工程材料力學(xué)性能-第一章工

1、第一節(jié)拉伸曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線第一節(jié)拉伸曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線1 1、拉伸試樣、拉伸試樣2 2、拉伸曲線和應(yīng)力、拉伸曲線和應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線3 3、真應(yīng)力、真應(yīng)力- -真應(yīng)變曲線真應(yīng)變曲線圓形試樣板狀試樣試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備萬能試驗(yàn)機(jī)萬能試驗(yàn)機(jī)一、低碳鋼拉伸時(shí)的一、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能力學(xué)性能低碳鋼低碳鋼含碳量含碳量在在0.25%以下的碳以下的碳素鋼。素鋼。試驗(yàn)原理：試驗(yàn)原理：力拉伸曲線圖力拉伸曲線圖應(yīng)力應(yīng)變曲線圖應(yīng)力應(yīng)變曲線圖力除以橫截面積力除以橫截面積 l除以試樣的長度除以試樣的長度l塑塑性性材材料料的的力力學(xué)學(xué)性性能能以低碳鋼以低碳鋼Q235拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變圖為例。的應(yīng)力應(yīng)變圖

2、為例。低碳鋼低碳鋼拉伸過程拉伸過程4個(gè)典型階段。個(gè)典型階段。1.線性階段線性階段:拉伸的初始階拉伸的初始階段，即段，即Oa階段。階段。特征特征：此階段內(nèi)：此階段內(nèi)應(yīng)力應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變變遵循胡克定律。遵循胡克定律。E線性階段的最高點(diǎn)線性階段的最高點(diǎn)a所對應(yīng)的應(yīng)力稱為材料所對應(yīng)的應(yīng)力稱為材料的的比例極限比例極限,稱為：稱為：pOA階段的斜率在數(shù)階段的斜率在數(shù)值上等于材料的彈值上等于材料的彈性模量性模量E。塑塑性性材材料料的的力力學(xué)學(xué)性性能能低碳鋼低碳鋼拉伸過程中拉伸過程中的的4個(gè)典型階段。個(gè)典型階段。2.屈服階段屈服階段:應(yīng)力應(yīng)變圖水平階段，應(yīng)力應(yīng)變圖水平階段，特征特征：應(yīng)力幾乎不變，變：應(yīng)力幾乎不變，

3、變形急劇增大，材料失去抵形急劇增大，材料失去抵抗繼續(xù)變形的能力。抗繼續(xù)變形的能力。使材料發(fā)生屈服的應(yīng)力，使材料發(fā)生屈服的應(yīng)力，稱為稱為屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力或或屈服極限屈服極限s以低碳鋼以低碳鋼Q235拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變圖為例。的應(yīng)力應(yīng)變圖為例。當(dāng)試樣表面光滑時(shí)，在材料發(fā)生屈服時(shí)，在當(dāng)試樣表面光滑時(shí)，在材料發(fā)生屈服時(shí)，在試樣的表面會(huì)出現(xiàn)與軸線成試樣的表面會(huì)出現(xiàn)與軸線成45度的線紋。度的線紋。為什么？為什么？原因原因：桿件的桿件的45度斜截面上作用有度斜截面上作用有最大切最大切應(yīng)力應(yīng)力，上述線紋是材料沿該截面產(chǎn)生滑移，上述線紋是材料沿該截面產(chǎn)生滑移所造成的，故稱為滑移線。所造成的，故稱為滑移線

4、。見前面見前面例題例題塑塑性性材材料料的的力力學(xué)學(xué)性性能能屈服階段的滑移線現(xiàn)象屈服階段的滑移線現(xiàn)象塑塑性性材材料料的的力力學(xué)學(xué)性性能能3.硬化階段硬化階段:經(jīng)過屈服滑移之后，材料經(jīng)過屈服滑移之后，材料重新具有抵抗繼續(xù)變形的重新具有抵抗繼續(xù)變形的能力，稱為能力，稱為應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化。應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化的最高點(diǎn)的最高點(diǎn)e所對所對應(yīng)的應(yīng)力，稱為材料的應(yīng)的應(yīng)力，稱為材料的強(qiáng)強(qiáng)度極限度極限 。b材料的材料的強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限是材料所是材料所能承受的能承受的最大最大應(yīng)力。應(yīng)力。硬化階段材料又恢復(fù)并增硬化階段材料又恢復(fù)并增強(qiáng)了抵抗變形的能力。強(qiáng)了抵抗變形的能力。以低碳鋼以低碳鋼Q235拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變

5、圖為例。的應(yīng)力應(yīng)變圖為例。塑塑性性材材料料的的力力學(xué)學(xué)性性能能4.縮頸階段縮頸階段:當(dāng)應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限后，當(dāng)應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限后，式樣的某一式樣的某一局部顯著收縮局部顯著收縮，產(chǎn)生，產(chǎn)生所謂所謂縮頸縮頸?？s頸出現(xiàn)后，雖然材料的縮頸出現(xiàn)后，雖然材料的應(yīng)力減小不大應(yīng)力減小不大，但是試樣的但是試樣的危險(xiǎn)截面危險(xiǎn)截面的面積的面積減小減小，拉伸所，拉伸所用的用的拉力顯著減小拉力顯著減小，最后試樣在，最后試樣在縮頸縮頸處斷處斷裂。裂。線性階段、屈服階段、硬化（強(qiáng)化）階段、縮頸階段試樣線性階段、屈服階段、硬化（強(qiáng)化）階段、縮頸階段試樣塑塑性性材材料料的的力力學(xué)學(xué)性性能能總結(jié)：總結(jié)：試樣的整個(gè)拉伸過

6、程，材試樣的整個(gè)拉伸過程，材料經(jīng)歷了料經(jīng)歷了線性線性階段、階段、屈服屈服階段、階段、硬化硬化階段與階段與縮頸縮頸階階段。段。整個(gè)拉伸過程，材料存在整個(gè)拉伸過程，材料存在三個(gè)三個(gè)典型典型特征點(diǎn)，對應(yīng)的特征點(diǎn)，對應(yīng)的應(yīng)力依次為：應(yīng)力依次為：比例極限應(yīng)比例極限應(yīng)力力、屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力和和強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限應(yīng)力應(yīng)力。以低碳鋼以低碳鋼Q235拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變圖為例。的應(yīng)力應(yīng)變圖為例。材材料料卸卸載載與與再再加加載載時(shí)時(shí)的的力力學(xué)學(xué)行行為為卸載方式一卸載方式一：當(dāng)應(yīng)力小于比例極當(dāng)應(yīng)力小于比例極限時(shí)卸載。限時(shí)卸載?，F(xiàn)象現(xiàn)象：卸載過程應(yīng)力與應(yīng)變卸載過程應(yīng)力與應(yīng)變保持比例關(guān)系，沿保持比例關(guān)系，沿aO線回

7、到線回到O點(diǎn)。點(diǎn)。彈性極限彈性極限：僅產(chǎn)生彈性的現(xiàn)象一僅產(chǎn)生彈性的現(xiàn)象一直持續(xù)到應(yīng)力應(yīng)變直持續(xù)到應(yīng)力應(yīng)變曲線的某點(diǎn)曲線的某點(diǎn)b，與該，與該點(diǎn)對應(yīng)的正應(yīng)力稱為點(diǎn)對應(yīng)的正應(yīng)力稱為材料的彈性極限。材料的彈性極限。彈性彈性極限，極限，比例比例極限在數(shù)值上極限在數(shù)值上非常相近，但物理意義不同。非常相近，但物理意義不同。材材料料卸卸載載與與再再加加載載時(shí)時(shí)的的力力學(xué)學(xué)行行為為卸載方式二卸載方式二：當(dāng)應(yīng)力超過彈性當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限時(shí)卸載。極限時(shí)卸載?，F(xiàn)象現(xiàn)象：卸載過程應(yīng)力與應(yīng)卸載過程應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，沿變關(guān)系，沿dd線線回到回到d點(diǎn)點(diǎn),該直線與該直線與Oa大致平行。大致平行。p是塑性應(yīng)變，是塑性應(yīng)變，e是彈性

8、應(yīng)變是彈性應(yīng)變冷作冷作( (應(yīng)變應(yīng)變) )硬化現(xiàn)象：硬化現(xiàn)象：應(yīng)力超過屈服極限后卸載，應(yīng)力超過屈服極限后卸載，再次加載，材料的再次加載，材料的比例極比例極限限提高，而塑性降低的現(xiàn)提高，而塑性降低的現(xiàn)象。象。p是塑性應(yīng)變，是塑性應(yīng)變，e是彈性應(yīng)變是彈性應(yīng)變那么，怎樣考核塑性呢？那么，怎樣考核塑性呢？2022-3-517塑性性能指標(biāo)塑性性能指標(biāo)（1）延伸率）延伸率100%lll 斷裂時(shí)試驗(yàn)段的殘余變形，斷裂時(shí)試驗(yàn)段的殘余變形，l試件原長試件原長5%的材料為塑性材料；的材料為塑性材料； 5%的材料為脆性材料。的材料為脆性材料。（2）截面收縮率）截面收縮率%1001AAA1A 斷裂后斷口的橫截面面積，

9、斷裂后斷口的橫截面面積，A試件原面積試件原面積低碳鋼低碳鋼Q235的截面收縮率的截面收縮率60%。一一般般金金屬屬材材料料的的拉拉伸伸力力學(xué)學(xué)性性能能 塑性材料的應(yīng)力塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變圖有的應(yīng)變圖有的存在存在明顯的明顯的屈服階段，有的屈服階段，有的不存在不存在明顯的屈服階段。明顯的屈服階段。一一般般金金屬屬材材料料的的拉拉伸伸力力學(xué)學(xué)性性能能塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變圖不存在不存在明顯的屈服階段不存在明顯屈服階段不存在明顯屈服階段的的塑性材料，工程中通常塑性材料，工程中通常以卸載后產(chǎn)生數(shù)值為以卸載后產(chǎn)生數(shù)值為0.2的殘余應(yīng)變作為的殘余應(yīng)變作為屈服屈服強(qiáng)度強(qiáng)度或或名義屈服極限名義屈服極限脆性材料脆性材料

10、b拉伸拉伸拉伸：拉伸： 與與 無明顯的線性關(guān)系，無明顯的線性關(guān)系，拉斷前應(yīng)變很小?？估瓘?qiáng)度差。拉斷前應(yīng)變很小?？估瓘?qiáng)度差。破壞時(shí)沿橫截面拉斷。破壞時(shí)沿橫截面拉斷。脆性材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能脆性材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能低碳鋼的拉伸圖低碳鋼的拉伸圖(a)和應(yīng)力應(yīng)變曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線(b)玻璃、陶瓷、巖石、橫向交聯(lián)很好的聚合物及一些低溫下的金屬純彈性型純彈性型金屬及合金、部分陶瓷及非晶態(tài)高聚物。彈性均勻塑性彈性均勻塑性低溫和高應(yīng)變速率下的面心立方金屬（孿生）。某些含碳原子的體心立方鐵合金以及鋁合金低溶質(zhì)固溶體。彈性不均勻塑性彈性不均勻塑性 彈性不均勻塑性均勻塑性型體心立方的鐵基合金和若干有色金屬。彈性不均

11、勻塑性均勻塑性型彈性不均勻塑性均勻塑性型 彈性不均勻塑性均勻塑性型結(jié)晶態(tài)高聚物和未經(jīng)拉伸的線形非晶態(tài)高聚物。彈性不均勻塑性均勻塑性型彈性不均勻塑性均勻塑性型第二節(jié)彈性變形、虎克定律和彈性模量第二節(jié)彈性變形、虎克定律和彈性模量1 1、彈性變形的虎克定律和雙原子模型、彈性變形的虎克定律和雙原子模型2 2、常用彈性常數(shù)和彈性模量、常用彈性常數(shù)和彈性模量3 3、剛度的概念及其應(yīng)用、剛度的概念及其應(yīng)用a0ff吸引力金屬正離子與公有電子間庫侖引力吸引力金屬正離子與公有電子間庫侖引力作用的結(jié)果，這是一種長程力，在比原子間距作用的結(jié)果，這是一種長程力，在比原子間距大得多的距離處它仍然起作用并占優(yōu)勢。大得多的距

12、離處它仍然起作用并占優(yōu)勢。排斥力由同性電荷（離子，電子）間的庫排斥力由同性電荷（離子，電子）間的庫侖斥力以及相鄰原子電子層互相重疊的泡里斥侖斥力以及相鄰原子電子層互相重疊的泡里斥力所造成的，這是一種短程長，只有當(dāng)原子距力所造成的，這是一種短程長，只有當(dāng)原子距離接近時(shí)才起主導(dǎo)作用。離接近時(shí)才起主導(dǎo)作用。a0ff原子間距1231引力，引力，2斥力，斥力，3合力合力a00引力斥力a0ff引力能斥力能原子間距Hookes Law: L-L0=常數(shù)L0F/S0EE：正彈性模量，Ex/x, 抵抗正應(yīng)變能力G：切彈性模量，G=xy/xy,抵抗切應(yīng)變能力 ：泊松比， =-y/x,橫向正應(yīng)變與受力方向正應(yīng)變比值

13、k：體積彈性模量，在三向壓縮下，壓強(qiáng)p與體積變化率之間的線性比例關(guān)系E=2G(1+) E=3k(1-2 ) 因此，各向同性材料只有兩個(gè)獨(dú)立分量。彈性模量的意義是以零件的剛度體現(xiàn)出來1、滯彈性變形的現(xiàn)象2、滯彈性變形的本質(zhì)3、滯彈性變形的應(yīng)用l環(huán)內(nèi)面積相當(dāng)于在交變載荷下不可逆的能量損環(huán)內(nèi)面積相當(dāng)于在交變載荷下不可逆的能量損失內(nèi)耗（循環(huán)韌性）失內(nèi)耗（循環(huán)韌性）l它標(biāo)志著單向交變載荷下能以不可逆方式吸收它標(biāo)志著單向交變載荷下能以不可逆方式吸收能量，而又不破壞的能力，即靠自身消除機(jī)械能量，而又不破壞的能力，即靠自身消除機(jī)械振動(dòng)的抗力，是一種很有用的力學(xué)性能指標(biāo)。振動(dòng)的抗力，是一種很有用的力學(xué)性能指標(biāo)。

14、l工程上不允許彈性后效儀表、精密儀表中的測力彈簧、樂器等；l工程上希望彈性后效飛機(jī)螺旋漿、汽輪機(jī)葉片、機(jī)床床身等。l影響彈性后效和循環(huán)韌性的因素：影響彈性后效和循環(huán)韌性的因素：材料本質(zhì)有關(guān)的晶體結(jié)構(gòu)和組織不均勻性材料本質(zhì)有關(guān)的晶體結(jié)構(gòu)和組織不均勻性外部服役條件：溫度、加工硬化和應(yīng)力狀態(tài)外部服役條件：溫度、加工硬化和應(yīng)力狀態(tài)l高聚物大分子鏈結(jié)構(gòu)和熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致高聚高聚物大分子鏈結(jié)構(gòu)和熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致高聚物的粘彈性。物的粘彈性。1、非比例變形2、規(guī)定非比例伸長應(yīng)力3、規(guī)定總伸長應(yīng)力4、規(guī)定殘余伸長應(yīng)力5、幾種應(yīng)力的比較非比例伸長非比例伸長=滯彈性伸長滯彈性伸長+蠕變伸長蠕變伸長+塑性伸長塑性伸長 滯彈性伸長

15、是可恢復(fù)的彈性部分，蠕變滯彈性伸長是可恢復(fù)的彈性部分，蠕變伸長是不可恢復(fù)的塑性部分，兩者都是與時(shí)伸長是不可恢復(fù)的塑性部分，兩者都是與時(shí)間相關(guān)的變形。塑性伸長是不可塑性的變形間相關(guān)的變形。塑性伸長是不可塑性的變形量，在低溫和室溫下，蠕變伸長和滯彈性伸量，在低溫和室溫下，蠕變伸長和滯彈性伸長所占的比重較小。長所占的比重較小。總伸長=總彈性伸長+總塑性伸長兩者都包括與時(shí)間有關(guān)的和與時(shí)間無關(guān)的部分卸載后的殘余伸長=塑性變形造成的永久伸長+滯彈性伸長規(guī)定非比例伸長應(yīng)力（P）是指試樣標(biāo)距部分的非比例伸長達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。例如，P0.01、P0.05、P0.2表示規(guī)定非比例伸長率為0.01%

16、、0.05%、0.2%。 t=標(biāo)距部分總伸長（彈性伸長+塑性伸長）達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比的應(yīng)力。如t0.5、t0.6、t0.7表示規(guī)定總伸長率為0.5%、0.6%、0.7%。 r指試樣卸除拉伸后，標(biāo)距部分的殘余伸長達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。如r0.2。 lP是加載時(shí)測定的；r是卸載時(shí)測定的，兩者大小有區(qū)別。r測試方法比較復(fù)雜，一般選用P或t。l一些特殊的高壓容器為保持嚴(yán)格的氣密性，其緊固螺栓要求不能有微殘余伸長，這時(shí)取0.1甚至0.01。而橋梁、建筑物等大型結(jié)構(gòu)允許有更大的殘余變形量，取0.5。 1、不連續(xù)屈服2、影響屈服應(yīng)力的因素1、不連續(xù)屈服屈服機(jī)理最初用柯氏氣團(tuán)來解釋即位錯(cuò)被溶

17、質(zhì)原子釘錨。平臺的屈服應(yīng)力有Hall-Petch關(guān)系：式中，0為單晶體屈服應(yīng)力，與溫度和成分有關(guān)；K為系數(shù)，表征晶界對屈服應(yīng)力影響程度，與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)，與溫度關(guān)系不大。 2、影響屈服應(yīng)力的因素 由Hall-Petch公式知，屈服應(yīng)力與成分、組織、晶粒尺寸、晶界組織等有關(guān)，是一個(gè)內(nèi)部因素敏感的力學(xué)性能指標(biāo)；同時(shí)屈服應(yīng)力又與外部因素如溫度、形變速率和應(yīng)力狀態(tài)等有關(guān)。 溫度的影響溫度升高，屈服強(qiáng)度下降。這是因?yàn)椋?）溫度升高，原子熱振動(dòng)增大，點(diǎn)陣間距增加，彈性模量下降，晶格對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力也下降，不同材料影響不同，體心立方結(jié)構(gòu)最敏感，密排六方結(jié)構(gòu)次之，面心立方結(jié)構(gòu)最不敏感。2）溫度升高，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

18、的因素可借助熱激活和原子擴(kuò)散等過程得到克服。 變形速率屈服強(qiáng)度與溫度及變形速率有關(guān)。因此，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，加載速率不能大于30N/mm2/s，以保證數(shù)據(jù)可比性。應(yīng)力狀態(tài)切應(yīng)力越高，塑性變形越有利，則屈服強(qiáng)度越低。不同應(yīng)力狀態(tài)下有效屈服強(qiáng)度排列順序?yàn)椋号まD(zhuǎn)拉伸彎曲三向不等拉伸。 123空間（三向）應(yīng)力狀態(tài)：三個(gè)主應(yīng)力均不為零空間（三向）應(yīng)力狀態(tài)：三個(gè)主應(yīng)力均不為零平面（二向）應(yīng)力狀態(tài)：一個(gè)主應(yīng)力為零平面（二向）應(yīng)力狀態(tài)：一個(gè)主應(yīng)力為零單向應(yīng)力狀態(tài)：兩個(gè)主應(yīng)力為零單向應(yīng)力狀態(tài)：兩個(gè)主應(yīng)力為零yxz x y z xy yxyz zy zx xz三向應(yīng)力狀態(tài)三向應(yīng)力狀態(tài)yxz x y z xy yxyz

19、zy zx xz三向應(yīng)力狀態(tài)三向應(yīng)力狀態(tài)xyx yyx兩向應(yīng)力狀態(tài)兩向應(yīng)力狀態(tài)xyxxyyx單向應(yīng)力狀態(tài)單向應(yīng)力狀態(tài)純剪應(yīng)力狀態(tài)純剪應(yīng)力狀態(tài)三向應(yīng)力狀態(tài)三向應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)單向應(yīng)力狀態(tài)單向應(yīng)力狀態(tài)純切應(yīng)力狀態(tài)純切應(yīng)力狀態(tài)特例特例特例特例提高屈服強(qiáng)度的途徑：1）形變硬化：冷變形，增加位錯(cuò)密度，提高屈服強(qiáng)度；2） 細(xì)化晶粒：；3）固溶強(qiáng)化：加入溶質(zhì)元素，形成間隙型或置換型固溶體，與位錯(cuò)作用以提高屈服強(qiáng)度；4）第二相強(qiáng)化：第二相的類型：聚合型和彌散型。第二相的成分與性質(zhì)不同于基體，在質(zhì)點(diǎn)周圍形成應(yīng)力場，應(yīng)力場對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用。屈服強(qiáng)度應(yīng)該是材料開始塑性變形的應(yīng)力塑性變形方式是滑移

20、和孿生。實(shí)際金屬材料的塑性變形特點(diǎn)：1、塑性變形不同時(shí)且不均勻不同滑移系上切應(yīng)力分量最大值達(dá)到臨界分切應(yīng)力的晶粒首先開始塑性變形某些晶粒已經(jīng)塑性變形了，超過極限時(shí)可能導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生2、各晶粒變形相互制約，需要協(xié)調(diào)某一晶粒發(fā)生塑性變形，則周圍的晶粒必須相應(yīng)地變形。為了變形能相互協(xié)調(diào)，必須在更多的滑移系上配合進(jìn)行滑移一個(gè)晶粒內(nèi)部的變形量也不同，靠近晶粒邊界處點(diǎn)陣畸變大，中心??；靠近晶界處有不同的滑移系起作用，可能產(chǎn)生亞晶界3、形變織構(gòu)和各向異性滑移方向逐漸向主變形方向轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)擇優(yōu)取向，這種組織狀態(tài)稱為形變織構(gòu)形成織構(gòu)后，材料橫向和縱向性能出現(xiàn)差異 1、流變曲線和硬化指數(shù) 2、形變硬化的工程意義

21、 把材料初始屈服后的塑性變形和強(qiáng) 化過程叫做形變硬化 屈服應(yīng)力初始塑性變形的抗力 流變應(yīng)力繼續(xù)塑性變形并隨之升高的抗力，它相當(dāng)于經(jīng)過一定預(yù)應(yīng)變后材料的屈服應(yīng)力 用真應(yīng)力真應(yīng)變表示的硬化過程的曲線叫做流變（硬化）曲線 真應(yīng)力真應(yīng)變曲線一般用冪乘關(guān)系擬合的線性相關(guān)性最好。 相當(dāng)于預(yù)應(yīng)變 描述同一材料或相同形變硬化特性材料經(jīng)過不同預(yù)應(yīng)變的流變曲線相當(dāng)于屈服應(yīng)力 描述具有相似形變硬化特性，但有不同屈服應(yīng)力時(shí)的流變曲線n=00n1X糾正書上錯(cuò)誤糾正書上錯(cuò)誤 p.22 金屬力學(xué)性能金屬力學(xué)性能 黃明志，石德珂，金志浩黃明志，石德珂，金志浩Hollomon公式雙對數(shù)坐標(biāo)雙對數(shù)的Hollomon流變曲線 與P

22、有關(guān) ，由Hollomon公式有：上式為用總應(yīng)變表達(dá)的Hollomon流變曲線。 pe n表示材料抵抗形變的能力，表示材料抵抗形變的能力，n越大，越大，材料對連續(xù)塑性變形的抗力越高，面心材料對連續(xù)塑性變形的抗力越高，面心立方金屬的應(yīng)變硬化指數(shù)大于體心立方立方金屬的應(yīng)變硬化指數(shù)大于體心立方金屬的應(yīng)變硬化指數(shù)。對理想彈性體金屬的應(yīng)變硬化指數(shù)。對理想彈性體n=1；對理想塑性體；對理想塑性體n=0，即外力不增大，即外力不增大情況下，繼續(xù)塑性變形，完全無硬化能情況下，繼續(xù)塑性變形，完全無硬化能力；一般力；一般n=0.10.5。形變硬化的工程意義形變硬化的工程意義1 1、 形變強(qiáng)化與塑性變形相配合，保證了

23、金屬形變強(qiáng)化與塑性變形相配合，保證了金屬材料在截面上的均勻變形，得到均勻一致的材料在截面上的均勻變形，得到均勻一致的冷變形制品；冷變形制品；2 2、 形變強(qiáng)化使構(gòu)件在工作中具有適當(dāng)?shù)目古夹巫儚?qiáng)化使構(gòu)件在工作中具有適當(dāng)?shù)目古既贿^載的能力，保證構(gòu)件安全；然過載的能力，保證構(gòu)件安全；3 3、 形變硬化是材料強(qiáng)化手段之一。特別是無形變硬化是材料強(qiáng)化手段之一。特別是無相變強(qiáng)化材料，通過噴丸和冷擠壓對表面進(jìn)相變強(qiáng)化材料，通過噴丸和冷擠壓對表面進(jìn)行強(qiáng)化。如行強(qiáng)化。如1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti合金合金40%40%形變強(qiáng)化，強(qiáng)形變強(qiáng)化，強(qiáng)度提高度提高1 1倍；倍；4 4、形變強(qiáng)化可以降低碳鋼的塑性

24、，改善其加、形變強(qiáng)化可以降低碳鋼的塑性，改善其加工性能工性能。 1 1、最大力下的總伸長率和非比例伸長率、最大力下的總伸長率和非比例伸長率2 2、抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度3 3、斷后伸長率和斷面收縮率、斷后伸長率和斷面收縮率1 1、最大力下的總伸長率和非比例伸長率、最大力下的總伸長率和非比例伸長率最大力下的伸長率是指試樣拉到最大力最大力下的伸長率是指試樣拉到最大力時(shí)標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比，用總時(shí)標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比，用總伸長計(jì)算的稱為最大力下的總伸長率伸長計(jì)算的稱為最大力下的總伸長率gt；用非比例伸長計(jì)算的稱為最大力下的非比用非比例伸長計(jì)算的稱為最大力下的非比例伸長率例伸長率g。可以用

25、做圖法求可以用做圖法求gt和和g。 下面推導(dǎo)g-n關(guān)系：SF達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)，有dSdSSddSdF0根據(jù)體積不變原理有dldlSdSldSSdldVSlV0,積分得積分得設(shè)塑性變形服從設(shè)塑性變形服從Hollomon規(guī)律，則規(guī)律，則在最大力點(diǎn)有在最大力點(diǎn)有n=。通過上式就可以估計(jì)出通過上式就可以估計(jì)出n值。但嚴(yán)格地講，值。但嚴(yán)格地講，材料未必服從材料未必服從Hollomon規(guī)律。規(guī)律。 ddddlllllg)1ln()ln()ln(000nKnnnKnKKdd1)1ln(gn2 2、抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度（b b）試樣拉斷過程中最試樣拉斷過程中最大力所對應(yīng)的應(yīng)力。最大力大力所對應(yīng)的

26、應(yīng)力。最大力F Fb b由試驗(yàn)機(jī)或由試驗(yàn)機(jī)或拉伸曲線圖（拉伸曲線圖（F Fll）獲得。）獲得。0/SFbb 對塑性較好的材料，它還對塑性較好的材料，它還表征材料最大均勻塑性變形的表征材料最大均勻塑性變形的抗力，并不代表材料的斷裂抗抗力，并不代表材料的斷裂抗力，因?yàn)檫@時(shí)材料不僅有一定力，因?yàn)檫@時(shí)材料不僅有一定的均勻塑性變形能力，而且還的均勻塑性變形能力，而且還可以在頸縮后有一定局部集中可以在頸縮后有一定局部集中變形，在后一過程中，其真應(yīng)變形，在后一過程中，其真應(yīng)力繼續(xù)上升，直到力繼續(xù)上升，直到K點(diǎn)所對應(yīng)點(diǎn)所對應(yīng)的的K真真為止，所以，為止，所以，b b真真 K真真。 對塑性很差的材料，如果只有均勻

27、塑性變形，則b b真 =K真。 對塑性很差的材料，如果只有極小塑性變形，則b =b真 =K真。 b在工程中應(yīng)用非常廣泛：在工程中應(yīng)用非常廣泛： 1、 b代表靜拉伸時(shí)實(shí)際零件所能承受的代表靜拉伸時(shí)實(shí)際零件所能承受的最大載荷最大載荷在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用；在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用； 2、 b易于測量，重現(xiàn)性好，又是一種組易于測量，重現(xiàn)性好，又是一種組織較敏感的力學(xué)性能指標(biāo)織較敏感的力學(xué)性能指標(biāo)產(chǎn)品規(guī)格說明和產(chǎn)品規(guī)格說明和質(zhì)量控制的指標(biāo)；質(zhì)量控制的指標(biāo)； 3、 金屬材料特別是碳鋼中，金屬材料特別是碳鋼中，b、布氏硬、布氏硬度和疲勞強(qiáng)度之間有一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系度和疲勞強(qiáng)度之間有一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系在工程在工程設(shè)計(jì)和工藝控制中十分

28、有用。設(shè)計(jì)和工藝控制中十分有用。 3、斷后伸長率和斷面收縮率、斷后伸長率和斷面收縮率 斷后伸長率斷后伸長率試樣拉斷后，標(biāo)距和伸長試樣拉斷后，標(biāo)距和伸長與原始標(biāo)距的百分比。與原始標(biāo)距的百分比。 斷裂在標(biāo)距的中間三分之一處時(shí)，直接測斷裂在標(biāo)距的中間三分之一處時(shí)，直接測量斷后伸長量斷后伸長l1，得，得%100001lll 斷面收縮率斷面收縮率拉斷后，頸縮自橫截拉斷后，頸縮自橫截面的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。面的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。 %100010SSS 一般一般比比更真實(shí)地反映材料的真實(shí)極更真實(shí)地反映材料的真實(shí)極限變形能力，所以測限變形能力，所以測比測比測更有意義，頸更有意義，

29、頸縮處應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜?？s處應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜。 頸縮處截面上的應(yīng)力分布頸縮處截面上的應(yīng)力分布 實(shí)際斷裂強(qiáng)度實(shí)際斷裂強(qiáng)度K K真真實(shí)際斷裂負(fù)實(shí)際斷裂負(fù)荷荷F FK K除以實(shí)際斷裂面積除以實(shí)際斷裂面積S SK K。)1 (/KbKKKKSF真真典型斷裂情況及典型斷裂情況及K真真在相應(yīng)情況下的含義在相應(yīng)情況下的含義斷口三個(gè)區(qū)斷口三個(gè)區(qū) 纖維區(qū)、放射區(qū)都是由材料的剪切變形所纖維區(qū)、放射區(qū)都是由材料的剪切變形所造成的，但與纖維區(qū)的剪切斷裂不同，是在造成的，但與纖維區(qū)的剪切斷裂不同，是在裂紋達(dá)到臨界尺寸后快速低能撕裂的結(jié)果。裂紋達(dá)到臨界尺寸后快速低能撕裂的結(jié)果。 斷裂過程：裂紋開始斷裂過程：裂紋開始于中心

30、，顯微孔洞、空洞于中心，顯微孔洞、空洞（微孔）（微孔）長大、聚集長大、聚集形成鋸齒狀纖維斷口形成鋸齒狀纖維斷口纖纖維區(qū)擴(kuò)展到一定尺寸維區(qū)擴(kuò)展到一定尺寸裂裂紋快速（失穩(wěn)）擴(kuò)展形成紋快速（失穩(wěn)）擴(kuò)展形成放射區(qū)（宏觀正斷，微觀放射區(qū)（宏觀正斷，微觀非解理）快速低能撕裂結(jié)非解理）快速低能撕裂結(jié)果果拉伸應(yīng)力的分切應(yīng)力拉伸應(yīng)力的分切應(yīng)力切斷形成剪切唇。切斷形成剪切唇。 三個(gè)區(qū)域所占面積大小與試樣原始三個(gè)區(qū)域所占面積大小與試樣原始尺寸、塑性有關(guān)，尺寸一定，塑性越好，尺寸、塑性有關(guān)，尺寸一定，塑性越好，放射區(qū)越小。放射區(qū)越小。 K K真真實(shí)際主要反映材料的切斷抗力實(shí)際主要反映材料的切斷抗力K K的大小。的大小

31、。 1 1、宏觀上斷裂分類、宏觀上斷裂分類2 2、宏觀斷口形貌、宏觀斷口形貌3 3、力學(xué)狀態(tài)圖、力學(xué)狀態(tài)圖1 1、宏觀上斷裂分類、宏觀上斷裂分類按斷前塑性變形（如以按斷前塑性變形（如以5 5斷面收縮率為斷面收縮率為界）或斷裂過程中吸收能量多少來分類界）或斷裂過程中吸收能量多少來分類。正斷正斷韌性斷裂韌性斷裂 切斷切斷斷裂正斷斷裂正斷 脆性斷裂脆性斷裂切斷切斷2 2、斷口宏觀形貌、斷口宏觀形貌 宏觀韌性斷裂斷口呈杯錐狀，纖維區(qū)、放射區(qū)宏觀韌性斷裂斷口呈杯錐狀，纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇，是緩慢發(fā)展、耗能高的撕裂過程。和剪切唇，是緩慢發(fā)展、耗能高的撕裂過程。 宏觀脆性斷裂斷口平齊而光亮，與主應(yīng)力垂直，

32、宏觀脆性斷裂斷口平齊而光亮，與主應(yīng)力垂直，主要是放射區(qū)，快速低能撕裂的結(jié)果，矩形斷口主要是放射區(qū)，快速低能撕裂的結(jié)果，矩形斷口有人字紋，人字紋尖指向源區(qū)。有人字紋，人字紋尖指向源區(qū)。材料越脆，放射線越細(xì)。若晶粒較粗，主要是材料越脆，放射線越細(xì)。若晶粒較粗，主要是反光小刻面（平面），這些小平面應(yīng)是一個(gè)晶粒反光小刻面（平面），這些小平面應(yīng)是一個(gè)晶粒內(nèi)的解理面內(nèi)的解理面晶狀斷口。晶狀斷口。 3、力學(xué)狀態(tài)圖、力學(xué)狀態(tài)圖 在材料加載方式和環(huán)境等因素給定的條在材料加載方式和環(huán)境等因素給定的條件下，希望能對可能發(fā)生的斷裂類型有一個(gè)件下，希望能對可能發(fā)生的斷裂類型有一個(gè)粗略的判斷。由位錯(cuò)理論可知，切應(yīng)力是位粗

33、略的判斷。由位錯(cuò)理論可知，切應(yīng)力是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使晶體材料產(chǎn)生錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使晶體材料產(chǎn)生塑性變形，位錯(cuò)塞積導(dǎo)致裂紋萌生，但正應(yīng)塑性變形，位錯(cuò)塞積導(dǎo)致裂紋萌生，但正應(yīng)力促使萌生裂紋擴(kuò)展。如鑄鐵拉伸時(shí)力促使萌生裂紋擴(kuò)展。如鑄鐵拉伸時(shí)=0.5，表現(xiàn)為脆性；硬度試驗(yàn)時(shí)，表現(xiàn)為脆性；硬度試驗(yàn)時(shí)=2，則出現(xiàn)壓，則出現(xiàn)壓痕而不破壞。因此，材料韌脆由內(nèi)部和外部痕而不破壞。因此，材料韌脆由內(nèi)部和外部因素決定，力學(xué)狀態(tài)圖是一種好的工具。因素決定，力學(xué)狀態(tài)圖是一種好的工具。 S線上各點(diǎn)表線上各點(diǎn)表示要發(fā)生屈服示要發(fā)生屈服的極限應(yīng)力；的極限應(yīng)力；K線上各點(diǎn)表線上各點(diǎn)表示要發(fā)生切斷示要發(fā)生切斷的

34、極限應(yīng)力；的極限應(yīng)力；K 真真線上各點(diǎn)線上各點(diǎn)表示要發(fā)生正表示要發(fā)生正斷的極限應(yīng)力。斷的極限應(yīng)力。 1 1、晶間斷裂和穿晶斷裂、晶間斷裂和穿晶斷裂2 2、解理斷裂和微孔聚合剪切斷裂、解理斷裂和微孔聚合剪切斷裂斷裂經(jīng)歷裂紋的形成、擴(kuò)展直至最終破斷裂經(jīng)歷裂紋的形成、擴(kuò)展直至最終破斷等不同階段，而斷裂過程每一階段都與斷等不同階段，而斷裂過程每一階段都與內(nèi)部的、外部的、力學(xué)的、化學(xué)的以及物內(nèi)部的、外部的、力學(xué)的、化學(xué)的以及物理的諸多因素有關(guān)，同時(shí)，斷裂過程的每理的諸多因素有關(guān)，同時(shí)，斷裂過程的每一階段又會(huì)在斷口上留下相應(yīng)的痕跡、形一階段又會(huì)在斷口上留下相應(yīng)的痕跡、形貌與特征。貌與特征。 通過斷口分析可

35、以揭示出斷裂過程的相通過斷口分析可以揭示出斷裂過程的相關(guān)因素，從而判明斷裂失效的性質(zhì)和機(jī)理關(guān)因素，從而判明斷裂失效的性質(zhì)和機(jī)理。斷口種類很多。按斷裂性質(zhì)分類可以分?jǐn)嗫诜N類很多。按斷裂性質(zhì)分類可以分為：為：1 1、脆性斷裂：單調(diào)加載，斷裂前無明、脆性斷裂：單調(diào)加載，斷裂前無明顯的塑性變形；顯的塑性變形；2 2、韌性斷裂：單調(diào)加載，斷裂前有明、韌性斷裂：單調(diào)加載，斷裂前有明顯的塑性變形；顯的塑性變形；3 3、疲勞斷裂：循環(huán)加載引起斷裂；、疲勞斷裂：循環(huán)加載引起斷裂；4 4、環(huán)境促進(jìn)的斷裂：浸蝕性介質(zhì)、單、環(huán)境促進(jìn)的斷裂：浸蝕性介質(zhì)、單調(diào)加載慢速斷裂；調(diào)加載慢速斷裂；5 5、高溫蠕變斷裂：高溫單調(diào)慢

36、速加載。、高溫蠕變斷裂：高溫單調(diào)慢速加載。 (a)(b)(a)(b)空洞空洞(a)(b)1.11.11.11.1晶間斷裂和穿晶斷裂晶間斷裂和穿晶斷裂 按斷裂路徑分類可以分為：按斷裂路徑分類可以分為：1 1、穿晶斷裂：大多數(shù)金屬常溫下斷裂時(shí)的形態(tài)，、穿晶斷裂：大多數(shù)金屬常溫下斷裂時(shí)的形態(tài)，如解理、韌窩；宏觀上看穿晶斷裂可以是韌性如解理、韌窩；宏觀上看穿晶斷裂可以是韌性斷裂也可以是脆性斷裂斷裂也可以是脆性斷裂; ;2 2、晶間斷裂：大部分脆性斷裂的形態(tài)。沿晶多、晶間斷裂：大部分脆性斷裂的形態(tài)。沿晶多是脆性斷裂是脆性斷裂晶間斷裂是由于晶界存在脆性沉淀相、高溫晶間斷裂是由于晶界存在脆性沉淀相、高溫晶界

37、變?nèi)跻约霸诟g環(huán)境下晶界被腐蝕等原因晶界變?nèi)跻约霸诟g環(huán)境下晶界被腐蝕等原因造成的，斷口形貌為冰糖狀（圖造成的，斷口形貌為冰糖狀（圖1.351.35），若晶），若晶粒細(xì)則為結(jié)晶狀。粒細(xì)則為結(jié)晶狀。1.11.2 1.11.2 解理斷裂和微孔聚合剪切斷裂解理斷裂和微孔聚合剪切斷裂 解理斷裂是在拉應(yīng)力作用下，沿一定結(jié)晶面分離的斷裂，這種解理斷裂是在拉應(yīng)力作用下，沿一定結(jié)晶面分離的斷裂，這種結(jié)晶面為解理面。解理面一般是低指數(shù)面，其表面能低，斷裂強(qiáng)度結(jié)晶面為解理面。解理面一般是低指數(shù)面，其表面能低，斷裂強(qiáng)度最低，因此，通常在體心立方和密排六方金屬中發(fā)生。最低，因此，通常在體心立方和密排六方金屬中發(fā)生。

38、實(shí)際上晶體存在缺陷，斷裂并不是沿著單一晶面解理，而是沿實(shí)際上晶體存在缺陷，斷裂并不是沿著單一晶面解理，而是沿著一組平行的晶面解理，從而在不同的解理面之間就形成了解理臺著一組平行的晶面解理，從而在不同的解理面之間就形成了解理臺階。從垂直斷面方向觀察，臺階匯合形成一種類似河流的花樣。階。從垂直斷面方向觀察，臺階匯合形成一種類似河流的花樣。 河流的上游就是裂紋發(fā)源地，而河流的下游是裂紋擴(kuò)展的方向。河流的上游就是裂紋發(fā)源地，而河流的下游是裂紋擴(kuò)展的方向。 解理斷裂的河流花樣解理斷裂的河流花樣河流花樣通過小角度傾斜晶界河流花樣通過小角度傾斜晶界通過扭轉(zhuǎn)晶界時(shí)河流花樣激增通過扭轉(zhuǎn)晶界時(shí)河流花樣激增 在多晶

39、體中，由于多種晶體的存在，可以使河流花樣呈在多晶體中，由于多種晶體的存在，可以使河流花樣呈現(xiàn)復(fù)雜的形態(tài)。當(dāng)裂紋通過小角度晶界時(shí)，會(huì)改變河流花樣的現(xiàn)復(fù)雜的形態(tài)。當(dāng)裂紋通過小角度晶界時(shí)，會(huì)改變河流花樣的走向而不改變花樣。對于走向而不改變花樣。對于 扭轉(zhuǎn)晶界或通過大角度晶界時(shí)，可以扭轉(zhuǎn)晶界或通過大角度晶界時(shí)，可以觀察到裂紋穿過時(shí)河流花樣激增。觀察到裂紋穿過時(shí)河流花樣激增。 頸縮試樣纖維端口的形成過程頸縮試樣纖維端口的形成過程 微孔聚合剪切斷裂：屬于韌性斷裂的機(jī)制，形貌主要特征微孔聚合剪切斷裂：屬于韌性斷裂的機(jī)制，形貌主要特征是韌窩。是韌窩。 在韌性斷裂的頸縮過程中，三向應(yīng)力在試樣中心首先產(chǎn)生在韌性斷

40、裂的頸縮過程中，三向應(yīng)力在試樣中心首先產(chǎn)生顯微空洞，空洞長大后，相互連接形成可見的裂紋。由于裂紋顯微空洞，空洞長大后，相互連接形成可見的裂紋。由于裂紋尖端的應(yīng)力集中，使得塑性變形集中在裂紋尖端前的滑移帶上。尖端的應(yīng)力集中，使得塑性變形集中在裂紋尖端前的滑移帶上。在剪切帶內(nèi)變形強(qiáng)烈并形成許多顯微空洞，空洞聚合造成裂紋在剪切帶內(nèi)變形強(qiáng)烈并形成許多顯微空洞，空洞聚合造成裂紋擴(kuò)展。當(dāng)裂紋貫穿了整個(gè)剪切帶后，在裂紋尖端又形成新的剪擴(kuò)展。當(dāng)裂紋貫穿了整個(gè)剪切帶后，在裂紋尖端又形成新的剪切帶。切帶。 韌窩形貌形成的過程：由塑性變形使韌窩形貌形成的過程：由塑性變形使得夾雜物與基體的界面處首先形成裂紋并得夾雜物與基體的界面處首先形成裂紋并不斷擴(kuò)大，最后使得夾雜物之間的基體金不斷擴(kuò)大，最后使得夾雜物之間的基體金屬產(chǎn)生內(nèi)縮頸現(xiàn)象，當(dāng)頸縮達(dá)到一定程度屬產(chǎn)生內(nèi)縮頸現(xiàn)象，當(dāng)頸縮達(dá)到一定程