《材料力學(xué)性能》

材料力學(xué)性能Mechanicalpropertiesofmaterials大連理工大學(xué)

材料科學(xué)與工程學(xué)院材料通常是指可以用來(lái)直接制造有用物件、構(gòu)件或器件的物質(zhì)，是科學(xué)與工業(yè)技術(shù)發(fā)展的基

礎(chǔ)。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明

進(jìn)步的標(biāo)志。

一種新材料的問(wèn)世及其應(yīng)用，往往

會(huì)引起人類社會(huì)的重大變革。

新

材

料

時(shí)

代鋼鐵

時(shí)

代石

器

時(shí)

代

青

銅

時(shí)

代

鐵

器

時(shí)

代材料的發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步前1司母戊鼎是商代后期由王

室所鑄，1939年在河南省安陽(yáng)市

出土，是商朝青銅器代表作，是

迄今為止出土的最大最重的青銅

器，現(xiàn)藏于中國(guó)國(guó)家歷史博物館。前銅是人類最早應(yīng)用的金屬。2四羊方尊，商朝晚期偏早青

銅器。屬于禮器，祭祀用品。是中

國(guó)現(xiàn)存商代青銅器中最大的方尊，

高58.3厘米，重近34.5公斤，1938

年出土于湖南寧鄉(xiāng)，現(xiàn)藏于中國(guó)國(guó)

家歷史博物館。前

言3前

言前言52021年7月8日星期四前

言銅條軋輪不銹鋼制品前言2021年7月8日星期四7世界杯用球復(fù)合泡沫耐磨，反彈力大，球速快而穩(wěn)定液晶電視晶體硅對(duì)比度好，清晰度高，

顯示速度快，體積小錄像機(jī)用DVD-RW盤片體積小，重量輕，存儲(chǔ)節(jié)目容量大，兼容性好仿真手臂高強(qiáng)度碳纖維強(qiáng)度高，重量輕，旋轉(zhuǎn)靈活前部分新型材料應(yīng)用圖例

所用材料

特點(diǎn)沒(méi)有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能

有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)。ElectronicNumericalIntegratorAndComputer前

言所用材料：?jiǎn)尉Ч杵呒冣?、SiO?

和鉻等薄膜單晶硅棒單晶晶園片以純硅石為原料提

煉出的多晶硅在單

晶爐內(nèi)拉成單晶棒，在單晶棒上切

出的一片晶園片(Wafer)上就可以做

出數(shù)百個(gè)計(jì)算機(jī)用的芯片(Chip)。一

個(gè)

芯片上的晶體管由

初期的數(shù)百個(gè)到早

期大規(guī)模集成電路

上的100,000個(gè)，目

前主頻為1GHz的個(gè)

人電腦芯片上晶體

管的數(shù)目己超過(guò)30,000,000個(gè)。50,000290330.100000550000200600000007集成電路由原料到集成電路：硅石一多晶硅一單晶硅棒一單晶晶園一集成電路前

言10不同時(shí)期飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度600

F1200

F2000

F3500F華氏度=攝氏度×1.8+32發(fā)動(dòng)機(jī)溫度渦扇式噴氣

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噴氣式

發(fā)動(dòng)機(jī)超音速燃燒

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)一次世界大戰(zhàn)時(shí)的水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)三十年代的氣冷式發(fā)動(dòng)機(jī)前

言2000溫度(華氏度)11300

F4000300010000沒(méi)有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可

能有今天的航空工業(yè)

和宇航工業(yè)。前

言12自二十世紀(jì)七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。沒(méi)有低消耗的光導(dǎo)纖維，也就沒(méi)有現(xiàn)代的光纖通訊。

言前Whilst

materials

create

technological

wonders,theyare

also

the

disaster

strikesTITANIC14

Titanic

sank

because

of

brittle

fracture

failure

of

steel

!!!2021年7月8日星

期四前

言1912年4月10日，當(dāng)時(shí)英國(guó)最大、最豪華的郵輪“泰坦尼克號(hào)”離開港口，進(jìn)行她的處女航。它預(yù)定從英國(guó)駛向美國(guó)紐約，時(shí)間為7天。船

上共有2208人，其中乘客1316人，船員892人。乘客中不乏英美兩國(guó)著名

的實(shí)業(yè)家、富豪及其家眷。在航行的頭4天中一路順風(fēng)。然而，出航后

的第五天夜晚，“泰坦尼克號(hào)”正以每小時(shí)23海里的速度航行在大西洋上，深夜11時(shí)40分，這艘巨輪突然撞上了游離的冰山，船的吃水線以下被劃破一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的口子，船體立刻大幅度搖晃，船艙內(nèi)一片混亂。凌晨0

時(shí)15分，“泰坦尼克號(hào)”發(fā)出第一個(gè)求救信號(hào)。0時(shí)45分，救生艇開始放

入水中，乘客們爭(zhēng)先恐后地登上救生艇。但船上僅有16只救生艇。于是男子們決定先把婦女與兒童送上救生艇，他們自己則留在船上。船長(zhǎng)愛德華

·史密斯也執(zhí)意不肯離船，與“泰坦尼克號(hào)”同生死。凌晨2時(shí)20分，號(hào)稱“不沉之船”的“泰坦尼克號(hào)”帶著1523名乘客和船員，葬身大西洋底。前Titanic

號(hào)鋼板(左圖)和近代船用鋼板(右圖)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果16前

言哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)17前

言哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)是美國(guó)第一架正式服役的航天飛機(jī)，它在1981年4月12日首次執(zhí)行任務(wù)，正式開啟了NASA

的太空運(yùn)輸系統(tǒng)計(jì)劃之序章。然而很不幸的是，哥倫比亞號(hào)在2003年2月1日，在執(zhí)行第28次任務(wù)重返大氣層的階段中與控制中心失去聯(lián)系，并且在不久后被發(fā)現(xiàn)在德克薩斯州上空爆炸解體，機(jī)上7名宇航員全數(shù)罹難。事后查明，哥倫比號(hào)航天飛機(jī)外部燃料箱表面泡沫材料安裝過(guò)程中存在的缺陷是造成事故的

禍?zhǔn)?。外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機(jī)左翼前緣的名

為“增強(qiáng)碳碳”(即增強(qiáng)碳-碳隔熱板)的材料。當(dāng)航天飛機(jī)返回時(shí)，經(jīng)

過(guò)大氣層，產(chǎn)生劇烈摩擦使溫度高達(dá)攝氏1400度的空氣在沖入左機(jī)翼后

融化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，致使機(jī)翼和機(jī)體融化，導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生。前

言挑戰(zhàn)者號(hào)是美國(guó)正式使用的第二架航天飛機(jī)。1986年1月28日，挑戰(zhàn)者號(hào)在進(jìn)行第10次太空任務(wù)時(shí)，因?yàn)橛覀?cè)固態(tài)火箭推進(jìn)器上面的一

個(gè)O

形環(huán)失效，導(dǎo)致一連串的連鎖反應(yīng)，并且在升空后73秒時(shí)，爆炸解體墜毀。機(jī)上的7名宇航員都在該次意外事故中喪生。前事后查明，發(fā)射時(shí)氣溫過(guò)低，發(fā)射臺(tái)上已經(jīng)結(jié)冰，造成固定右副燃料艙的O

形環(huán)硬化失效。在點(diǎn)火時(shí)，火焰從上往下燒，O型環(huán)要及時(shí)膨脹，但O

型環(huán)已經(jīng)失效，火焰往外冒，斷斷續(xù)續(xù)冒出了黑煙。但是

由于燃料中添加了鋁，燃燒形成的鋁渣堵住了裂縫，在明火沖出裂縫前臨時(shí)替代了O

型環(huán)的密封作用。在爆炸前十幾秒，宇航飛機(jī)遭到一股強(qiáng)氣流，威力相當(dāng)與卡特里娜颶風(fēng)。接下來(lái)的震動(dòng)讓鋁渣脫落，移除了阻礙明火從接縫處泄漏出來(lái)的最后一個(gè)屏障-鋁渣，致使火焰直接噴射在主燃料艙上。在爆炸前一秒，火焰燒灼讓主燃料艙的O

型環(huán)脫落，造成了主燃料

艙底部脫落。宇航飛機(jī)的機(jī)鼻也撞上了主燃料艙的頂部。在發(fā)射后73秒，“挑戰(zhàn)者”號(hào)在40000公升燃料的爆炸下，炸成了幾千個(gè)碎片。前

言●金屬材料●高分子材料●陶瓷材料●復(fù)合材料金屬?gòu)?fù)合材料高分子

陶瓷●按屬性或化學(xué)成分可將材料分為前

言21有色金屬●以金屬鍵結(jié)合為主●良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、

延展性和金屬光澤●用量最大、應(yīng)用最廣泛前

黑色金屬言●金屬材料機(jī)械制造業(yè)中大約90%的材料為鋼鐵材料前言前盡管我們?nèi)Ф嗄昵熬陀辛藷o(wú)與倫比的冶煉技

術(shù)，但直到晚清的洋務(wù)運(yùn)

動(dòng)才開始發(fā)展鋼鐵工業(yè)。1949年———15萬(wàn)噸1996年——1億噸2001年————1.5億噸2006年———4.1億噸2011年—6.8億噸2013年—7.8億噸24前言●以分子鍵和共價(jià)鍵為主●塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小●包括塑料、橡膠及合成

纖維等石油、天然氣、

煤炭等作為原料呂裂解反應(yīng)單體聚合反應(yīng)高分子聚合物加工高分子材料●高分子材料前

言26塑料橡膠合成纖維涂料粘合劑功能高分子天然高分子合成高分子按材料性能和用途按材料來(lái)源前

言◆低的強(qiáng)度和較高的比強(qiáng)度；◆高彈性和低彈性模量；◆粘彈性；◆高耐磨性；◆高絕緣性好熱膨脹性；◆低導(dǎo)熱性和耐熱性；◆高化學(xué)穩(wěn)定性；前

言2021年7月8日星期四前言●陶瓷材料陶瓷材料日用瓷建筑瓷

美術(shù)瓷

結(jié)構(gòu)陶瓷

功能陶瓷傳統(tǒng)陶瓷特種陶瓷成型配料前

言煅燒30

前三

●化學(xué)穩(wěn)定性高；●硬度高、耐磨損、強(qiáng)度高；●高溫抗蠕變能力強(qiáng)；●耐高溫、耐氧化、耐腐蝕；●塑性和韌性較低(陶瓷材料最大的弱點(diǎn));●是良好的絕緣體，可用于隔電的絕緣材料；●具有介電特性，可作為電器的介質(zhì)；●功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能?！衩芏刃?、熔點(diǎn)高、彈性模量大；普通陶瓷前特種陶瓷是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料

以微觀或宏觀的形式組合在

一起而形成的材料。分散分布在基體中，也可稱為分散相?？梢允翘沾伞⒏叻肿踊蚪饘俨牧现械囊环N，以不同形態(tài)加入：顆粒、

纖維、晶須或片狀，分布方式可以是定向和隨機(jī)的。復(fù)合材料的主體，即自身保持連續(xù)而包圍增強(qiáng)的材料，可以是金屬、高分子或陶瓷材料中的一種。

●復(fù)合材料玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料前

言增強(qiáng)體基體34金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料高分子基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層疊復(fù)合材料按基體材料分類按增強(qiáng)體特征分類復(fù)合材料前

言前

言▲比強(qiáng)度和比彈性模量高；▲抗疲勞和抗斷裂性能好；▲具有良好的減震和耐磨性能；▲優(yōu)越的高溫性能；▲高韌性和良好的抗沖擊性能；▲特殊的光、電、磁等性能；前

言前

言鐵合金：60%~70%,絕大部分為低合金高強(qiáng)度鋼鋁、鎂合金：5%~10%;塑料：10%~20%;其它：5%~10%;鎂、鋁合金密度小，比強(qiáng)度高，阻尼性及切削加工性好，導(dǎo)熱性好，減振性好，無(wú)毒，無(wú)磁性，易于回收。用鎂合金代替鋼和鑄鐵，可使零件質(zhì)量降低70%,有效達(dá)到節(jié)能減排的目的。前

言1985～1995亞音速飛機(jī)波音767結(jié)構(gòu)材料是把強(qiáng)度作為主要功能應(yīng)用

的材料。前

按使用性能可將材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。前言

功能材料是以強(qiáng)度以外的功能為主的材料。美國(guó)F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)一吸波材料言前導(dǎo)電材料

導(dǎo)熱材料

磁性材料

半導(dǎo)體薄膜材料

納米材料

非晶合金

超導(dǎo)材料磁懸浮列車一磁性材料前

言44從發(fā)展的觀點(diǎn)看可將材料分為傳統(tǒng)材料和新型材料。傳統(tǒng)材料是指具有悠

久使用歷史的材料，如鋼鐵、水泥、普通陶瓷、磚瓦、橡膠等，也稱基礎(chǔ)材料。前

言新型材料包含著三個(gè)層面的含義，一是新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能的材料；二是高技術(shù)發(fā)展需要，具有

特殊性能的材料；三是由于采用新技術(shù)(工藝、裝備),使材料性能比原有性能有明顯提高，或出現(xiàn)新的功能的材料。前

言離子注入使材料表面層的物理、化學(xué)和冶金特

性發(fā)生變化，突破了傳統(tǒng)

冶金學(xué)的規(guī)律，許多很難

互溶的金屬形成了新的合

金相，使有關(guān)合金相、金

屬間化合物以及固溶體生

成墑和焓的研究獲得了新

的研究結(jié)果。離子注入半導(dǎo)體摻雜技術(shù)已成為現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路制造的核

心工藝之一前言Amorphous

strip

20-25

pm

thicknesszzle急冷法制備非晶態(tài)合金MeltingfurnaceInductionheatingCeramic

nV~100kmlhCucasting

wheelT=20C前

言Liquid

metal前曰優(yōu)異的力學(xué)

性能，是目前世界上最優(yōu)良的穿

甲彈芯材料良好的加工性能，延伸率可達(dá)15000%優(yōu)良的化學(xué)特性，是極好的

化學(xué)反應(yīng)催化和光催化材料優(yōu)良的軟磁、硬磁及獨(dú)

特的膨脹特性良好的耐腐蝕能力50材料的制備和

加工工

藝對(duì)性

能有很

大影響51前材料的性能本質(zhì)上由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定原子排列方式鍵合方式顯微組織原子結(jié)構(gòu)力學(xué)性能：金屬材料在外加載荷或載荷

與環(huán)境因素(溫度、介質(zhì)、加載速率)聯(lián)合

作用下所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)行為。前

言前言幾個(gè)生活中常見的問(wèn)題1、一個(gè)鐵棒拉長(zhǎng)后，會(huì)發(fā)生什么變化?2、怎樣徒手弄斷一塊磚?3、怎樣徒手弄斷一根鐵絲?4、怎樣徒手弄斷一根帶包裝的火腿腸?5、為什么打鐵時(shí)要把鐵燒紅?6、怎樣把一塊比較結(jié)實(shí)的布撕成兩半?塑性、韌性等，用各種力學(xué)性能參量表示，如強(qiáng)度指標(biāo)σ0.2(R,)、σ1、σ?(Rm);塑性指標(biāo)δ(A)、

y(Z);

韌性指標(biāo)Aκ

、K?c等。力學(xué)性能指標(biāo)具體

數(shù)值的高低，表示金屬材料抵抗變形和斷裂能

力的大小，是評(píng)定材料質(zhì)量的主要依據(jù)?？蓪?/p>

其理解為：金屬材料抵抗外加載荷引起變形和斷裂的能力。54前言金屬材料的力學(xué)性能包括：強(qiáng)度、硬度、金屬材料的力學(xué)性能取決于：內(nèi)在因素一材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、殘余應(yīng)力、表面狀態(tài)、內(nèi)部缺陷；外在因素一載荷性質(zhì)(靜載荷、沖擊載

荷、交變載荷),應(yīng)力狀態(tài)(拉、壓、

彎曲、扭轉(zhuǎn)),溫度、環(huán)境介質(zhì)等。前

言靜載荷韌性斷裂低碳鋼

常溫前

言脆性斷裂韌性斷裂脆性斷裂沖擊載荷斷裂低溫561.金屬材料在各種服役條件下的變形和斷裂行為及微觀機(jī)理。2.金屬力學(xué)性能指標(biāo)的概念、本質(zhì)、實(shí)用意義

及各指標(biāo)間的相互關(guān)系。3.影響金屬力學(xué)性能的因素及改善金屬力學(xué)性

能的手段和方法。4.金屬力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)試技術(shù)。本課程主要內(nèi)容：前

言屈服強(qiáng)度o(00.2)抗拉強(qiáng)度o?(Rm)

伸長(zhǎng)率δ(A)斷面收縮率y(Z)單向靜載拉伸試驗(yàn)是應(yīng)用最廣泛的材料力

學(xué)性能測(cè)試方法。試驗(yàn)溫度確定應(yīng)力狀態(tài)確定

加載速率確定第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能可測(cè)試58拉伸試驗(yàn)機(jī)強(qiáng)調(diào)試樣光滑是為了避免表面產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致三向應(yīng)力狀

態(tài)；強(qiáng)調(diào)軸向拉伸是防止試樣

偏斜或不對(duì)中情況，否則將導(dǎo)

致復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能第一節(jié)應(yīng)力一應(yīng)變曲線GB/T228-2002規(guī)定：拉伸試樣為光滑圓柱試樣，兩種規(guī)格：l=5d?(短試樣)l=10d?(長(zhǎng)試樣)圖1-1圓柱拉伸試樣I

區(qū)一彈性變形階段IⅡ區(qū)一屈服變形階段Ⅲ區(qū)一均勻塑性變形階段IV區(qū)一集中塑性變形階段△L第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能圖1-2退火低碳鋼的拉伸力一伸長(zhǎng)曲線正火、退火、調(diào)質(zhì)的各種碳素結(jié)構(gòu)鋼和一般合金結(jié)構(gòu)鋼也都具有類似的力一伸長(zhǎng)曲

線，只是力的大小和變形量不同而已。我們

將圖1-2的力一伸長(zhǎng)曲線的縱坐標(biāo)力除以試樣

的原始截面積，橫坐標(biāo)長(zhǎng)度除以試樣的原始

標(biāo)距，就得到了應(yīng)力一應(yīng)變曲線，曲線的形狀不變。但是并非所有的材料都具有相同類

型的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，還有如下幾種：第一章單向靜載下材料的力學(xué)性能第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能彈性一均勻塑性型E許多金屬和合金、部

分陶瓷和非晶態(tài)高聚物大多數(shù)玻璃、陶瓷、

巖石、低溫下的金屬σ純彈性型σ

第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能低溫和高應(yīng)變

速率下的fcc金屬。

其塑性變形常常是

通過(guò)孿生實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)孿生速率超過(guò)夾

頭運(yùn)動(dòng)速率時(shí)出現(xiàn)

此種類型曲線。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能一些結(jié)晶態(tài)的高聚

物和未經(jīng)拉伸的非晶

態(tài)高聚物一些bcc的鐵基合金和若干有色合金。彈性一不均勻塑性一均勻塑性型彈性一不均勻塑

性一均勻塑性型σσ第

一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能同一種材料在不同拉伸條件下其應(yīng)

力一應(yīng)變曲線也會(huì)不同。比如，退火低碳鋼在低溫下脆性大大增加，其拉伸曲

線就只有彈性變形部分。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能TSStrainStress金屬的彈性變形是一種可逆變形，應(yīng)力和應(yīng)變之間保持單值線性關(guān)系：施加外

力→變形產(chǎn)生，外力消失→變形消失，不論加載期或卸載期，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)

系都是單值的線性關(guān)系。變形量<1%。第一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能第二節(jié)彈性變形一、彈性變形及其實(shí)質(zhì)第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能引力由金屬正離子和自由電子間的庫(kù)侖力產(chǎn)生原子

在平衡位置振動(dòng)斥力

由離子之間及電子之間的排斥作用所致當(dāng)原子間的相互平衡力因外力作用而受到破壞時(shí)，原子位置必須作相應(yīng)的調(diào)整，從而產(chǎn)生位移，以期達(dá)到新的平衡。原子位移的總和在宏觀上就表現(xiàn)為變形。外力去除后，原子依靠彼此間的作用力又回到原來(lái)的平衡位置，此時(shí)位移消失，宏觀上變形也就消失，從而表現(xiàn)彈性變形68的可逆性。引力和斥力均為原子間距的函數(shù)R

為材料可承受的最大彈性變形量，理論值可達(dá)23%!但實(shí)際上材料的彈性變形量<1%,是由于實(shí)際材料中不

可避免地存在各種缺陷所致。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能原子間作用力：

—

引

力原子間作用力非直線關(guān)系FmaxM原子間距r2021年7月8日星期四圖1-3雙原子模型RNF=0—斥

力

—

合力斥力引力1、單向拉伸：2、剪切和扭轉(zhuǎn)：t=Gy3、相互關(guān)系：彈性模量—一般性術(shù)語(yǔ)ε-縱向拉伸應(yīng)變；8、ε?-橫向收縮應(yīng)變；E-彈性模量(楊氏模量);

v-泊松比；ox-拉應(yīng)力；T-切應(yīng)力；G-切變模量；第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能律

楊氏模量—特指拉伸加載

y-切應(yīng)變應(yīng)

力

狀

態(tài)

胡克

定&y=Ez=—VEx簡(jiǎn)單70在這些面上只有正應(yīng)力，而切應(yīng)力等于零，這樣的面稱為應(yīng)力主平面(簡(jiǎn)稱主平面),主平面上的正應(yīng)力

稱為主應(yīng)力。O?

O?O?三向應(yīng)力狀態(tài)

雙向應(yīng)力狀態(tài)

單向應(yīng)力狀態(tài)71

復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)

簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)第

一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能任何應(yīng)力狀態(tài)，總能找到三對(duì)互相垂直的面，義

胡

克定律O?

O?O

Oo-主應(yīng)力s-主應(yīng)變?nèi)绻鲬?yīng)力中有壓應(yīng)力，其前方應(yīng)冠以負(fù)號(hào)，

求得的應(yīng)變?yōu)檎?hào)時(shí)表示伸長(zhǎng)，負(fù)號(hào)時(shí)表示縮短。72第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能適用于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)二

、彈性模量E彈性模量是材料抵抗彈性變形的能

力。單晶體金屬的彈性模量在不同的晶

體學(xué)方向上是不一致的，因此，單晶體

金屬表現(xiàn)為彈性各向異性。多晶體金屬

的彈性模量為各晶粒彈性模量的統(tǒng)計(jì)評(píng)

均值，呈現(xiàn)為各向同性。第一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能材料E/10?MPaTm/℃鍵型鋁0.72600金屬鍵銅1.251084金屬鍵鋼2.071538金屬鍵Al?O?4.02050共價(jià)鍵鎢4.13387金屬鍵金剛石11.43800共價(jià)鍵聚苯乙烯0.3Tg~100范德華力聚乙烯0.02Tg~137范德華力

第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能表1-1

一些工程材料的彈性模量、熔點(diǎn)和鍵型74彈性變形是原子間距在外力作用下可逆變化的結(jié)果，因而彈性模量E

與原子間作用力和原子間距都有關(guān)系。原子間作用力取決于原子本性和晶格類

型，故E也取決于原子本性與晶格類型。75

第

一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能影響因素室溫下金屬的E值是原子序數(shù)的周期函數(shù)：■同一周期元素隨原子序數(shù)增大E

值增大，這與元素價(jià)電子數(shù)增多及原子半徑減小有關(guān)?！鐾蛔逶仉S原子序數(shù)增大E

值減小，這與原子半徑增大有關(guān)?！鲞^(guò)渡族金屬E

最大：如Fe、Ni、Mo、W等，這

也是它們?cè)诠こ躺系玫綇V泛應(yīng)用的原因之一。76第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能●合金中固溶的溶質(zhì)元素可以改變合金的晶格常數(shù)，但對(duì)于常用的鋼鐵材料而言，合金元素對(duì)其晶格常數(shù)的改變不大，因而對(duì)彈性模量的影響很小，合金鋼和碳鋼的彈性模量數(shù)值相當(dāng)接近?！駸崽幚?顯微組織)對(duì)彈性模量的影響不大。

如晶粒大小對(duì)E

值無(wú)影響；第二相的大小和分布

對(duì)E

值的影響也很?。淮慊鸷驟

值稍有下降，但

退火后又恢復(fù)到原來(lái)的水平。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能●冷塑性變形對(duì)E

值稍有降低，

一般在4%～6%,這

與出現(xiàn)殘余應(yīng)力有關(guān)。當(dāng)塑性變形量很大時(shí)，因產(chǎn)

生形變織構(gòu)而使E

值出現(xiàn)各向異性，此時(shí)沿變形方向

E

值最大?！駵囟壬咴娱g距加大，E值降低。碳鋼加熱時(shí)每

升高100℃

,E

值下降3%～5%。但在-50℃~+50℃

范圍內(nèi)，鋼

的E

值變化不大，可不考慮溫度的影響。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能彈性變形的速率和聲速一樣快，遠(yuǎn)

超過(guò)實(shí)際加載速率，故加載速率對(duì)E值也

無(wú)大的影響。結(jié)論：彈性模量是組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)能力稱為剛度：

9是金屬材料重要的力學(xué)性能指

標(biāo)。機(jī)器零件或構(gòu)件的剛度不

僅與材料的彈性模量有關(guān)，還

與其截面形狀、尺寸、載荷作

用方式有關(guān)。起重機(jī)梁；桁架

結(jié)構(gòu)；精密機(jī)床主軸；內(nèi)燃機(jī)

曲軸；鏜床鏜桿…..F=98N介鋼：1cm鋁合金：3cm聚苯乙烯：60cm第

一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能彈性范圍構(gòu)件抵抗變形的第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能要增加構(gòu)件的剛度，要選用E值高的材料或增

加構(gòu)件的截面積，但這對(duì)于航空航天裝置是不適

用的。為了降低重量，對(duì)材料的比彈性模量(Elp)

也很重視，如表1-2所示，由于鈹?shù)谋葟椥阅Ａ孔?/p>

大，因此在航空航天中得到了廣泛應(yīng)用，氧化鋁、

氮化硅等也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。表1-2幾種常用材料的比彈性模量材

料銅鉬鐵鈦鋁鈹氧化鋁碳化硅比彈性模量/×10?cm1.32.72.62.72.716.810.517.5第

一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能三

、彈性比功用金屬材料開始塑性變形前單位體積吸收的最

大彈性變形功表示。表示金屬材料吸收彈性變形功的能力。1De

Ee2Oe2E2圖1-4.彈性比功材料E/MPaσ(os)/MPaae/MJ

·m-3高碳彈簧鋼2100009652.21765Mn13804.76155Si2Mn14805.47650CrVA20000014205.041不銹鋼(冷軋)10002.5鈹青銅1200005881.44磷青銅1010004501.0元素：Si,Mn,Cr等，強(qiáng)化鐵素體基體，提高淬透性；3、合適的熱處理工藝：淬火+中溫回火，回火屈氏體組織；4、冷變形強(qiáng)化。表1-3部分彈簧材料的彈性比功第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能機(jī)械零件的體積越大，可吸收的彈性比功越大。彈簧材料要求

高的彈性比功，方法有：1、提高碳含量：中、高碳；2、加入合金第一章單向靜載下材料的力學(xué)性能第三節(jié)

彈性的不完整性理想的彈性變形應(yīng)該是單值的、可逆的，而

且其變形只與載荷的大小有關(guān)，而與加載的方向

和時(shí)間無(wú)關(guān)。但實(shí)際中的金屬是多晶體并伴隨有

各種缺陷，所以，變形時(shí)并不是完整彈性的，會(huì)

出現(xiàn)包申格效應(yīng)、彈性后效和彈性滯后等現(xiàn)象。事實(shí)上，人們很早就發(fā)現(xiàn)，金屬材料即使在

很小的應(yīng)力作用下也會(huì)顯示非彈性性質(zhì)，這是因84

為金屬材料不是完全的純彈性體。應(yīng)力(彈性極限或屈服強(qiáng)度)增加；反向加載，規(guī)定殘余

伸長(zhǎng)應(yīng)力降低的現(xiàn)象，稱為85包申格效應(yīng)。定義：效腐材料經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形(殘余

應(yīng)變小于1%～4%),而后

再同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能一、包申格(Bauschinger)應(yīng)力/MPa第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力：試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距

部分的殘余伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的

應(yīng)力。許多金屬材料在拉伸時(shí)沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)

象，對(duì)于這類材料，用規(guī)定微量塑性伸長(zhǎng)應(yīng)力表

征材料對(duì)微量塑性變形的抗力，即人為規(guī)定拉伸

試樣標(biāo)距部分產(chǎn)生一定的微量塑性伸長(zhǎng)率(如0.01%,0.05%,0.2%等)時(shí)的應(yīng)力，根據(jù)測(cè)定方

法不同，又可區(qū)分為三種指標(biāo)：第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能手、規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力(op)試樣在加載過(guò)程中，標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)的非比例伸長(zhǎng)量(彈

性伸長(zhǎng)+塑性伸長(zhǎng))達(dá)到規(guī)定值(以%表示)時(shí)的應(yīng)力，如

Op0.01’Op?.05

等。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能2、規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力(o)試樣卸載后，標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)量(塑性伸長(zhǎng))達(dá)到規(guī)定值時(shí)的應(yīng)力，常用的為σ0.2。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能3、規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力(q)試樣加載后，試樣標(biāo)距部分的總伸長(zhǎng)量達(dá)到規(guī)定值時(shí)的應(yīng)力，常用的為

σt?

.5,O?.6,O?.7

等。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能o和σ,是在試樣加載時(shí)直接從應(yīng)力-應(yīng)

變曲線上測(cè)量的，而σ則要求卸載測(cè)量。由

于卸載法測(cè)定比較困難，而且效率低，而加載中測(cè)試半徑效率高，而且易于實(shí)現(xiàn)測(cè)

量的自動(dòng)化，所以在材料屈服抗力評(píng)定中更趨于采用op和o。

而

o

在測(cè)試上比op方便，

所以，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，

一般采用σ的

測(cè)定方法提高效率。90包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)。如圖1-6所示。在金屬預(yù)先受載產(chǎn)生少量塑性變形時(shí)，位錯(cuò)沿某一滑移面運(yùn)動(dòng)，遇林位錯(cuò)彎曲，結(jié)果，在位錯(cuò)前方，林位錯(cuò)密度增加，形成位錯(cuò)

纏結(jié)和胞狀組織(圖中1位置)。這種位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在力學(xué)上是相當(dāng)穩(wěn)定

的，宏觀上表現(xiàn)為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加。卸載后施加反向力，位錯(cuò)被迫作反向運(yùn)動(dòng)，反向路徑上像林位錯(cuò)這類障礙數(shù)量較少，而且也不

一定恰好位于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的前方，故

位錯(cuò)可以在較低應(yīng)力下移動(dòng)較大距

離，即第二次反向加載，規(guī)定殘余

伸長(zhǎng)應(yīng)力降低。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能圖1-6.林位錯(cuò)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響91第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能

包申格應(yīng)變：在給定應(yīng)力下，正向加載與反向加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間的應(yīng)變差。圖1-7包申格應(yīng)變包申格效應(yīng)可能使規(guī)定的殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低15%～20%,所有退火狀態(tài)和高溫回火的金屬與合金都有包申格效應(yīng)，它是多晶體金屬

所具有的普遍現(xiàn)象。包申格效應(yīng)對(duì)于研究金屬疲勞問(wèn)題是很重要的。

因?yàn)椴牧显谄谶^(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。另外，對(duì)于預(yù)先經(jīng)受冷變形的材料，如服役時(shí)受到反向力的作

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。消除包申格效應(yīng)的方法是：預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形；或在第二次反向受力前先使金屬材料在回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能二、滯彈性對(duì)于完整的彈性體，彈性變形與加載速率無(wú)關(guān)，但對(duì)實(shí)際的金屬材料而言，彈性變形不僅是應(yīng)力的函數(shù)，而且是時(shí)間的函數(shù)。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)象稱為滯彈性。ABeO圖1-7.滯彈性示意圖第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能

影

響因素

材料成分；組織；實(shí)驗(yàn)條件；材料的組織越不均勻，滯彈性越明顯。如鋼淬火或塑性變形后，增加了組織的不均勻性，滯

彈性傾向增大。溫度升高，滯彈性速率和變形量都顯著增加。如Zn拉伸時(shí)溫度升高15℃,滯彈性速率增加50%;扭

轉(zhuǎn)時(shí)溫度升高10℃,變形量增加1倍。溫度下降，變形量顯著下降，-185℃以下就無(wú)法確定滯彈性是

否存在。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能產(chǎn)生滯彈性的原因可能與金屬中點(diǎn)缺陷的移動(dòng)有關(guān)。例如，α-Fe中碳處于八面體空隙及等效位置上，施加z方向的拉應(yīng)力后，x,y軸上

圖1-8.碳在α-Fe

中的擴(kuò)散的碳原子就會(huì)向z軸擴(kuò)散移動(dòng)，會(huì)使z方向繼續(xù)伸長(zhǎng)變

形(圖1-8),于是就產(chǎn)生附

加的彈性變形。96因擴(kuò)散移動(dòng)需要時(shí)間，故附加應(yīng)變?yōu)闇椥詰?yīng)變，卸載

后z軸多余的碳原子又會(huì)回到

原來(lái)x,y軸上，使滯彈性應(yīng)變

消失。感元件的材料時(shí)，需要考慮滯彈性問(wèn)題，如長(zhǎng)期受載的測(cè)力彈簧、薄膜傳感

件等，如選用的材料滯彈性比較明顯，

會(huì)使儀表精度不足甚至無(wú)法使用。還有

經(jīng)過(guò)較直的工件放置一段時(shí)間以后又會(huì)

彎曲，就是由于滯彈性造成的。

第一

章單向靜載下材料的力學(xué)性能在儀表和精密機(jī)械中，選用重要傳金屬在彈性區(qū)內(nèi)加載卸載時(shí)，由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉

回線，此封閉回線稱為彈性滯后環(huán)。如果所加為

交變載荷，其最大應(yīng)力低于彈性極限，且加載速

率比較大使彈性后效不能順利進(jìn)行，得到交變載

荷下的彈性滯后環(huán)，如交變載荷中的最大應(yīng)力超

過(guò)宏觀彈性極限，則得到塑性滯后環(huán)。第一章單向靜載下材料的力學(xué)性能三、循環(huán)韌性第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能

單向加載彈性滯后環(huán)

交變加載彈性滯后環(huán)

交變加載塑性滯后環(huán)存在滯后環(huán)現(xiàn)象說(shuō)明加載時(shí)消耗于金屬的變形功大于卸載時(shí)金屬放出的變形功，因而有一部分變形功為金屬所吸收，這部分被吸收的功就稱為金屬的循環(huán)99韌性，其大小用回線面積來(lái)衡量。金屬在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力稱為金屬的循環(huán)韌性，也叫金屬的內(nèi)耗。二

者經(jīng)?；煊茫珖?yán)格說(shuō)來(lái)，二者是有區(qū)別的：內(nèi)耗：彈性區(qū)內(nèi)加載吸收不可逆變形功的能力，用彈性滯后環(huán)的面積表示。循環(huán)韌性：塑性區(qū)內(nèi)加載吸收不可逆變形功的

能力，用塑性滯后環(huán)的面積表示。100第一章單向靜載下材料的力學(xué)性能第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能循環(huán)韌性也是金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)之一，它又稱為消振性。目前尚無(wú)統(tǒng)一的評(píng)定循環(huán)

韌性的指標(biāo)，通常用振動(dòng)試樣中自由振動(dòng)振幅衰

減的自然對(duì)數(shù)來(lái)表示其大小。如圖1-9所示，設(shè)T和Tk+1為自由振動(dòng)相鄰振幅的大小，則循環(huán)韌性：δ

ln

k

圖1-9.

自由振動(dòng)衰減曲線+1101循環(huán)韌性的意義：材料的循環(huán)韌性越高，則機(jī)件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循環(huán)韌性對(duì)于降低機(jī)械噪聲，抑制高速機(jī)械振

動(dòng)，防止共振導(dǎo)致疲勞斷裂是非常重要的。飛

機(jī)螺旋槳、氣輪機(jī)葉片需要高δ;而追求音響效果的元件如音叉、簧片等要低δ;灰鑄鐵的δ大，常用來(lái)作機(jī)床的床身、發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和支架等。102第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能一、塑性變形的特點(diǎn)塑性變形是金屬材料區(qū)別于其它工業(yè)材料的

重要特征，也是金屬材料在人類文明史上能夠發(fā)

揮無(wú)與倫比的作用的原因。對(duì)塑性變形的機(jī)制和

規(guī)律的研究，有助于我們更好地理解材料強(qiáng)度和

塑性，為使用和研制新材料打下良好的基礎(chǔ)。103第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能第四節(jié)塑性變形

第一

章單向靜載下材料的力學(xué)性能金屬在外力作用下，當(dāng)超過(guò)彈性

極限后就開始發(fā)生塑性變形，它是一

種不可逆變形，隨外力增加，變形量

也增加，直致斷裂。根據(jù)材料和實(shí)驗(yàn)

條件的不同，變形量可達(dá)百分之幾至

幾十，超塑性可達(dá)100~1000%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)

高于彈性變形。104第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能二

、塑性變形的方式金屬材料常見的塑性變形方式為滑移和孿生?；?/p>

移是材料在切應(yīng)力作用下位錯(cuò)沿滑移面和滑移方向運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的切變過(guò)程?；剖疽鈭D(a)

未變形105(b)滑移第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能○

○

●

●

●●

●

●

●

●●

●

●

●

●●

●

●

●

●

●●

●

●

●

●●

●

●

●

O

t●●106T●●O第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能移滑移方向一原子最密排方向

系滑移面一原子最密排的晶面滑107晶格體心立方面心立方密排六方滑移面{110}×6{111}×4六方底面×1滑移方向<111>×2<110>×3底面對(duì)角線×3滑移系數(shù)量12123第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能體心立方面心立方密排六方表1-3三種典型金屬晶格的滑移系108

第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能其原因是原子密度最大的晶面面間距最大，點(diǎn)陣阻力最小，而原子密度最大的方向原子間距

最短，位錯(cuò)柏氏矢量最小。事實(shí)上，bcc金屬的原

子密排程度不如fcc

和hcp,

所以它不具有突出的

最密集晶面，其滑移面可有{110},{112}和{123}

三組，具體的滑移面因材料、溫度等因素而定，但滑移方向總是<111>。109第一章單向靜載下材料的力學(xué)性能滑移系越多，金屬的塑性越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大，故fcc金屬的塑性要好

于bcc金屬?；葡档臄?shù)目不是決定金屬塑性的唯一

因素。比如，fcc金屬的滑移系和bcc金屬的一樣多，

但fcc金屬的晶格阻力低，位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng)，故塑性優(yōu)

于bcc金屬。實(shí)驗(yàn)觀察到，滑移面受溫度、金屬成分、和預(yù)先塑性變形程度等因素的影響較大，而滑移方向則110比較穩(wěn)定。例如，溫度升高時(shí)，bcc

金屬可能沿{112}及{123}滑移，這是由于高指數(shù)晶面上的位錯(cuò)源容

易被激活。軸比為1.587的鈦(hcp)中含有氧和氮

等雜質(zhì)時(shí)，若氧含量為0.1%,滑移面為(1010),

當(dāng)氧含量為0.01%時(shí)，滑移面變?yōu)?0001)。由于

hcp金屬只有三個(gè)滑移系，所以其塑性較差，并

且這類金屬塑性變形程度與外加應(yīng)力方向有很大

關(guān)系。第

一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能111①滑移只能在切應(yīng)力作用下發(fā)生，產(chǎn)生

滑移的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力；②滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生，這是因?yàn)樵用芏茸畲蟮木婧途蛑g的間距最大，原子結(jié)合

力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。112第一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能滑移變形的特點(diǎn)：第一

章單向靜載下材料的力學(xué)性能③滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是原

子間距的整數(shù)倍，滑移的結(jié)果是在晶體表

面形成臺(tái)階——滑移線，若干滑移線組成

一個(gè)滑移帶，如圖1-10所示。圖1-11為工

業(yè)純鐵表面的滑移帶，圖1-12為多晶銅經(jīng)

塑性變形后在預(yù)先拋光的表面上觀察到的

滑移帶。113~100原子間距滑移線

~10000原子間距圖1-10鋁單晶體滑移線和滑移帶示意圖第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能滑移帶~1000原子間距114

圖1-11工業(yè)純鐵表面的滑移帶

圖1-12變形多晶銅拋光表面上的滑移帶下部晶體綜品體部晶體115

圖1-13滑移變形示意圖單向靜載下材料的力學(xué)性能第一章上部晶體2021年7月8日星

期四上部晶體④滑移的同時(shí)伴隨著晶體轉(zhuǎn)動(dòng)：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)滑移面和滑移方向都與外力軸方向成45°角時(shí)，

滑移方向上的切應(yīng)力分量最大，當(dāng)滑移面和滑移方向與外力軸方向平行或垂直時(shí)，切應(yīng)力分量=0,晶體不發(fā)生滑移。外力在晶面上的分解圖1-14滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)116第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能最大切應(yīng)力方向第一章單向靜載下材料的力學(xué)性能⑤滑移是通過(guò)滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算

表明，把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(dòng)所需的理論臨

界切應(yīng)力比實(shí)際測(cè)量值大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，而按照位

錯(cuò)運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算所得的臨界切應(yīng)力值則與實(shí)測(cè)值

相符。圖1-15所示的是一刃型位錯(cuò)在切應(yīng)力作用

下在滑移面上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，即通過(guò)一根位錯(cuò)線從

滑移面的一側(cè)到另一側(cè)的運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)原子間距滑移量的過(guò)程。117第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能圖1-15晶體中通

過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成

滑移的示意圖2021年7月8日星

期四118位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滑移面上原子位移情況如圖1-16所示。當(dāng)晶體通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)，而且它們的移動(dòng)距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需的臨界切應(yīng)力小，稱為位錯(cuò)的易動(dòng)性。

圖1-16位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)的原子位移第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能119當(dāng)一個(gè)位錯(cuò)移動(dòng)到晶體表面時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)原子間距的滑移量，同一滑移面上大量的位錯(cuò)移出，就在晶體表面形成了

一條滑移線。120第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能2021年7月8日星

期四○00○○OO○

O

●

○

O00

○

0

○

00○

○

○

O0O0

○

O柏氏矢量b○0設(shè)一截面積為A的圓柱形單晶體受軸向拉力F作用，F(xiàn)

在滑移方向的分力為Fcosθ,滑移面的面積為A/cosa,

則外力在該滑移面沿滑移方向的分切應(yīng)力：當(dāng)滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到其臨界分切應(yīng)力值t

開始滑

移時(shí)，F(xiàn)IA應(yīng)為宏觀上晶體的屈服強(qiáng)度σ。稱cosθcosa

為取向因子或施密特因子?；品较驁D1-17計(jì)算分切應(yīng)力分析圖單向靜載下材料的力學(xué)性能第一章2021年7月8日星期四121第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能滑移開始的條件為：

T=o,cosθcosa。顯然，對(duì)任一給定的α值，若滑移方向是位于F與滑移面法線所組成的平面上，即a+θ=90°,則此時(shí)的t值較其他α?xí)r的值大，取向因子cosθcosa=cos(90°-α)cosα=/2sin2a,故

當(dāng)α=45時(shí)取向因子具有最大值0.5。由公式亡t=ogcosθcosaα可以看出，當(dāng)α=90°或θ=90°時(shí)，t=0,

即當(dāng)滑移面與外力方向平行，或者滑移方向與

外力垂直的情況下不可能產(chǎn)生滑移，而滑移面與外力成45時(shí)分切應(yīng)力最大。通常稱取向因子大的方向?yàn)檐浫∠颍∠蛞蜃有〉姆较驗(yàn)橛踩∠?。滑移的臨界分切應(yīng)力是一個(gè)真實(shí)反映單晶體受力起始屈服的物理量，其數(shù)值不僅與晶體類型、純的及溫度等因素有關(guān)，還與該晶體的加工和熱處理狀態(tài)、變形速度以及滑移系類型有關(guān)。122單系滑移一只有一個(gè)滑移系開動(dòng)，晶體(或晶粒)表面只有一組平行的直線形滑移線，如圖1-17所示

圖1-17銅的單系滑移第一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能滑移的種類：123第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能多系滑移一多個(gè)滑移系同時(shí)開動(dòng)，晶體(或晶粒)表面有多組相交的直線形滑移線，如圖1-18所示。圖1-18鋁的多系滑移124交滑移：當(dāng)晶體滑移受阻時(shí)，另一個(gè)與原滑移系方向相同但滑移面不同的交滑移系開動(dòng)使滑

移繼續(xù)進(jìn)行的滑移。晶體中的交滑移是通過(guò)螺

位錯(cuò)的交滑移進(jìn)行的。第

一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能圖1-19晶體中的交滑移125第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能圖1-20單位螺位錯(cuò)的交滑移

圖1-21鋁晶體交滑移的波紋狀滑移線126第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能層錯(cuò)能越低，擴(kuò)展位錯(cuò)就越寬，交滑移束集時(shí)要

做的功也越大，越不容易產(chǎn)生交滑移。低層錯(cuò)能材料————平直狀滑移線高層錯(cuò)能材料——波紋狀滑移線122堆垛層錯(cuò)：金屬結(jié)構(gòu)在堆垛時(shí)，沒(méi)有嚴(yán)格的按照堆垛順序，形成堆垛層錯(cuò)。層錯(cuò)是一種晶格缺陷，它破壞了晶體的周期完整性，引起能量升高，通常把單位面積層錯(cuò)所增加的能量稱為層錯(cuò)能。層錯(cuò)出現(xiàn)時(shí)僅表現(xiàn)在改變了原子的次近鄰關(guān)系，幾乎不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變。但破壞了晶體的完整性和周期性，使體系的能量增加——層錯(cuò)能，但層錯(cuò)能相對(duì)于晶界能而言是比較小的。層錯(cuò)能越小的金屬，則層錯(cuò)出現(xiàn)的幾率越大。面心立方晶格的堆垛順序?yàn)椋篈BCABC...堆垛層錯(cuò)：ABCBCABC...

或ABCBABC...擴(kuò)展位錯(cuò)

(extended

dislocation):一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)或多個(gè)不全位錯(cuò)，其

間以層錯(cuò)帶相聯(lián)，這個(gè)過(guò)程稱為位錯(cuò)的擴(kuò)展，

形成的缺陷體系稱為擴(kuò)展位錯(cuò)。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能CBACB128為了降低兩個(gè)不全位錯(cuò)間的層錯(cuò)能，力求把兩個(gè)不全位

錯(cuò)的間距縮小，這相當(dāng)于給予

兩個(gè)不全位錯(cuò)一個(gè)吸力，其數(shù)

值即等于層錯(cuò)能。而兩個(gè)不全

位錯(cuò)間的斥力則力圖增加層錯(cuò)

寬度，當(dāng)斥力與吸力平衡時(shí)，擴(kuò)展位錯(cuò)穩(wěn)定下來(lái)。129第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能圖1-22fcc晶體中的擴(kuò)展位錯(cuò)第一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能位錯(cuò)也可能通過(guò)雙交滑移返回原來(lái)的滑移面。圖1-23雙交滑移示意圖130孿生是塑性變形的另一種重要形式，是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生的切變。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能2021年7月8日星

期四孿生變形過(guò)程孿

生131第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能fcc晶體在切應(yīng)力作用下發(fā)生孿生變形時(shí)，晶體內(nèi)局部地區(qū)的各個(gè)(111)面沿[112]方向產(chǎn)生彼此相對(duì)移動(dòng)距離為

6012]的均勻切變，如圖1-

22所示。圖中紙面相當(dāng)于(110)(111)面垂直于紙面，AB為(111)面與紙面的交線，相當(dāng)于[112]晶向。孿晶面圖1-24fcc晶體孿生變形示意圖

(111)孿生方向[112]孿生方向[112]孿晶面—(111)(T10)晶面132第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能可以看出，均勻切變集中發(fā)生在中部，由AB

至GH中的每個(gè)(111)面都相對(duì)于其鄰面沿[112]方向移動(dòng)了6112的距離，這樣的切變并未使晶體的點(diǎn)陣類型發(fā)生變化，但它卻使均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生變更，切變區(qū)與未切變區(qū)呈鏡向?qū)ΨQ，這一變形過(guò)程稱為孿生，變形

與未變形兩部分晶體合稱為孿晶，切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面(鏡面

對(duì)稱面)稱為孿晶界，發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面(本例中

為(111)面),孿生面的移動(dòng)方向稱為孿生方向(本例中為[112])。孿晶面

孿生方向圖1-24

fcc晶體孿生變形示意圖

(111)

[112]133孿生具有以下特點(diǎn)：·孿生變形也是在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，通常出現(xiàn)于

滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，其所需的臨界應(yīng)力比

滑移大得多。如Mg孿生所需的分切應(yīng)力在4.9~34.3M

Pa,

而滑移的臨界切分應(yīng)力僅為0.49MPa。

但孿晶在

萌生后長(zhǎng)大所需的應(yīng)力相對(duì)較小，因此孿晶長(zhǎng)大的速

度極快，與沖擊波傳播速度相當(dāng)。由于在孿晶形成時(shí)

在極短時(shí)間內(nèi)有相當(dāng)數(shù)量的能量被釋放出來(lái)，因而有時(shí)伴隨明顯的聲響。134第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對(duì)于其毗鄰晶面沿孿生方向移動(dòng)了移動(dòng)距離，每一層原子的切變量跟它與孿生面的距離成正比?！\晶的兩部分晶體形成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系。·孿生提供的變形量很小，相當(dāng)于滑移的十幾到幾十分之

一，但可以調(diào)整滑移面的方向，間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)?！cc、bcc、hcp金屬材料都能以孿生方式產(chǎn)生塑性變形，不過(guò)fcc金屬只在很低的溫度下才能產(chǎn)生孿生變形，而hcp

金屬由于滑移系少，并且在c軸方向上沒(méi)有滑移矢量，因而更容易產(chǎn)生孿生變形。135第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能孿晶面晶軸改變位向

孿晶區(qū)域(孿晶帶)圖1-25滑移和孿生

圖1-26鋅拉伸過(guò)程中形變孿晶的生長(zhǎng)晶軸保持直線136第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能圖1-27純鈦中的變形攣晶單晶體受力后，外力P在任何晶面上都可分解為正

應(yīng)力和切應(yīng)力，正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂，只有

在切應(yīng)力的作用下，金屬才能

產(chǎn)生塑性變形。塑性變形的方

式有兩種：滑移和孿生。多數(shù)情況下，金屬的塑性變形是以滑移方式進(jìn)行的。138第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能三、單晶體金屬的塑性變形圖1-28單晶體的拉伸變形第一章單向靜載下材料的力學(xué)性能四

、多晶體金屬的塑性變形多晶體金屬中，每一晶粒滑移變形的規(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(diǎn)：1.各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性變形的不同時(shí)性和不均勻性是相互聯(lián)系的。

多晶體由于各晶粒取向不同，受外力作用時(shí)，某第一

章單向靜載下材料的力學(xué)性能取向有利的晶粒先開始滑移變形，而那

些取向不利的晶粒可能仍處于彈性變形狀態(tài)，只有繼續(xù)增加外力才能使滑移從

某些晶粒傳播到另外一些晶粒，并不斷

傳播下去，從而產(chǎn)生宏觀可見的塑性變

形。多相合金也是如此。金屬組織越不

均勻，塑性變形的不同時(shí)性就越顯著。140塑性變形的不同時(shí)性實(shí)際上反映了塑性變形的局部性，也即塑性變形量的不均勻性。這種不

均勻性存在于各晶粒之間、基體金屬晶粒和第二

相晶粒之間，即使同一晶粒內(nèi)部，各處的塑性變形量也往往不同，所以，當(dāng)宏觀塑性變形量還不

大的時(shí)候，個(gè)別局部地區(qū)的晶粒的變形量可能已

達(dá)到極限值，并且由于變形不均勻會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致金屬的早期斷裂。141第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能2.

各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性雖然多晶體金屬內(nèi)部各晶粒之間的變形時(shí)

間和變形量不會(huì)相同，但多晶體金屬作為一個(gè)

連續(xù)的整體，不允許各個(gè)晶粒在任一滑移系中

自由變形，否則就會(huì)造成晶界開裂，這就要求

各晶粒之間能協(xié)調(diào)變形，為此，每個(gè)晶粒必須

能同時(shí)沿幾個(gè)滑移系進(jìn)行滑移，或在滑移的同時(shí)進(jìn)行孿生變形。142第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能米賽斯(Von

Mises)經(jīng)過(guò)研究認(rèn)為，每個(gè)晶粒必須至少有5個(gè)獨(dú)立的滑移系開動(dòng)，才能確保產(chǎn)生任何方向

上不受約束的塑性變形并維持體積不變。由此可見，多晶體金屬能否塑性變形的關(guān)鍵在于金

屬本身滑移系的數(shù)量。立方金屬(如Cu、Ni、A1)的滑移系都在12個(gè)以上，這些金屬的多晶體都具有較好的塑性，而hcp金屬(Zn

、Mg

、Ti)的滑移系最少，只有3個(gè)，

不能滿足協(xié)調(diào)性的要求，所以此類金屬的塑性極差。金屬化合物的滑移系數(shù)量更少，故而更脆。143第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能對(duì)組織的影響：金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變

化，而且其內(nèi)部晶粒也相應(yīng)

被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)變形量很

大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維

狀，晶界變得模糊不清，還可能使晶粒破碎為亞晶粒，

如圖1-29所示。第一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能五、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響圖1-29工業(yè)純鐵在塑性變

形前后的組織變化144達(dá)到一定程度(70%以上)時(shí)，絕大部分晶粒的位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱為形變織構(gòu)或擇優(yōu)取向，如圖1-30所示。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不均。對(duì)性能的影響：隨變形量增加，

金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱為加工硬化。145第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能在塑性變形過(guò)程中，當(dāng)變形(a)絲織構(gòu)

(b)板織構(gòu)圖1-30形變織構(gòu)示意圖第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能六、屈服現(xiàn)象和屈服強(qiáng)度σ屈服現(xiàn)象：金屬材料在拉伸時(shí)產(chǎn)生屈服現(xiàn)象是其開始產(chǎn)生宏觀塑性變形的標(biāo)志。試樣在拉伸過(guò)程中外力不增加而試樣仍然

能繼續(xù)伸長(zhǎng)，或外力增加到一定的數(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

樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為屈服。146對(duì)于沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)的材料，用人為規(guī)定的辦法確定屈服點(diǎn)：0.01%;0.05%;0.2%;147圖1-31為低碳鋼和黃銅拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。第一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能O屈服

伸長(zhǎng)A00.2CAC一屈服平臺(tái)C一下屈服點(diǎn)A

一上屈服點(diǎn)低碳鋼黃銅圖1-31屈服現(xiàn)象示意圖0.2%O呂德斯帶隨后沿試樣長(zhǎng)度方向逐漸擴(kuò)展，當(dāng)屈服線布滿整個(gè)試樣時(shí)，屈服伸長(zhǎng)結(jié)束，試樣開始進(jìn)入均148

勻塑性變形階段。屈服變形始于試樣微觀不均勻處或應(yīng)力集中部位。

屈服階段的伸長(zhǎng)變形是不均

勻的，在局部開始形成與拉

伸軸約成45°角的平行線，被稱為呂德斯(Lüders)帶。第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能圖1-32呂德斯帶示意圖■材料在變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度小，或雖有大量位錯(cuò)但被釘扎，如鋼中的位錯(cuò)被雜質(zhì)原子或第二

相粒子所釘扎；■隨塑性變形的發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖；■位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈依存關(guān)系。149第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能屈服現(xiàn)象與下面三個(gè)因素有關(guān)：m

值越低，則為使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需的應(yīng)力變化就越大，屈服現(xiàn)象越明顯。bcc金屬的m

值一般小于20,所以具有較明顯的屈服現(xiàn)象；而fcc金屬的m值大于100～200,屈服現(xiàn)象就不太明顯。150t—沿滑移面上的切應(yīng)力to_位錯(cuò)以單位速率運(yùn)動(dòng)所需

的切應(yīng)力m-應(yīng)力敏感指數(shù)?一塑性變形應(yīng)變速率

b一柏氏矢量的模p

一可動(dòng)位錯(cuò)密度V一位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率第

一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能材料變形速率?=b.pA.Vf2021年7月8日星

期四第一章單向靜載下材料的力學(xué)性能用屈服強(qiáng)度表示金屬材料對(duì)屈服變形

的抗力，對(duì)于沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，用規(guī)定微量塑性伸長(zhǎng)應(yīng)力表征材料對(duì)微量塑性變形的抗力，如0.2%,本課程涉

及屈服強(qiáng)度的有關(guān)具體問(wèn)題時(shí)，不計(jì)測(cè)定

方法，統(tǒng)一用σ或0o.2表示材料的屈服強(qiáng)度。

但實(shí)際使用時(shí)，測(cè)定方法應(yīng)予以標(biāo)注。151靜強(qiáng)度角度選擇材料的基本依據(jù)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法規(guī)定，許用應(yīng)力n≥2對(duì)于復(fù)雜的受載情況，單向拉伸測(cè)得的σ仍

然是建立屈服判據(jù)的重要指標(biāo)。關(guān)于屈服的強(qiáng)度理論主要有屈雷斯加最大切

應(yīng)力理論(第三強(qiáng)度理論)和米賽斯畸變能理論

(第四強(qiáng)度理論)。

第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能σg是材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)，是工程上從152安全服役條件：第三強(qiáng)度理論曾被許多塑性材料的試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)，且稍偏于安全。這個(gè)理論所提供的計(jì)算式比較簡(jiǎn)單，故它在工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。該理論沒(méi)有考慮中間主應(yīng)力o?

的影響，但其帶來(lái)的最大誤差一般不超過(guò)15%,而在大多數(shù)情況下遠(yuǎn)比此為小。癌雷斯加(Tresca)最大切應(yīng)力理論：無(wú)論材料內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)如何，只要有一點(diǎn)的最大切應(yīng)力tmax達(dá)到單向拉伸屈服

切應(yīng)力ts時(shí)，材料就在該處出現(xiàn)明顯塑性變形或屈服：第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能153采

賽

斯(Mises)

畸變能理論：假定：復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的畸變能密度達(dá)到單向拉伸時(shí)使材料屈服的畸變能密度時(shí)，材料即會(huì)發(fā)生屈服：(o?-

σ2)2+(σ2-

σ3)2+(σ3-

σ1)2≥2os2安全服役條件：Mises理論和許多塑性材料的試驗(yàn)結(jié)果相符，用這個(gè)理論判斷碳素鋼的屈服失效是相當(dāng)準(zhǔn)確的。該理論可應(yīng)用于絕大多數(shù)塑性材料結(jié)構(gòu)

的強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果較第三強(qiáng)度理論更精確。154第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能第一章單向靜載下材料的力學(xué)性能按以上準(zhǔn)則，采用屈服強(qiáng)度高的材料，可減

小機(jī)件的體積或尺寸。但屈服強(qiáng)度過(guò)高會(huì)增大屈

強(qiáng)比，不利于應(yīng)力重新分布，易引起脆性斷裂。

在脈沖束輻照產(chǎn)生的熱激波、高速碰撞及爆炸等

產(chǎn)生的沖擊波這類強(qiáng)動(dòng)載荷作用下，材料顯現(xiàn)出

的屈服強(qiáng)度與靜態(tài)載荷作用時(shí)的屈服強(qiáng)度不同，

因此，在工程實(shí)際中，對(duì)于強(qiáng)動(dòng)載荷常常采用動(dòng)

態(tài)屈服強(qiáng)度，它約為靜態(tài)屈服強(qiáng)度的2~4倍。155第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能工程應(yīng)用深沖用的低碳薄鋼板在沖壓成形時(shí)，會(huì)因不均勻變形使工件某些區(qū)域(應(yīng)變量對(duì)應(yīng)屈服伸長(zhǎng)階段)的

表面粗糙不平———桔皮現(xiàn)象。光整冷軋：將薄鋼板在沖壓之前先經(jīng)過(guò)一道微量的冷

軋(通常為1~2%的壓下量)使屈服點(diǎn)消失，隨后進(jìn)

行沖壓加工，可保證工件表面的平整光潔。156■材料的屈服變形是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和增殖的結(jié)果，凡影響位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的各種因素都會(huì)影響材

料的屈服強(qiáng)度。▲實(shí)際材料大多為多晶體，單個(gè)晶粒的力學(xué)行為并不能決定整個(gè)材料的力學(xué)行為，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。157第

一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能七、影響屈服強(qiáng)度的因素1.金屬本性及晶格類型一般多相合金的塑性變形主要沿基體相進(jìn)行，

這表明位錯(cuò)主要分布在基體相中。158內(nèi)在因素外在因素金屬本性及晶格類型溫度晶粒大小及亞結(jié)構(gòu)應(yīng)變速率溶質(zhì)元素應(yīng)力狀態(tài)第二相第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能表1-4影響屈服強(qiáng)度的因素

第一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能如果不計(jì)合金成分的影響，那么一個(gè)

基體相就相當(dāng)于純金屬的單晶體。純金屬

單晶體的屈服強(qiáng)度從理論上說(shuō)是使位錯(cuò)開

始運(yùn)動(dòng)的臨界切應(yīng)力，其值由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的各種阻力所決定——晶格阻力、位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力等。晶格阻力(派納力tp-)—理想晶體中，僅存在一個(gè)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力。G—

切變模量；v—泊松比；a—滑移面的晶面間距；b—

柏氏矢量的模；w—

位錯(cuò)寬度(滑移面內(nèi)原子位移大于50%b區(qū)域的寬度)●滑移面的a最大

→tp-n小→位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng)。不同材料的a不同，故tp-不

同?！裎诲e(cuò)寬度w

大→

晶格畸變小→位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng)，如fcc金屬?！袂凶兡Ａ縂

大→tp-大→位錯(cuò)不易運(yùn)動(dòng)。160單向靜載下材料的力學(xué)性能第一章2021年7月8日星

期四第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能平行位錯(cuò)間的交互作用位錯(cuò)間的交互作用：運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)間的交互作用α與晶體本性、位錯(cuò)結(jié)構(gòu)及分布有關(guān)。如fcc金屬a≈0.2,bcc金屬a≈0.4。a—比例系數(shù)；b一柏氏矢量的模；L一位錯(cuò)間距離；G一切變模量；LT=aGb

2p

一位錯(cuò)密度；161L=1

1

22.晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)晶粒大小的影響實(shí)際上是晶界影響的反

映。晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，在一個(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)力使鄰接的晶粒中的位錯(cuò)源開動(dòng)并產(chǎn)生宏

觀可見的塑性變形，因而減小晶粒尺寸將增

加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙的數(shù)目，使屈服強(qiáng)度提高。第一

章單向靜載下材料的力學(xué)性能第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能切應(yīng)力

T塞積位錯(cuò)T位錯(cuò)源位錯(cuò)源Applystress第一章單向靜載下材料的力學(xué)性能多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近45°的晶粒，當(dāng)晶界處塞積位錯(cuò)前端達(dá)到一定程度時(shí)相鄰晶粒中的位錯(cuò)源開動(dòng)，大量晶粒

發(fā)生滑移后，宏觀上顯示出塑性變形。晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多，塑性變形抗力越

高。晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變

形的晶粒數(shù)目也多，變形越均勻，且斷裂前可發(fā)生

較大的變形，強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加，因而韌性也好。164o—

位錯(cuò)在基體金屬中運(yùn)動(dòng)的總阻力，也稱摩擦阻力，取決于晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)密度；d—

晶粒平均直徑；k,—釘扎常數(shù)，衡量晶界對(duì)強(qiáng)

化貢獻(xiàn)的大小。在一定的溫度和應(yīng)變速率下，o

和k,為常數(shù)。晶粒越小，屈服強(qiáng)度越高——細(xì)

晶強(qiáng)化，同時(shí)還提高材料韌性，是金屬?gòu)?qiáng)

韌化的重要手段。165第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能

1Hall-Petch

公式：Os=Oi+

kyd

2

第一

章單向靜載下材料的力學(xué)性能亞晶界的作用與晶界類似，Hall-Petch公式也完全適用于亞晶粒，只是σ和k,不同。相界也阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橄嘟鐑蓚?cè)

材料具有不同的取向，位錯(cuò)柏氏矢量也不

同，或具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和性能，所以，多相合金中第二相的大小、分布和形

狀等將影響屈服強(qiáng)度。166第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能.溶質(zhì)元素在純金屬中加入溶質(zhì)元素形成固溶合金將

顯著提高材料的屈服強(qiáng)度———固溶強(qiáng)化。通常，間隙固溶體的強(qiáng)化效果要好于置換固溶體。主要是形成了畸變的應(yīng)力場(chǎng)，與位錯(cuò)產(chǎn)生

彈性交互作用，強(qiáng)化的效果是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)

交互作用能及溶質(zhì)濃度的函數(shù)。如圖1-33所示。167第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能

空位引起的晶格畸變類似于由置換型原子所引起的晶格畸變：淬火空位、輻照空位。原子能工程上必須考慮材料在服役過(guò)程中空位濃度不斷增加，使屈服強(qiáng)度顯著提高，脆性增加，引起突發(fā)性災(zāi)難。二

全

10∠圖1-33低碳鐵素體中固溶強(qiáng)化效果(MPa)168鳥4.第二相工程上的金屬材料，組織一般是多相的，除基體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化外，第二相對(duì)屈服強(qiáng)度也有影響。第二相質(zhì)點(diǎn)用粉末冶金法獲

得—彌散強(qiáng)化，固溶處理后沉淀析出—沉

淀

(析出)強(qiáng)化。第二相質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)化效果與質(zhì)點(diǎn)

本身在基體變形過(guò)程中能否變形有關(guān)。第

一

章

單向靜載下材料的力學(xué)性能過(guò)，就要克服彎曲位錯(cuò)的線張力，這與相鄰質(zhì)點(diǎn)的間距有關(guān)，繞過(guò)質(zhì)點(diǎn)的位錯(cuò)線在質(zhì)點(diǎn)周圍留下

一個(gè)個(gè)位錯(cuò)環(huán)，這相當(dāng)于質(zhì)點(diǎn)間距減小，屈服強(qiáng)

度增大。對(duì)于可變形的第二相質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)可以切過(guò)，同基體一起變形，產(chǎn)生新的界面需要作功，質(zhì)點(diǎn)

與基體晶格錯(cuò)排，也會(huì)導(dǎo)致屈服強(qiáng)度增加。170第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能對(duì)于不可變形的第二相質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)只能繞第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能位錯(cuò)線位錯(cuò)環(huán)第二相粒子圖1-34位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子示意圖171

圖1-35

α黃銅中圍繞Al?O?粒子的位錯(cuò)環(huán)第一章

單向靜載下材料的力學(xué)性能

滑移面

第二相粒子

生成表面

頂視圖圖1-36位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子示意圖圖1-37Ni-Cr-Al合金中位錯(cuò)切過(guò)Ni?Al粒子172第二相的強(qiáng)化效果與其尺寸、形狀和數(shù)量以及與基體的結(jié)合強(qiáng)度、塑性、應(yīng)變硬化特性

及兩相之間的晶體學(xué)配合和界面能等因素有關(guān)。

體積比相同的情況下，長(zhǎng)