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能15

應(yīng)該指出，bcc金屬的ks較fcc和hcp金屬的ks高，所以bcc金屬的細晶強化效果最好，而fcc和hcp晶系的金屬則較差。用細化晶粒來提高金屬屈服強度的方法叫做細晶強化，它不僅可以提高強度，而且還可提高塑性和韌性，所以它是金屬強韌化的一種好辦法。亞結(jié)構(gòu)作用和晶界相同，上式也適合。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能16

把異類元素原子溶入基體金屬得到固溶合金，可以有效地提高屈服強度。這樣的強化方法叫做固溶強化。固溶強化的效果決定于溶質(zhì)原子的性質(zhì)、濃度以及與溶劑原子的直徑差等。間隙固溶體強化效果大；置換固溶體強化效果較差。圖中是不同合金元素對鐵素體鋼強化效果?？梢钥闯銎鋸娀Ч茧S濃度提高而增加，間隙固溶強化效果最高。(3)固溶強化2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能17(4)第二相的影響

工業(yè)合金，特別是高強度合金，在基體上大都分布有第二相。它們一般是些硬而脆的物質(zhì)，如金屬間化合物和金屬碳化物。在合金中，雖然第二相的比例不大，但因它們是以微小顆粒分布于基體上，卻顯著地影響屈服強度（彌散強化

）。這些第二相組織可用粉末冶金法獲得，但一般多用合金化和熱處理方法獲得（如時效強化）。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能18(5)形變強化

金屬預(yù)先塑性變形可以提高屈服強度，塑性變形量越大，屈服強度提高幅度也越大。這種因塑性變形而提高屈服強度的現(xiàn)象叫做形變強化或加工硬化。在金屬塑性變形階段，變形曲線上升可以說明金屬的形變強化現(xiàn)象。形變強化的本質(zhì)也是位錯密度增大（位錯增殖）和位錯運動受阻（位錯反應(yīng)和位錯交割）的結(jié)果。

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時效強化和細晶強化是工業(yè)合金中提高材料屈服強度的最常用的手段。在這幾種強化機制中，只有細晶強化既能提高強度又能增加塑性。另外幾種機制在提高材料強度的同時，也降低了塑性。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能20影響屈服強度的外在因素影響屈服強度的外在因素有：溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)。隨著溫度的降低與應(yīng)變速率的增高，材料的屈服強度升高，尤其是體心立方金屬對溫度和應(yīng)變速率特別敏感，這導(dǎo)致了鋼的低溫脆性和沖擊脆性。應(yīng)力狀態(tài)的影響也很重要，切應(yīng)力分量越大的應(yīng)力狀態(tài)，越有利于塑性變形，屈服強度越低，扭轉(zhuǎn)比拉伸屈服強度低，拉伸比彎曲屈服強度低，壓縮時更低，三向壓縮最低。通常所說的材料的屈服強度一般是指在單向拉伸時的屈服強度。

2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能21σS的工程意義

在傳統(tǒng)的強度設(shè)計方法中，對塑性材料，以屈服強度為標準，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=σs/n，安全系數(shù)n一般取2或更大；對脆性材料，以抗拉強度為標準，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=σb/n，安全系數(shù)n一般取6。需要注意的是，按照傳統(tǒng)的強度設(shè)計方法，必然會導(dǎo)致片面追求材料的高屈服強度，但是隨著材料屈服強度的提高，材料的曲強比增加，材料的脆斷危險性增加了。（用斷裂韌性設(shè)計更全面）2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能22

屈服強度不僅有直接的使用意義，在工程上也是材料的其他某些力學(xué)性能和工藝性能的大致度量。例如材料屈服強度增高，對應(yīng)力腐蝕和氫脆就敏感；材料屈服強度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服強度是材料性能中不可缺少的重要指標。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能23真應(yīng)力-應(yīng)變曲線和加工硬化1.真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由下圖可以看出，工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線往往不能真實反映或度量變形過程中真正的應(yīng)變和應(yīng)力。拉伸時工程應(yīng)變總大于真應(yīng)變，工程應(yīng)力小于真應(yīng)力。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能242、真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系:從試樣開始屈服到發(fā)生頸縮，這一段應(yīng)變范圍中真應(yīng)力和真應(yīng)變的關(guān)系，可用Hollomon關(guān)系式描述

S=Kεn

n

加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù)

K

強度硬化指數(shù)

S

真應(yīng)力

ε

真應(yīng)變。

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理想的彈性體和理想的塑性體限定了一般材料加工硬化指數(shù)n的變化范圍，理想彈性體n=1為一45度斜線，理想塑性體n=0為一水平直線，n=1/2的為一拋物線。金屬材料的n值一般為－2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能26加工硬化的實際意義

形變強化是金屬的一個重要性能，在生產(chǎn)中具有十分重要的實際意義。1．形變強化可使金屬機件具有一定的抗偶然過載能力，保證機件安全。機件在使用過程中，某些薄弱部位因偶然過載會產(chǎn)生局部塑性變形，如果此時金屬沒有形變強化能力去限制塑性變形繼續(xù)發(fā)展，則變形會一直流變下去，而且因變形使截面積減小，過載應(yīng)力越來越高，最后會導(dǎo)致頸縮，而產(chǎn)生韌性斷裂。但是，由于金屬有形變強化性能，它會盡量阻止塑變繼續(xù)發(fā)展，使過載部位的塑性變形只能發(fā)展至一定程度即停止下來，保證了機件的安全使用。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能27金屬在塑變時，由于應(yīng)力和材料性能的不均勻性，截面上各點的塑變起始時間和大小各不一樣，如果沒有形變強化性能，則先變形的部位就會流變下去，造成嚴重的不均勻塑變，從而不能獲得合格的冷變形金屬制品。但是，由于金屬有形變強化能力，哪里先變形它就在那里阻止變形繼續(xù)發(fā)展，并將變形推移至別的部位去，這樣變形和強化交替重復(fù)(即變形和強化的聯(lián)合)就構(gòu)成了均勻塑性變形，從而獲得了合格的冷變形加工金屬制品。2．形變強化可使金屬塑變均勻進行，保證冷變形工藝的順利實現(xiàn)。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能283．形變強化可提高金屬強度，和合金化、熱處理一樣，也是強化金屬的重要工藝手段。

這種方法可以單獨使用，也可以和其它強化方法聯(lián)合使用，對多種金屬進行強化，尤其是對于那些不能熱處理強化的金屬材料，這種方法就成了最重要的強化手段。如18-8奧氏體不銹鋼，變形前強度不高，σ=20公斤力／毫米，σb=60公斤力／毫米。但是經(jīng)40％軋制后，σ=80～100公斤力／毫米，提高3～4倍，σb=120公斤力／毫米，提高一倍。高碳鋼絲經(jīng)過鉛浴等溫處理后拉拔，可以達到2000MPa以上。但是，形變強化方法只能使強度提高，而塑性損失了很多。

生產(chǎn)上常用的噴丸和表面滾壓屬于金屬表面形變強化，除了造成有利的表面殘余壓應(yīng)力外，也強化了表面材料，因而可以有效地提高疲勞抗力。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能294．形變強化還可降低塑性改善低碳鋼的切削加工性能。

低碳鋼因塑性好，切削時易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，表面加工質(zhì)量差，此時可利用冷變形降低塑性，使切屑容易脆離，改善切削加工性能。

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頸縮條件和抗拉強度

1.頸縮條件

應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)力達到最大值時即開始出現(xiàn)頸縮。在頸縮前變形沿整個試樣長度是均勻的，因為材料應(yīng)變硬化使試樣承載能力增加，可以補償因試樣截面減小使其承載力的下降。在B點之后，由于應(yīng)變硬化跟不上塑性變形的發(fā)展，使變形集中于試樣局部區(qū)域產(chǎn)生縮頸。

B點是最大力點，也是局部塑性變形開始點，亦稱拉伸失穩(wěn)點或塑性失穩(wěn)點。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能31

出現(xiàn)頸縮時正是相當(dāng)于負荷-變形曲線上的最大載荷處，因此，應(yīng)有dF=0F=AS

dF=d(S·A)=AdS+SdA=0

即

-dA/A=dS/S

根據(jù)塑性變形時體積不變條件，即dV=0V=LALdA+AdL=0

dL/L=-dA/A=dε

故dS/dε=S

這就是出現(xiàn)頸縮的條件，即當(dāng)加工硬化速率等于該處的真應(yīng)力時就開始頸縮。

2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能32頸縮條件

可見，當(dāng)真實應(yīng)力．應(yīng)變曲線上某點的斜率(應(yīng)變硬化速率)等于該點的真實應(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，縮頸產(chǎn)生。依據(jù)頸縮條件，倘若已有真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并作出相應(yīng)的應(yīng)變硬化速率和應(yīng)變的關(guān)系，這兩個曲線的交點即表示在該應(yīng)變量下將要開始頸縮，在交點的左方dS/dε>S，硬化作用較強，足以補償因截面之減小所引起的應(yīng)力升高，而在交點的右方dS/dε<S，加工硬化的能力已經(jīng)失去或已十分微弱，導(dǎo)致頸縮發(fā)生。dS/dε=S2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能33在縮頸點(拉伸失穩(wěn)點)處Hollomon關(guān)系成立

Sb為試樣的真實抗拉強度可以推導(dǎo)出

這表明，當(dāng)金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑性應(yīng)變量時，縮頸便會產(chǎn)生。由此可以估計材料的均勻變形能力。由不可能很大。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能34縮頸頸部應(yīng)力修正

縮頸一旦產(chǎn)生，拉伸試樣原來所受的單向應(yīng)力狀態(tài)就被破壞，而在縮頸區(qū)出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)，這是由于縮頸區(qū)中心部分拉伸變形的徑向收縮受到約束所致。在三向應(yīng)力狀態(tài)下，材料塑性變形比較困難。為了繼續(xù)塑性變形，就必須提高軸向應(yīng)力，因而縮頸處的軸向真實應(yīng)力高于單向受力下的軸向真實應(yīng)力，并且隨著頸部進一步變細，真實應(yīng)力還要不斷增加。2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能35可利用Bridgmen關(guān)系式對頸部軸向拉應(yīng)力進行修正

S——頸部軸向真實應(yīng)力(等于拉伸力除以縮頸部最小橫截面積)；s’——修正后的真實應(yīng)力；R——頸部輪廓線曲率半徑；a——頸部最小截面半徑。

2023/6/29材料塑性變形在靜拉伸載荷下的力學(xué)表現(xiàn)性能36抗拉強度抗拉強度在材料不產(chǎn)生頸縮時抗拉強度代表斷裂抗力脆性材料：設(shè)計時，其許用應(yīng)力以抗拉強度為依據(jù)。

塑性材料：雖然抗