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1、绪绪 论论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。同时，也取决于载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等因素。金属力学性能的物理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金属力学性能的物理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。过程有关。第1页/共183页绪绪 论论金属力学性能课程的主要内容是：1.金属材料在各种服役条件下的变形和断裂现象及微观机理。2.指标的本质、物理
2、意义、实用意义，以及各种指标间的相互关系。3.了解影响力学性能的因素，以及提高金属力学性能的方向和途径。4.金属力学性能指标的测试技术。第2页/共183页本章主要介绍的基本内容1.力学性能指标的物理概念及实用意义。2.讨论金属弹性变形、塑性变形及断裂的基本规律和原理。3.探讨改变性能指标的途径和方向。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第3页/共183页第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能主要包括：强度（s；0.2；b；）、塑性（；）。光滑试样单向静拉伸试验方法的主要特点：试验过程中，温度、应力状态和加载速率是一定的。试样通常为光滑圆柱形状。揭示了工件三种失效形式，即过量弹性变形、过量塑
3、性变形和断裂的过程。标定出材料最基本的力学性能指标。第4页/共183页第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第5页/共183页1力伸长曲线和应力应变曲线力伸长曲线是拉伸试验中，记录拉伸力对伸长的关系曲线。第6页/共183页1力伸长曲线和应力应变曲线力力伸长曲线伸长曲线o-e段，弹性变形阶段，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。第7页/共183页1力伸长曲线和应力应变曲线应力应变曲线，将力伸长曲线的纵横坐标分别以拉伸试样的原始截面积A、原始标距长度L去除，则
4、得到应力应变曲线。称为“工程应力应变曲线”第8页/共183页1力伸长曲线和应力应变曲线真实应力应变曲线，用拉伸过程中每一瞬间的真实应力和真实应变 绘制的曲线第9页/共183页1力伸长曲线和应力应变曲线其中：S:为真应力；e(e)为真应变；第10页/共183页2 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,称为“弹性”。而此时产生的变形称为“弹性变形”.弹性变形的特点：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的几分之一
5、。故弹性变形量小于1。第11页/共183页2 弹 性 变 形一、弹性变形及实质金属材料的弹性变形可以用双原子模型来解释。第12页/共183页2 弹 性 变 形平衡状态下，金属中的原子在平衡位置附近振动。相邻两个原子之间的作用力由引力和斥力迭加而成。其中引力是由金属正离子和自由电子间的库仑力所产生，而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致。引力和斥力都是原子间距的函数。A、r0：与原子本性或晶体、晶格类型与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数。有关的常数。第13页/共183页2 弹 性 变 形上式中第一项为引力，第二项为斥力。由上式可以看出，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
6、力较小时，原子偏离平衡位置不远，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。第14页/共183页2 弹 性 变 形由双原子模型可以看出：F为零时，为平衡状态，即 。当 时斥力接近于零，F最大,记为 。是拉伸时两原子间的最大结合力。对应的原子间距为 ，当拉伸过程中 时，就可以克服原子之间的引力而分离，因此，也就是材料在弹性状态下的断裂载荷（断裂抗力）。就是弹性状态下最大的弹性变形量大约为23。（理论）第15页/共183页二、弹性模量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。（对金属无意义）拉伸时为杨氏模量即：剪切时为切变模量即：其中E和G分别为杨
7、氏模量、切变模量。2 弹 性 变 形第16页/共183页单晶体的弹性模量呈各向异性。多晶体的弹性模量呈伪同向性，为统计平均值。弹性模量决定于原子本性和晶格类型。溶质原子可改变晶格常数，但影响不大。（碳钢与合金钢弹性模量差别小于12）热处理（显微组织）对弹性模量影响不大（晶粒大小、第二相分布影响不大，淬火后E值略有下降，但回火后又得以恢复）。铸铁E值与石墨形态有关，片状较低，而球状较高。2 弹 性 变 形第17页/共183页2 弹 性 变 形冷塑性变形使E值下降，出现形变织构时出现各向异性。温度升高，E值下降（35/100），但在5050范围内变化不大。加载速率对E值影响不大（弹性变形速率接近声
8、速，远大于静拉伸加载数率）。综上所述，E值是一个较稳定的力学性能指标，外在因素对其影响不大。第18页/共183页2 弹 性 变 形几种材料在常温下的弹性模量：第19页/共183页2 弹 性 变 形刚度：工程上材料的弹性模量代表材料的刚度，表现为材料抵抗弹性变形的能力。构件的刚度，通常取决于材料本身的性质和构件的截面形状与面积，与材料的状态无关。第20页/共183页2 弹 性 变 形三、比例极限与弹性极限1.比例极限：应力与应变在正比关系范围内的最大应力。2.弹性极限：材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力。第21页/共183页2 弹 性 变 形四、弹性比功（弹性比能、应变比能）金属材料吸收弹性
9、变形功的能力。一般用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功来表示。第22页/共183页2 弹 性 变 形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。第23页/共183页2 弹 性 变 形几种金属材料的弹性比功：第24页/共183页3 弹 性 不 完 整 性完全弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方式和加载时间无关。金属材料是不完全纯弹性体，因此，即使在很小的应力作用下，也会显示出非弹性性质。其弹性变形过程除和载荷大小有关外和上述其它因素均有关。因而产生了包申格效应、弹性后效和弹性滞后等弹性不完整现象。第2
10、5页/共183页3 弹 性 不 完 整 性一、包申格（Bauschinger）效应金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于余应变小于1414），而后再同向加载，规定），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长规定残余伸长应力应力降低的现象。称为降低的现象。称为“包申格效应包申格效应”。包申格效应可使规定残余伸长应力降低1520。包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象。v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。第26页/共183页3 弹 性 不 完
11、整 性包申格效应（规定残余伸长应力）第27页/共183页3 弹 性 不 完 整 性包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力有关。第28页/共183页3 弹 性 不 完 整 性包申格应变：在给定的压力下，拉伸卸载后第二次再拉伸与拉伸卸载后第二次压缩两曲线之间的应变差。包申格应变是度量包申格效应的基本定量指标。如金属预先受大量的塑性变形，因位错增殖和难于重新分布，则在随后反向加载时，包申格应变等于零。循环软化：由于对材料反复加载，而且每次加载都要产生少量的变形，使得材料的规定残余拉伸应力下降，产生的软化现象。第29页/共183页3 弹 性 不 完 整 性材料的包申格应变 图中的b-c段为包申格应变
12、。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)。第30页/共183页3 弹 性 不 完 整 性二、弹性后效（滞弹性）加载（或卸载）时应变落后于应力而和时间有关的现象。加载时为正弹性后效，卸载时为反弹性后效。第31页/共183页3 弹 性 不 完 整 性弹性后效产生的原因：主要与金属中的点缺陷移动有关。第32页/共183页3 弹 性 不 完 整 性弹性后效速率和滞弹性应变量与材料的成分组织有关，也与试验条件有关。材料组织越不均匀，则弹性后效越明显。温度升高，弹性后效的速率和滞弹性应变
13、量都急剧增加。切应力分量越大弹性后效越强列。第33页/共183页3 弹 性 不 完 整 性三、弹性滞后和循环韧性1.弹性滞后：金属在弹性区内加载和卸载时，由于应变落后与应力，使加载与卸载线不重合而行成的一封闭回线。第34页/共183页3 弹 性 不 完 整 性由弹性滞后回线围起来的面积称为“弹性滞后环”，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，这部分被吸收的能量称为“金属的内耗”。金属内耗功的大小用该滞后环的面积度量。如果所加载荷为交变载荷则得到的滞后环为交变滞后环。如果所加最大应力低于该材料的宏观弹性极限，则所得到的滞后环为弹性滞后环。如果所加最大应力高于该材料的宏观弹性极
14、限则所得到的滞后环为塑性滞后环。第35页/共183页3 弹 性 不 完 整 性三种滞后环的类型：第36页/共183页3 弹 性 不 完 整 性2.循环韧性（消振性）金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，称为“金属的循环韧性”，也叫“金属的内耗”。循环韧性指金属在塑性变形区内加载吸收不可金属在塑性变形区内加载吸收不可逆变形功的能力逆变形功的能力。用塑性滞后环来度量。金属内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力变形功的能力，用弹性滞后环面积来度量。通常可以混用。第37页/共183页3 弹 性 不 完 整 性循环韧性的意义在于：材料的循环韧性越高，则机件依
15、靠材料自身的消振能力越好，故又称为“消振性”。通常用振动试样中自由震动振幅的自然对数值 来表示循环韧性的大小。影响循环韧性的因素与影响弹性滞后的因素类似。第38页/共183页3 弹 性 不 完 整 性自由振动衰减曲线第39页/共183页3 弹 性 不 完 整 性一些金属材料的循环韧性第40页/共183页4 塑 性 变 形一、塑性变形方式及特点金属材料常见塑性变形方式滑移和孪生。滑移是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。孪生也是滑移变形的过程,只不过和位错滑移不同的是,它是沿孪晶面整体对称滑移。滑移后的金属原子以滑移面为对称轴和未滑移的金属原子一一对称。发生孪生滑移较位错滑
16、移所需外力更大,滑移更加困难。因此,只有位错滑移不能进行的条件下才产生孪生滑移。第41页/共183页4 塑 性 变 形位错滑移与孪生滑移第42页/共183页滑移是沿着滑移面上的滑移方向进行的，通常每一个滑移面和一个滑移方向被称为一个滑移系。金属中滑移系越多则该金属越易产生位错滑移。通常金属中的滑移面在原子的最密排面上，而滑移方向为原子的最密排方向。bcc金属有6个滑移面，2个滑移方向/面，12个滑移系。而fcc金属有4个滑移面，有3个滑移方向/面，12个滑移系，但fcc金属的塑性好于bcc金属，说明滑移方向在滑移过程中的作用大于滑移面。hcp金属只有两个滑移面，有三个滑移方向/面，共6个滑移系
17、，因此hcp金属的塑性，较fcc、bcc要差。易于产生孪生变形。4 塑 性 变 形第43页/共183页4 塑 性 变 形多晶体塑性变形的特点：多晶体中每一个晶粒的塑性变形过程和单晶体相同，但各晶粒之间存在着晶界，而且各晶粒的取向不同，因此塑性变形有其特有的特点。1.各晶粒变形的不同时性和不均匀性。2.各晶粒变形的相互协调性。第44页/共183页4 塑 性 变 形二、屈服现象和屈服点材料在拉伸过程中，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，这种现象称为“屈服现象”。产生屈服现象时的应力称为“屈服点”。记为“”，试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为“上屈
18、服点”记为“”屈服阶段中的最小应力称为“下屈服点”，记为“”。第45页/共183页4 塑 性 变 形上、下屈服点、屈服平台、屈服伸长、吕德斯（Lders）线第46页/共183页4 塑 性 变 形屈服现象产生的原因：材料在拉伸过程中，当外力大于屈服极限后，在不增加外力的条件下，材料变形继续增加，并产生吕德斯（Lders）线，随时间的增加吕德斯线沿试样表面增加，直至布满试样表面，屈服现象结束。屈服伸长是一个不均匀塑性变形的过程。第47页/共183页4 塑 性 变 形屈服现象和下列三个因素有关：1.材料在变形前可动位错密度很小。2.随塑性变形的发生，位错快速增殖。3.位错运动速率与外加应力有强烈的依
19、存关系。塑性变形应变速率与可动位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比。位错运动速率决定于外加应力大小。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。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；第48页/共183页4 塑 性 变 形m:位错运动速率应力敏感指数。该指数越小，则屈服现象越明显。通常试验中上屈服点（su），波动性较大，因此常采用下屈服点来代表材料的屈服强度。第49页/共183页4 塑 性 变 形对于屈服现象不明显的材料，常采用规定微量塑性变形伸长应力来表征材料对微量塑性变形的抗力（屈服强度）。（1）规定非比例伸长应力：拉伸过程中，材料标距部分的非比例伸
20、长达到规定的原始标距的百分比时的应力。()常用的如：、(2)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。（）常用的如：等。（3）规定总伸长应力：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。(）第50页/共183页4 塑 性 变 形三、影响屈服强度的因素金属材料往往具有多相组织，故考虑影响屈服强度因素时，应注意以下三点：1.屈服变形是位错增殖和运动的结果。2.实际金属材料中，单个晶粒的力学行为不能决定整个材料的力学行为（晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分、第二相的影响等)。3.各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。第51页/共183
21、页4 塑 性 变 形（一）影响屈服强度的内在因素1.金属本性及晶格类型晶格阻力（派纳力 ）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。：位错宽度，为滑移面内原子位移大于50b区域的宽度。第52页/共183页4 塑 性 变 形位错宽度大时，原子偏离平衡位置小，晶格畸变小，派纳力小。反之，则大。滑移面的原子面间距最大，滑移方向原子间距最小，派纳力小，位错最易运动。不同的材料，其滑移面、滑移方向的原子间距不同，故派纳力也不相同。派纳力还和剪切模量G有关。第53页/共183页4 塑 性 变 形位错之间交互作用产生的阻力有两种类型：平行位错间交互作用产生的阻力。运动位错和林位错交互作用产生
22、的阻力。两者都正比于Gb，反比于位错间距离L。第54页/共183页4 塑 性 变 形2.晶粒大小和亚结构晶粒小，晶界面积增加，阻碍位错运动，故使材料的屈服强度增加。晶粒小，减小晶粒内部位错塞积长度，使材料的屈服强度增加。屈服强度与晶粒大小的关系符合霍尔派奇（Hall-Patch）公式，即：第55页/共183页4 塑 性 变 形霍尔-派奇公式对以铁素体为基的钢而言，晶粒大小在0.3400m之间都符合。bcc金属较fcc、hcp金属的ky值都高，所以bcc金属细晶强化作用明显，而fcc、hcp金属则差之。细晶强化不仅可以提高金属的强度，同时也使金属的塑性、韧性增加。亚晶界的作用和晶界类似。符合霍尔
23、派奇公式。相界也阻碍位错运动，同时相界两侧金属具有不同的晶体结构和性能，因此，多相合金中第二相的大小、形状、分布等因素均对屈服强度有影响。第56页/共183页4 塑 性 变 形3.溶质元素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。通常，间隙溶质对金属的强化作用大于置换原子。第57页/共183页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。空位对金属的强化作用，类似与置换溶质的作用。固溶强化将增加材料的强度，但同时降低材料的塑性和韧性。4
24、塑 性 变 形第58页/共183页4 塑 性 变 形4.第二相多相合金中，除基体以外的其它相。第二相对屈服强度的影响：第二相可以分为两类不可变形的第二相，如碳化物、氮化物等。可变形的第二相，如GP区、相等。第59页/共183页4 塑 性 变 形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、沉淀强化。弥散强化：以很细小的质点方式分布在基体上。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。第60页/共183页4 塑 性 变 形根据位错理论，材料中的位错在运动过程中，遇到不可变形的第二相，将采取绕过的办法，并留下位错环，材料的屈服强度取决于第二相质点
25、的密度。第61页/共183页4 塑 性 变 形含有可变形第二相的材料，当位错运动遇到第二相时，可以运用切过机制，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。这类质点的强化效果与粒子本身的性质及与基体的结合情况有关。第62页/共183页4 塑 性 变 形块状第二相对屈服强度的影响一般认为，块状第二相阻碍滑移，使基体产生不均匀滑移，由于局部的约束增加而导致强化。一些经验公式可以测这两相组织的强度：如：混合率或霍尔派奇公式等:混合率：第63页/共183页4 塑 性 变 形霍尔派奇公式也是适用，如：珠光体强度：第64页/共18
26、3页上式表明,在某些混合物中，合金的强度决定于第二相对位错运动的阻力。第二相的强化效果还与其尺寸、形状、数量和分布以及第二相与基体的强度、塑性和应变硬化特性、两相之间的晶体学配合和界面能等因素有关。长型的第二相比球形的对位错阻力更大，因此，片状珠光体比球状珠光体强度高。4 塑 性 变 形第65页/共183页4 塑 性 变 形一般第二相都是硬、脆物质。因此如果第二相以网状在晶界分布时，材料较脆。弥散分布于较软的基体上，韧性最好。综上所述，屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标，受许多内屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺都可使
27、屈服强度产生明显变化。在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺都可使屈服强度产生明显变化。第66页/共183页4 塑 性 变 形（二）影响屈服强度的外在因素】影响屈服强度的外在因素有温度、应变速率、应力状态。一般，温度升高，金属材料的屈服强度降低，图116。晶体结构不同，其变化规律不同，图115。第67页/共183页4 塑 性 变 形bcc金属温度效应较强烈，fcc、hcp金属差之。屈服强度随应变速率的变化较抗拉强度的变化强烈的多，图117。第68页/共183页4 塑 性 变 形通常，静拉伸试验使用的应变速率为1010-3-3s s-1-1。对许多工程材料，应变速率按此值变化一个数量级，它们的曲
28、线不发生变化。但当应变速率过高时，材料的屈服强度和抗拉强度将明显增加。如：冷扎、拉丝应变速率可达10103 3S S-1-1。在测定材料的屈服强度时应按GB规定的伸长速率进行试验，才能得到可资比较的屈服强度值。第69页/共183页4 塑 性 变 形在应变量与温度一定时，流变应力与应变速率的关系为：第70页/共183页C1和 m与试验温度及晶粒大小有关。纯金属材料的m值很低（0.1）对于一般钢材 m=0.2;对于超塑性金属，m 值较高（m3）；金属材料m值越高，拉伸时越易产生缩颈；应力状态也影响屈服强度，切应力分量越大，材料越易产生塑性变形，屈服强度越低。三向应力条件下材料的屈服强度增加。4 塑
29、 性 变 形第71页/共183页4 塑 性 变 形四、应变硬化四、应变硬化（形变强化）所谓应变硬化就是说，材料发生屈服以后，随着变形的进行，变形抗力不断增加的现象。（一）应变硬化的意义1.提高机件的抗偶然过载能力。2.可使金属均匀塑性变形。3.强化金属的重要手段。4.改善低碳钢的切削加工性能。第72页/共183页4 塑 性 变 形（二）应变硬化机理第73页/共183页上图为三种不同单晶体金属屈服后的曲线，曲线的斜率称为“应变硬化速率”。图中fcc单晶体金属的硬化曲线可以分为三个阶段，即：易滑移阶段、线性硬化阶段、抛物线硬化阶段。易滑移阶段：d/d很低，大约为10-4G量级。线性硬化阶段：d/d
30、为常数,大约300/G量级。抛物线阶段：d/d随形变增加逐渐减小。三个变形阶段对应三种不同的变形和硬化机理。4 塑 性 变 形第74页/共183页4 塑 性 变 形易滑移阶段，主要是单系滑移。位错密度很低，运动不受其它位错的阻碍，故d/d很低，大约在10-4G的量级。线性硬化阶段，d/dG/300，为多系滑移，由于位错的交互作用，形成割阶、Lomer-Cottrell位错锁和胞状结构等障碍，使位错运动阻力增加，故d/d线性增加。抛物线硬化阶段，塑性变形是通过交滑移来实现的，并有可能通过双交滑移而使位错回到原来的滑移面，避开滑移障碍。因此，使得 d/d下降。在此阶段的硬化主要是由滑移面上的刃位错
31、引起的，因为刃位错不能产生交滑移。多晶体金属一开始就是交滑移所以在应力应变曲线上没有易滑移阶段，主要是第三阶段且d/d较单晶体要大。第75页/共183页4 塑 性 变 形（三）应变硬化指数n应变硬化指数反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。是表征应变硬化的性能指标。在金属材料真应力应变曲线上的均匀塑性变形阶段，应力与应变之间符合Hollmon关系式，即：第76页/共183页4 塑 性 变 形n=1,表示完全理想弹性体，S与e成正比关系；n=0,表示材料没有应变硬化能力，S=K常数；大多数金属的n值在0.10.5之间。第77页/共183页和n值有关的因素：n值和材料的层错能有关，层错能高n值低。
32、4 塑 性 变 形第78页/共183页4 塑 性 变 形屈服强度高，n值低。ns=常数。合金中,溶质原子数量增加,n值下降。晶粒尺寸增大,n值提高。应变硬化指数n数值上等于形成颈缩时的真实均匀应变量eB(或eB)。条件是:只有在真应力应变曲线上的均匀塑性变形阶段,且符合Hollomon关系式时才成立。奥氏体钢由于形变诱发马氏体相变引起的硬化大于应变硬化,故此类钢不存在n=eB关系。只有退火、正火、调质态金属n值才等于eB.第79页/共183页4 塑 性 变 形中碳钢经淬火、不同温度下后的n与eB的对比数据：第80页/共183页4 塑 性 变 形根据GB5028-85金属薄板拉伸应变硬化指数（n
33、值）试验方法规定测定n值。一般用直线作图法：将Hollomon公式两边取对数,则：lgS=lgK+nlge则有：lgs-lge线性关系曲线，该曲线的斜率则为所求的n值。即为“应变硬化指数“。第81页/共183页五、缩颈现象（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。4
34、塑 性 变 形第82页/共183页4 塑 性 变 形（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;所以 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,故：AdL+LdA=0;第83页/共183页故，联立以上两式，则有：根据上式，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）4 塑 性 变 形第84页/共183页（三）确定缩颈点及颈部应力的修正1.缩颈点的确定用分析法确定拉伸失稳点在拉伸失稳点
35、处，Hollomon关系成立，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。4 塑 性 变 形第85页/共183页缩颈还和应变硬化敏感指数m有关。若m值低，则在一定温度和应变条件下的流变应力就比较低，致dS/deS,故不能有效阻止缩颈形成；反之，m值高时，缩颈处应力急剧升高，dS/deS，可推迟缩颈产生。*4 塑 性 变 形流变应力：产生屈服后继续塑性变形并随之增高的抗力。第86页/共183页4 塑 性 变 形缩颈一旦产生，试样在缩颈处出现三向应力状态。这是由于缩颈 区中心部分拉 伸变形横向收 缩受到约束所 致。第87页/共183页2.颈部应力的修正为了补偿颈部横向
36、应力、切向应力对轴向的影响，以求得均匀轴向应力状态下真实应力，应对颈部的应力进行修正。为此，则可利用Bridgmen关系式进行计算：4 塑 性 变 形S颈部轴向真应力；修正后的真应力R颈部轮廓曲率半径a颈部最小截面半径第88页/共183页4 塑 性 变 形六、抗拉强度材料在拉伸试验中所能承受的最大外力所对应的应力值。记为“b”。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。第89页/共183页4
37、塑 性 变 形七、塑性（一）塑性与塑性指标塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形，而不破坏的性质。金属材料断裂前的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。许多钢材仅占5%10，铝和硬铝占1820，黄铜3545。就是说，拉伸缩颈形成后，塑性变形主要集中于试样颈缩附近。第90页/共183页4 塑 性 变 形金属材料的塑性指标：伸长率：试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。又称为“延伸率”。实验结果表明，故，第91页/共183页4 塑 性 变 形为了使同一金属材料制成的不同尺寸的拉伸试样得到
38、相同的值，要求：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”前者称为“短比例试样”，后者称为“长比例试样”。比例试样的尺寸越短，则断后伸长率越大。故5大于10第92页/共183页4 塑 性 变 形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：eB=ln(1+gt)可通过gt方便的推算出eB，继而算出
39、应变硬化指数n。第93页/共183页4 塑 性 变 形断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号“”表示根据与的相对大小，可以判断拉伸时是否形成颈缩：如果，金属拉伸形成缩颈，且差值越大缩颈越严重。如果或，则金属材料不形成缩颈。第94页/共183页4 塑 性 变 形上述塑性指标的具体选用原则是：对于在单一拉伸条件下工作的长型零件，无论其是否产生缩颈，用或gt评定。对于非长型件，在拉伸时产生缩颈，则用表示其塑性。是在复杂应力状态下形成的，冶金因素的变化对材料塑性的影响在上更为突出，所以比对组织变化更为敏感。第95页/共183页4 塑 性 变 形（二）塑性的意义
40、和影响因素材料塑性的意义：1.塑性指标不能直接用于机件的设计。2.对于静载的机件，可以防止偶然过载。3.塑性指标是安全力学性能指标4.塑性指标对于金属压力加工，有重要意义。5.材料的塑性大小可以反映材料的冶金质量好坏。可以评定材料的冶金质量。第96页/共183页4 塑 性 变 形影响材料塑性的因素：1.溶质元素降低铁素体的塑性（间隙原子较置换原子影响更大）。2.钢的塑性受化合物体积比及其形状的影响碳化物体积比增加，塑性下降。片状碳化物比球形碳化物降低更甚。3.硫化物降低程度甚于碳化物。细化晶粒可以提高钢的塑性，大体上与d-1/2成线性关系。通常材料的塑性愈好，强度则愈低。材料的塑性越好，则其屈
41、强比越差。第97页/共183页5 金属的断裂一、断裂的类型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。断裂分为完全断裂和不完全断裂本节主要讲述，完全断裂的宏观、微观特征，断裂机理以及力学条件。讨论影响断裂的内、外在因素。实践证明，大多数金属的断裂过程都包括裂纹的形成和扩展两个阶段，对于不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。第98页/共183页5 金属的断裂（一）韧性断裂与脆性断裂韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形。脆性断裂较韧性断裂的危险性更大。第99页/共183页 5金属的断裂韧性断口的形貌（断口
42、三要素）纤维区（F）放射区（R）剪切唇（S）第100页/共183页5 金属的断裂纤维区：断口呈纤维状，灰暗色。纤维状是塑性变形中裂纹不断扩展和相互连接造成的。该区裂纹扩展速度很慢。放射区：断口呈放射状，放射线平行于裂纹扩展方向，而垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆指向裂纹源。是裂纹快速扩展时形成的区域。剪切唇：断口表面光滑，与拉伸轴线呈45，是典型的切断型断裂。也是最后断裂阶段由缩颈形成的。韧性断口同时存在三个区域，脆性断口纤维区很小，剪切唇几乎没有。第101页/共183页5 金属的断裂韧性断裂过程示意图：第102页/共183页5 金属的断裂脆性断裂是突然断裂，其危害性更大。脆性断裂的断面一般垂直于
43、正应力方向，断口平齐且光亮，常呈放射状或结晶状。第103页/共183页放射状断口（放射区）5 金属的断裂第104页/共183页5 金属的断裂板状矩形拉伸试样断口，呈人字纹花样。第105页/共183页通常脆性断裂前也产生微量的塑性变形,一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5者为脆性断裂;大于5者为韧性断裂。金属材料的韧性断裂和脆性断裂是根据一定的塑性变形量来规定的。如果条件发生变化,材料的韧、脆行为也将发生变化。5 金属的断裂第106页/共183页5 金属的断裂（二）穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂的裂纹扩展路径是穿过晶粒内部而发展。沿晶断裂的裂纹沿着晶界扩展。从宏观上看,穿晶断裂可以是韧性断裂也可以
44、是脆性断裂,而沿晶断裂则大部分是脆性断裂。穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。第107页/共183页5 金属的断裂穿晶和沿晶断裂示意图：第108页/共183页（三）纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂1.剪切断裂是金属材料在切应力的作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分为滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯剪切断裂断口呈锋利的楔型（单晶体）或刀尖型（多晶体金属的完全韧性断裂）。这是由纯滑移流变所造成的断裂。微孔聚集型断裂是通过微孔的形核、长大聚合而导致材料分离的。以上二者都是韧性断裂。5 金属的断裂第109页/共183页5 金属的断裂2.解理断裂解理断裂是金属材料在一定的条件下
45、（如低温），当外加正应力达到一定的数值后，以极快的速率沿一定的晶体学平面产生的穿晶断裂。此晶体学平面称为“解理面”。通常，fcc金属不发生解理断裂。（多系滑移，使滑移系破碎，尖端钝化，应力集中现象下降）。第110页/共183页5 金属的断裂断裂还可分为：正断型断裂（断裂面垂直于正应力方向），切断型断裂（断裂面与最大切应力方向一致而于最大正应力方向呈45角。）前者如解理断裂或塑性变形受较大约束下的断裂，后者如塑性变形不受约束或约束较小情况下的断裂，如剪切唇。第111页/共183页5 金属的断裂断裂分类及其特征：第112页/共183页5 金属的断裂第113页/共183页5 金属的断裂第114页/共
46、183页5 金属的断裂二、解理断裂的机理和微观断口特征（一）解理裂纹的形成和扩展解理裂纹的端部存在着少量塑性变形。裂纹的形成和塑性变形有关。塑性变形是位错运动的反映。这就是裂纹形成的位错理论考虑问题的出发点。第115页/共183页5 金属的断裂1.甄纳斯特罗位错塞积理论该理论由甄纳首先提出。（1948），后经斯特罗完善。第116页/共183页5 金属的断裂甄纳（GZener）提出，在滑移面上的切应力作用下，刃型位错相互靠近。当切应力达到某一临界值时，塞积头处的位错互相挤紧聚合而成为一高nb长为r的楔型裂纹（或孔洞型位错）。斯特罗(ANStroh)指出，如果塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛
47、，则塞积头处的最大拉应力fmax能够等于理论断裂强度而形成裂纹。第117页/共183页5 金属的断裂塞积头处的拉应力在与滑移面方向呈70.5时达到最大值，且近似为：第118页/共183页5 金属的断裂理想晶体沿解理面断裂的理论断裂强度为（以后推导）：因此，形成裂纹的力学条件为：第119页/共183页5 金属的断裂如r与晶面间距a0相当，且E=2G(1+)（为泊松比）则上式可写为上式只表示裂纹的形成，并不表示断裂。解理断裂过程包括如下三个阶段：1.塑性变形形成裂纹；2.裂纹在同一晶粒内初期长大；3.裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。第120页/共183页5 金属的断裂解理裂纹扩展原理图第121页/共1
48、83页5 金属的断裂柯垂耳用能量分析法推导出解理裂纹扩展的临界能量条件为：即解理断裂，裂纹扩展的条件是：外加正应力所做的功等于产生裂纹新表面的表面能。第122页/共183页5 金属的断裂由图130可知，裂纹底部边长即为切变位移nb，它是有效切应力i作用的结果。假定滑移带穿过直径为d的晶粒，则原来分布在滑移带上的弹性剪切位移为：滑移带上的切应力因出现塑性位移nb而被松弛，故弹性剪切位移应等于塑性位移即：带入上式，得第123页/共183页5 金属的断裂由于屈服时（=i)裂纹已经形成，而i又和晶粒直径之间存在霍尔派奇关系，即i=kyd-1/2,带入上式，得c表示长度相当于直径d的裂纹扩展所需的应力。
49、或裂纹体得实际断裂强度。第124页/共183页5 金属的断裂细化晶粒，断裂应力提高，材料的脆性减小。第125页/共183页5 金属的断裂含有第二相质点的合金，d实际上代表了质点间距，d越小，材料的断裂应力越高。甄纳斯特罗理论的问题：1.大量位错塞积条件下，将产生应力集中，致使塑性变形首先发生，而应力松弛。2.模型计算结果表明，裂纹扩展所要求的条件低于形核条件，而形核又主要取决于切应力，与静水张力无关。事实上静水张力使材料变脆，而静水压力则有助于塑性变形的产生。第126页/共183页5 金属的断裂2.柯垂尔位错反应理论该理论是柯垂尔 (AVCottrell）为了解释晶内解理 与bcc晶体中的解理
50、 而提出的.第127页/共183页5 金属的断裂在bcc金属中，有两个相交滑移面（）和（101）,与解理面（001）相交，三面的交线为010。现沿（101）面有一群柏氏矢量为 的刃型位错，而沿（）面有一群柏氏矢量为 的刃型位错，两者于101轴相遇，并产生下列反应：新位错线在（001）上，其柏氏矢量为a001。因为（001）面不是bcc晶体的固有滑移面，故a001为不动位错。结果两相交滑移面上的位错群就在该不动位错附近产生塞积。当塞积位错较多时，其多余半原子面如同楔子一样插入解理面中间形成高度位nb的裂纹。第128页/共183页5 金属的断裂柯垂尔提出的位错反应在bcc金属中是一个能量降低的过程