第01章-单向静拉伸力学性能分析课件.ppt

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1、1,第1章 单向静拉伸力学性能,1.1 应力-应变曲线1.2 弹性变形1.3 塑性变形1.4 金属的断裂,2,单向静拉伸实验特点:（1）最广泛使用的力学性能检测手段;（2）实验的应力状态、加载速率、试样尺寸、温度等都有国标规定。（3）最基本的力学性能（弹性、塑性、断裂）（4）可测力学性能指标：强度（）、塑性（、）等。,3,1.1 应力-应变曲线,1.1.1 拉伸力伸长曲线,4,1.1.2 应力-应变曲线（-）=F/A；=L/L,A、L：分别为试样在试验前的名义面积和标注长度。,5,如果按拉伸时试样的真实截面积A和真实长度L来计算，则可得到真实应力-应变曲线(S-e),6,1.1.3 几种常见材

2、料的应力-应变曲线,7,8,1.2 弹性变形,1.2.1 弹性变形及其实质1.弹性变形 定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。特点：单调、可逆、变形量很小（0.51.0%）2.弹性的物理本质金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。,9,1.2.2 虎克定律（1）简单应力状态时,y-纵向拉伸应变x、z：横向拉伸应变 E 弹性模量 泊松比 y 拉应力,单向拉伸y=y/Ex=z=y=-y/E,10,剪切和扭转,=G 切应力 G 切变模量 切应变 E、G 和 的关系 G=E/2(1+),11,（2）广义虎克定律,当应力是两向或是三向时（即复杂应力状态下），应力与应变

3、的关系：1(1/E)*【1-(2+3)】2(1/E)*【2-(3+1)】3(1/E)*【3-(1+2)】1、2、3 主应力，1、2、3 主应变。,12,1.2.3 弹性模量E,1.弹性模量的物理意义和作用 虎克定律分析：应变为一个单位时，E即等于弹性应力，即E是产生100弹性变形所需的应力。【y=y/E】物理意义：材料对弹性变形的抗力。用途：工程上亦称为刚度；计算梁或其他构件挠度时必须用之。重要的力学性能之一。2.影响弹性模量的因素（见表1.1 不同材料常温下的E值）金属原子本性和晶体学特性（不同材料、晶格，单晶VS多晶）；溶质原子与其强化；显微组织；温度；加载速率；其他。合金化、热处理（显微

4、组织）、冷塑性变形对E的影响较小。温度、加载速率对其的影响也不大。,13,1.2.4 弹性极限、弹性比功,（1）比例极限p（2）弹性极限e（3）弹性比功e(弹性比能、应变比能)物理意义：吸收弹性变形功的能力。几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。e=(1/2)ee 用途：制造弹簧的材料，要求弹性比功大。Note：工程上很难测出p、e的准确而唯一的数值。它们与下面将要介绍的屈服极限s的概念是一致的。,14,1.2.5 滞弹性（弹性后效）（1）滞弹性及其影响因素,实际金属材料，弹性变形不仅是应力的函数，而且还是时间的函数。滞弹性在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。

5、影响因素：（a）晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。（b）切应力越大，影响越大。（c）温度升高，变形量增加。危害：对长期承载的传感器，影响精度。,15,（2）循环韧性,弹性滞后环 由于应变滞后于应力，使加载曲线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。,16,物理意义：加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。或，回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。这部分被金属吸收的功，称为内耗。循环韧性 若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可得到塑性滞后环。金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫循环韧性。循环韧性又称为消振性。循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性

6、的大小。循环韧性的应用 减振材料（机床床身、缸体等）；乐器要求循环韧性小。,17,1.3 塑性变形与应变硬化,塑性变形 定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形。塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质（能力）。“”-伸长率，“”-断面收缩率。If 100%，常称为超塑性。1.3.1 金属塑性变形的方式及特点（1）塑性变形的方式 滑移 最主要的变形机制；孪生 重要的变形机制（注：低温形变或快速形变，常发生）；晶界滑动和扩散性蠕变（注：只在高温时才起作用）；形变带（注：滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用）。,18,a.滑移有关概念滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向。

7、滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系越多，材料的塑性越好。晶体结构的影响较大：fccbcchcp滑移的临界分切应力=(P/A)coscos 外应力与滑移面法线的夹角；外应力与滑移向的夹角；=coscos 称为取向因子,19,b.孪生 孪晶：外形对称，其变形部分好象由两个相同晶体对接起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。孪晶可分为 自然孪晶和形变孪晶。孪生的特点：比滑移困难；时间很短；变形量很小；孪晶层在试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样。孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展。,20,c.形变带 由晶体点阵畸变而使晶体表面出现的弯曲区域，由于该区域贯穿整个试样截面并成带状，

8、所以称为形变带。相邻滑移带的交互作用。多个滑移系同时动作，正常的滑移不能进行时，就产生点阵弯曲，形成形变带。d.三种变形机制的比较 滑移 相邻部分滑动，变形前后，晶体内部原子的排列未变化。孪 生 变形部分与未变形部分发生取向变化。形变带 晶体点阵畸变。,21,(2)塑性变形的特点 a.各晶粒变形的不同时性和不均匀性 各晶粒的取向不同，即取向因子coscos不同。对于具体材料，还存在基体相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。b.变形的相互协调性 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。,22,

9、1.3.2 屈服与屈服强度,(1)屈服 在金属塑性变形开始阶段，外力不增加、甚至下降时，变形继续进行的现象，称为屈服。特点：上屈服点、下屈服点（吕德丝带）(2)屈服机理 外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动的过程。a.柯氏气团 位错与溶质原子交互作用，位错被钉扎。溶质原子聚集在位错线的周围，形成柯氏气团。只有 提高外应力，位错才能运动；一旦运动，继续发生塑性变形所需的外应力降低。,23,b.位错塞积群 n个位错同向运动受阻，形成塞积群，导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力；一旦障碍被冲破，继续发生塑性变形所需的外应力降下。c.应变速率（单位时间的应变量）与位错密度、位错运动速率的关系

10、金属材料塑性变形的 与位错密度、位错运动速率及柏氏矢量b成正比，即：位错增值，提高外应力,（位错运动平均速率）,晶体结构变化，b,24,(3)屈服强度 s=Fs/A 由于金属材料存在上下屈服点，或者屈服点不明确，一般将0.2定为屈服强度。屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据。分析：提高0.2，机件不易产生塑性变形；但过高的0.2，又不利于某些应力集中部位的应力重新分布，容易引起脆性断裂。这在材料强韧化和选材应用中要十分重视。,25,1.3.3 影响屈服强度的因素,（1）内因a.金属本性及晶格类型 位错运动的阻力：晶格阻力（P-N力）；位错交互作用产生的阻力。P-N力 fcc 位错宽度

11、大，位错易运动；bcc 反之。位错交互产生的阻力 平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错交互作用产生的阻力。b.溶质原子和点缺陷 形成晶格畸变（间隙固溶，空位）,26,c.晶粒大小和亚结构 晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒的位错源开动，须加大外应力。HallPetch关系式=i+Ks*d-1/2 i（理解为）位错在基体金属中运动的总阻力；d 晶粒平均直径 细化晶粒，可提高材料强度。d.第二相 不可变形第二相，位错只能绕过它运动。可变形第二相，位错可切过。第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。（2）外因 温度提高，位错易运动，s。例：

12、高温锻造，“乘热打铁”应变速率提高，s。应力状态 切应力，s。,27,1.3.4 应变硬化,或称形变硬化，加工硬化（1）意义 a.应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。“亦步亦趋”b.使构件具有一定的抗偶然过载能力。c.强化金属，提高力学性能。d.提高低碳钢的切削加工性能。(2）应变硬化机理 a.三种单晶体金属的应力应变曲线,28,b.应变硬化机理 易滑移阶段：单系滑移 hcp金属（Mg、Zn）不能产生多系滑称，易滑移段长。线性硬化阶段：多系滑移 位错交互作用，形成割阶、面角位错、胞状结构等；位错运动的阻力增大。抛物线硬化阶段：交滑移，或双交滑移，刃型位错不能产生交滑移。多晶体

13、，一开动便是多系滑移，无易滑移阶段。,29,(3)应变硬化指数 Hollomon关系式：S=k en(真应力S VS 真应变e 的关系）n应变硬化指数；k硬化系数 n（应变硬化指数）值大小 反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。分析：n=1，理想弹性体;n=0，材料无硬化能力。大多数金属材料的n值在0.10.5之间。层错能低的材料应变硬化程度大;高Mn钢（ZGMn13），层错能力低，n大 可证明，应变硬化指数n在数值上等于材料形成拉伸缩颈时的真实均匀应变量。（n值与材料成形极限之间的相互关系？）n值对应变硬化效果有重要影响：n值大者，应变硬化效果就很突出。应用：金属材料的冷轧、冷拉拔，表面应变

14、硬化（喷丸，滚压等），尤其对不能用热处理方法强化的金属材料，具有重要意义。,30,1.3.5 缩颈现象,(1)缩颈 a.缩颈的意义 变形集中于局部区域失稳的临界条件。b.缩颈的判据(根据塑性变形时，体积不变的条件，可求得)S=ds/de(式1-22)在缩颈点处，Sb=k*eBn Sb 试样的真实抗拉强度 eB 最大真实应变量 积分，得 eB=n结论：当金属材料的应变硬化指数 n 等于最大真实均匀塑性应变量时，便产生缩颈。所以，n值大时，材料的均匀塑性变形能力强！c.颈部的三向拉应力状态 承受三向拉应力（相当于厚板单向拉伸，平面应变状态）,31,(2)抗拉强度 b 实际材料在静拉伸下最大承载应力

15、。技术意义：a.易于测定，重现性好 b.不能作为韧性材料的设计参数，脆性材料可以用。c.s/b对材料成型加工极为重要。较小的s/b比值几乎对所有的冲压成型都是有利的。d.b与材料硬度HB、疲劳极限-1之间有一定经验关系：如：b（1/3）HB；淬火钢-1（1/2）b,32,1.3.6 塑性,(1)塑性与塑性指标 材料断裂前发生塑性变形的能力。（、）比例试样：L0=5d0 或 L0=10d0（L0-标注长度、d0-名义截面直径）由于大多数材料的集中塑性变形量大于均匀变形量，510(断后伸长率，意味着“试样越短，越反映集中塑性变形能力”)金属拉伸时，当 时，产生缩颈；反之，不产生。反映了材料断裂前的

16、最大塑性变形量。而则未能显示材料的最大塑性变形。冶金因素对的影响更突出，比 对组织变化更为敏感。最大力下的总伸长率与原始标距的百分比 qt，实际上是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形（工程应变量）eB=ln(1+qt)qt对于评定冲压板材的成型能力很有用。,33,(2)塑性的意义和影响因素,意义：a.确保安全，防止产生突然破坏；b.缓和应力集中；c.轧制、挤压等冷热加工变形；影响因素：a.细化晶粒，塑性；b.软的第二相，塑性；c.温度提高，塑性；d.固溶、硬的第二相等，塑性。(3)塑性的综合性能指标 s/b（屈强比）s/b，材料的塑性。b/V（体积比强度）b/V，减轻构件的重量。,34,1.

17、3.7 静力韧度,韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。（或者材料抵抗裂纹扩展的能力，J/m3），是材料的力学性能。静力韧度UT：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功（是强度和塑性的综合指标）。J/m3 此外还有冲击韧度、断裂韧度。对韧性材料：UT b*或 UT（1/2）*(s+b)*工程意义：对按照屈服强度设计、有偶而过载的机件必须考虑（如链条、起重吊钩等，服役特点：冲击加载）。,35,1.4 金属的断裂,断裂：在外载作用下，材料完全破断为两个部分以上的现象。（断裂是机件三大失效形式之一/其他还有腐蚀、磨损，它使材料失去完整性）断裂发生存在突然性：不仅出现在高应力和高应变时；也发生在

18、低应力和无明显塑性变形条件下！对此不可轻视！1.4.1 断裂的基本类型(1)按断裂前塑性变形量的大小 分：脆性断裂、韧性断裂(2)断裂面的取向 分：正断、切断(3)裂纹扩展的途径 分：穿晶断裂、沿晶断裂(4)断裂机理 分：解理断裂、微孔聚集型断裂、纯剪切断裂,36,37,1.4.2 断裂及断口特征,（1）韧性断裂与脆性断裂（宏观）a.韧性断裂断裂特点：断裂前，宏观变形明显；过程缓慢；断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力成45o角。断口特征断口呈纤维状、灰暗色，杯锥状。断口特征三要素：纤维区F、放射区R、剪切唇SF纤维区：裂纹快速扩展，撕裂时塑性变形量大，R放射区：放射线粗。S剪切唇：切断。其

19、危害程度不及脆性断裂，断裂前机件已变形失效。,38,b.脆性断裂断裂特点 断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；断口与正应力垂直。断口特征 平齐光亮，常呈放射状或结晶状；人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。通常，脆断前也产生微量的塑性变形，一般规定：5时为韧性断裂。可见，金属材料的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来规定的。条件改变，材料的韧性与脆性行为会随之而改变。例如：T、脆性。,39,（2）穿晶断裂与沿晶断裂（微观）特点：穿晶断裂裂纹穿过晶界。沿晶断裂裂纹沿晶扩展。穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合发生。沿晶断裂（断口形貌呈冰糖状，如图1-20），多数是脆性断裂。,4

20、0,（3）纯剪切断裂、微孔聚集型断裂、解理断裂（机理）,a.纯剪切断裂 沿滑移面分离而造成的分离断裂。b.微孔聚集型断裂 微孔形核、长大、聚合导致材料分离。c.解理断裂 以极快速率沿一定晶体学平面(解理面)产生的穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。（表1-6，P28）fcc 金属一般不发生解理断裂。解理断裂总是脆性断裂。,41,1.4.3 解理断裂机理和微观断口特征（1）解理裂纹的形成和扩展,（裂纹的萌生，扩展）材料断裂前总会产生一定的塑性变形。而塑性变形与位错运动有关。a.位错塞积理论 位错塞积头处，应力集中，超过材料的强度极限，裂纹形成。其塞积头处的最大拉应力为：（1-3

21、1）（i）滑移面上的有效切应力 d晶粒直径,从位错源S到塞积头O的距离为d/2 r自位错塞积头到裂纹形成点的距离 可推导，m（Es/a0)1/2（参见五、1）m-理想晶体沿解理面断裂的理论断裂强度 E-弹性模量，s表面能，a0原子晶面间距讨论：E越小、s越小，m越低。沿晶面间距越大（a0越小）的原子平面断裂时的m越低。,42,柯垂耳用能量分析法导出 解理裂纹扩展的临界条件 为：外加应力 nb=2（1-34）n 塞积的位错数 b 位错柏氏矢量的模理解：为产生解理断裂，裂纹扩展时外加正应力所作的功必须等于（能补偿）产生裂纹新表面的表面能。*n*b“外加正应力同时推动n个塞积的位错运动b距离所做的功

22、”分析:(1)据图121，裂纹底部边长 也就是 切变位移nb，nb是（i）作用的结果，设滑移带穿过直径为d的晶粒，则原来分布在滑移带上的弹性剪切位移为：。(2)滑移带上的切应力因出现塑性位移nb而被松弛，则弹性剪切位移应等于塑性位移，即：（1-35）,43,将式（135）代入式（134），得：（1-36）因为屈服时（s）裂纹已形成，s又与晶粒直径之间存在HallPetch关系，i.e.,代入式（136），得：（1-37）c长度相当于直径d的裂纹扩展所需之应力，或裂纹体的实际断裂强度，式（137）即为屈服时产生解理断裂的判据。可见，d减小，c。晶粒细化，材料的强度，材料的脆性减小；第二相质点的平

23、均自由程入越小，材料的强度。,44,（1）解理裂纹的形成和扩展a.位错塞积理论（前面刚讨论）b.位错反应理论 位错反应，形成新的位错，能量降低，有利于裂纹形核。c.史密斯理论（脆性材料萌生裂纹）位错塞积，在脆性相内萌生裂纹。,45,（2）解理断裂的微观断口特征电镜观察a.河流状（图1-25）,解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。其方式为：解理裂纹与螺位错相交形成；通过二次解理成撕裂形成。“河流”的流向与裂纹扩展方向一致。微观上，可从河流的反方向寻找断裂源。,船用钢板解理断口

24、上的河流花样,46,晶界对解理断口的影响:-小角度倾斜晶界 裂纹能越过晶界，“河流”可延续到相邻晶粒内。-扭转晶界（位向差大）裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。裂纹将沿若干组新的相互平行的解理面扩展，形成新的“河流”。,47,b.舌状花样 解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台。（见图）c.准解理 由于晶体内存在弥散硬质点，解理裂纹起源于晶内硬质处点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。准解理不是独立的断裂机制。是解理断裂的变种。,48,1.4.4 微孔聚集断裂机理和微观断口特征,(1)断裂机理a.微孔形核 点缺陷聚集、第二相质点碎裂或脱落；位错引起的应力集中，不均匀塑性形变。b.微孔长大

25、 滑移面上的位错向微孔运动，使其长大。c.微孔聚合 应力集中处，裂纹向前推进一定长度。,49,(2)微观断口特征,韧窝（火山口式、圆形、椭圆形）（图1-32）（1）韧窝形状（a）正应力 微孔的平面，形成等轴韧窝；退火低碳钢拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。（b）拉长韧窝 扭转、或双向不等应力状态；切应力，形成拉长韧窝；（c）撕裂韧窝 拉、弯应力状态；（2）影响韧窝大小因数 基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数；第二相质点的大小和密度。韧窝可以看成是微观尺度上的“缩颈”。注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断裂；而宏观上为脆性断裂，在局部区域内也可能有塑性变形，从而显示出韧窝形态。,50,1.

26、4.5 断裂强度,(1)理论断裂强度“原子间结合力”模型 完整晶体，原子间作用力与原子间位移关系式 m代表晶体在弹性状态下的最大结合力理论断裂强度。,x 位移很小，由虎克定律，弹性状态下,合并上面两个式子，得：,晶体脆性断裂时所消耗的功 U0 用于提供形成两个新表面所需之表面能（设裂纹面上单位面积的表面能为），形成单位裂纹表面外力所作的功，应为x曲线下所包围的面积，即：,因为断裂时形成两个新表面，所以有,（1）,（2）,（3）,or,51,m 即为理想晶体解理断裂的理论断裂强度。表面能a0 原子间平衡距离 m E/5.5 实际 的m 仅为 E 的 1/101/1000。思考：实际金属中，一定存

27、在某种缺陷，使材料断裂强度显著下降。,将（3）代入（2），得：,（4）,52,(2)断裂强度的裂纹理论,a.出发点 材料中已存在裂纹；局部应力集中；IF裂纹扩展（增加新的表面），Then系统的弹性能降低以提供裂纹扩展时表面能的增加。b.Griffith模型（1921年）单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力（平面应力状态）。板内有一长度为2a，并垂直于应力的裂纹。,53,拉紧平板，已存在裂纹的平板，将释放弹性能(由弹性理论计算)（系统释放的能量，前面加负号）另外，裂纹形成时产生新表面需提供表面能，设裂纹的表面能为，则表面能为：W=4as（是两个表面）系统的总能量变化由于表面能及外加应力是恒定的，

28、则系统总能量变化及每一项能量均与裂纹半长a有关（Note：逐渐拉紧平板后，系统释放的弹性能是由小变大），在裂纹失稳扩展时，,由此得，裂纹失稳扩展的临界应力c为:,54,这就是裂纹失稳扩展的临界应力，即有裂纹物体的断裂强度c，Griffith公式,如果外加应力不变，裂纹在物体服役时不断长大，则当裂纹达到临界尺寸ac时，裂纹处于失稳扩展状态，如上式。,以上推导，适合于薄板。Griffith公式只适于脆性固体，如玻璃、金刚石、超高强度钢等。对于工程金属材料，如钢等，裂纹尖端产生较大塑性变形，消耗大量塑性变形功，其值远大于表面能（至少相差1000倍）。奥罗万欧文修正：Griffith公式中表面能应由形

29、成裂纹所需表面能s及产生单位面积裂纹表面所消耗的塑性变形功p构成，则Griffith公式应代之以下列形式：,因为p远大于s，则：,此即格雷菲斯奥罗万欧文公式。（s+p）有效表面能。欲 c，应 E（选材）、或材料的表面能及塑性变形功（有效表面能）。,55,表1-8列出了裂纹扩展力学条件比较。其中格雷菲斯理论的前提：承认金属材料中已存在裂纹（可能是冶金、热加工或塑变中产生），而位错塞积理论则适于塑性变形诱发的裂纹。,注意：a0为原子间距，a为裂纹半长，d为晶粒直径。,屈服时产生解理断裂的判据,理想晶体解理断裂的理论断裂强度,针对对工程金属材料,针对薄板，脆性材料,56,1.4.6 断裂理论的应用,对具体材料，如何应用格氏公式（1）对有效表面能（表面能和塑性变形功）影响因素的分析。（2）屈服时，产生解理断裂的判据与Hall-Petch关系式联系起来（位错塞积理论或位错反应理论）。（3）再考虑应力状态系数q的影响。,