1、第一章 材料在單向靜拉伸載荷下 的力學(xué)性能,材料力學(xué)性能,材料加工工程系 周 亮,Company Logo,第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,1-2 彈性變形,1-3 塑性變形,1-4 材料的斷裂,2,Company Logo,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,1、拉伸試驗(yàn)方法,一般采用圓形或板形二種試樣?？煞譃槿齻€(gè)部分，即工作部分、過(guò)渡部分和夾持部分。 其中工作部分必須表面光滑，以保證材料表面也是單向拉伸狀態(tài)；過(guò)渡部分必須有適當(dāng)?shù)呐_(tái)階和圓角，以降低應(yīng)力集中，避免該處變形和斷裂；夾持部分是與試驗(yàn)機(jī)夾頭連接的部分，以定位試樣。,常用的拉伸

2、試樣幾何,試樣長(zhǎng)度要求：,或,試樣加載速率：,3,Company Logo,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,1、拉伸試驗(yàn)方法,常用的拉伸試樣幾何,4,Company Logo,拉伸力-拉伸曲線：由拉伸試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄或繪圖裝置，將作用在試樣上的力和所引起的伸長(zhǎng)自動(dòng)記錄繪出的力-伸長(zhǎng)曲線。 應(yīng)力-應(yīng)變曲線：由拉伸曲線經(jīng)換算可以得相應(yīng)的到工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線。,低碳鋼典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,2、拉伸曲線,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,5,Company Logo,低碳鋼典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,彈性變形階段：曲線的起始部分，圖中的oa段。多數(shù)情況下呈直線形式，符合虎克定律。 屈服階

3、段：超出彈性變形范圍之后，有的材料在塑性變形初期產(chǎn)生明顯的塑性流動(dòng)。此時(shí)，在外力不增加或增加很小或略有降低的情況下，變形繼續(xù)產(chǎn)生，拉伸圖上出現(xiàn)平臺(tái)或呈鋸齒狀，如圖中的ab段。,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,6,Company Logo,低碳鋼典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,均勻塑性變形階段：屈服后，欲繼續(xù)變形，必須不斷增加載荷，此階段的變形是均勻的，直到曲線達(dá)到最高點(diǎn)，均勻變形結(jié)束，如圖中的bc段。 形變硬化：隨塑性變形增大，變形抗力不斷增加的現(xiàn)象。 不均勻塑性變形階段：從試樣承受的最大應(yīng)力點(diǎn)開(kāi)始直到斷裂點(diǎn)為止，如圖中的cd段。在此階段，隨變形增大，載荷不斷下降，產(chǎn)生大量不均勻變形，且集中在

4、頸縮處，最后載荷達(dá)到斷裂載荷時(shí)，試樣斷裂。,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,7,Company Logo,典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,3、應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型,（a）彈性-彈塑性-塑性型：工程上的調(diào)質(zhì)鋼和一些輕合金具有此類行為。加工硬化,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,8,Company Logo,典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,（b）彈性-不均與塑性-均勻塑性型：與前者不同在于出現(xiàn)了明顯的屈服點(diǎn)aa ，有時(shí)呈屈服平臺(tái)狀，有時(shí)呈齒狀。應(yīng)變約1%3%。退火低碳鋼和某些有色金屬具有此行為。,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,3、應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型,9,Company Logo,典型的

5、應(yīng)力-應(yīng)變曲線,（c）彈性-均勻塑性型：未出現(xiàn)頸縮前的均勻變形過(guò)程中發(fā)生斷裂。主要是許多金屬及合金、部分陶瓷和非晶態(tài)高聚物具有此種曲線。,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,3、應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型,10,Company Logo,典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,（d）彈性-不均勻塑性型：形變強(qiáng)化過(guò)程中出現(xiàn)多次局部失穩(wěn)，其塑性變形方式通常是孿生而不是滑移。當(dāng)孿生速率超過(guò)試驗(yàn)機(jī)夾頭運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，載荷會(huì)突然松弛而呈現(xiàn)鋸齒形的曲線。某些低溶質(zhì)固溶體鋁合金及含雜質(zhì)的鐵合金具有此行為。,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,3、應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型,11,Company Logo,1-1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線

6、和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,4、真應(yīng)力-應(yīng)變曲線,定義： ； 式中：F外加載荷； S試樣瞬間截面積； l0試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度； l試樣瞬間標(biāo)距長(zhǎng)度。 注：相對(duì)而言， 曲線較 曲線真實(shí) 。 在小應(yīng)變范圍內(nèi)，二者區(qū)別很小，可以不區(qū)分， 且 曲線更方便。,12,Company Logo,1-2 彈性變形,材料受外力作用發(fā)生尺寸和形狀的變化，成為變形。外力去除后，隨之消失的變形為彈性變形，剩余的變形為塑性變形。 Hooke定律：金屬?gòu)椥宰冃螘r(shí)，外力與應(yīng)變成正比。 即：,1、彈性變形及其實(shí)質(zhì),加載,卸載,原子間的距離發(fā)生伸長(zhǎng)和縮短，但原子間的結(jié)合鍵并沒(méi)有發(fā)生破壞 卸載后變形迅速恢復(fù),彈性變形特征：可逆性（受力作用后

7、產(chǎn)生變形，載荷卸除后，變形消失）,13,1-2 彈性變形,1、彈性變形及其實(shí)質(zhì),在沒(méi)有外加載荷作用時(shí)，金屬中的原子N1、N2在平衡位置附近振動(dòng)，相鄰原子間的作用力由引力和斥力疊加而成。 當(dāng)原子間相互平衡力受外力而受到破壞時(shí)，原子位置相應(yīng)調(diào)整，產(chǎn)生位移。而位移總和在宏觀上表現(xiàn)為變形。 外力去除后，原子依靠之間的作用力又回到原來(lái)平衡位置，位移消失，宏觀變形消失。,由于晶體中的缺陷的存在，在彈性變形量尚小時(shí)的應(yīng)力可以激活位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，代之以塑性變形。實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的彈性變形量不會(huì)很大。,曲線1：兩原子間的引力 曲線2：兩原子間的斥力 曲線3：兩原子之間的作用力,14,1-2 彈性變形,2、彈性性能,彈性模

8、量（E） （單向受力狀態(tài)下）。它反映材料抵抗正應(yīng)變的能力。 切變模量（G） （純剪受力狀態(tài)下）。它反映材料抵抗切應(yīng)變的能力。 泊松比（ ）依據(jù)體積不變?cè)?，縱向伸長(zhǎng)，那么橫向必然收縮 （單向-X方向受力狀態(tài)下） 它反映材料橫向正應(yīng)變與受力方向 正應(yīng)變的相對(duì)比值。,15,1-2 彈性變形,2、彈性性能,體積彈性模量（K） 剛度：工程上彈性模型稱為剛度， 表征金屬材料對(duì)彈性變形的抗力。 各向異性 單晶體金屬表現(xiàn)為彈性各向異性 多晶體金屬表現(xiàn)為偽各向同行（單個(gè)晶粒彈性模量的各向統(tǒng)計(jì)平均值）,16,1-2 彈性變形,2、彈性性能,彈性模量影響因素 金屬原子本性和晶格類型 原子間作用力與原子距離 應(yīng)力與

9、應(yīng)變 彈性模量 合金化、熱處理、冷塑性變形 溫度、加載速率 彈性模量主要取決于結(jié)合鍵本性和原子結(jié)合力 共價(jià)鍵材料金屬鍵材料分子鍵結(jié)合的高分子材料,均對(duì)彈性模量影響不大,17,1-2 彈性變形,2、彈性性能,彈性比功（彈性比能、應(yīng)變比能） 一般用金屬在塑性變形開(kāi)始前單位體積材料 吸收的最大彈性變形功表示。,18,1-2 彈性變形,3、彈性不完整性（彈性后效）,在滯彈性變形期間產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變稱為滯彈性應(yīng)變。滯彈性應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況如圖中下半部分所示。其中，正彈性后效CE段和反彈性后效GF段的滯彈性應(yīng)變都是時(shí)間的函數(shù)，而瞬時(shí)彈性應(yīng)變oa段和bd段則與時(shí)間無(wú)關(guān)。,實(shí)際金屬在外力作用下產(chǎn)生彈性變形

10、，開(kāi)始時(shí)沿OA線產(chǎn)生瞬時(shí)彈性應(yīng)變OC，如果載荷保持不變，還產(chǎn)生隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加的應(yīng)變CH。這種在加載狀態(tài)下產(chǎn)生的滯彈性變形稱為正彈性后效。卸載時(shí)，延BD線只有應(yīng)變DH立即消失，而應(yīng)變OD是卸載后隨時(shí)間延長(zhǎng)才緩慢消失的，這種在卸載后產(chǎn)生的滯彈性變形稱為反彈性后效。,G,19,1-2 彈性變形,3、彈性不完整性（彈性滯后環(huán)）,彈性滯后環(huán)：彈性變形時(shí)因應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，使加載線和卸載線不重合而形成的回線稱為彈性滯后環(huán)。,彈性滯后環(huán)的形狀主要與載荷類型和加載速率有關(guān)!,加載時(shí)消耗在變形上的功大于卸載時(shí)金屬恢復(fù)變形所做的功，換面積大小代表被金屬吸收的那部分功。,交變循環(huán)載荷，加載速度緩慢 交變循環(huán)

11、載荷，加載速度較快,20,1-2 彈性變形,3、彈性不完整性（彈性滯后環(huán)）,內(nèi)耗：由彈性滯后環(huán)表征的加載時(shí)消耗于金屬的變形功大于卸載時(shí)金屬釋放的變形功。而殘留在金屬內(nèi)部的部分變形功，其大小可由滯后環(huán)的面積表示。 循環(huán)韌性：一個(gè)應(yīng)力循環(huán)中金屬的內(nèi)耗稱為循環(huán)韌性。 意義：反映材料在單向或交變循環(huán)載荷作用下，能以不可逆的能量方式吸收而又不破壞的能力，即有靠自身消除機(jī)械振動(dòng)的能力（消震性）。 應(yīng)用：工程上有截然相反的要求。儀器、儀表中的測(cè)力彈簧不允許有彈性后效，以保證其測(cè)量精度；而不允許有附加振動(dòng)的零件（如床身、葉片等）要求使用循環(huán)韌性較大的材料，以達(dá)到消震的目的。,21,1-2 彈性變形,3、彈性不

12、完整性（包申格效應(yīng)）,包申格效應(yīng)：金屬材料經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形， （1）卸載后同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（彈性極限或屈服極限）增加。 （2）反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低。,初始?jí)嚎s：彈性極限為176MPa 卸載后二次壓縮：彈性極限為287MPa,初始?jí)嚎s：彈性極限為176MPa 卸載后二次拉伸：彈性極限為85MPa,22,1-2 彈性變形,3、彈性不完整性（包申格效應(yīng)）,包申格效應(yīng)產(chǎn)生原因：位錯(cuò)理論 初次加載變形時(shí)，位錯(cuò)源在滑移面上產(chǎn)生的位錯(cuò)受阻，塞積后產(chǎn)生背應(yīng)力，背應(yīng)力反作用于位錯(cuò)源，當(dāng)背應(yīng)力做夠大時(shí)，可使位錯(cuò)源停止開(kāi)動(dòng)。預(yù)變形時(shí)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向和背應(yīng)力的方向相反。 當(dāng)反向加載時(shí)位錯(cuò)

13、運(yùn)動(dòng)的方向和背應(yīng)力方向一致，背應(yīng)力幫助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，塑性變形相對(duì)容易。,23,1-2 彈性變形,3、彈性不完整性（包申格效應(yīng)）,應(yīng)用：大型輸氣管道管線的UOE制造工藝 U階段：將板材沖壓成U形 O階段：將U形板徑向壓縮成O形 E階段：周邊焊接，內(nèi)徑擴(kuò)展達(dá)到給定大小 注意：包申格效應(yīng)大的材料，內(nèi)應(yīng)力較大。,希望非常小的包申格效應(yīng)，減低管子成型后的強(qiáng)度損失,消除： （1）予以較大殘余塑性變形 （2）在引起金屬回復(fù)或再結(jié)晶的溫度下退火 鋼在400-500 以上退火，銅合金在250-270 以上退火。,24,Company Logo,1-3 塑性變形,1、塑性變形方式和特點(diǎn),塑性變形的方式： 位錯(cuò)滑移：最

14、主要的變形機(jī)制。 滑移是金屬材料在切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)沿滑移面和滑移方向運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的切邊過(guò)程。 滑移面：原子最密排面； 滑移方向：原子最密排方向。 滑移系：滑移面和滑移向的組合?；葡翟蕉?，材料的 塑性越好。 孿生：重要的變形機(jī)制，一般發(fā)生在低溫形變或快速形變時(shí)。受晶體結(jié)構(gòu)的影響較大：fccbcchcp,25,Company Logo,1-3 塑性變形,1、塑性變形方式和特點(diǎn),宏觀現(xiàn)象 1）單晶材料（右圖） 2）多晶材料，如光滑低碳鋼樣品， 拉伸后產(chǎn)生45度平行線 結(jié)論 塑性變形是一個(gè)切變過(guò)程； 原子層之間發(fā)生相對(duì)位移，作用力是切應(yīng)力。,26,Company Logo,1-3 塑性變形,1、塑性

15、變形方式和特點(diǎn),塑性變形的特點(diǎn)： 各晶粒塑性變形的不同時(shí)性和不均勻性 （1）滑移的臨界分切應(yīng)力 =(P/A)coscos 外應(yīng)力與滑移面法線夾角； 外應(yīng)力與滑移向的夾角； = coscos稱為取向因子。 （2）因?yàn)楦骶Я５娜∠虿煌?，coscos不同 （3）對(duì)于具體材料，還存在母相和第二相的種類、 數(shù)量、尺寸、形態(tài)、分布的影響。 （4）晶粒取向：影響滑移先后。,有利取向和不利取向,27,Company Logo,1-3 塑性變形,1、塑性變形方式和特點(diǎn),塑性變形的特點(diǎn)： 變形的相互協(xié)調(diào)性 多晶體作為一個(gè)整體，不允許晶粒僅在一個(gè)滑移系中變形， 否則將造成晶界開(kāi)裂。 五個(gè)獨(dú)立的滑移系開(kāi)動(dòng)，才能確保產(chǎn)

16、生任何方向不受約束的塑性變形。 塑性變形后金屬的晶格發(fā)生點(diǎn)陣畸變，儲(chǔ)存能量，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。第一、第二內(nèi)應(yīng)力。彈性應(yīng)變產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力 塑性應(yīng)變量提高，金屬?gòu)?qiáng)度增大，產(chǎn)生加工硬化。,28,Company Logo,1-3 塑性變形,2、屈服現(xiàn)象及其本質(zhì),金屬的物理屈服：在金屬塑性變形的開(kāi)始階段，外力不增加、甚至下降的情況下，而變形繼續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象，稱為物理屈服。 現(xiàn)象：上屈服點(diǎn)，下屈服點(diǎn)， 平臺(tái)，鋸齒,29,Company Logo,1-3 塑性變形,2、屈服現(xiàn)象及其本質(zhì),物理屈服過(guò)程： AB點(diǎn)：肩部開(kāi)始產(chǎn)生滑移線，產(chǎn)生呂德斯帶； BC點(diǎn)：變形開(kāi)始后，呂德斯 帶擴(kuò)大直到貫通整個(gè)樣品； C點(diǎn)：屈服平臺(tái)結(jié)束；

17、 CD點(diǎn)：均勻塑性變形； D點(diǎn)：開(kāi)始頸縮； DK點(diǎn)：頸縮階段； K點(diǎn)：斷裂,D,K,30,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,金屬材料一般是多晶體合金，往往具有多相組織，因此，討論影響屈服強(qiáng)度的因素，必須注意以下幾點(diǎn)： 屈服變形是位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果； 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； 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。 以下我們將從內(nèi)、外兩方面因素來(lái)進(jìn)行分析。,31,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)在因素 1、金屬本性及晶格類型 2、晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 3、溶質(zhì)元素 4、第二相 影響

18、屈服強(qiáng)度的內(nèi)在因素 1、溫度 2、應(yīng)變速率 3、應(yīng)力狀態(tài),32,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,1、金屬本性及晶格類型 純金屬單晶體的屈服強(qiáng)度由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力決定的，這些阻力有晶格阻力、位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力等。 晶格阻力即派納力。派納力與位錯(cuò)寬度和柏氏矢量有關(guān)，兩者又與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。 相變強(qiáng)化：通過(guò)熱處理方式，在不改變金屬成分的前提下，改變金屬的晶格結(jié)構(gòu)，使金屬的強(qiáng)度得以提高的方法。,33,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,1、金屬本性及晶格類型 純金屬單晶體的屈服強(qiáng)度由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力決定的，這些阻力有晶

19、格阻力、位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力等。 位錯(cuò)間交互產(chǎn)生的阻力，包括平行位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力和運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生的阻力。用公式表示：=aGb/L，式中 比例系數(shù)。 因?yàn)槲诲e(cuò)密度與1/L2成正比，故上式又可寫為：=aGb ，由此可見(jiàn)，增加，也增加，所以屈服強(qiáng)度也隨之提高。,34,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,2、晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 晶粒大小的影響是晶界影響的反映，減小晶粒尺寸將增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群的長(zhǎng)度，使屈服強(qiáng)度提高。 許多金屬與合金的屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系均符合霍爾派奇(HallPetch)公式： i 位錯(cuò)在基體金屬中運(yùn)

20、動(dòng)的總阻力，亦稱摩擦阻力，決定于晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)密度；ky 度量晶界對(duì)強(qiáng)化貢獻(xiàn)大小的釘扎常數(shù)，或表示滑移帶端部的應(yīng)力集中系數(shù)；d 晶粒平均直徑。,35,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,2、晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 細(xì)晶強(qiáng)化：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。這種通過(guò)細(xì)化晶粒尺寸提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。 亞晶界的作用與晶界類似，也阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。不同之處在于： （1）霍爾-派奇公式中的ky值不同。同無(wú)亞晶的材料相比， ky值低1/24/5。且d為亞晶粒的直徑。

21、 （2）在亞晶界上產(chǎn)生屈服變形所需的應(yīng)力對(duì)亞晶間的取向差不是很敏感的。,36,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,3、溶質(zhì)元素 固溶強(qiáng)化：在純金屬中加入溶質(zhì)原子(間隙型或置換型)形成因溶合金(或多相合金中的基體相)，將顯著提高屈服強(qiáng)度，此即為固镕強(qiáng)化。 通常，間隙固溶體的強(qiáng)化效果大于置換固溶體。右圖所示。 在固溶合金中，由于溶質(zhì)原子和溶劑原子直徑不同，在溶質(zhì)周圍形成了晶格畸變應(yīng)力場(chǎng)該應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生交互作用，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而使屈服強(qiáng)度提高。,低碳鐵素體中固溶強(qiáng)化效果,37,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,4、第二相

22、工程上的金屬材料，其顯微組織一般是多相的。除了基體產(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)的強(qiáng)化效果與質(zhì)點(diǎn)本身在金屬材料屈服變形過(guò)程中能否變形有很大關(guān)系。據(jù)此可將第二相質(zhì)點(diǎn)分為不可變形的和可變形的兩類。,38,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,4、第二相 （a）不可變形的第二相質(zhì)點(diǎn) 根據(jù)位錯(cuò)理論，位錯(cuò)線只能繞過(guò)不可變形的第二相質(zhì)點(diǎn)。 1）為此，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必須克服位錯(cuò)彎曲所產(chǎn)生的線張力，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加。 2）位錯(cuò)繞過(guò)第二相質(zhì)點(diǎn)后，在第二相質(zhì)點(diǎn)周圍留下位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)環(huán)對(duì)后續(xù)位錯(cuò)產(chǎn)生斥力，再次提高位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。,39,Company Logo,

23、1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,（b）可變形的第二相質(zhì)點(diǎn) 對(duì)于可變形的第二相質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)可以切過(guò)第二相質(zhì)點(diǎn)，使之與基體一起變形，由此也能提高屈服強(qiáng)度。 彌散強(qiáng)化：金屬中的第二相質(zhì)點(diǎn)通過(guò)粉末冶金等方法獲得。 沉淀強(qiáng)化（析出強(qiáng)化）：金屬中的第二相質(zhì)點(diǎn)通過(guò)固溶處理家時(shí)效等方法獲得。 第二相的強(qiáng)化效果還與其尺寸、形狀、數(shù)量和分布以及第二相與基體的強(qiáng)度、塑性相應(yīng)變硬化待性、兩相之間的晶體學(xué)配合和界面能等因素有關(guān)。,40,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,1、溫度 一般升高溫度，金屬材料的屈服強(qiáng)度降低。同時(shí)，金屬晶體結(jié)構(gòu)不同，其變化趨勢(shì)并不一樣，如圖所示。 在bc

24、c金屬（如Fe）中，p-n （晶格阻力）值較fcc金屬（如Ni）高很多，p-n 在屈服強(qiáng)度中占有較大比例，而p-n屬短程力，對(duì)溫度十分敏感。因此，bcc金屬的屈服強(qiáng)度具有強(qiáng)烈的溫度效應(yīng)可能是p-n 起主要作用。,41,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,2、應(yīng)變速率 應(yīng)變速率增大，金屬材料的強(qiáng)度增加。由圖可見(jiàn)，屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化較抗拉強(qiáng)度的變化要?jiǎng)×业枚唷?應(yīng)變速率硬化：因應(yīng)變速率增加而產(chǎn)生的強(qiáng)度提高效應(yīng)的現(xiàn)象。,應(yīng)變速率對(duì)材料強(qiáng)度的影響,42,Company Logo,1-3 塑性變形,3、影響屈服強(qiáng)度的因素,3、應(yīng)力狀態(tài) 應(yīng)力狀態(tài)也影響屈服強(qiáng)度。位錯(cuò)運(yùn)

25、動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力是切應(yīng)力，切應(yīng)力分量愈大，愈有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度則愈低。 所以扭轉(zhuǎn)比拉伸的屈服強(qiáng)度低，拉伸要比彎曲的屈服強(qiáng)度低，但三向不等拉伸下的屈服強(qiáng)度量最高。 要注意，不同應(yīng)力狀態(tài)下材料屈服強(qiáng)度不同，并非是材料性質(zhì)變化，而是材料在不同條件下表現(xiàn)的力學(xué)行為不同而已。,43,Company Logo,1-3 塑性變形,4、加工硬化（應(yīng)變硬化、形變強(qiáng)化）,在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上，PB為均勻塑性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系滿足： 其中，n為加工硬化指數(shù)，K為強(qiáng)度系數(shù)。 對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，得到： 理想彈性體（n=1） 理想塑性體（n=0）,44,1-3 塑性變形,4、加工硬化（應(yīng)變硬化、形變強(qiáng)化）,加工

26、硬化指數(shù)n反映了材料開(kāi)始屈服后，繼續(xù)變形時(shí)材料的應(yīng)變硬化情況，它決定了材料開(kāi)始發(fā)生頸縮時(shí)的最大應(yīng)力（ ）。根據(jù)頸縮判據(jù)，出現(xiàn)頸縮時(shí) 。也就是說(shuō)，n決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻變形量。n在冷加工工藝中的重要性。,45,1-3 塑性變形,4、加工硬化（應(yīng)變硬化、形變強(qiáng)化）,例： 低碳鋼深沖薄板 低碳鋼：n=0.2 鋁合金：加工硬化能力較低，成型困難 工作零件加工硬化能力的要求 過(guò)量塑性變形，產(chǎn)生局部不均勻的變形或斷裂 形變硬化是提高材料強(qiáng)度的重要手段 例如： （1）不銹鋼的冷變形加工、高碳鋼鉛浴等溫處理后的拉拔。（強(qiáng)度提高、塑性降低） （2）汽車工業(yè)中的復(fù)相鋼（鐵素體+15%馬氏體）。（強(qiáng)度和塑性

27、均提高）,46,1-3 塑性變形,1.3.5 頸縮現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度,頸縮：是韌性金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)變形集中于局部區(qū)域的現(xiàn)象，是材料應(yīng)變硬化（物理因素）與試樣橫截面減?。◣缀我蛩兀┕餐饔玫慕Y(jié)果。 頸縮判據(jù) 當(dāng)金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)等于最大真實(shí)均勻塑性應(yīng)變量時(shí)，產(chǎn)生頸縮。 頸縮前的變形是在單向應(yīng)力條件下進(jìn)行的，頸縮開(kāi)始后，頸部的應(yīng)力狀態(tài)由單向應(yīng)力變?yōu)槿驊?yīng)力：軸向應(yīng)力S1、徑向應(yīng)力Sr和切向應(yīng)力St。,47,1-3 塑性變形,1.3.5 頸縮現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度,縮頸頸部的應(yīng)力狀態(tài)及其修正 這里： 為三向應(yīng)力條件下的軸真應(yīng)力； 為修正后的軸真應(yīng)力。,拉伸試樣頸部應(yīng)力狀態(tài),真應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其修正,48

28、,1-3 塑性變形,1.3.5 頸縮現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度,：試樣斷裂前所承受的最大應(yīng)力(工程應(yīng)力)。 物理意義： 對(duì)塑性較好的材料， 表征材料最大均勻塑性變形的抗力，但不代表其斷裂抗力。 對(duì)塑性很差的材料，若沒(méi)有或只有極小的均勻塑性變形，則 才能反映材料的斷裂抗力。 只表征材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力。僅在特定的情況下， 才能反映材料的斷裂抗力。,49,1-3 塑性變形,1.3.5 頸縮現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度,工程意義： 代表了靜拉伸條件下實(shí)際零件所能承受的最大載荷； 易于測(cè)定，重現(xiàn)性好； 對(duì)材料的組織較敏感。 因此， 是工程設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的力學(xué)性能指標(biāo)。,50,1-3 塑性變形,1.3.6 塑性,斷后

29、伸長(zhǎng)率 :指試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。 注意：斷后伸長(zhǎng)是由均勻伸長(zhǎng)和局部集中伸長(zhǎng)二部分組成。 為使測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率具有可比性，必須采用比例標(biāo)距的試樣。這是因?yàn)榫植考凶冃嗡鸬纳扉L(zhǎng)與試樣的原始橫截面積的平方根成正比，使總伸長(zhǎng)與試樣幾何相關(guān)。即： 采用比例標(biāo)距試樣： 與 的短試樣和長(zhǎng)試樣 ，所得到的斷后伸長(zhǎng)率用 和 表示。,51,1-3 塑性變形,1.3.6 塑性,最大力下的總伸長(zhǎng)率 ： 試樣拉到最大力時(shí)標(biāo)距總伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。 最大力下的非比例伸長(zhǎng)率 用非比例伸長(zhǎng)計(jì)算的最大力下的伸長(zhǎng)率。 測(cè)定方法：均采用圖解法（見(jiàn)右圖）。,圖2.15,和n的關(guān)系：,52,1-3 塑性變

30、形,1.3.6 塑性,斷面收縮率 ：試樣拉斷后，頸縮斷裂處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積之比。 式中：S為拉斷后頸縮處最小橫截面積。 一般地， 比 值能更好地反映材料的真實(shí)極限變形能力。所以，測(cè)定 比測(cè)定 更有意義，且對(duì)組織更敏感。 二者間關(guān)系： （B點(diǎn)之前）,53,1-3 塑性變形,1.3.6 塑性,金屬材料塑性與強(qiáng)度的關(guān)系 一般來(lái)講，材料的強(qiáng)度提高，其變形抗力提高，變形能力下降，塑性降低。 （1）相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、加工硬化及第二相彌散強(qiáng)化一般都會(huì)使塑性降低； （2）細(xì)晶強(qiáng)化不僅提高強(qiáng)度還使塑性提高。,54,1-3 塑性變形,1.3.6 韌性的概念及靜力韌度分析,韌性：指材料在斷裂前吸

31、收塑性變形功和斷裂功的能力。 可分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。 靜力韌度：金屬材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料斷裂前所吸收的功。 計(jì)算公式： 表示為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。 工程近似計(jì)算：,55,1-4 材料的斷裂,1.3.6 韌性的概念及靜力韌度分析,材料在塑性變形過(guò)程中，也在產(chǎn)生微孔，微孔的產(chǎn)生與發(fā)展，導(dǎo)致材料中微裂紋的形成與長(zhǎng)大，這種損傷達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，裂紋失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)最終的斷裂。 塑性變形 裂紋的形成 裂紋擴(kuò)展 斷裂,56,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,材料的宏觀斷裂類型根據(jù)不同的分類方法而異 （1）按斷前有無(wú)產(chǎn)生明顯的塑性變形：韌性斷裂和脆性斷裂?？梢怨饣煸嚇訑嗝媸?/p>

32、縮率等于5%為界。 （2）按斷裂機(jī)理分類：切離、微孔聚集型斷裂、解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂和沿晶斷裂。 （3）按斷裂面的取向或按作用力方式：正斷和切斷。,57,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,斷裂前不發(fā)生明顯塑性變形脆性 玻璃、陶瓷、硬塑料 高強(qiáng)度鋼 斷裂前發(fā)生明顯塑性變形 韌性 低強(qiáng)度鋼、銅、鋁、鉛,58,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,”脆性斷裂”所需的能量：分開(kāi)原子新表面的表面能 ”韌性斷裂”所需的能量：分開(kāi)原子新表面的表面能+塑性變形消耗的能量（遠(yuǎn)大于前兩者之和）,59,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,韌性斷裂：金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變

33、形的斷裂。,斷口(形態(tài))一般可由以下三部分組成： 1纖維區(qū)：因頸縮后試樣心部的應(yīng)力最大，所以裂紋開(kāi)始于試樣心部。實(shí)際上試樣中心部分最先出現(xiàn)一些已明顯可見(jiàn)的顯微空洞（微孔或微裂紋），隨后長(zhǎng)大、聚集而形成鋸齒狀纖維斷口。通常立體上呈環(huán)狀。 2放射區(qū)：環(huán)狀纖維區(qū)發(fā)展到一定尺寸（臨界裂紋尺寸）后，裂紋開(kāi)始快速擴(kuò)展（失穩(wěn)擴(kuò)展）而形成放射區(qū)。表現(xiàn)為宏觀正斷，但微觀上并非正斷（解理）。與纖維區(qū)不同，放射區(qū)是在裂紋到達(dá)臨界尺寸后進(jìn)行快速低能撕裂的結(jié)果。 3剪切唇：放射區(qū)形成后，試樣承載面積只剩下最外側(cè)的環(huán)狀面積，最后由拉伸應(yīng)力的分切應(yīng)力所切斷，形成剪切唇。,60,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂

34、,光滑圓柱試樣受拉伸力作用，產(chǎn)生縮頸時(shí)試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿?，且中心區(qū)軸向應(yīng)力最大。 在中心三向拉應(yīng)力作用下，塑性變形難于進(jìn)行，致使其中的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)本身碎裂，或使夾雜物與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長(zhǎng)大和聚合就形成顯微裂紋。顯微裂紋形成、擴(kuò)展過(guò)程重復(fù)進(jìn)行就形成鋸齒狀的纖維區(qū)。 裂紋達(dá)臨界尺寸后就快速擴(kuò)展而形成有放射線花樣特征的放射區(qū)。放射線平行于裂紋擴(kuò)展方向而垂直于裂紋前端（每一瞬間）的輪廓線，并逆指向裂紋源。 最后由拉伸應(yīng)力的分切應(yīng)力切斷，形成與拉伸軸呈45的杯狀或錐狀剪切唇。,杯錐狀斷口形成示意圖,61,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,圓柱形拉伸試樣 斷

35、裂面與正應(yīng)力垂直，斷口平齊、光亮。斷面上的放射狀條紋匯聚于一個(gè)中心，此中心區(qū)域就是裂紋源。,板狀矩形截面拉伸試樣 “人”字紋花樣的放射方向與裂紋擴(kuò)展方向平行，但其尖頂指向裂紋源。,裂紋源,脆性斷裂的宏觀斷口形態(tài),脆性斷裂斷口的放射狀花樣 脆性斷裂斷口的人字紋花樣,62,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑沿晶斷裂和穿晶斷裂 1沿晶斷裂：指裂紋沿晶界擴(kuò)展，大多是脆性斷裂。 在多晶體變形中，晶界起協(xié)調(diào)相鄰晶粒變形的作用，當(dāng)晶界受到損傷，其變形能力被消弱，不足以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形時(shí)，便形成晶界斷裂。 斷裂機(jī)制： （1）晶界上存在脆性相析出（過(guò)共析鋼中二次滲碳體析出） （

36、2）高溫晶界變?nèi)酰訜釡囟冗^(guò)高，晶界熔化） （3）有害元素沿晶界富集（合金鋼的回火脆性） （4）晶界上有彌散相析出（奧氏體高錳鋼固溶-碳化物） （5）腐蝕環(huán)境下晶界被腐蝕等原因使晶界脆化或弱化所致。,63,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑沿晶斷裂和穿晶斷裂 1沿晶斷裂 斷裂過(guò)程： 沿晶斷裂過(guò)程包括裂紋的形成與擴(kuò)展。晶界受損的材料受力變形時(shí)，晶內(nèi)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)受阻于晶界，在晶界處造成應(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。 此集中應(yīng)力與位錯(cuò)塞積群中的位錯(cuò)數(shù)目和滑移帶長(zhǎng)度有關(guān)，即：,64,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑沿晶

37、斷裂和穿晶斷裂 1沿晶斷裂 斷口形貌：沿晶斷裂的性質(zhì)取決于 與的的相對(duì)大小 當(dāng) 時(shí)，晶界開(kāi)裂發(fā)生于宏觀屈服之前，晶界無(wú)塑性變形，斷裂呈宏觀脆性，產(chǎn)生冰糖狀斷口； 當(dāng) 時(shí)，先發(fā)生宏觀屈服變形及形變強(qiáng)化，晶界有塑性變形，在完成一定的變形量后發(fā)生微孔型沿晶斷裂，產(chǎn)生石狀斷口。,65,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑沿晶斷裂和穿晶斷裂 1沿晶斷裂,66,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑沿晶斷裂和穿晶斷裂 2穿晶斷裂 穿晶斷裂：指裂紋沿晶內(nèi)（穿過(guò)晶粒）擴(kuò)展。 穿晶斷裂可依據(jù)不同的微觀斷裂機(jī)制而具有不同的微觀斷口形貌特征，主要有解理、微孔

38、聚集、準(zhǔn)解理等。 一般地，從宏觀上看，沿晶斷裂多為脆性斷裂，而穿晶斷裂則既可以是脆性斷裂，也可以是韌性斷裂。,67,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,(1) 微孔聚合剪切斷裂 剪切斷裂一般是韌性斷裂，有微孔聚合型剪切斷裂和純剪切斷裂兩類。后者主要是在單晶體或高純金屬中出現(xiàn)。前者則是在常用金屬材料中出現(xiàn)的形式。 微觀特征：主要是韌窩 通常，對(duì)微觀斷口上的韌窩內(nèi)部進(jìn)行仔細(xì)觀察，觀察到的韌窩只是顯微空洞的一半，而在對(duì)應(yīng)的斷口上必有一對(duì)應(yīng)的韌窩，二者的底部，至少其中之一有夾雜物粒子存在。此外，韌窩也可在晶界、孿晶界及相界處形核，此時(shí)韌窩中可能沒(méi)有第二相粒子。,68,1-4 材料的斷裂,1

39、.6.1 金屬材料的斷裂,微孔聚合斷裂（韌窩形成）過(guò)程,韌窩的形成與異相粒子有關(guān) 在外力作用下產(chǎn)生塑性變形時(shí)，異相阻礙基體滑移，便在異相與基體滑移面交界處造成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到異相與基體界面結(jié)合強(qiáng)度或異相本身強(qiáng)度時(shí)，會(huì)使二者界面脫離或異相自身斷裂，從而形成裂紋（微孔），并不斷擴(kuò)大，最后使夾雜物之間基體金屬產(chǎn)生“內(nèi)頸縮”，當(dāng)頸縮達(dá)到一定程度后基體金屬被撕裂或剪切斷裂，使空洞連接，從而形成韌窩斷口形貌。,69,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,韌窩形貌,70,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,影響韌窩形成的因素,韌窩的形成位置、形狀、大小和深淺受很多因素影響，大致

40、歸納起來(lái)可分為三個(gè)方面。 （1）成核粒子的大小和分布； （2）材料的塑性變形能力，尤其是形變硬化的能力； （3）外部因素（包括應(yīng)力大小、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、變形速度等）。,71,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,韌窩的形狀主要取決于應(yīng)力狀態(tài)或應(yīng)力與斷面的相對(duì)取向。 如圖，當(dāng)正應(yīng)力垂直于微孔的平面，使微孔在此平面上各方向長(zhǎng)大傾向相同時(shí)，則形成等軸韌窩 （圖a）；當(dāng)切應(yīng)力平行于微孔截 面時(shí)，在切應(yīng)力作用下微孔被拉長(zhǎng)， 斷裂時(shí)形成的韌窩必是拋物線狀， 且在對(duì)應(yīng)斷面上的拋物線方向相反 （圖 b），形成拉長(zhǎng)韌窩；當(dāng)微孔 在不均勻拉伸或彎曲加載的拉應(yīng)力 作用下時(shí)，斷口上也形成被拉長(zhǎng)的 拋物線狀韌

41、窩，但對(duì)應(yīng)斷面上的拋 物線方向相同，都指向裂紋源（圖 c），形成撕裂韌窩。,不同應(yīng)力狀態(tài)下的韌窩形態(tài),72,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,（2）解理斷裂 定義：指在拉伸應(yīng)力作用下，沿一定結(jié)晶面而分離的斷裂。所分離的結(jié)晶面稱為解理面。 一般地，解理斷裂是脆性斷裂，而脆性斷裂卻不一定是解理斷裂，且解理斷裂也可以是在有一定塑性變形后產(chǎn)生，所以，解理斷裂與脆性斷裂不能完全等同。 解理面一般是低指數(shù)晶面，原因是低指數(shù)晶面一般表面能低，理論斷裂強(qiáng)度最低，優(yōu)先產(chǎn)生斷裂。通常，體心立方（100面）和密排六方（0001面）金屬中易發(fā)生解理斷裂，而面心立方金屬只在特殊情況下才產(chǎn)生。,73,1-4

42、 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,解理斷口的微觀形貌特征 對(duì)于理想單晶體而言，解理斷裂可以是完全沿單一結(jié)晶面的分離，其解理斷口是一毫無(wú)特征的理想平面。 在實(shí)際晶體中，由于缺陷的存在，斷裂并不是沿單一的晶面解理，而是沿一組平行的晶面解理，從而在不同高度上平行的解理面之間形成解理臺(tái)階。從垂直斷面上看，臺(tái)階匯合形成一種所謂的河流花樣，這是解理斷裂最主要的微觀特征。,74,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,河流花樣特征,75,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,舌狀花樣特征,解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的舌頭狀凹坑或凸臺(tái)。,76,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的

43、斷裂,舌狀花樣特征,形成機(jī)制：解理裂紋遇到孿晶，解理裂紋沿孿晶面擴(kuò)展，越過(guò)孿晶面后繼續(xù)沿解理面擴(kuò)展，而形成舌狀花樣。,解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的舌頭狀凹坑或凸臺(tái)。,77,1-4 材料的斷裂,1.6.1 金屬材料的斷裂,（3）準(zhǔn)解理 指解理和微孔聚合斷裂的混合。 微觀特征：有輻射狀的河流花樣，也有韌窩，且在小平面內(nèi)和小平面之間還有撕裂棱。 準(zhǔn)解理與解理的對(duì)比： 共同點(diǎn)：都是穿晶斷裂，有小解理刻面、臺(tái)階或撕裂棱及河流花樣。 不同點(diǎn)：準(zhǔn)解理斷裂常起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣；而解理裂紋則起始于晶界。 準(zhǔn)解理是通過(guò)解理臺(tái)階和撕裂棱把解理和微孔聚合兩種斷裂機(jī)理?yè)胶驮谝黄?，二者沒(méi)有截然的劃分。,78,1-4 材料的斷裂,1.6.