材料力學(xué)性能09

材料力學(xué)性能哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院朱景川8.為何常用金屬材料拉伸試驗中彈性變形與塑性變形之間分界點難以確定？涉及哪些性能指標(biāo)？工程上如何解決此問題？思考題：2.為什么材料微觀塑性變形是切變過程？7.多晶塑性變形與單晶相比有何特點？為什么？9.微觀塑性變形機制是均勻的還是非均勻的？如何理解拉伸頸縮前塑性變形的均勻性？3.如何實現(xiàn)材料的微觀塑性切變？4.臨界切應(yīng)力定律的物理意義？工程意義？5.如何理解微觀塑性變形與宏觀塑性變形之關(guān)系？1.單向正應(yīng)力和純剪切應(yīng)力狀態(tài)下材料力學(xué)行為異同點？6.晶體取向軟硬與應(yīng)力狀態(tài)軟硬有何關(guān)系？（1）多晶體塑性變形特點

a.不同時性和不均勻性3.多晶體的塑性變形S2-4材料的塑性變形第二章材料變形行為b.變形協(xié)調(diào)性應(yīng)變六面體單元：假設(shè)塑性變形體積不變，即：塑性變形體積不變條件可以作為塑性變形是否協(xié)調(diào)的近似判據(jù)。多晶體塑性變形的必要條件：至少5個獨立的滑移系。（2）多晶體塑性變形過程多晶體塑性變形機制：位錯晶界塞積應(yīng)力集中促使相鄰晶粒位錯開動，塑性變形得以傳播。4.陶瓷材料塑性變形特點在共價鍵鍵合的陶瓷中，原子之間的鍵合是特定的并具有方向性。當(dāng)位錯以水平方向運動時，必須破壞這種特殊的原子鍵合，而共價鍵的結(jié)合力是很強的，位錯運動有很高的點陣阻力。因此，以共價鍵鍵合的陶瓷，不論是單晶體還是多晶體，都難以發(fā)生塑性變形。(a)共價鍵結(jié)合鍵對位錯運動的影響離子鍵合的陶瓷，也具有明顯的方向性，同號離子相遇，斥力極大，只有個別滑移系能滿足位錯運動的幾何條件和靜電作用條件。所以只有極少數(shù)具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的單晶體，如MgO、KCl(均為NaCl型結(jié)構(gòu))在室溫下具有塑性，而一般晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料在室溫下不能進行塑性變形。但是離子鍵合陶瓷多晶體，由于滑移系統(tǒng)較少不能滿足多晶體協(xié)調(diào)變形條件，導(dǎo)致多晶體難以塑性變形。陶瓷晶體的滑移系陶瓷材料一般呈多晶狀態(tài)，而且還存在氣孔、微裂紋、玻璃相等。位錯更加不易向周圍晶體傳播，更易在晶界處塞積而產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋引起斷裂。所以陶瓷材料很難進行塑性變形。TaC陶瓷斷口形貌玻璃材料與一般陶瓷材料的塑性變形機理不同無機玻璃材料：由于不存在晶體中的滑移和孿生的變形機制，其永久變形是通過分子位置的熱激活交換來進行的，屬于粘性流動變形機制，塑性變形需要在一定的溫度下進行。所以普通的無機玻璃在室溫下沒有塑性。金屬玻璃性能特點：高強度、高彈性極限和耐腐蝕等優(yōu)異的性能。金屬玻璃呈現(xiàn)宏觀脆性，但能發(fā)生高度局域化的剪切形變，即形變集中于數(shù)量很少、寬度只有幾十納米的剪切帶內(nèi)；而且剪切帶一旦形成便迅速擴展，導(dǎo)致材料瞬間發(fā)生災(zāi)難性斷裂。在微觀尺度下單一剪切帶內(nèi)的局域剪切應(yīng)變卻可以達到102%-103%。非晶態(tài)金屬材料：Al86Ni7Y4.5Co1La1.5塊體金屬玻璃的壓縮行為

金屬玻璃拉伸納米尺寸效應(yīng)

(a)表面加工質(zhì)量較高的樣品在均勻形變后剪切斷裂；(b)有表面加工缺陷的樣品在缺陷處發(fā)生頸縮斷裂

5.高分子材料塑性變形特點高分子材料的塑性變形機理因其狀態(tài)不同而異。結(jié)晶態(tài)高分子材料的塑性變形是由薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)檠貞?yīng)力方向排列的微纖維束的過程；非晶態(tài)高分子材料的塑性變形有兩種方式，即在正應(yīng)力作用下形成銀紋或在切應(yīng)力作用下無取向分子鏈局部轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠蚺帕械睦w維束。

無取向的晶態(tài)聚合物在塑件變形過程中。首先是晶球的破壞，使與應(yīng)力垂直的薄晶與無定型相分離，然后薄晶沿應(yīng)力方向排列。晶體破碎成小晶塊時，分子鏈仍然保持折疊結(jié)構(gòu)。隨著變形進一步發(fā)展，小晶體沿拉伸方向整齊排列，形成長的纖維。當(dāng)薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒗w維束的晶塊時，分子鏈沿拉應(yīng)力方向伸展開。由于許多串聯(lián)排列的晶體塊是從同一薄晶中撕出來的，所以晶體塊之間有許多伸開的分子鏈將它們彼此連接在一起。微纖維的定向排列以及伸展開的分子鏈的定向排列，使高分子材料強度大幅度提高。由于微纖維間的聯(lián)結(jié)，分子鏈進一步伸展，微纖維結(jié)構(gòu)的繼續(xù)變形非常困難，從而造成形變硬化。非晶態(tài)(玻璃態(tài))高分子材料的塑性變形機理主要是形成銀紋。銀紋是高分子材料在變形過程中產(chǎn)生的一種缺陷，由于它的密度低，對光線的反射能力很高，看起來呈銀色，因而得名。銀紋產(chǎn)生于高分子材料的弱結(jié)構(gòu)或缺陷部位。在拉應(yīng)力作用下，材料弱結(jié)構(gòu)或缺陷部位往往先被拉開，形成亞微觀裂紋或空洞，這些空洞繼續(xù)發(fā)展便形成肉眼可見的銀紋。銀紋產(chǎn)生和發(fā)展的過程銀紋材料體密度約比無銀紋材料小50％。在繼續(xù)變形過程中，銀紋的長度在與拉應(yīng)力垂直的方向上生長，其厚度變化不大。隨著塑性交形量的增大，銀紋的數(shù)量不斷增多，高密度的銀紋可產(chǎn)生超過100％的應(yīng)變。由于銀紋中的纖維取向排列使強度增高，因而隨著變形量的增大，材料將不斷產(chǎn)生應(yīng)變硬化。銀紋的尖端可以造成應(yīng)力集中，將對進一步的變形和斷裂產(chǎn)生直接影響。S2-4材料的塑性變形第二章材料變形行為簡單加載:宏觀屈服條件：6.宏觀屈服條件微觀屈服條件：s復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)屈服準(zhǔn)則？c或s(1)最大剪應(yīng)力（第三強度）理論1773年，Coulomb提出假設(shè)1868年，Tresca完善最大剪應(yīng)力是引起材料塑性屈服的原因具體說——不管在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)有一點處的最大剪應(yīng)力max達到材料單向拉伸塑性屈服剪應(yīng)力s

，就發(fā)生塑性屈服?！妒?zhǔn)則》（Tresca準(zhǔn)則）即實驗表明：理論偏于安全，差異有時達15%強度條件《推導(dǎo)》失效方程（或極限條件）或《評價》原因：未考慮2的影響1856年Maxwell提出(其書信出版后才知道)1904年Huber提出該理論的準(zhǔn)則(2)形狀改變比能（第四強度）理論1913年Mises提出，但不相信是正確的1925年Hencky以能量觀點解釋與論證

形狀應(yīng)變比能是引起材料塑性屈服的原因具體說——不管在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)有一點處的形狀比能

達到材料單向拉伸塑性屈服時形狀比能，就發(fā)生塑性屈服《失效準(zhǔn)則》（Mises準(zhǔn)則）(單向拉伸)強度條件《推導(dǎo)》失效方程（或極限條件）為則28試驗驗證最大切應(yīng)力理論與畸變能理論與試驗結(jié)果均相當(dāng)接近，后者符合更好鋼、鋁二向屈服試驗《備注》SIII是第三強度理論換算應(yīng)力，又稱應(yīng)力強度(StressIntensity)SIV是第四強度理論換算應(yīng)力，又稱Mises等效應(yīng)力(eq)SIII

、SIV均與主切應(yīng)力有關(guān)，說明第三、第四強度理論均認(rèn)為塑性變形是切應(yīng)力作用下發(fā)生的

S2-5

物理屈服現(xiàn)象及其本質(zhì)1.物理屈服現(xiàn)象Luders帶的形成Luders帶的傳播Luders應(yīng)變Luders帶傳播速度模型vCH=0.5mm/min，LB=0.0603，vLB=

0.1382mm/s(計算值)

vLB=0.1176mm/s(實驗值)2.物理屈服的本質(zhì)

拉伸曲線所表現(xiàn)的物理屈服點是材料特性和特定的拉伸試驗條件共同作用的結(jié)果。

(1)試驗條件：夾頭或橫梁位移速度恒定(2)材料特性(內(nèi)部因素)溶質(zhì)原子與位錯交互作用①釘扎機制：柯氏氣團切應(yīng)力作用下位錯運動狀態(tài)②位錯運動機制②位錯運動機制

S2-5

物理屈服現(xiàn)象及其本質(zhì)2.物理屈服的本質(zhì)

材料具有明顯屈服點的條件:(1)塑性變形開始前可動位錯密度低；(2)塑性變形開始后位錯密度迅速增加

(位錯增殖或脫釘)；(3)位錯運動速率對外加應(yīng)力有強烈的依存關(guān)系

(位錯運動速率應(yīng)力敏感指數(shù)m小)。Ge、Si、LiF、bcc金屬等m值較小，屈服現(xiàn)象明顯；Fcc金屬m值較大(>100~200)，屈服現(xiàn)象不明顯。3.應(yīng)變時效應(yīng)變時效行為預(yù)應(yīng)變量對應(yīng)變時效行為的影響X80管線鋼不同預(yù)應(yīng)變的應(yīng)變時效行為位錯與溶質(zhì)原子相互作用的結(jié)果。實驗依據(jù)：(1)應(yīng)變時效重新產(chǎn)生物理屈服的激活能與C原子在鐵中擴散激活能相同，約84kJ/mol；(2)應(yīng)變時效所需時間與形成原子氣團的時間也在同一數(shù)量級內(nèi)。應(yīng)變時效微觀機制

(1)在薄鋼板冷沖壓成形時，往往因局部變形不均勻，板面呂德斯帶導(dǎo)致表面折皺，影響表面質(zhì)量。4.與物理屈服相關(guān)的幾個工程問題為避免折皺出現(xiàn)，可對鋼板預(yù)變形，變形量稍大于屈服應(yīng)變，然后沖壓時將不出現(xiàn)物理屈服，避免折皺。應(yīng)變時效強化同時發(fā)生脆化，一般應(yīng)予以避免；但若調(diào)整成分和工藝以避免塑性下降過多，應(yīng)變時效亦能用于提高低碳鋼的強度。例1：川崎制鐵株式會社申請了一系列專利應(yīng)變時效硬化特性優(yōu)良的高強度冷軋鋼板及其制造方法，CN1366559具有優(yōu)良應(yīng)變時效硬化特性的熱軋鋼板、冷軋鋼板和熱浸鍍鋅鋼板以及它們的制造方法，01801490.9沖壓成形性和應(yīng)變時效硬化特性出色的高延展性鋼板及其制造方法，02122437.4例2：國家自然科學(xué)基金項目(2012-2015)基于動態(tài)應(yīng)變時效的激光溫噴丸強化延壽基礎(chǔ)研究

(2)應(yīng)變時效可能導(dǎo)致工程構(gòu)件脆性增加。第三章材料變形抗力與強化機制繼續(xù)變形抗力：初始變形抗力：最大強度：ssS3-1單晶體的屈服強度1.點陣阻力(派-納力:Peierls-Nabarro)位錯滑移時核心能量的變化：

S3-1單晶體的屈服強度2.位錯間交互作用阻力Ti合金冷變形位錯纏結(jié)(1)平行位錯間交互作用(2)位錯林阻力b1b2位錯滑移方向位錯交割結(jié)果：在位錯線上可形成曲折(割階或扭折)。割階：位錯線上垂直于其滑移面的曲折部分。割階阻礙位錯的運動。扭折：位錯線上位于其滑移面上的曲折部分。

扭折對位錯運動影響不大。bb割階扭折典型的位錯交割：

①不同滑移面上兩條相垂直刃位錯交割，使兩條位錯線上各形成大小、方向等于另一條位錯線b矢量的螺型扭折。②不同滑移面上兩條相垂直螺位錯交割，使兩條位錯線上各自形成大小、方向等于另一條位錯線b矢量的刃型