(5)--第1章金属力学性能及其应用.ppt

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1、工程材料力学性能（第三版）（第三版）第一章第一章 金属在单向静拉伸载荷下的金属在单向静拉伸载荷下的力学性能力学性能第一节 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线第二节 弹性变形第三节 塑性变形第四节 金属的断裂第一节第一节 拉伸力拉伸力-伸长曲线和应力伸长曲线和应力-应变曲线应变曲线 拉伸力-伸长曲线是拉伸实验中记录的力与伸长关系曲线 第二节第二节 弹性变形弹性变形一、弹性变形及其实质二、胡克定律三、弹性模量四、弹性比功五、滞弹性六、包申格效应 一、弹性变形一、弹性变形及其实质及其实质1.弹性变形表现：可逆性变形。不论是在加载期还是卸载期内，应力与应变之间都保持单值线性关系，且弹性变形量比较小，一般

2、不超过0.5%1%。2.实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。解释：双原子模型。如图1-4。原子间相互作用功 F 与原子间距 r 的关系为 式中 与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数。原子的位移总和在宏观上就表现为变形。外力去除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来的平衡位置，位移消失，宏观上变形也就消失。这就是弹性变形的可逆性。二、胡克定律二、胡克定律 (一)简单应力状态的虎克定律 1单向拉伸 2剪切和扭转 3E、G和 的关系 (二)广义胡克定律 实际上机件的受力状态都比较复杂，应力往往是两向或三向的。在复杂应力状态下，用广义虎克定律描述应力与应变的关系：式中 、主应力；、主应变。如

3、果主应力中有压应力时，其前方应冠以负号。求得的应变为正号时表示伸长，负号则为缩短。弹性模量工程上为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生100弹性变形所需的应力。这个定义对金属而言是没有任何意义的，因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。三、三、弹性模量弹性模量表1-1 几种金属材料在常温下的弹性模量金属材料E/105MPa铁2.17铜1.25铝0.72铁及低碳钢2.0铸铁1.71.9低合金钢2.02.1奥氏体不锈钢1.92.0说明：合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响不大，金

4、属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，外在因素的变化对它的影响也比较小。四、弹性比功四、弹性比功弹性比功表示金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比功应变比能。一般用金属开始塑性变形前体积吸收的最大弹性变形功表示。金属拉伸时的弹性比功用应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积表示。表1-2 弹性材料的弹性比功材料弹性模量/MPa弹性极限强度/MPa 弹性比功/高碳弹簧钢2100009650.22865Mn55Si2Mn50CrVA不锈钢（冷轧）2000001380*1480*1420*1000*4.7615.4765.0412.5铍青铜1200005881.44磷青铜101000450

5、1.0注：带*号者为屈服强度值 2.滞弹性原因 产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动有关。3.滞弹性意义 在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑弹性后效问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等。如选用的材料弹性后效较明显，会使仪表精度不足甚至无法使用。六、包申格六、包申格(BauschingerBauschinger)效应效应1.包申格现象 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。第三节第三节 塑性变形塑性变形一、塑性变形方式及特点二、屈服现象和屈服强度三、影响屈服强度的因素四、应变

6、硬化（形变强化）五、缩颈现象和抗拉强度六、塑形七、屈强比八、静力韧度（强塑积）一、塑性变形方式及特点一、塑性变形方式及特点 金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生。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。通常，滑移面是原子最密排的晶面，而滑移方向是原子最密排的方向。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。孪生也是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式。fcc、bcc和hcp三类金属材料都能以孪生方式产生塑性变形，但fcc金属只在很低的温度下才能产生孪生变形。孪生变形也是沿特定晶面和特定晶向进行的。多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规律与单晶体金属相同。但由于多晶体金属存在着晶界

7、，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性变形具有如下一些特点。二、屈服现象和屈服点二、屈服现象和屈服点(屈服强度屈服强度)金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志。从弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡表现在试验过程中，外力不增加(保持恒定)试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形(图1-9曲线1)。屈服现象与下列因素有关:材料在变形前可动位错密度很小(或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质点所订扎)；随塑性变形发生，位错能快速增殖；位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。用应力表示的屈服点或下屈服

8、点就是表征材料对微量塑性变形的抗力，即屈服强度。屈服强度是金属材料重要的力学性能指标，它是工程上从静强度角度选择韧性材料的基本判据。三、影响屈服强度的因素三、影响屈服强度的因素 金属材料一般是多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响屈服强度的因素，必须注意以下三点：屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错增殖和运动的各种因素必然要影响屈服强度；实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果，因此，要考虑晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分以及第二相的影响；各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。四、应变硬化四、应变硬化(形变强化形变强化)1.应变硬化的意义 2.应变硬化指数 应变硬

9、化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化的性能指标。图 1-14 真实应力-应变曲线和 工程应力-应变曲线比较2.应变硬化指数五、缩颈现象和抗拉强度五、缩颈现象和抗拉强度 （一）缩颈的意义 （二）缩颈判据 （三）确定缩颈点及颈部应力的修正 （四）抗拉强度 （三）确定缩颈点及颈部应力的修正图 1-17 颈部三向应力状态修正后的真实应力颈部轴向真实应力颈部轮廓线曲率半径颈部最小截面半径（三）抗拉强度抗拉强度的实际意义如下:抗拉强度标志塑性金属材料的实际承载能力，但这种承载能力也仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件，且韧性材料的不能作为设计参数。抗拉强度就是脆性材料的断裂强度

10、，用于产品设计，其许用应力便以为判据。抗拉强度的高低决定于屈服强度和应变硬化指数。抗拉强度与硬度、疲劳极限等之间有一定经验关系。六、塑性六、塑性（一）塑性与塑性指标 塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。金属材料常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。（二）塑性的意义和影响因素 虽然金属的塑性指标通常并不能直接用于机件的设计，但塑性大小能反映材料冶金质量的好坏，故可用以评定材料质量。金属材料的塑性常与其强度性能有关。七、屈强比七、屈强比 材料屈强比值的大小，反映了材料均匀塑形变形的能力和应变硬化性能，对材料

11、冷成型加工具有重要意义。八八、静力韧度、静力韧度 韧度是度量材料韧性的力学性能指标，其中又分静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功定义为静力韧度，它是强度和塑性的综合指标。测出材料真实应力-应变曲线下包围的面积，可以精确获得静力韧度值。但工程上用近似计算方法，如对韧性材料，静力韧度 为 或 静力韧度对于按屈服强度设计，而在服役中可能遇到偶然过载的机件如链条、起重吊钩等，是必须考虑的重要指标。第四节第四节 金属的断裂金属的断裂一、断裂的类型二、解理断裂三、微孔聚集断裂四、断裂强度五、断裂理论的意义一、断裂的类型一、断裂的类型（一）韧性断裂与脆性断裂（二）穿晶

12、断裂与沿晶断裂（三）纯剪切断裂与微孔聚集型断裂与解理断裂（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，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。图 1-18拉伸断口三个区域的示意图 光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口的形成过程如图1-19所示。脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变，没有明显征兆，因而危害性很大。脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。板状矩形拉

13、伸试样断口中的人字纹花样如图1-20所示。图1-20 人字纹花样a)缩颈导致三向应力 b)微孔形成 c)微孔长大 d)微孔连接形成锯齿状 e)边缘剪切断裂图1-19 杯锥状断口形成示意图（二）穿晶断裂与沿晶断裂 多晶体金属断裂时，裂纹扩展路径可能是不同的。穿晶断裂裂纹穿过晶内；沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。图1-21为沿晶断裂的断口形貌呈冰糖状。穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。图1-21 冰糖状断口（SEM）（三）纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂（1）剪切断裂 剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。（2）解理断裂 解理断裂是

14、金属材料在一定条件下(如低温)，当外加正应力达到-定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。二、解理断裂二、解理断裂（一）解理裂纹的形成和扩展 观察解理断口发现，断口附近仍然有少量塑性变形。可以想像，裂纹形成必然与塑性变形有关，而金属材料的塑性变形是位错运动的反映，因之裂纹形成可能与位错运动有关。1.甄纳-斯特罗位错塞积理论 2.柯垂耳位错反应理论 柯垂耳提出的位错反应是降低能量的过程，因而裂纹成核是自动进行的。图 1-22 位错塞积形成裂纹图 1-25 位错反应形成裂纹（二）解理断裂的微观断口

15、特征1.解理断裂 解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是极平坦的镜面。但是，实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。解理台阶、河流花样，还有舌状花样是解理断裂的基本微观特征。2.准解理 当裂纹在晶粒内扩展时，难于严格地沿一定晶体学平面扩展。断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。其微观形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称准解理 准解理与解理的共同点是，都是穿晶断裂；有小解理刻面；有台阶或撕裂棱及河流花样。不同点是，准解理小刻面不是晶体学解理面。真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于

16、晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。准解理不是一种独立的断裂机制，而是解理断裂的变种。三、微孔聚集断裂三、微孔聚集断裂（一）微孔形核和长大 微孔聚集断裂过程包括微孔成核、长大、聚合直至断裂。图 1-31 微孔形核长大模型（二）微孔聚集断裂的微观断口特征 韧窝形状视应力状态不同而异：等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝。图 1-32 三种应力状态下的韧窝形态a)等轴韧窝 b)拉长韧窝 c)撕裂韧窝四、断裂强度四、断裂强度（一）理论断裂强度（二）断裂强度的裂纹理论（格雷菲斯裂纹理论）为了解释玻璃、陶瓷等脆性材料断裂强度的理论值和实际值的巨大差异，格雷菲斯(AA.Griffith)在1921年提

17、出此理论。他根据能量平衡原理计算出裂纹自动扩展时的应力值，即计算了裂纹体的强度。图 1-35 格雷菲斯裂纹模型（二）格雷菲斯裂纹理论弹性应变能释放表面能的增加 系统总能量的变化系统总能量的变化五、断裂理论的意义五、断裂理论的意义 由上所述，是金属材料屈服时产生解理断裂的判据。既然是在屈服时产生的解理断裂，则 ，而 和晶粒大小之间又存在霍尔-派奇关系，因此我们可以得到：若等式左边项小于右边项，则裂纹虽能形成，但不能扩展若等式左边项小于右边项，则裂纹虽能形成，但不能扩展 1解释下列名词：(1)弹性比功；(2)滞弹性；(3)循环韧性；(4)包申格效应；(5)解理刻面；(6)塑性、脆性和韧性；(7)解

18、理台阶；(8)河流花样；(9)解理面；(10)穿晶断裂和沿晶断裂；(11)韧脆转变。2.说明下列力学性能指标的意义：（1）；（2）、；（3）；（4）；（5）、。3金属的弹性模量主要取决于什么因素?为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标?4今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作机床床身?为什么?5试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bbc金属及其合金与fcc金属及其合金屈服行为不同的原因。6.试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别?并表述其产生原因。7.决定金属屈服强度的因素有哪些？8.试述A、Z两种塑性指标评定金属材料塑性的优

19、缺点。思考题与习题思考题与习题 9.试举出几种能显著强化金属而又不降低其塑性的方法。10.试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？11.剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？12.在什么条件下易于出现沿晶断裂？怎样才能减小沿晶断裂倾向？13.何谓拉伸断口三要素？影响宏观断口形态的因素有哪些？14.板材宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？15.试证明，滑移面相交产生微裂纹的柯垂尔机理对fcc金属而言在能量上是不利的。16.通常纯铁的 ，试求其理论强度 。（）17.论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出该理论的局限性。18.若一薄板物体内部存在一条长 3mm 的裂纹，且 ，试求脆性断裂时的断裂应力。（设 ）（）19.有一材料 。试计算在 的拉应力作用下，该材料中能扩展的裂纹的最小长度。（0.4mm）20.断裂强度 与抗拉强度 有何区别？21.铁素体钢的断裂强度与屈服强度均与晶粒尺寸 成正比，怎样解释这一现象？22.裂纹扩展受哪些因素支配？23.试分析能量断裂判据与应力断裂判据之间的联系。24.有哪些因素决定韧性断口的宏观形貌？25.试根据方程 ，讨论下述因数对金属材料韧脆转变的影响：（1）材料成分；（2）杂质；（3）温度；（4）晶粒大小；（5）应力状态；（6）加载速率。