全套教學(xué)課件材料力學(xué)性能(第2版)

1、材料力學(xué)性能Mechanical Properties of Materials 緒 論一、材料科學(xué)與工程 1986年英國(guó)材料科學(xué)與工程百科全書(shū)：材料科學(xué)與工程是研究有關(guān)材料組成（成分、組織與結(jié)構(gòu)）、性能、生產(chǎn)流程（工藝）和使用效能以及它們之間關(guān)系的學(xué)科。1、材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵2、材料科學(xué)與工程的基本要素結(jié)構(gòu)（Structure）性能（Property）效能（Performance）工藝（Processing）四要素圖組成（成分、組織與結(jié)構(gòu)）、 性能、 加工制備、效能緒 論1）成分組織結(jié)構(gòu) 表示材料結(jié)構(gòu)所包含的四個(gè)層次：原子結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、原子排列方式（晶體與非晶體）和組織。2）制備合成與加工

2、工藝 指實(shí)現(xiàn)特定原子排列的演變過(guò)程。3）固有性能 是對(duì)材料功能特性和效用（如電、磁、光、熱、力學(xué)等性質(zhì)）的定量度量和描述4）使用性能（服役性能） 是指材料性質(zhì)在使用條件（如受力狀態(tài)、氣氛、介質(zhì)與溫度等）下的表現(xiàn)。緒 論 把材料的固有性能和產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用能力聯(lián)系起來(lái)，度量使用性能的指標(biāo)有：壽命、速度、能量利用率、安全可靠程度利成本等綜合因素，在利用物理性能時(shí)包括能量轉(zhuǎn)換效率、靈敏度等。加工/合成（Processing/Synthesizing）成分（Composition）結(jié)構(gòu)（Structure）性能（Property）效能（Performance）環(huán)境的影響理論/材料設(shè)計(jì)（Theory/

3、Materials Design）五要素圖緒 論二、材料的性能1.定義： 表征材料在外界條件作用下所發(fā)生的行為的參量。 1)行為： 材料在外界條件作用下從一個(gè)狀態(tài)到另一狀態(tài)的過(guò)程。2）外界條件: 指應(yīng)力、溫度、化學(xué) 介質(zhì)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、輻照等。在不同的外界條件下，同一材料也會(huì)有 不同的性能。3）參量化 性能必須參量化，即材料的性能需要定量地加以表述。多數(shù)的性能都有單位，通過(guò)對(duì)單位的 分析(量綱分析)，可以加深對(duì)性能的理解。2.性能分類(lèi)使用性能物理性能：、化學(xué)性能：電極電位、氧化性力學(xué)性能 ： 、 、工藝性能：鑄造、鍛造、焊接、熱處理緒 論.材料的力學(xué)性能 是關(guān)于材料強(qiáng)度的一門(mén)學(xué)科，即是關(guān)于材料在

4、外加載荷（外力）作用下或載荷和環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)的變形、損傷與斷裂的行為規(guī)律，及其物理本質(zhì)和評(píng)定方法的學(xué)科。 材料的力學(xué)性能，常用材料的力學(xué)性能指標(biāo)來(lái)表述。 力學(xué)性能指標(biāo)是材料在載荷和環(huán)境因素作用下所發(fā)生的力學(xué)行為的量化因子，是評(píng)定材料質(zhì)量的主要依據(jù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選材的根據(jù)。緒 論 通常把力學(xué)參量的臨界值或規(guī)定值稱(chēng)為力學(xué)性能指標(biāo)1)力學(xué)行為 材料在外加載荷、環(huán)境條件及其綜合作用下所表現(xiàn)出的行為和特征。2)力學(xué)性能a：表征材料力學(xué)行為特征的參量b：本質(zhì)為抵抗各種力學(xué)行為發(fā)生的能力3)失效: 材料的力學(xué)性能（使用性能）不能滿(mǎn)足服役條件的要求而失去原有功能的現(xiàn)象。 緒 論4

5、)失效形式斷裂韌性斷裂脆性斷裂非斷裂變形磨損腐蝕三、本課程的研究?jī)?nèi)容1.材料在各種條件下的力學(xué)性能1) 按材料分： 金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料等。緒 論2）按試樣形狀分： 光滑、缺口和裂紋試樣。3）按加載條件分： 靜載、沖擊載荷和變動(dòng)載荷。4）按環(huán)境條件分： 溫度（低溫、高溫）、化學(xué)介 質(zhì)、中子輻照、液態(tài)金屬等。2. 材料力學(xué)性能的影響因素1) 內(nèi)在因素： 化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、缺陷、殘余應(yīng)力等。2) 外在因素： 溫度、載荷性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)等。緒 論 3. 材料力學(xué)性能的微觀(guān)機(jī)制 4. 材料力學(xué)性能的測(cè)試技術(shù)四、研究目的和意義1.正確地使用材料。2. 評(píng)價(jià)材料合成與加

6、工工藝的有效性，并通過(guò)控制材料的加工工藝提高材料的力學(xué)性能。3. 可在材料力學(xué)性能理論的指導(dǎo)下，采用新的材料成分和結(jié)構(gòu)，或新的加工和合成工藝，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出 新材料，以滿(mǎn)足對(duì)材料的更高需求。第一章材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 拉伸力伸長(zhǎng)曲線(xiàn)和應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) 彈性變形 塑性變形 金屬的斷裂12010.3.24第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能單向靜拉伸試驗(yàn)條件：1.設(shè)備：液壓萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī) 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)2.試樣:比例試樣= 11.3=5.65非比例試樣3. 加載速度：（形變速率102104）kg/mm2s屈服前生產(chǎn)檢驗(yàn) 13 kg/mm2s屈服后：/min4. 環(huán)境條件：2010第一章

7、材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能4. 環(huán)境條件：2010第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)演示拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn) 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)是拉伸實(shí)驗(yàn)中記錄的力對(duì)伸長(zhǎng)的關(guān)系曲線(xiàn)。一、拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)力學(xué)行為：彈性變形oeop（直線(xiàn)）比例彈變pe（曲線(xiàn)部分）非比例2. A-B-k 彈性塑性變形屈服AC均勻變形CB集中塑性變形（縮頸)Bk3.斷裂第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能二、拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)的類(lèi)型a. 脆性材料：彈性變形斷裂b. 有色金屬：彈性變形斷裂c.高錳鋼、鐵青銅： 斷裂彈性變形d.加工硬化不明顯：彈性變形斷裂e.

8、 純銅、純鋁：斷裂第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能三、應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（-） 將拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)的縱、橫坐標(biāo)分別用拉伸試樣的原始截面積A0和原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0去除，則得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。 因均系以一常數(shù)相除，故曲線(xiàn)形狀不變。這樣的曲線(xiàn)稱(chēng)為工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。 如果用真實(shí)應(yīng)力S和真實(shí)應(yīng)變e繪制曲線(xiàn) ，則得到真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，如圖。第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能圖1-4 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn) 由于均勻變形階段體積不變 (1-)(1+)=1 一、彈性變形及其實(shí)質(zhì)二、胡克定律三、彈性性能四、滯彈性五、彈性滯后環(huán)及循環(huán)韌性六、包申格（Bauschinger）效應(yīng) 彈性變形第一章 材料在單向靜拉

9、伸載荷下的力學(xué)性能一、彈性變形的特點(diǎn)及實(shí)質(zhì).特點(diǎn)：a)b) 可逆性c) 變形量很小1%d) 變形速率非?？?.2 彈性變形2.實(shí)質(zhì)： 外力作用下金屬原子間發(fā)生可逆性位移的結(jié)果1.2 彈性變形1.2 彈性變形 原子間的作用力與原子間距的關(guān)系為拋物線(xiàn)，并不是線(xiàn)性關(guān)系。 當(dāng)原子間距與平衡位置r0 的偏離很小時(shí)，由數(shù)學(xué)處理（級(jí)數(shù)展開(kāi)）可得到： 在小變形條件下，P與r成線(xiàn)性比例關(guān)系。1.2 彈性變形 當(dāng)r=rm (2B/A)1/2時(shí),原子間作用力的合力表現(xiàn)為引力，而且出現(xiàn)極大值，在彈性狀態(tài)下斷裂，相應(yīng)的彈性變形量（41%）。 由于晶體中含有缺陷，在彈性變形量尚小時(shí)的應(yīng)力足以激活位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生塑性變形；對(duì)

10、于脆性材料，由于對(duì)應(yīng)力 集中敏感，應(yīng)力稍大時(shí)，缺陷處的集中應(yīng)力即可導(dǎo)致裂紋的產(chǎn) 生與擴(kuò)展，使晶體在彈性狀態(tài)下斷裂。 二、胡克定律 各向同性體在單軸加載方向上的應(yīng)力與彈性應(yīng)變間：(一) 簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)的胡克定律1單向拉伸1.2 彈性變形 在加載方向上的變形（伸長(zhǎng)），必然導(dǎo)致與加載方向垂直的方向上的收縮。2剪切和扭轉(zhuǎn)3E、G的關(guān)系(二) 廣義胡克定律 對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)以及各向異性體上的彈性變形1.2 彈性變形三、彈性性能（一）彈性模量（）.物理意義： 表征材料對(duì)彈性變形的抗力(剛度).影響因素：1) 金屬的本性原子間作用力（原子種類(lèi)、晶格結(jié)構(gòu)）2) 合金化：溶質(zhì)原子對(duì)晶格常數(shù)改變不大。3) 熱處理：

11、晶粒尺寸、第二相大小和分布對(duì)的影響個(gè)不大1.2 彈性變形 淬火 回火4) 加工硬化：殘余應(yīng)力下降4-6%織構(gòu)各向異性5) 溫度：溫度上升，E下降（3-5%/100 ）但在 -5050內(nèi)，變化不大6) 加載速率對(duì)的影響不大 所以說(shuō)：金屬材料的彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，外在因素的變化對(duì)它的影響也比較小。1.2 彈性變形 彈性性能與特征是原子間結(jié)合力的宏觀(guān)體現(xiàn)，本質(zhì)上決定于晶體的電子結(jié)構(gòu)，而不依賴(lài)于顯微組織，因此，彈性模量是對(duì)組織不敏感的性能指標(biāo)。金屬材料E/105MPa鐵2.17銅1.25鋁0.72鐵及低碳鋼2.0鑄鐵1.71.9低合金鋼2.02.1奧氏體不銹鋼1.92.01.2

12、彈性變形構(gòu)件剛度 對(duì)于一定材料的制件，剛度只與其截面積成正比?？梢?jiàn)要增加零(構(gòu))件的剛度，要么選用正彈性模量E高的材料，要么增大零(構(gòu))件的截面積A 。 往往既要求剛度高，又要求質(zhì)量輕，因此加大截面積是不可取的，只有選用高彈性模量 的材料才可以提高其剛度。即比彈性模量(彈性模量/密度)要高幾種常用材料的比彈性模量 1 、 與1）物理意義應(yīng)力與應(yīng)變成直線(xiàn)關(guān)系的最大應(yīng)力由彈性變形過(guò)渡到彈性塑性變形的應(yīng)力2） 應(yīng)用不允許發(fā)生塑性變形（二）彈性比功2、彈性比功1.2 彈性變形彈性比功示意圖1）物理意義： 表示單位體積金屬材料吸收彈性變形功的能力，又稱(chēng)彈性比應(yīng)變能。1.2 彈性變形2）提高彈性比功的途徑

13、：1) ，2) ，（合金化、熱處理、冷變形） 欲提高一個(gè)具體零件的彈性比功，除采取提高e 或降低E的措施外，還可以改變零件的體積。體積越大，彈性功越大。彈簧的分類(lèi)：硬彈簧： 彈簧鋼制造，通過(guò)合金化、熱處理和冷加工，提高其彈性極限的方法來(lái)增大彈性比功。軟彈簧（儀表彈簧）： 磷青銅或鈹青銅制作，具有較高的彈性極限和較小的彈性模量，因而彈性比功也較大。1.2 彈性變形（三）彈性性能的工程意義 任何一部機(jī)器（或構(gòu)造物）的零（構(gòu)）件在服役過(guò)程中都是處于彈性變形狀態(tài)的。結(jié)構(gòu)中的部分 零（構(gòu)）件要求將彈性變形量控制在一定范圍之 內(nèi)，以避免因過(guò)量彈性變形而失效。 另一部分零（構(gòu)）件，如彈簧，則要求其在彈性變形

14、量符合規(guī)定的條件下，有足夠的承受載荷 的能力，即不僅要求起緩沖和減震的作用，而且要 有足夠的吸收和釋放彈性功的能力，以避免彈力不 足而失效。彈性變形量過(guò)大，塑性變形，小彈性比功小、1.2 彈性變形1.2 彈性變形四、滯彈性（彈性后效）1.現(xiàn)象： 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)實(shí)際金屬材料而言，其彈性變形不僅是應(yīng)力的函數(shù),而且還是時(shí)間的函數(shù)。 這種在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象，稱(chēng)為滯彈性。ab 正彈性后效(彈性蠕變、冷蠕變）eo 反彈性后效1.2 彈性變形282010.3.261.2 彈性變形2. 滯彈性原因 產(chǎn)生彈性后效的

15、原因可能與金屬中點(diǎn)缺陷的移動(dòng)有關(guān)。3.影響因素：1) 組織不均勻性彈性后效2) 溫度溫度彈性后效4. 滯彈性危害儀表的準(zhǔn)確性；制造業(yè)中構(gòu)件的形狀穩(wěn)定性（校直的工件會(huì)發(fā)生彎曲）。1.2 彈性變形五、彈性滯后環(huán)及循環(huán)韌性 在彈性變形范圍內(nèi)，驟然加載和卸載的開(kāi)始階段，應(yīng)變總要落后于應(yīng)力，不同步。因此，其結(jié)果 必然會(huì)使得加載線(xiàn)和卸載線(xiàn)不重合,而形成一個(gè)閉合的滯后回線(xiàn)，這個(gè)回線(xiàn)稱(chēng)為彈性滯后環(huán)。a)單向加載彈性滯后環(huán) 如果所加載荷是交變的循環(huán)載荷，并且加載速度比較緩慢，彈性后效現(xiàn)象來(lái)得及表現(xiàn)時(shí)，則可得到兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的彈性滯后環(huán)。1. 彈性滯后環(huán)1.2 彈性變形 如果加載速度比較快，彈性后效來(lái)不及表現(xiàn)時(shí)，則得到

16、如圖的彈性滯后環(huán)。若交變載荷中最大應(yīng)力大于彈性極限，則出現(xiàn)塑性滯后環(huán)交變加載塑性滯后環(huán)滯后環(huán)表明：加載時(shí)材料變形功大于卸載后材料恢復(fù)釋放出的功環(huán)面積的大小表示被金屬消耗的變形功的大小。1.2 彈性變形 在交變載荷下，環(huán)的面積代表材料以不可逆方式吸收能量(即內(nèi)耗)而不破壞的能力，也稱(chēng)為循環(huán)韌性。循環(huán)韌性：指在塑性區(qū)加載時(shí)材料吸收不可逆變形功的能力內(nèi)耗：指在彈性區(qū)加載時(shí)材料吸收不可逆變形功的能力一般二者混用2.循環(huán)韌性循環(huán)韌性量度：自由振動(dòng)振幅衰減的自然對(duì)數(shù)。1.2 彈性變形循環(huán)韌性應(yīng)用：高循環(huán)韌性材料減振、消振元件低循環(huán)韌性材料傳感元件、樂(lè)器產(chǎn)生原因位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)或變形的不均勻性等。六、包申格(Ba

17、uschinger)效應(yīng) 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)變約為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，下同）增加；反向加載規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低（特別是彈性極限在反向加載時(shí)幾乎降低到零）的現(xiàn)象，稱(chēng)為包申格效應(yīng)。 退火軋制黃銅包申格效應(yīng)1.2 彈性變形2. 產(chǎn)生原因： 認(rèn)為由于位錯(cuò)塞積引起的長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力（常稱(chēng)反向應(yīng)力），在反向加載時(shí)有助于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從而降低比例極限所致。位錯(cuò)塞積 由于預(yù)應(yīng)變使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力出現(xiàn)方向性所致。因?yàn)榻?jīng)過(guò)正向形變后，晶內(nèi)位錯(cuò)最后總是停留在障礙密度較高處，位錯(cuò)塞積后產(chǎn)生了背應(yīng)力,當(dāng)反向加載時(shí),位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向與原來(lái)方向相反,背應(yīng)力幫助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

18、,位錯(cuò)很容易克服曾經(jīng)掃過(guò)的障礙密度較低處，塑性變形容易,屈服強(qiáng)度降低。1.2 彈性變形3. 敏感材料：退火或高溫回火的金屬或合金。4. 包申格應(yīng)變： 是度量包申格效應(yīng)的基本定量指標(biāo)。 指在給定應(yīng)力下，正向加載與反向加載兩應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)之間的應(yīng)變差。 b點(diǎn)為拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)上給定的流變應(yīng)力bc為包申格應(yīng)變1.2 彈性變形 5. 包申格效應(yīng)的應(yīng)用（1）對(duì)于承受應(yīng)變疲勞載荷作用的機(jī)件在應(yīng)變疲勞過(guò)程中，每一周期內(nèi)都產(chǎn)生微量塑性變形，在反向加載時(shí)，微量塑性變形抗力(規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力)降低，顯示循環(huán)軟化現(xiàn)象。（2）對(duì)于預(yù)先經(jīng)受冷塑性變形的材料，如服役時(shí)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

19、冷拉型材及管子在受壓狀態(tài)下使用就是這種情況。（3）利用包申格效應(yīng)，如薄板反向彎曲成型。拉撥的鋼棒經(jīng)過(guò)軋輥壓制變直等。6. 消除方法（1）預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形。如果金屬材料預(yù)先經(jīng)受大量塑性變形，因位錯(cuò)增殖和難于重分布，則在隨后反向加載時(shí)，包申格應(yīng)變等于零。1.2 彈性變形（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400500以上，銅合金在250270以上退火。一、塑性變形方式及特點(diǎn)二、屈服現(xiàn)象和屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)三、影響屈服強(qiáng)度的因素四、應(yīng)變硬化(形變強(qiáng)化)五、縮頸現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度六、塑性七、靜力韌度3塑性變形第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1.3 塑性變形47

20、2010.3.26 塑性變形是指外力移去后不能恢復(fù)的變形。 塑性是指材料經(jīng)受塑性變形而不破壞的能力。 塑性變形和形變強(qiáng)化是金屬材料區(qū)別于其它工業(yè)材料的重要特征。一、塑性變形方式及特點(diǎn)1. 塑性變形的方式滑移滑移是晶體在切應(yīng)力作用下沿一定的晶面和晶向進(jìn)行切變的過(guò)程可動(dòng)滑移系越多，材料的塑性越大刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)電鏡觀(guān)察孿晶1.3 塑性變形482010.3.26 孿生是發(fā)生在金屬晶體內(nèi)局部區(qū)域的一個(gè)切變過(guò)程，切變區(qū)域?qū)挾容^小，切變后形成的變形區(qū)的晶體取向與未變形 區(qū)成鏡面對(duì)稱(chēng)關(guān)系。 孿生提供的變形量有限，可以改變晶體取向，以便啟動(dòng)新的滑移系，或者使難于滑移 的取向變?yōu)橐子诨?/p>

21、的取向。2. 塑性變形的特點(diǎn)1) 切應(yīng)力導(dǎo)致塑性變形2) 加工硬化3) 不可逆4) 多晶體材料各晶粒塑性變形的不同時(shí)性和不均勻性5) 多晶體材料各晶粒各晶粒塑性變形的相互制約與協(xié)調(diào)1.3 塑性變形二、屈服現(xiàn)象和屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)1. 屈服現(xiàn)象 在試驗(yàn)過(guò)程中，外力不增加 (保持恒定)試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)；或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動(dòng)情況下，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)變形， 這便是屈服現(xiàn)象。 標(biāo)志著材料的力 學(xué)響應(yīng)由彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段。 光滑試樣拉伸試驗(yàn)時(shí)，屈服變形開(kāi)始于試樣微觀(guān)不均勻處，或存在應(yīng)力集中的部位，一般在距試 樣夾持部分較近的地方。局部屈服開(kāi)始后，逐漸傳 播到整

22、個(gè)試樣。與此過(guò)程相對(duì)應(yīng)地，可以觀(guān)察到試 樣表面出現(xiàn)與拉伸軸線(xiàn)成45方向的滑移帶，及其逐漸傳播到整個(gè)試樣表面。1.3 塑性變形 至滑移帶遍布全部試樣表面時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)到達(dá)點(diǎn)。屈服應(yīng)變量BC是靠屈服變形提供的。應(yīng)用： 屈服為不均勻局部變形，產(chǎn)生呂德斯帶。在薄鋼板冷沖壓成形時(shí)，往往因局部變形不均勻，形成表面折皺。為避免折皺出現(xiàn)，可對(duì)鋼板預(yù)變形，變形量稍大于屈服應(yīng)變，然后沖壓時(shí)將不出現(xiàn)物理屈服，避免折皺。1.3 塑性變形2. 連續(xù)屈服現(xiàn)象和不連續(xù)屈服材料產(chǎn)生不連續(xù)屈服的條件a.屈服前可動(dòng)位錯(cuò)密度低b.隨著塑性應(yīng)變 的增加， 急劇增加 材料的塑性應(yīng)變速率與材料中的可動(dòng)位錯(cuò)密度，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度和位錯(cuò)柏氏

23、矢量b的關(guān)系為： 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度決定于其所受外力的大小1.3 塑性變形 m越低，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度變化所需的應(yīng)力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。 bcc的m20, fcc在1002004. 屈服點(diǎn)的測(cè)定1) 不連續(xù)屈服2) 連續(xù)屈服規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力( ) 或 規(guī)定殘留伸長(zhǎng)應(yīng)力( ) 或 規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力( ) 1.3 塑性變形4. 屈服強(qiáng)度、彈性極限、比例極限的含義材料對(duì)微量塑性變形的抗力5. 屈服判據(jù) 屈服強(qiáng)度是金屬材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它是工程上從靜強(qiáng)度角度選擇韌性材料的基本判據(jù)。對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)：屈雷斯加最大切應(yīng)力判據(jù)米塞斯畸變能判據(jù)1.3 塑性變形三、影響屈服強(qiáng)度的因素 金屬材料一般是多晶體合金

24、，往往具有多相組織，因此，討論影響屈服強(qiáng)度的因素，必須注意： 屈服變形是位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，凡影響位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的各種因素必然要影響屈服強(qiáng)度； 實(shí)際金屬材料的力學(xué)行為是由許多晶粒綜合作用的結(jié)果，因此，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； 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。 內(nèi)在因素1. 金屬本性及晶格類(lèi)型對(duì)于只含一個(gè)位錯(cuò)單晶體位錯(cuò)滑移阻力為：1.3 塑性變形582. 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)1) 位錯(cuò)密度 對(duì)含多個(gè)位錯(cuò)單晶位錯(cuò)間相互作用對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力2) 晶粒大小(d)晶粒尺寸越小，則晶界越多。晶界屬于面缺陷，其屬于原子排列不規(guī)則區(qū)。2010.4. 1相鄰晶粒間存在

25、一定的位相差。1.3 塑性變形 滑移首先在取向有利的晶粒中發(fā)生，由于晶界和晶粒間取向差共同作用，位錯(cuò)滑移終止在晶界，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有阻礙作用。Cu-4Ti合金中位錯(cuò)被堵塞在晶界附近 一個(gè)晶粒內(nèi)部，必須塞積足夠數(shù)量的位錯(cuò)，才能提供必要的應(yīng)力，使相鄰晶粒中的位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)，產(chǎn)生宏觀(guān)塑性變形。所以，減少晶粒尺寸會(huì)減少晶粒內(nèi)部位錯(cuò)塞積的數(shù)量，減少位錯(cuò)塞積群的長(zhǎng)度，降低塞積點(diǎn)處的應(yīng)力，相鄰晶粒中位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)所需的外加切應(yīng)力提高，屈服強(qiáng)度增加。細(xì)晶強(qiáng)化 HallPetch關(guān)系式：1.3 塑性變形bcc較fcc hcp的高，故細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)化效果好細(xì)晶強(qiáng)化實(shí)例：屈服強(qiáng)度與晶粒直徑的關(guān)系1-Al2-鋼3-Ni4-碳鋼

26、（0.05C)5-碳鋼（0.2%C） 6-Mo1.3 塑性變形632010.3.31元素CSiMnPSAl含量0.0260.0660.0840.00820.00150.056a.鍛后95030min空冷b.鍛后110030min水冷c.冷軋6001min鹽浴油冷d.冷軋6004min鹽浴油冷e.冷軋6801min鹽浴油冷f.冷軋6804min鹽浴油冷1.3 塑性變形64圖a和圖b的鐵素體晶粒尺寸在(10010)m ;圖c、d、e、f的鐵素體晶粒尺寸在(106)m晶粒范圍在(6.292)m內(nèi), 屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系H-P關(guān)系式為:2010.4. 1 1.3 塑性變形亞晶界與晶界作用類(lèi)似，仍適

27、用HallPetch關(guān)系式只是低3.溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素溶入金屬晶格形成固溶體引起晶格畸變產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，引起系統(tǒng)能量增高，與金屬中的缺陷相互作用，使金屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高，稱(chēng)之為固溶強(qiáng)化1.3 塑性變形 1.3 塑性變形溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用有四種形式： 1）彈性作用或科垂耳作用 由于溶質(zhì)原子與基體原子大小不同，彈性模量不同，會(huì)造成晶格畸變，這個(gè)彈性畸變便與位錯(cuò)發(fā)生作用。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，交互作用能為負(fù)。對(duì)正刃型位錯(cuò)而言，小的置換型原子處在滑移面上邊，大的置換型原子和間隙型原子處在活移面下邊，結(jié)果使溶質(zhì)原子在位錯(cuò)周?chē)鞅容^穩(wěn)定的分布，即形成所謂科垂耳氣團(tuán)。 1.3 塑性變形692）化學(xué)作用或鈴木作用： 在

28、面心立方結(jié)構(gòu)中，位錯(cuò)可能以擴(kuò)展位錯(cuò)形式存在，即兩個(gè)半位錯(cuò)間夾著一個(gè)相當(dāng)于密排六方結(jié)構(gòu)的堆垛層錯(cuò)。在擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其間夾的層錯(cuò)也必須跟著運(yùn)動(dòng)。在平衡態(tài)時(shí)，溶質(zhì)原子在不同結(jié)構(gòu)中的分布是不同的，所以層錯(cuò)內(nèi)外的溶質(zhì)原子濃度也不同，形成鈴木氣團(tuán)。這必然會(huì)增加擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)或束集成全位錯(cuò)的困難，即增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。這種化學(xué)作用，與彈性作用類(lèi)似，都是位錯(cuò)與不均勻分布的溶質(zhì)原子之間的交互作用。2010.4.73）電學(xué)作用： 自由電子傾向于從點(diǎn)陣的受壓地區(qū)移至受張地區(qū)，當(dāng)溶質(zhì)原子的價(jià)電子數(shù)高于基體時(shí)，額外的自由電子便移向正刃型位錯(cuò)的下方，于是位錯(cuò)區(qū)便形成帶電的線(xiàn)偶極子，對(duì)溶質(zhì)離子發(fā)生靜電交互作用，促使溶質(zhì)原子

29、更傾向于在位錯(cuò)周?chē)?。顯然，溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電子數(shù)相差越大，則因溶強(qiáng)化作用越強(qiáng)。但這種電學(xué)作用引起的強(qiáng)化效果，并不顯著。1.3 塑性變形4）有序作用： 在短程有序(異類(lèi)原子相聚)的情況下，與偏聚(同類(lèi)原子叢聚)類(lèi)似，由于滑移會(huì)改變滑移面上下異類(lèi)原子的低能結(jié)合狀態(tài)，因此間樣會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化作用。但短程有序一旦因沿移而破壞，便不再起作用了。 溶質(zhì)原子與基體原子尺寸差別越大，引起的彈性畸變?cè)酱螅苜|(zhì)原子濃度越高，引起的彈性畸變?cè)酱?，?duì)位錯(cuò)的阻礙作用越強(qiáng)，固溶強(qiáng)化作用越大。間隙原子置換原子空位作用與置換相似 1.3 塑性變形.第二相1)第二相性質(zhì)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響不可變形：位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制可以變形：位錯(cuò)切

30、過(guò)2) 大小及分布 彌散 第二相體積分?jǐn)?shù)一定，其彌散程度愈大，其尺寸愈小，其間距越小，阻礙作用越大 聚集態(tài) 其尺寸、分布與基體晶粒相近故第二相與基體塑性不協(xié)調(diào)其尺寸、分布與基體晶粒相近故第二相與基體塑性不協(xié)調(diào)從而對(duì)塑性變形起約束作用1.3 塑性變形1.3 塑性變形位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子位錯(cuò)受第二相粒子斥力在切應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲位錯(cuò)環(huán)增加位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力 位錯(cuò)繞過(guò)顆粒是不易形變顆粒的強(qiáng)化機(jī)制，由于不易形變顆粒對(duì)位錯(cuò)的斥力足夠大，使位錯(cuò)不能自由運(yùn)動(dòng)而被迫彎曲。隨著外加切應(yīng)力的增大，迫使位錯(cuò)以繼續(xù)彎曲的方式向前運(yùn)動(dòng)，宜到在A、B處相遇。由于位錯(cuò)線(xiàn)的方向在A和B是相反的，所以互相抵銷(xiāo)，留下一個(gè)圍繞顆粒的位錯(cuò)

31、環(huán)。對(duì)后續(xù)位錯(cuò)產(chǎn)生斥力。強(qiáng)化效果與組織參數(shù)間有： 當(dāng)粒子體積分?jǐn)?shù)f一定時(shí),粒子尺寸r越小、強(qiáng)比效果越顯著 當(dāng)粒子尺寸一定時(shí)，體積分?jǐn)?shù)f越大，強(qiáng)化效果亦越好。由于為錯(cuò)每繞過(guò)顆粒一次，就留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)，這個(gè)位錯(cuò)環(huán)的存在，使粒子間距減小，使后續(xù)的位錯(cuò)繞過(guò)顆粒更加困難、所以流變應(yīng)力迅速提高。1.3 塑性變形1.3 塑性變形第二相粒子表面積增大位錯(cuò)切過(guò) 第二相粒子界面能增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大 其一是短程交互作用(位錯(cuò)與顆粒交互作用間距小下10b)，其主要包括：增加相界面面積；當(dāng)顆粒為有序相時(shí)，產(chǎn)生反相疇界；顆粒與基體的滑移面不重合時(shí)，產(chǎn)生割階以及顆粒的派納力高于基體等等。 1.3 塑性變形 網(wǎng)狀分布 位

32、錯(cuò)堆積，應(yīng)力不可以松弛，脆性增加3) 形狀片狀球狀例：珠光體類(lèi)型對(duì)強(qiáng)度的影響 當(dāng)滲碳體以片狀分布于塑性良好的鐵素體基體中構(gòu)成珠光體時(shí)，一方面，由于鐵素體的形變受到阻礙，即位錯(cuò)的移動(dòng)被限制在滲碳體片層之間，滲碳體成了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙。所以滲碳體片層間距越小，珠光體越細(xì)，其強(qiáng)度越高。另一方面，由于薄片滲碳體能承受微兩的形變，所以合金的塑性基本上不隨滲碳體片層厚度發(fā)生變化，而維持在一定數(shù)值。 1.3 塑性變形 當(dāng)滲碳體以球狀均勻分布于鐵素體基體中構(gòu)成粒狀組織時(shí)，對(duì)鐵素體形變的阻礙作用顯著下降。這是因?yàn)樵隗w積百分?jǐn)?shù)相間情況下，位錯(cuò)錢(qián)與第二相球狀粒子交會(huì)的機(jī)會(huì)減少，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻的機(jī)會(huì)減少，故強(qiáng)度降低，塑

33、性提高。 當(dāng)滲碳體以連續(xù)網(wǎng)狀分布于鐵素體晶界上時(shí)，切斷了鐵素體晶粒間的聯(lián)系、并且使晶粒的變形受阻于相界，導(dǎo)致很大的應(yīng)力集中，造成過(guò)早地?cái)嗔眩虼藦?qiáng)度反而下降，塑性明顯降低。1.3 塑性變形例：回火溫度對(duì)性能的影響回火馬氏體回火屈氏體回火馬氏體表2 鋼的化學(xué)成分wt% 元素C Si Mn P S V 含量0.27 1.65 0.83 0.028 0.028 0.080 表3 回火溫度對(duì)屈服強(qiáng)度的影響注：淬火溫度為920 回火溫度360380 400 420 440 460 屈服強(qiáng)度1565Mpa 1520Mpa1455Mpa 1440Mpa 1375Mpa 1315Mpa 1.3 塑性變形1.3

34、 塑性變形82 外在因素1.溫度溫度越高原子間作用越小位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力越低2.應(yīng)變速率應(yīng)變速率越高強(qiáng)度越高3.應(yīng)力狀態(tài)切應(yīng)力分量越大強(qiáng)度越低四、應(yīng)變硬化1. 定義金屬阻止繼續(xù)塑性變形的能力2.機(jī)理a.隨變形量的增加，金屬沿變形方向被拉長(zhǎng)，晶粒逐漸變成扁平、長(zhǎng)條至纖維狀。b.在被拉成纖維狀的晶粒內(nèi)部有許多位錯(cuò)胞，胞壁上有大量的位錯(cuò)，變形增大，位錯(cuò)增多，將晶粒分割成牙頸或變形晶胞。c.塑性變形后，位錯(cuò)、空位等缺陷大大增加，點(diǎn)陣畸變?cè)黾印?010.4.71.3 塑性變形83 應(yīng)變硬化是位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)受阻所致。純銅變形量與強(qiáng)度和硬度的關(guān)系2010.4.71.3 塑性變形3.形變強(qiáng)化的實(shí)際意義1）形變強(qiáng)化可

35、使金屬零件具有抵抗偶然過(guò)載的能力， 保證安全。2）形變強(qiáng)化是工程上強(qiáng)化材料的重要手段。 如：18-8型不銹鋼，變形前0.2 =196MPa，經(jīng)40%冷軋后，0.2 = 780980MPa，屈服強(qiáng)度提高34倍。3）形變強(qiáng)化性能可以保證某些冷成形工藝。如冷拔和深沖壓成型等。4. 金屬的真應(yīng)力-應(yīng)變 在均勻塑性變形階段，真應(yīng)力和真應(yīng)變間有下列關(guān)系（Hollomon方程）：1.3 塑性變形K為強(qiáng)度系數(shù)，n為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)材料的形變強(qiáng)化特征主要反映在n值的大小上。n表示材料的應(yīng)變強(qiáng)化能力或?qū)M(jìn)一步塑性變形的抗力n=10.10.50理想塑性材料理想彈性材料.影響n(yōu)的因素：1) 層錯(cuò)能：層錯(cuò)能低,則交滑移難，

36、加工硬化指數(shù)高。1.3 塑性變形2) 冷熱變形退火態(tài)n大，冷加工n小3) 強(qiáng)度 n五、縮頸現(xiàn)象應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)開(kāi)始頸縮?？s頸是拉伸時(shí)局部集中塑性變形現(xiàn)象。由于加工硬化落后于截面縮小，使材料承載力下降。1.原因2.縮頸判據(jù)：在應(yīng)力- 應(yīng)變曲線(xiàn)的最高點(diǎn)處有:1.3 塑性變形1.3 塑性變形加工硬化，承載截面縮小，承載因拉伸過(guò)程中體積不變，有: 這就是頸縮判據(jù)。說(shuō)明頸縮開(kāi)始于應(yīng)變強(qiáng)化速率dS/de與真應(yīng)力相等的時(shí)刻。1.3 塑性變形縮頸判據(jù)圖解縮頸判據(jù)的應(yīng)用：在塑性失穩(wěn)點(diǎn)hollomon方程成立在塑性失穩(wěn)點(diǎn)當(dāng)變硬化指數(shù)等于最大真實(shí)均勻塑性應(yīng)變時(shí)，即產(chǎn)生縮頸1.3 塑性變形4.抗拉強(qiáng)

37、度金屬試樣拉斷過(guò)程中最大試驗(yàn)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度 標(biāo)志塑性金屬材料的實(shí)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(shè)計(jì)參數(shù)。就是脆性材料的斷裂強(qiáng)度，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì) 高低決定于屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù) 與布氏硬度HB、疲勞極限等之間有一定經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:對(duì)淬火回火鋼：-1b b0.345 H B 1.3 塑性變形六、塑性1.塑性與塑性指標(biāo)1) 塑性 金屬材料斷裂前發(fā)生不可逆永久 (塑性) 變形的能力. 金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分構(gòu)成，大部分產(chǎn)生縮頸的金屬其均勻塑變比集中塑變小得多，一般均不超過(guò)集中塑變的50%。2) 指標(biāo)工程

38、上常用拉伸時(shí)條件塑性以延伸率和斷面收縮率表示。延伸率斷面收縮率試樣拉斷時(shí)所測(cè)得的條件延伸率主要反映了材料均勻變形的能力。 1.3 塑性變形斷面收縮率主要反映了材料局部變形的能力 延伸率和斷面收縮率的選用原則： 對(duì)于單一拉伸細(xì)長(zhǎng)桿件，無(wú)論有無(wú)縮頸，均用。 非細(xì)長(zhǎng)桿件，拉伸有縮頸則用 評(píng)定塑性，因?yàn)榭s頸產(chǎn)生三相應(yīng)力，對(duì)組織變化更敏感。1.3 塑性變形2) 影響因素金屬材料的塑性常與其強(qiáng)度性能有關(guān)：強(qiáng)度是材料對(duì)變形和斷裂的抗力。一般來(lái)講，材料強(qiáng)度提高，其變形抗力提高，變形能力下降，塑性降低。在工程中，為了充分發(fā)揮材料的潛力，會(huì)盡量的提高材料的屈服強(qiáng)度，使材料的屈強(qiáng)比（ ）提高，導(dǎo)致材料塑性變形推遲，

39、不能通過(guò)塑變緩解應(yīng)力集中，塑性降低。a. 相變強(qiáng)化，塑性降低；b. 固溶強(qiáng)化，塑性降低；c. 加工硬化，塑性降低；1.3 塑性變形e. 細(xì)晶強(qiáng)化，塑性提高；*細(xì)晶強(qiáng)韌化的機(jī)理晶粒尺寸減小a) 晶界增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙增加強(qiáng)度提高；b) 晶粒內(nèi)部位錯(cuò)堆積群位錯(cuò)數(shù)目減少，位錯(cuò)塞積群前端應(yīng)力降低；c) 晶界面積增加，分布于晶界附近的雜質(zhì)濃度降低，晶界強(qiáng)度提高；晶界不易開(kāi)裂；d) 一定體積金屬內(nèi)部的晶粒數(shù)目越多，晶粒之間的位相差可能減小塑性變形可以被更多的晶粒所分擔(dān)，所以塑性提高七、韌性的概念及靜力韌度分析韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。1.3 塑性變形韌度是度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)

40、，又分靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。金屬材料在靜拉伸時(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)。 韌度可以理解為應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下的面積。C:中等強(qiáng)度、中等塑性, 高韌性A:高強(qiáng)度、低塑性, 低韌性;B:高塑性、低強(qiáng)度, 低韌性;七、韌性的概念及靜力韌度分析1.3 塑性變形 在不改變材料斷裂應(yīng)力的情況下，提高材料屈服強(qiáng)度將導(dǎo) 致材料韌性降低，或者說(shuō)材料 強(qiáng)度的提高是以犧牲韌性為代 價(jià)的。 靜力韌度對(duì)于按屈服強(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)。工程上用近似計(jì)算方法 4 金屬的斷裂斷裂的類(lèi)型及宏觀(guān)斷口特征解理斷裂微孔聚集斷

41、裂斷裂強(qiáng)度斷裂理論的應(yīng)用第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1.4金屬的斷裂113 斷裂是工程材料的主要失效形式之一。 斷裂的基本過(guò)程：裂紋形成和擴(kuò)展。一、斷裂類(lèi)型Basic types of fracture1.根據(jù)斷裂前金屬是否有明顯的塑性變形分脆性斷裂brittle fracture5%2.從微觀(guān)上按照裂紋的走向分穿晶斷裂 transgranular fracture穿晶斷裂沿晶斷裂沿晶斷裂 intergranular fracture1.4金屬的斷裂沿晶斷裂沿晶脆性斷裂沿晶韌性斷裂穿晶斷裂純剪切斷裂 微孔聚集型斷裂解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂3.按斷裂面的取向或按作用力方式 正斷型斷裂 切斷

42、型斷裂 二、韌性斷裂及其宏觀(guān)斷口 斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力并與主應(yīng)力成 45 斷口粗糙、呈纖維狀，灰暗色。 1.中、低強(qiáng)度鋼光滑圓柱試樣拉伸斷口 宏觀(guān)斷口呈杯錐狀 1.4金屬的斷裂宏觀(guān)斷口三要素纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇1)纖維區(qū)：位于斷口中央，呈粗糙纖維狀圓環(huán)花樣；裂紋起始于該區(qū)并緩慢擴(kuò)展，此階段產(chǎn)生縮頸階段。拉伸曲線(xiàn)最高點(diǎn)時(shí)，試樣局部區(qū)域產(chǎn)生縮頸； 1.4金屬的斷裂應(yīng)力變?yōu)槿驊?yīng)力，中心軸向應(yīng)力最大，塑變困難；第二相質(zhì)點(diǎn)碎裂或與基體界面脫離形成微孔 ；微孔不斷長(zhǎng)大和聚合就形成顯微裂紋 早期顯微裂紋其端部產(chǎn)生較大塑性變形，集中于極窄的與徑向大致呈45度的剪切變形帶內(nèi)； 新的微孔就在變形帶內(nèi)成核、長(zhǎng)

43、大和聚合 ，與裂紋連接時(shí)，裂紋便擴(kuò)展了一段距離。如此反復(fù)，形成鋸齒形的纖維區(qū) 1.4金屬的斷裂2)放射區(qū)：裂紋有緩慢向快速擴(kuò)展轉(zhuǎn)化。由于材料剪切變形作用，裂紋達(dá)到臨界尺寸而快速低能量撕裂，所以放射線(xiàn)平行于擴(kuò)展方向。放射區(qū)有放射線(xiàn)花樣特征。放射線(xiàn)平行于裂紋擴(kuò)展方向而垂直于裂紋前端的輪廓線(xiàn)，逆指向裂紋源。塑性變形量越大則放射線(xiàn)越粗；幾乎不產(chǎn)生塑性變形的極脆材料，放射線(xiàn)消失；溫度降低或材料強(qiáng)度增加，由于塑性降低放射線(xiàn)由粗變細(xì)乃至消失。3)剪切唇：斷裂最后階段，裂紋在平面應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的結(jié)果，即表面平滑，且與徑向呈45。1.4金屬的斷裂材料脆性越大，放射區(qū)越大，纖維區(qū)越小，剪切唇越??；材料尺寸

44、越大，放射區(qū)越大，纖維區(qū)基本不變。2.平板試樣靜拉伸斷口纖維區(qū)：橢圓形放射區(qū)：人字形，尖端為裂紋源剪切唇1.4金屬的斷裂 脆性斷裂的斷裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。 三、脆性斷裂及其宏觀(guān)斷口1.4金屬的斷裂四、沿晶斷裂在多晶體變形中，晶界起協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形的作用，但當(dāng)晶界受到損傷，其變形能力被削弱，不足以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形時(shí)，便形成晶界開(kāi)裂。裂紋擴(kuò)展總是沿阻力最小的路徑發(fā)展，遂表現(xiàn)為沿晶斷裂。 1）晶界有脆性相析出，基本呈連續(xù)分布。 如網(wǎng)狀滲碳體2）加熱溫度過(guò)高，造成晶界熔化。過(guò)燒 3）有害元素沿晶界富集，降低了晶界處表面能，使脆性轉(zhuǎn)變溫度向高溫推移 。如回火脆4

45、）晶界上有彌散相析出 沿晶斷裂是指裂紋在晶界上形成并沿晶界擴(kuò)展的斷裂形式 。1. 定義2. 機(jī)理3. 晶界損傷的形式1.4金屬的斷裂4.沿晶斷口當(dāng)晶界的強(qiáng)度小于屈服強(qiáng)度時(shí)，晶界無(wú)塑性變形，產(chǎn)生冰糖狀斷口a 冰糖狀斷口 當(dāng)晶界的強(qiáng)度大于屈服強(qiáng)度時(shí)，晶界有塑性變形，產(chǎn)生石狀斷口 b 石狀斷口其屬于延性斷裂范疇，韌窩很細(xì)小而且沿晶界分布。沿晶斷裂時(shí)，材料的塑性、韌性水平?jīng)Q定于晶界受損的程度。1.4金屬的斷裂位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻于晶界，造成應(yīng)力集中，當(dāng)集中應(yīng)力達(dá)到晶界強(qiáng)度時(shí)，便將晶界擠裂。 沿晶斷裂應(yīng)力與晶粒尺寸具有如下關(guān)系 當(dāng)晶界強(qiáng)度小于屈服強(qiáng)度時(shí)，晶界開(kāi)裂發(fā)生于宏觀(guān)屈服之前，斷裂呈宏觀(guān)脆性 。當(dāng)晶界強(qiáng)度比

46、晶內(nèi)高時(shí)，晶界具有協(xié)調(diào)變形的能力，但因晶界區(qū)形變強(qiáng)化能力受到損傷而很快耗盡，在晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)時(shí)便喪失了協(xié)調(diào)變形的能力，遂在晶界彎折及三晶交叉處等有應(yīng)力集中的地方按微孔聚集型斷裂機(jī)制形成微孔并沿晶界擴(kuò)展，形成韌窩型斷口，但韌窩很細(xì)小而且沿晶界分布 1.4金屬的斷裂五、純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂 金屬在切應(yīng)力的作用下沿滑移面分離造成的滑移面分離斷裂 。1. 切離（滑斷、純剪切斷裂）單晶體金屬剪切斷裂斷口呈鋒利的楔形 多晶體金屬的完全韌性斷裂斷口呈刀尖形 2.微孔聚集型斷裂micropore coalescence通過(guò)微孔形核、長(zhǎng)大聚合而導(dǎo)致材料分離斷裂。如低碳鋼室溫下的拉伸斷裂 。 斷裂過(guò)程是由

47、微孔形成、長(zhǎng)大和連接等不同階段組成 塑變過(guò)程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到第二相顆粒形成位錯(cuò)環(huán)；1.4金屬的斷裂切應(yīng)力作用下位錯(cuò)環(huán)堆積；在切應(yīng)力的作用下位錯(cuò)環(huán)移向界面，界面沿滑移面分離形成微孔；后面位錯(cuò)受的斥力下降，位錯(cuò)源重新開(kāi)動(dòng)，釋放出新位錯(cuò)，不斷進(jìn)入微孔，使微孔長(zhǎng)大。1.4金屬的斷裂微孔把基體分割成無(wú)數(shù)的單元，隨著變形的進(jìn)行，相鄰的微孔相鄰微孔之間基體面積減小，在外力的作用下產(chǎn)生縮頸（內(nèi)縮頸）而斷裂，使微孔聚合，形成裂紋；裂紋尖端應(yīng)力集中，產(chǎn)生極窄的與徑向大致呈45度的剪切變形帶，新的微孔就在變形帶內(nèi)成核、長(zhǎng)大和聚合 ，與裂紋連接時(shí)，裂紋擴(kuò)展，最終斷裂。斷口微觀(guān)特征:韌窩我們說(shuō)微孔多萌生于夾雜物和第二相

48、處，這并不意味著在沒(méi)有夾雜物和第二相時(shí)，便不能形成微孔，對(duì)純金屬或單相合金變形后期也可產(chǎn)生許多微孔，微孔可產(chǎn)生于晶界，或?qū)\晶帶等處，只是相對(duì)地說(shuō)微孔萌生較遲些。1.4金屬的斷裂a(bǔ).韌窩的大小和深淺取決于第二相的數(shù)量、分布以及基體的塑性變形能力:塑性好，韌窩大而深;加工硬化能力強(qiáng)，大而淺。b.韌窩的形狀取決于應(yīng)力狀態(tài)或加載方式:影響韌窩的因素：1.4金屬的斷裂六、解理斷裂指金屬材料在一定條件下（如低溫），當(dāng)外加正應(yīng)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。1.定義由于與大理石的斷裂相似，所以稱(chēng)這種晶體學(xué)平面為解理面，解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。2.解理裂紋的形成和

49、擴(kuò)展斷口附近仍然有少量塑性變形，裂紋形成必然與塑性變形有關(guān)塑性變形是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的反映，因之裂紋形成可能與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。1） 甄納-斯特羅位錯(cuò)塞積理論 在滑移面上的切應(yīng)力作用下，刃型位錯(cuò)互相靠近。當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，如果塞積頭處的應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，塞積頭處的位錯(cuò)互相擠緊聚合而成為一高nb、長(zhǎng)為r的楔形裂紋(或孔洞形位錯(cuò))。1.4金屬的斷裂塞積頭前端距領(lǐng)先位錯(cuò)r處P點(diǎn)的應(yīng)力 當(dāng)=70.5度時(shí)，應(yīng)力最大1.4金屬的斷裂133 當(dāng)滑移面上的有效切應(yīng)力-i大于位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)的臨界切應(yīng)力時(shí)； 位錯(cuò)源才能連續(xù)不斷的釋放出位錯(cuò)。塑性變形增加，位錯(cuò)塞積數(shù)目增多 ，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，外加切應(yīng)力增大；塞

50、積頭處的應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，塞積頭處垂直于OP的拉應(yīng)力達(dá)到理想晶體沿解理面斷裂的理論斷裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)形成解理裂紋。 此時(shí)形成的裂紋并不一定可以迅速擴(kuò)展 ，當(dāng)nb=2s 即外加正應(yīng)力所作的功等于產(chǎn)生裂紋新表面的表面能時(shí)，裂紋才會(huì)擴(kuò)展。 1.4金屬的斷裂解理斷裂過(guò)程分為三個(gè)階段：a)塑性變形形成裂紋b)裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長(zhǎng)大c)裂紋越過(guò)晶界向相鄰晶粒擴(kuò)展2)柯垂耳位錯(cuò)反應(yīng)理論該理論是為了解釋晶內(nèi)解理與bcc晶體中的解理而提出的 ?？麓苟岢龅奈诲e(cuò)反應(yīng)是降低能量的過(guò)程，因而裂紋成核是自動(dòng)進(jìn)行的。1.4金屬的斷裂新位錯(cuò)線(xiàn)在（001）面上，（001）面不是滑移面，001位錯(cuò)不可動(dòng)，產(chǎn)生塞積，

51、形成裂紋。1.4金屬的斷裂1)解理臺(tái)階及河流狀花樣單晶體：由于解理斷裂沿一定的晶面分，應(yīng)為一毫無(wú)特征的理想平面。多晶體：斷裂斷口是由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的小平面集合而成。實(shí)際上，只從一個(gè)解理面發(fā)生解理破壞實(shí)際上是很少。多數(shù)情況下，裂紋要跨越若干個(gè)相互平行的、而且位于不同高度的小晶體學(xué)平面（解理刻面），從而產(chǎn)生解理斷口的微觀(guān)特征。a）解理臺(tái)階沿兩個(gè)高度不同的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交形成的。3.解理斷裂的微觀(guān)斷口特征1.4金屬的斷裂解理臺(tái)階的形成過(guò)程(1) 解理裂紋與螺型位錯(cuò)相交（2）二次裂紋和撕裂形成臺(tái)階1.4金屬的斷裂b）河流花樣裂紋擴(kuò)繼續(xù)展，同號(hào)臺(tái)階匯合，異號(hào)臺(tái)階消失形成河流狀花樣。

52、“河流”的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致，所以可以根據(jù)“河流”流向確定在微觀(guān)范圍內(nèi)解理裂紋的擴(kuò)展方向，而按“河流”反方向去尋找斷裂源。1.4金屬的斷裂a(bǔ).位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)于晶界、亞晶界及第二相處受阻，產(chǎn)生塞積，誘發(fā)解理裂紋b.當(dāng)解理裂紋遇到扭轉(zhuǎn)晶界時(shí)，裂紋不能直接越過(guò)晶界而必須重新形核。裂紋將沿若干組新的相互平行的解理面擴(kuò) 展而使臺(tái)階激增，形成為數(shù)眾多的“河流” 。影響河流花樣的因素1.4金屬的斷裂c.解理裂紋遇到刃型位錯(cuò)組成的小角度晶界，裂紋越過(guò)晶界，河流也延續(xù)到相鄰的晶粒中。d.解理裂紋遇到大角度晶界，不能通過(guò),形成新裂紋及其為核心呈扇形擴(kuò)展1.4金屬的斷裂2)舌狀花樣解理裂紋遇到孿晶，解理裂紋沿孿晶面擴(kuò)

53、展，越過(guò)孿晶面后繼續(xù)沿解理面擴(kuò)展1.4金屬的斷裂七、準(zhǔn)解理斷裂在淬火回火 (貝氏體鋼、高強(qiáng)度鋼)鋼中，當(dāng)裂紋在晶粒內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)，難于嚴(yán)格的沿一定晶體學(xué)平面擴(kuò)展，斷裂路徑不再與晶粒位向有關(guān)，而主要與細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)有關(guān)，其微觀(guān)形態(tài)，與解理河流相似，但又不是真正的解理，所以稱(chēng)為準(zhǔn)解理。2.微觀(guān)形態(tài)特征：1.定義似解理河流但又非真正解理1.4金屬的斷裂a(bǔ).準(zhǔn)解理與解理的共同點(diǎn)穿晶斷裂；有小解理刻面； 有臺(tái)階或撕裂棱及河流花樣。b.不同點(diǎn):解理刻面不是真正的晶體學(xué)平面，擴(kuò)展路徑與第二相粒子有關(guān);裂紋源為刻面內(nèi)的硬質(zhì)點(diǎn)而不是晶界;準(zhǔn)解理包含更多的撕裂；主裂紋的走向不太清晰，原因是主裂紋前方常產(chǎn)生許多二次裂

54、紋，裂紋多萌芽于晶粒內(nèi)部。3.與解理斷裂的異同點(diǎn)1.4金屬的斷裂八、斷裂強(qiáng)度1.晶體的理論斷裂強(qiáng)度原子位移很小 根據(jù)胡克定律 使金屬原子完全分離所需的能量 實(shí)際金屬材料的斷裂應(yīng)力僅為理論值的 1/10 1/1000 。 實(shí)際金屬材料中一定存在某種缺陷，使斷裂強(qiáng)度顯著下降。 2.甄納-斯特羅位錯(cuò)塞積理論1.4金屬的斷裂塞積頭處的應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，塞積頭處垂直于OP的拉應(yīng)力達(dá)到理想晶體沿解理面斷裂的理論斷裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)形成解理裂紋。 當(dāng)外加正應(yīng)力所作的功等于產(chǎn)生裂紋新表面的表面能時(shí)，裂紋才會(huì)擴(kuò)展。nb=2s 在有效切應(yīng)力的作用下，裂紋的底部邊長(zhǎng)為切變位移nb。假設(shè)滑移帶穿過(guò)直徑為d的晶

55、粒，則分布到滑移帶上的彈性切變位移為 1.4金屬的斷裂對(duì)于脆性的解理斷裂，位錯(cuò)滑移產(chǎn)生塑性變形，即屈服時(shí)就意味著裂紋形成。 屈服應(yīng)力與晶粒直徑間符合Hall-Petch關(guān)系 1.4金屬的斷裂3.斷裂強(qiáng)度的裂紋理論（格雷菲斯裂紋理論） 解釋玻璃、陶瓷等脆性材料斷裂強(qiáng)度的理論值和實(shí)際值的巨大差異固體材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度低的原因是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部存在有裂紋。 設(shè)想有一單位厚度的無(wú)限寬薄板，對(duì)之施加拉應(yīng)力，而后使其固定以隔絕外界能源 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為 對(duì)于脆性材料，裂紋尖端曲率半徑3a0 時(shí)1.4金屬的斷裂4.奧羅萬(wàn)歐文公式裂紋尖端應(yīng)力集中，產(chǎn)生塑變區(qū)，應(yīng)力松弛由于所以九、斷裂理論的應(yīng)用金屬材料屈服

56、時(shí)產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)是既解理斷裂在屈服時(shí)產(chǎn)生，則：而：1.4金屬的斷裂所以等式的左邊大于右邊，裂紋形成后能自動(dòng)擴(kuò)展?？紤]到應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)q1.4金屬的斷裂為了降低金屬材料脆斷傾向，應(yīng)采用下述措施： 應(yīng)提高G、 s 和q；降低d、i和ky。s為金屬材料的有效表面能，實(shí)際上那個(gè)由表面能和塑性變形功兩部分構(gòu)成，其中主要是塑性變形功。塑性變形功大小與材料的有效滑移系數(shù)目及裂紋尖端附近可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)目有關(guān)。晶粒大小反映滑移距離的大小，因而影響在障礙前位錯(cuò)塞積得數(shù)目。細(xì)化晶粒，裂紋不易形成，并且裂紋形成后也不易擴(kuò)展，因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展時(shí)要多次改變方向，將消耗更多能量。 第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第一章

57、材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1.5 聚合物材料的拉伸變形及斷裂一、聚合物的拉伸曲線(xiàn) 不同聚合物材料的拉伸曲線(xiàn)大致可分為三種類(lèi)型：第類(lèi)如聚碳酸脂，聚丙烯等 載荷隨伸長(zhǎng)增大而增高，達(dá)到極大值后，試樣在某一處（或幾處）產(chǎn)生頸縮（或應(yīng)力白化區(qū)），載荷降低； 頸縮發(fā)生后，在名義應(yīng)力幾乎保持不變的條件下，頸縮后會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。產(chǎn)生頸縮區(qū)沿試樣長(zhǎng)度方向擴(kuò)展 ； 當(dāng)頸縮部擴(kuò)展到兩端后，載荷隨伸長(zhǎng)增加又出現(xiàn)增大趨勢(shì)。 分子鏈由未取向狀態(tài)或取向度較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成頸縮中較高程度的取向狀態(tài)。取向化程度增高引起的局部應(yīng)變強(qiáng)化保證了頸縮向兩端均勻地?cái)U(kuò)展，與金屬中形變強(qiáng)化引起的均勻變形類(lèi)似 。聚合物的拉伸曲線(xiàn)第類(lèi)如

58、ABS塑料，聚甲醛，增強(qiáng)尼龍等 載荷隨伸長(zhǎng)增加而增大，達(dá)到極大值后，試樣出現(xiàn)縮頸，載荷降低。隨拉伸變形繼續(xù)進(jìn)行，縮頸處的橫截面積逐漸減小，試樣在伸長(zhǎng)變形不大的情況下斷裂。第類(lèi)如聚苯乙烯，增強(qiáng)聚碳酸脂等 隨伸長(zhǎng)增大，載荷增至最大值后，材料發(fā)生脆性斷裂。二、非晶態(tài)聚合物彈性變形和彈性模量 非晶態(tài)聚合物為無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)的形態(tài)，即呈相互穿插堆積在一起的分子鏈 。在外力作用下 ，主鏈旋轉(zhuǎn)困難而被凍結(jié)，變形主要依靠鍵長(zhǎng)與鍵角的變化 。1. 彈性變形聚合物的拉伸曲線(xiàn) 由于分子構(gòu)象的改變需要時(shí)間，變形強(qiáng)烈地與時(shí)間有關(guān)，表現(xiàn)為應(yīng)變落后于應(yīng)力。 除瞬間的普通彈性變形外，聚合物往往還有慢性的粘性流變，通常稱(chēng)之為粘彈性。

59、粘彈性表現(xiàn)為滯后環(huán)，應(yīng)力松馳和蠕變。2.非晶態(tài)聚合物的彈性模量彈性模量很小，只有21033103MPa。 實(shí)質(zhì)上反映了分子鏈與分子鏈間的原子間鍵合力與位能的變化。 聚合物的彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)非常敏感。1)主鍵熱力學(xué)穩(wěn)定性增加，E增大彈性變形和彈性模量2)結(jié)晶區(qū)百分比增加， E增大3)分子鏈填充密度的增加， E增大4)分子鏈拉伸方向取向程度增加， E增大5)聚合物晶體中鏈端適應(yīng)性增加，E增大6)鏈折疊程度減小， E增大。3.高彈態(tài)線(xiàn)型非晶態(tài)聚合物的力學(xué)行為隨溫度不同而變化。 A-玻璃態(tài) B-過(guò)渡態(tài) C-高彈態(tài) D-過(guò)渡態(tài) E-粘流態(tài)高彈態(tài)材料 高彈態(tài)的聚合物其彈性變形量可達(dá)到1001000。在室溫下

60、處于高彈態(tài)的聚合物都稱(chēng)為橡膠 具有高彈性，其彈性變形量可達(dá)1000，而其彈性模量E值卻只有0.11GPa，約為鋼的1106。1.高彈態(tài)聚合物的力學(xué)性能特點(diǎn)：2.聚合物具備高彈性的條件：室溫下為非晶體；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)低于室溫；鏈結(jié)構(gòu)上同時(shí)應(yīng)具有下列特征：鏈非常長(zhǎng)，并有很多彎；室溫下鏈段在不停地運(yùn)動(dòng)；每二、三百個(gè)原子就有一處交聯(lián)連接。高彈態(tài)材料3.橡膠彈性變形的機(jī)理 當(dāng)外力使蜷曲的分子拉直時(shí)，由于分子鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的熱運(yùn)動(dòng)和少量交聯(lián)所引起的共價(jià)結(jié)合，力圖恢復(fù)到原來(lái)比較自然的蜷曲狀態(tài)，形成了對(duì)抗外力的回縮力，正是這種力促使橡膠形變的自發(fā)回復(fù)，造成形象的可逆性。由于這種回縮力不大，所以橡膠在外力不大時(shí)就