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1、2019/5/27,材料力学性能讲义,大连理工大学材料科学与工程学院 曹志强教授,2019/5/27,教材与参考书: 工程材料力学性能束德林,2004年,机械工业出版社。 材料性能学王从曾,2001年,北京工业大学出版社。 金属力学性能(第二版)束德林,1995年,机械工业出版社。 金属力学性能孙茂才,2003年,机械工业出版社。,2019/5/27,TITANIC,2019/5/27,2019/5/27,哥伦比亚号航天飞机失事,2019/5/27,金属材料的力学性能包括: 强度、刚度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、缺口敏感性、断裂韧性等。 人们将力学参量的临界值(或规定值)定义为该材料的力学性能
2、指标,如强度指标:b、0.2、-1,塑性指标:、,韧性指标:AK、KIC等。 力学性能指标具体数值的高低,表示金属材料抵抗变形和断裂能力的大小,是评定材料质量的主要依据。可将其理解为:金属材料抵抗外加载荷引起变形和断裂的能力。,2019/5/27,金属材料的力学性能取决于: 化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等内在因素,也取决于载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等因素。 金属力学性能的本质及宏观变化规律与金属在变形和断裂过程中的位错运动、增殖和交互作用等微观过程有关。,2019/5/27,低碳钢,静载荷,冲击载荷,低温,常温,脆性断裂,韧性断裂,2019/5/27,
3、课程体系:,性能的基本概念 物理本质 影响因素 性能指标的工程意义 指标的测试与评价及应用,。,提高金属力学性能的方向和途径,金属材料在各种服役条件下的变形现象和断裂现象。材料性能与其化学成分、组织结构之间关系。,2019/5/27,材料力学性能讲义,第一章 材料单向静拉伸的力学性能 第二章 材料在其它静载下的力学性能 第三章 材料的冲击韧性和低温脆性 第四章 材料的断裂韧性 第五章 材料的疲劳性能 第六章 材料的磨损性能 第七章 材料的高温力学性能,2019/5/27,第一章 材料单向静拉伸力学性能,第一节 力伸长曲线和应力、应变曲线 第二节 弹性变形及其性能指标 第三节 非理想弹性与内耗
4、第四节 塑性变形及其性能指标 第五节 断裂固体材料在力的作用下分成 若干部分的现象,2019/5/27,单向静载拉伸试验是应用最广泛的材料力学性能测试方法。,试验温度确定,应力状态确定,加载速率确定,可测试,屈服强度s(0.2),抗拉强度b,伸长率,断面收缩率,第一节 力-伸长曲线和应力、应变曲线,2019/5/27,拉伸试验机,2019/5/27,1.光滑试样单向静拉伸试验方法的主要特点: 试样通常为光滑圆柱形状。 试验过程中,温度、应力状态和加载速率是一定的。,强调试样光滑是为了避免表面产生应力集中导致三向应力状态;强调轴向拉伸是防止试样偏斜或不对中情况,否则将导致复杂的应力状态。,图11
5、 圆柱拉伸试样,2019/5/27,2.实验条件: 光滑试件、室温大气介质、单向单调拉伸载荷 a. 拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。 严格按照国家标准进行拉伸试验,其结果方为有效,只有这样由不同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较。 b. 拉伸试验机带有自动记录或绘图装置,记录或绘制试件所受的载荷P和伸长量L之间的关系曲线;,2019/5/27,一、 力伸长曲线(拉伸力 F,绝对伸长量L) 测试方法:标准试样,万能实验机,图12 退火低碳钢的拉伸力伸长曲线,区弹性变形阶段,区屈服变形阶段,区均匀塑性变形阶段,区集中塑性变形阶段,断裂,2019/5/27,o-e段,弹性变形阶段,
6、试样产生弹性变形。 e-C段,不均匀屈服塑性变形段,试样产生屈服变形。 C-B段,均匀塑性变形段,试样产生均匀塑性变形。 B-K段,不均匀塑性变形段,试样产生颈缩。 K点以后试样断裂,图12,均匀塑性变形,2019/5/27, 高碳钢(淬火、高温回火) 低合金结构钢16Mn 黄铜 陶瓷、玻璃 橡胶(无塑性变形) 工程塑料,图13,2019/5/27,二、 应力应变曲线 1.工程应力应变曲线: 将力伸长曲线的纵横坐标分别以拉伸试样的截面积A0和原始标距长度L0去除,则得到应力应变曲线。称为“工程应力应变曲线” =F/A0 =L/L0 p比例极限 e弹性极限s屈服强度b抗拉强度,图14,2019/
7、5/27,2.真实应力应变曲线: 真应力真应变曲线:用拉伸过程中每一瞬间的真实应力和真实应变绘制的曲线 真应力S=F/A 真应变de=dL/L 在弹-塑性变形阶段,只有真应力-真应变曲线才能准确描述材料的力学形为。,图15,2019/5/27,e=ln(1+) 真应变小于工程应变 S(1) 真应力大于工程应力,2019/5/27,弹性变形:金属材料在外力的作用下,产生变形,当外力去除以后变形也随之消失的现象。 弹性变形的特点: 弹性变形是一种可逆现象,不论在加载期还是在卸载期,其应力和应变之间都保持单值线性关系。 弹性变形量都很小,一般在0.51之间。 金属材料的原子弹性位移量只相当于原子间距
8、的几分之一。故弹性变形量小于1。,第二节 弹性变形及其性能指标,弹性变形,2019/5/27,原子,引力,在平衡位置振动,由金属正离子和自由电子间的库仑力产生,由离子之间及电子之间的排斥作用所致,当原子间的相互平衡力因外力作用而受到破坏时,原子位置必须作相应的调整,从而产生位移,以期达到新的平衡。原子位移的总和在宏观上就表现为变形。外力去除后,原子依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置,此时位移消失,宏观上变形也就消失,从而表现弹性变形的可逆性。,2019/5/27,图16 双原子模型,原子间作用力:,引力,斥力,原子间作用力非直线关系,引力,斥力,合力,N,F=0,M,Fmax,R,R为材料
9、可承受的最大弹性变形量,理论值可达23!但实际上材料的弹性变形量 1,是由于实际材料中不可避免地存在各种缺陷所致。,一、 弹性变形的本质,2019/5/27,Fm 是拉伸时两原子间的最大结合力。对应的原子间距为rm; 当拉伸过程中 rrm 时,就可以克服原子之间的引力而分离,因此,Fm 也就是材料在弹性状态下的断裂抗力。,2019/5/27,由图可以看出,弹性变形过程中并非完全的线性关系,而是抛物线关系,但在外力较小时,原子偏离平衡位置不远时,近似为线性关系,因此虎克定律只有在外力较小时近似成立。 弹性变形的本质是构成材料的原子(离子)或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。,2019/5/27,
10、二、 弹性模数(弹性模量)刚度1 材料产生单位弹性应变时,所需要的弹性应力。即材料产生100弹性变形时所需要的应力。 E G ,E = 2 (1+ )G E拉伸时杨氏模数105,G切变模数MPa,比弹性模数(比刚度)E/ 单位m,将纵向应变el 与横(径)向应变er之负比值表示为泊松比。,2019/5/27,2019/5/27,三、 影响弹性模数的因素 1、 键合方式和原子结构 室温下金属的弹性模量是原子序数的周期函数。,同一周期的元素随原子序数的增大E值增大,这与元素价电子数增多及原子半径减小有关。,同一族的元素随原子序数的增大E值减小,这与原子半径增大有关。,图18,2019/5/27,2
11、、 晶体结构 -Fe, E=2.7105MPa,E1.25105MPa 沿原子排列最密的晶向上弹性模量较大,多晶体各向同性。,2019/5/27,3、 化学成分 合金中固溶的溶质元素可以改变合金的晶格常数,但对于常用的钢铁材料而言,合金元素对其晶格常数的改变不大,因而对弹性模量的影响很小,合金钢和碳钢的弹性模量数值相当接近。 4、 微观组织 金属材料组织不敏感性。 热处理(显微组织)对弹性模量的影响不大。如晶粒大小对E值无影响;第二相的大小和分布对E值的影响也很小;淬火后E值稍有下降,但退火后又恢复到原来的水平,2019/5/27,冷塑性变形对E值稍有降低,一般在46,这与出现残余应力有关。当
12、塑性变形量很大时,因产生形变织构而使E值出现各向异性,此时沿变形方向E值最大。,5、 温度 温度升高,热运动加剧,弹性模量降低 碳钢加热时每升高100 ,E值下降35。但在-50 +50 的范围内,钢的E值变化不大,可以不考虑温度的影响。,2019/5/27,6、 加载条件和负荷持续时间 弹性变形的速率和声速一样快,远超过实际加载速率,故加载速率对E值也无大的影响。,2019/5/27,例题:纤维增强复合材料弹性模量 纤维增强复合材料中,纤维与基体构成整体,共同承担载荷,基体传递外力,提供塑性和韧性,而纤维承担大部分外力,是复合材料中的主要承载单元。 (1)纵向弹性模量E1EfVfEmVm (
13、2)横向弹性模量E2Vf/EfVm/Em,图19,2019/5/27,1).纵向弹性模量 假设纤维连续平行于拉伸力方向,则有,Ac、Af、Am分别为复合材料、纤维、基体截面积; Vf、Vm分别为纤维、基体的体积分数; f、m分别为纤维、基体所受应力。,(1),(2),2019/5/27,根据虎克定律和等应变假设:,c、f、m分别为复合材料、纤维、基体的应变 代入式(3)可得,(3),根据式(1)(2)可得,复合材料所受平均拉应力为:,2019/5/27,2).横向弹性模量 当拉伸应力垂至于纤维方向,,根据虎克定律:,分别求出L后带入(1)式得:,因为,(1),(2),2019/5/27,由于,
14、由此可见,单相连续纤维增强复合材料的弹性模量与外加载荷的取向有关。,所以上式为,2019/5/27,四、 比例极限与弹性极限 比例极限:p是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力应力与应变在正比关系范围内的最大应力。 弹性极限:e是材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力。 p0.01表示规定非比例伸长率0.01时的应力。,比例极限,弹性极限,2019/5/27,p和e的实际意义是: 对于要求在服役时其应力应变关系维持严格直线关系的机件,如测力弹簧是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的,则选择制造这类机件的材料应以比例极限为依据;若服役条件不允许产生微量塑性变形的机件,则设计时应
15、按弹性极限来选材。,2019/5/27,五、 弹性比功 又称弹性比能或应变比能 ae是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。弹性比功的含义就是弹性变形过程中所吸收的引起弹性变形的能量。 数值上等于在应力应变曲线中被弹性变形阶段的曲线所覆盖的面积。 弹簧钢2.217MPa(MJm-3)(J=Nm)、磷青铜1.0,铍青铜1.44、橡胶2、铝0.1、铜0.003,2019/5/27,弹簧:减振、储能,高的弹性比功,选用含碳量高的钢,加入Si、Mn等合金元素,采用合适的热处理工艺,提高弹性极限,机械零件的体积越大,可吸收的弹性比功也越大。,可见,金属的ae取决于e和E,而E是组织不敏感因素,所以对一般
16、金属材料,只有用提高弹性极限的方法来提高弹性比功。,2019/5/27,第三节 非理想弹性与内耗 一、理想弹性材料: 应变与应力的响应是线性的 应力和应变是同相位 应变是应力的单值函数 当塑性材料所受的应力低于弹性极限,其力学行为可近似地用虎克定律加以表述。 进入弹塑性变形阶段,其力学行为需要用弹-塑性变形阶段的数学表达式,或称本构方程加以表述。,2019/5/27,二、弹性后效,对于完整的弹性体,弹性变形与加载速率无关,但对实际的金属材料而言,弹性变形不仅是应力的函数,而且是时间的函数。,A,B,H,a,e,O,b,c,d,AB正弹性后效,eO反弹性后效,定义:弹性应变落后于外加应力,并和时
17、间有关的的现象叫弹性后效(滞弹性)。,2019/5/27,影响因素,材料成分;组织;实验条件;,材料的组织越不均匀,弹性后效越明显。如钢淬火或塑性变形后,增加了组织的不均匀性,弹性后效倾向增大。,温度升高,弹性后效速率和变形量都显著增加。如Zn,拉伸时温度升高15,弹性后效速率增加50;扭转时温度升高10,变形量增加1倍。温度下降,变形量显著下降,185以下就无法确定弹性后效是否存在。,2019/5/27,产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动有关。 例如, -Fe中碳处于八面体空隙及等效位置上,施加z方向的拉应力后,x,y轴上的碳原子就会向z轴扩散移动,会使z方向继续伸长变形(图1-12
18、),于是就产生了附加的弹性变形。,因扩散移动需要时间,故附加应变为滞弹性应变,卸载后z轴多余的碳原子又会回到原来x,y轴上,使滞弹性应变消失。,2019/5/27,三、包申格效应: 是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形,而后再同向加载,规定残余伸长应力增加,卸载时降低的现象。 所有退火态和高温回火态金属均有此效应。 包申格效应可使规定残余伸长应力增加或降低1520。,2019/5/27,初始拉伸,二次拉伸,初始压缩,二次压缩,图1-15. 包申格效应,规定残余伸长应力:试样卸除拉伸力后,其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。,2019/5/27,包申格效应与金属材料中位错运动
19、所受的阻力变化有关。如图1-16所示。在金属预先受载产生少量塑性变形时,位错沿某一滑移面运动,,图116. 林位错对位错运动的影响,遇林位错而弯曲,结果,在位错前方,林位错密度增加,形成位错缠结和胞状组织(图中1位置)。这种位错结构在力学上是相当稳定的,宏观上表现为规定残余伸长应力增加。,2019/5/27,卸载后施加反向力,位错被迫作反向运动,在反向路径上,像林位错这类障碍数量较少,而且也不一定恰好位于位错运动的前方,故位错可以在较低应力下移动较大距离,即第二次反向加载,规定残余伸长应力降低。 包申格效应对于研究金属疲劳问题是很重要的。因为材料在疲劳过程中,每一周期内都产生微量塑性变形,在反
20、向加载时,微量塑性变形抗力(规定残余伸长应力)降低,显示循环软化现象。另外,对于预先经受冷变形的材料,如服役时受到反向力的作用,就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响,如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况。,2019/5/27,图中的b-c段为包申格应变。,消除包申格效应的方法: 1.预先进行较大的塑性变形。 2.在第二次反向受力前使金属材料在回复或再结晶温度下退火 (如钢:400500以上,铜合金:250270以上)。,图117,2019/5/27,四、内耗(弹性滞后环) 在变形过程中被吸收的功,可用弹性滞后环面积度量。该环表示金属在加载和卸载的过程中,一部分能量被金属所吸收,这部分
21、被吸收的能量称为“金属的内耗”。 如果所加载荷为交变载荷则得到的滞后环为交变滞后环。 材料产生内耗的原因与材料微观组织结构和物理性能的变化有关。(位错、间隙原子、晶界、磁性的变化等),图119,图118,2019/5/27,循环韧性(塑性应变环)的意义:材料的循环韧性越高,则机件依靠材料自身的消振能力越好。因此,高的循环韧性对于降低机械噪声,抑制高速机械振动,防止共振导致疲劳断裂是非常重要的。飞机螺旋桨、气轮机叶片需要高;而追求音响效果的元件如音叉、簧片等要低;灰铸铁的大,常用来作机床的床身、发动机的缸体和支架等。,图120自由振动衰减曲线,2019/5/27,2019/5/27,第四节 塑性
22、变形及其性能指标2 一、 塑性变形方式与特点 材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移,并不引起材料断裂的现象。 塑性变形是金属材料区别于其它工业材料的重要特征,也是金属材料在人类文明史上能够发挥无与伦比的作用的原因。对塑性变形的机制和规律的研究,有助于我们更好地理解材料强度和塑性,为使用和研制新材料打下良好的基础。,变形80,图121 工业纯铁在塑性变形前后的组织变化,2019/5/27,1.塑性变形的方式,图1-22 晶体塑性变形的基本方式,孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生的切变。发生切变的部分称为孪生或挛晶,沿其发生孪生的晶面称为孪生面,孪生的结果使孪生面两
23、侧的晶体呈镜面对称。,滑移系,滑移系越多,金属的塑性越好,但滑移系的数目不是决定金属塑性的唯一因素。,滑移是材料在切应力的作用下,沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。,滑移面原子最密排的晶面,滑移方向原子最密排方向,金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生。,2019/5/27,滑移变形的特点:,滑移只能在切应力作用下发生,产生滑移的最小切应力称为临界切应力;,滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生,这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间的间距最大,原子结合力最弱,产生滑移所需切应力最小。,2019/5/27,滑移时,晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍,滑移的结果是在晶体表面形成台阶滑移线
24、,若干滑移线组成一个滑移带,如图123所示。图124为多晶铜经塑性变形后在预先抛光的表面上观察到的滑移带。,图124 变形多晶铜抛光表面上的滑移带,图123 铝单晶体滑移线和滑移带示意图,2019/5/27,滑移的同时伴随着晶体转动:一种是滑移面向外力轴方向转动,另一种是在滑移面的滑移方向向最大切应力方向转动。如图125所示。转动的原因是正应力分量n和n及切应力分量b和 b形成力偶。计算表明,当滑移面和滑移方向都与外力轴方向成45角时,滑移方向上的切应力分量最大,,图125 滑移时晶体的转动,因而最容易发生滑移。当滑移面和滑移方向与外力轴方向平行或垂直时,切应力分量b0,晶体不发生滑移。,20
25、19/5/27,图126所示的是一刃型位错在切应力作用下在滑移面上运动的过程,即通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动形成一个原子间距滑移量的过程。 计算表明,把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力比实际测量值大3-4个数量级,而按照位错运动模型计算所得的临界切应力值则与实测值相符。,图126 晶体中通过位错运动造成滑移的示意图,2019/5/27,位错运动过程中滑移面上原子位移的情况如图1-27所示。可以看出,当晶体通过位错运动产生滑移时,只在位错中心的少数原子发生移动,而且它们的移动距离远小于一个原子间距,因而所需的临界切应力小,这种现象称为位错的易动性。,图127 位错运动时的
26、原子位移,2019/5/27,孪生的特点: 孪生也是塑性变形的一种方式。fcc、bcc、hcp金属材料都能以孪生方式产生塑性变形,只不过fcc金属只在很低的温度下才能产生孪生变形,而hcp金属由于滑移系少,并且在c轴方向上没有滑移矢量,因而更容易产生孪生变形。孪生提供的变形量很小,相当于滑移的十几到几十分之一。与滑移不同,孪生使晶格位向发生改变,所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近于声速。孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。,图1-28纯钛中的变形挛晶,2019/5/27,2.单晶体金属的塑性变形,单晶体受力后,外力P在任何晶面上都可分解为正应力和切应力,正应力只能引起弹性变形
27、及解理断裂,只有在切应力的作用下,金属才能产生塑性变形。塑性变形的方式有两种:滑移和孪生。多数情况下,金属的塑性变形是以滑移方式进行的。,图129 单晶体的拉伸变形,2019/5/27,3.多晶体塑性变形的特点: (1) 各晶粒变形的不同时性和不均匀性(晶粒位向不同) (2) 各晶粒变形的相互协调性(晶界的存在)多晶体材料产生屈服的条件。多晶体金属作为一个连续的整体,不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形,否则就会造成晶界开裂这就要求各晶粒之间能协调变形 (3) 产生加工硬化现象和残余内应力 (4) 密度降低、电阻和矫顽力增加,化学活性增大,抗腐蚀性能降低,2019/5/27,在塑性变形过程中,
28、由于晶粒的转动,当变形达到一定程度(70以上)时,绝大部分晶粒的位向与外力方向趋于一致,这种现象称为形变织构或择优取向,如图130所示。形变织构使金属呈现各向异性,在深冲零件时易产生“制耳”现象,使零件边缘不齐,厚薄不均。对性能的影响:随变形量增加,金属的强度、硬度提高,塑性、韧性下降,称为加工硬化。,图130 形变织构示意图,2019/5/27,二、 屈服现象与屈服强度,低碳钢,黄铜,屈服伸长,A,C,0.2,0.2,图131 屈服现象示意图,图131为低碳钢和黄铜拉伸时的应力应变曲线。,A上屈服点,C下屈服点,AC屈服平台,对于没有明显屈服点的材料,用人为规定的办法确定屈服点:0.01;
29、0.05; 0.2;,2019/5/27,图132 吕德斯带示意图,屈服变形始于试样微观不均匀处或应力集中部位。屈服阶段的伸长变形是不均匀的,在局部开始形成与拉伸轴约成45角的平行线,被称为吕德斯(Lders)带,随后沿试样长度方向逐渐扩展,当屈服线布满整个试样时,屈服伸长结束,试样开始进入均匀塑性变形阶段,2019/5/27,1、 屈服现象:材料在拉伸过程中,当应力增加到一定数值,突然下降并在一定数值下保持恒定(或波动),而变形持续增加,由弹性变形转变为弹塑性变形状态,这种现象称为“屈服现象”,屈服现象与下面三个因素有关:,材料在变形前可动位错密度小,或虽有大量位错但被钉扎,如钢中的位错被杂
30、质原子或第二相粒子所钉扎;,随塑性变形的发生,位错能快速增殖;,位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。,2019/5/27,材料变形速率,塑性变形应变速率 b柏氏矢量的模 可动位错密度 V位错运动平均速率,=,b,V,沿滑移面上的切应力 0位错以单位速率运动所需的切应力 m-应力敏感指数,m值越低,则为使位错运动速率变化所需的应力变化就越大,屈服现象越明显。bcc金属的m值一般小于20,所以具有较明显的屈服现象;而fcc金属的m值大于100200,屈服现象就不太明显。,2019/5/27,2、 屈服强度:材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力 (1)规定非比例伸长应力p:拉伸过程中,材
31、料标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距的百分比时的应力。 p 0.01 (加载) (2) 规定残余伸长应力r :试样卸除拉伸力后,其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。r 0.2 (卸载) (3)规定总伸长应力t :试样标距部分的总伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。t0.2(加载),2019/5/27,规定残余伸长应力不含弹性变形,规定总伸长应力含弹性变形和塑性变形,可以实现测量自动化。 s工程意义: 作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据 s/b可以作为金属冷塑性变形加工的参考依据和缓解应力集中防止脆断的参考依据。,2019/5/27,三、 影响金属材
32、料屈服强度的因素 (1) 晶体结构: 晶格阻力或派纳力(在理想晶体中。仅存在一个位错运动时所需克服的阻力 ) ,滑移面间距最大,滑移方向原子间距最小,派纳力最小 G为切变模量,v泊松比,a晶面间距,b 柏氏矢量, 为位错的宽度,滑移面内原子位移大于50b区域的宽度,2019/5/27,分析:滑移面的a最大p-n 小位错容易运动。不同材料的a不同,故p-n 不同。 位错宽度大位错周围的原子偏离平衡位置不大晶格畸变小位错容易运动。,2019/5/27,位错间的交互作用:,平行位错间的交互作用,运动位错与林位错间的交互作用,比例系数;b柏氏矢量的模; L位错间距离; G切变模量;,位错密度;,与晶体
33、本性、位错结构及分布有关。 如fcc金属 0.2,bcc金属0.4。,2019/5/27,(2)晶界与亚结构 晶粒越细屈服强度越高,塑性也越好。晶粒小,晶界面积增加,阻碍位错运动,故使材料的屈服强度增加。,图133,晶粒小,减小晶粒内部位错塞积长度,使材料的韧性增加。,2019/5/27,Hall-Petch公式:,i位错在基体金属中运动的总阻力,也称摩擦阻力,取决于晶体结构和位错密度;d晶粒平均直径;ky钉扎常数,衡量晶界对强化贡献的大小。在一定的温度和应变速率下, i和ky为常数。ky钉扎常数,fcc金属较bcc金属低,容易屈服。,晶粒越小,屈服强度越高细晶强化,同时还提高材料韧性,是金属
34、强韧化的重要手段。,2019/5/27,(3) 溶质元素 固溶强化:金属中加入溶质元素,将对金属产生固溶强化作用,使材料的屈服强度增加。 溶质原子与基体原子的直径不同,引起晶格畸变,形成畸变应力场,使金属强化。 溶质原子对位错的运动起到了钉扎作用。 溶质原子还和基体原子之间产生电学交互作用、化学交互作用以及有序化作用。,图134,2019/5/27,空位引起的晶格畸变类似于由置换型原子所引起的晶格畸变:淬火空位、辐照空位。原子能工程上必须考虑材料在服役过程中空位浓度不断增加,使屈服强度显著提高,脆性增加,引起突发性灾难。,2019/5/27,(4) 第二相 不可变形的非共格相,位错可以绕过(线
35、张力)这与相邻质点的间距有关,绕过质点的位错线在质点周围留下一个个位错环,这相当于质点间距减小,屈服强度增大。 不可变形的第二相大都是以很小的质点方式存在,其强化可以有两种类型: 弥散强化:第二相质点用粉末冶金法获得 沉淀强化:先固溶到基体里,然后在回火(或时效)时弥散析出在基体上。,2019/5/27,切割机制: 增加界面能。 可变形的共格相(”相),位错可以切过(晶格错排、新界面),使之与基体一同变形,由此也可以提高屈服强度。 这是由于质点与基体间晶格错排及位错切过质点产生新的界面需要做功等原因造成的。 碳钢,f为铁素体体积比,Fe3C珠光体屈服强度,第二相强化还与其尺寸、形状、数量以及分
36、布等有关。,2019/5/27,(5) 温度:4 温度升高,屈服强度降低。 bcc金属的p-n 比fcc金属高很多,并且在影响屈服强度的因素中占有较大比例。p-n 属短程力,对温度十分敏感,因此bcc金属具有强烈的温度效应。,图135,Fe:由室温降至-196,s增加4倍 Ni: 由室温降至-196, s增加0.4倍 hcp金属与fcc类似。,2019/5/27,绝大多数常用结构钢是bcc结构的Fe-C合金,因此,其屈服强度也有强烈的温度效应,如图1-36所示,因此,钢具有低温脆性。,图1-36 温度对碳钢s的影响,2019/5/27,(6) 应变速率与应力状态 高应变速率时屈服明显变大, m
37、为应变速率敏感系数,图1-37 应变速率对碳钢强度的影响,2019/5/27,fcc金属的应力应变曲线,易滑移阶段, 很小,约百分之几。,线形硬化阶段, 很大,且为常数。,抛物线硬化阶段, 逐渐减小。,曲线的斜率d/d称为应变硬化速率。,2019/5/27,应力状态对屈服强度有较大影响:切应力分量越大,材料越容易产生塑性变形,即屈服强度越低,故s扭转 s拉伸 s弯曲 。,2019/5/27,四、 应变硬化 材料在应力作用下进入塑性变形阶段后,随着变形量的增大,形变应力不断提高的现象。 1、 应变硬化机理 金属材料的应变硬化是由塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。,2019/5/27,应变硬
38、化能力在生产实际中具有重要意义:,(1)应变硬化可使金属机件有一定的抗偶然过载能力,保证机件安全。机件在使用过程中,某些薄弱部位会因偶然过载而产生局部的塑性变形,如果金属没有应变硬化能力,变形就会一直进行下去,使承载应力越来越高,从而导致断裂。由于应变硬化能力的存在,会阻止变形继续进行,从而保证机件的安全运行。,2019/5/27,(2)应变硬化和塑性变形适当配合,可使金属进行均匀塑性变形,从而保证冷变形工艺顺利实施。金属的塑性变形是不均匀的,时间上也有先后,由于金属具有应变硬化能力,哪里有变形,它就在哪里阻止变形的继续发展,从而使变形转移到别处去,变形和硬化交替进行就构成了均匀塑性变形,从而
39、获得合格的冷变形加工的金属制品。,2019/5/27,(3)应变硬化是强化金属的重要工艺手段之一。这种手段既可以单独使用,也可以和其它方法联合使用,尤其对那些不能进行热处理强化的材料。强化手段包括轧制、喷丸、滚压等。可有效提高屈服强度、抗拉强度、疲劳强度等。,2019/5/27,(4)应变硬化可以降低塑性,改善低碳钢的切削加工性能。低碳钢切削时易产生粘刀现象,表面加工质量差。此时可利用冷变形降低塑性,使切屑容易脆离,从而改善切削性能。,2019/5/27,2、 应变硬化指数(Hollomon) SKen n为应变硬化指数直线斜率,K为硬化系数 S=(1+) e=ln(1+),n反映了材料抵抗继
40、续塑性变形的能力。n1,表示材料为理想的弹性体。n0,表示材料没有应变硬化能力,大多数金属的n值在0.10.5之间。,图138,2019/5/27,2019/5/27,n值与金属材料的层错能有关,层错能低者n值高,冷加工状态n值低,退火n高,晶粒变粗,n高 n值升高,材料软,nsconstant,2019/5/27,五、 缩颈条件与抗拉强度,(一)缩颈的意义:缩颈是应变硬化与截面减小综合作用的结果。 在B点以前,塑性变形是均匀的,因为随着材料变形的增加应变硬化增加,且承载能力增加,可以补偿因截面减小使其承载能力下降的作用。 B点以后,由于应变硬化跟不上塑性变形发展,使变形集中于试样的局部,因此
41、产生缩颈现象。 B点以前dF0,B点以后dF0,B点dF0为最大力点。 B点是局部塑性变形开始点,亦称拉伸失稳点或塑性失稳点。,2019/5/27,(二)缩颈的判据 dF=0,即拉伸图上的B点(最大力点),也是曲线的拐点。对其进行全微分,则有 dF=AdS+SdA=0; 在塑性变形中,dS恒大于零,dA恒小于零。 根据塑性变形中,体积不变的原理则有:dV=0;因V=AL,(1),2019/5/27,故,AdL+LdA=0 由(1)式(2)式,有: 根据(3)式,当应变硬化速率等于该点 的真实应力(流变应力)时,缩颈产生。 下图中两曲线的交点则为缩颈的产生点。(dS/de=S),图139,(2)
42、,(3),2019/5/27,(三)确定缩颈点 在拉伸失稳点处,Hollomon关系仍成立, 这表明,金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时,缩颈便会产生。,2019/5/27,(四)抗拉强度:拉伸实验时,试样拉断过程中最大实验力所对应的应力,成为材料的设计依据。 抗拉强度的实际意义: 1)塑性金属材料光滑试样的实际承载能力。 2)变形要求不高的机件的设计依据。 3)b与硬度、疲劳强度等之间有一定的经验关系。 4)材料的重要力学性能指标,易于测定,重复性好。,工程上代表材料在拉伸中,断裂前所能承受最大外力时的应力值。,2019/5/27,六、 塑性与塑性指标 (一)塑性与塑性指标
43、塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。 塑性变形分为两个阶段,即均匀塑性变形阶段和集中塑性变形阶段。拉伸时形成缩颈的韧性金属材料,其均匀塑性变形量比集中塑性变形量小的多,不超过50。 许多钢材占5%10,铝和硬铝占1820,黄铜3545。,2019/5/27,延伸率:L/L0100%(断后伸长率) 断面收缩率:(A0A1)/A0100% 试样拉断后,缩颈处横截面积的最大减缩量与原始横截面积的百分比。 为了使同一金属材料制成的不同尺寸的拉伸试样得到相同的值,要求:,2019/5/27,通常K取5.65或11.3,即对于圆柱形拉伸试样,相应的尺寸为L0=5d0或L0=10d0。 分别记为“5和10
44、”前者称为“短比例试样”,后者称为“长比例试样”。,拉伸试样加工后你需要检查哪些方面?,2019/5/27,,对于同一金属材料制备的几何相似的试样为常数。 A0一定,L0越长,越小。故5大于10。,实验结果表明,,为使材料的具有可比性,要求试样的 为常数,因此人们规定了试样的规格,且510,2019/5/27,除了用延伸率表示金属材料的塑性性能外,还可用最大力下的总伸长率来表示。 最大力下总伸长率:是试样拉至最大力时标距的总伸长与原始标距的百分比。用“gt”表示。 gt表示实际上金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。 (其中包括弹性变形并不是严格意义上的塑性变形)。 gt和eB之间关系为:e
45、B=ln(1+ gt) 可通过gt方便的推算出eB,继而算出应变硬化指数n。,2019/5/27,根据和的相对大小,可以判断金属材料拉伸时是否形成颈缩。如果则形成颈缩,且相差越大,颈缩越严重;如果则不形成颈缩。,塑性指标不能直接用于机件的设计,但对静载工作的机件都要求有一定的塑性,以防止机件偶然过载时产生突然破坏。同时,材料具有塑性才能进行冷变形加工,机器的装配、修复等也需要材料具有一定的塑性。,2019/5/27,(二)材料塑性的意义: 避免机件因偶然过载而发生突然破坏 通过塑性变形消除应力集中 塑性加工和修复工艺 冶金质量的评价标准,2019/5/27,(三) 超塑性 材料在一定条件下呈现
46、非常大的伸长率,而不发生缩颈和断裂的现象(相变超塑性和结构超塑性纯金属或单相合金) 产生条件: 超细晶粒 合适的条件,变形温度0.4Tm,应变速率 103s1 应变速率敏感指数较高0.3m1,2019/5/27,(四)静力韧度,静力韧度材料的Se曲线下所包围的面积与试样断裂前吸收的弹性能之间的差值。 真实断裂强度Sk静拉伸过程中,断裂时的拉伸力Fk和瞬时截面积Ak的比值。 Sk与截面形状有关,如截面无缩颈,则Sk等于b,如有颈缩则需用Bridgmen方法修正,且其修正值也不准确,故Sk直接应用很少。由此提出静力韧度的概念。,2019/5/27,利用近似的真应力应变曲线,可以求得静力韧度的表达式
47、,a(Sks)ef/2 SkFk/Ak SKsetan sDe 真应变: ef(Sks)/D,图141,a(Sk2s2)/2D D为形变强化模数,s,2019/5/27,静力韧度a与Sk、s、D三个量有关,是派生的力学性能指标。 a与Sk、s的关系比塑性和它们更密切,故在改变材料的组织状态或改变外界因素(如温度或应力状态等)时,韧度的变化比塑性变化更急剧。 静力韧度是静力作用下并以s为计算依据的机件其材料对于偶然过载的防范能力的反映,是偶然过载机件的重要安全力学性能指标。,2019/5/27,第五节 金属的断裂固体材料在力的作用下分成若干部分的现象 机件的三大失效形式: 磨损、腐蚀、断裂。其中以断裂的危害最大。研究断裂的主要目的是防止断裂,以保证构件在服役过程中的安全。,力学,宏观,微观,正断 切断,韧断 脆断,剪切 解理,扩展,穿晶 沿晶,一、 断裂的类型及断口特征,2019/5/27,韧性断口,解理型断口,沿晶断裂,穿晶断裂,2019/5/27,剪切断裂、解理断裂是指断裂的微观机制。 穿晶断裂和沿晶断裂,是指裂纹扩展路线。 正断和切断,是指引发断裂的缘因和断裂面
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