【材料物理性能与力学性能】第1-2章

材料物理性能与力学性能主讲：龙朝辉湘潭大学材料科学与工程学院一、材料的性能1、使用性能：物理性能（光、电、磁……）力学性能（强度、塑性、硬度……）2、加工性能：（可制造性）热加工：铸、锻、焊、热处理……冷加工：车、铣、磨……特种加工：电火花、激光、离子……材料力学性能:材料抵抗变形和断裂的能力。服役过程:保持设计要求的外形和尺寸，保证在服役期内安全地运行。生产过程:要求材料具有优良的加工性能。如压力加工要求优良的塑性和低的塑性变形抗力。二、材料力学性能表征1、材料软硬程度的表征。2、材料脆性的表征。3、材料抵抗外力能力表征。4、材料变形能力的表征。5、含缺陷材料抗断裂能力的表征。6、材料抵抗多次受力能力的表征。7、新材料及特种材料性能的表征。8、特殊条件下材料性能的表征。弹性:是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力．强度:是材料对变形和断裂的抗力。寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力，使零件在服役期内安全运行。三、材料的基本力学性能第一部分:第一～七章力学性能部分，介绍材料在静载荷下的力学性能（弹性、塑性、强度、硬度、断裂）、冲击韧性、疲劳性能、磨损性能及高温力学性能。以金属材料为主。第二部分:第八～十二章物理性能部分，介绍材料的热学、磁学、电学、光学及压电与铁电性能。以金属和陶瓷材料为主。第三部分:第十三～十四章金属材料的腐蚀性能及高分子材料的老化与稳定性能。四、教材结构和内容预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。理论联系实际:是实用性很强的一门课程。某些力学性能指标根据理论考虑定义,而更多指标则按工程实用要求定义。重视实验:通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又可掌握测试技术，了解测试设备，进一步理解所测的力学性能指标的物理意义与实用意义。做些练习:加深理解――巩固所学的知识。五、本课程学习注意问题：第一章材料单向静拉伸的力学性能单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性能试验之一。本章将详细讨论金属材料在单向静拉伸载荷作用下的基本力学性能指标，如：屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面伸长率等，作为材料在其他载荷和环境条件下力学响应分析的基础。1.高碳钢2.低合金结构钢3.黄铜4.陶瓷、玻璃5.橡胶6.工程塑料几种典型的力-伸长曲线FFFFFFΔLΔLΔLΔLΔLΔL注意：不同材料或同一材料在不同条件下可有不同形式的力-伸长曲线。其决定因素有：键合方式、化学成分、组织形态等真应力-应变曲线与工程应力-应变曲线的联系与区别：在弹性变形阶段：基本重合；在塑性变形阶段，差异显著。双原子模型3.弹性模量的影响因素弹性模量是构成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志，凡是影响键合强度的因素均能影响弹性模量。如：键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载方式和速度等。1）键合方式和原子结构共价键、离子键、金属键----较高分子键----较弱原子半径越大，E越小2）晶体结构单晶体：各向异性最大值与最小值差值可达4倍多晶体：伪各向同性非晶：各向同性3）化学成分----引起原子间距和键合方式的变化4）微观组织----影响较小晶粒大小对E值无影响；第二相的影响取决于体积比例和分布状态；冷加工的影响在5%以内5）温度----温度升高，E降低特例：橡胶。其弹性模量随温度升高而增加。6）加载条件和负荷持续时间加载方式、速率和负荷持续时间对金属材料、陶瓷材料影响很小。对于高分子聚合物，负荷时间延长，E下降。4、比例极限和弹性极限0AFpppF：比例极限对应的应力0A：试棒的原始截面面积0AFeeeF：弹性极限对应的应力0A：试棒的原始截面面积注意：由于实际测量时难以准确而唯一的测出比例极限和弹性极限，因此，在国家标准中，为“规定非比例伸长应力”，如：表示非比例伸长率为0.01%时的应力。此时，比例极限和弹性极限已没有质的区别，只是非比例伸长率不同而已。比例极限、弹性极限、屈服强度基本相同，都表示材料对微量塑性变形的抗力。p01.0p5提高弹性比功的途径：提高弹性极限（常用）降低弹性模量（不常用）几种常见材料的弹性模量、弹性极限、弹性比功应用：弹性比功大的材料常用作减振或储能原件，如弹簧、橡胶等。第三节非理想弹性与内耗弹性的分类：a.理想弹性（服从胡克定律，并同时满足三个条件：线性、同相位、单值函数）b.非理想弹性(包括滞弹性、沾弹性、伪弹性、包申格效应)滞弹性：指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变能。滞弹性的影响：对精密仪器的测量精度有影响，选材时需考虑滞弹性。如：测力弹簧、传感器等，应选择滞弹性小的材料，否则影响测量精度。粘弹性：是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。特征：应变对应力的响应不是瞬间完成的，需要一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。分为两种情况：a.恒应变下的应力松弛b.恒应力下的蠕变伪弹性：是指在一定温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形现象。包申格效应：指金属材料预先加载产生少量塑性变形（残余应力小于4%），而后再同向加载，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。原因：与金属材料中位错运动所受阻力的变化有关（是材料微观组织变化的结果）应用：对于预先经受一定程度冷变形的材料，如使用时承受与冷变形方向相反的载荷，要注意：材料微量塑性变形抗力已降低。另外，也可以加以利用，如：薄板反向弯曲成型。消除方法：进行较大塑性变形；再结晶退火内耗：材料在变形过程中被吸收的功。弹性滞后环：应力-应变曲线中，加载线和卸载线不重合而形成一个封闭回路，称为弹性滞后环。弹性滞后环说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分加载变形功被材料吸收，即为内耗，其大小等于弹性滞后环的面积。(内耗大小主要取决于应变和应力之间的位相差)内耗的物理本质：材料内部的微观运动（eg.晶界迁移、有序化、磁性变化等）消耗能量。内耗也称为材料的循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，又称消振性。循环韧性越高，消振性越好。应用：1）2）仪表传感元件，需选用循环韧性低（内耗低）的材料，以提高敏感性。内耗的科学意义：利用材料内耗与成分、组织结构及物理性能变化之间的关系，进行材料科学研究。第四节塑性变形及其性能指标一、塑性变形机理定义：材料微观组织的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。1：金属材料的塑性变形机理：滑移、孪生滑移系越多，塑性越好复习：滑移：晶体的一部分对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动，滑动后原子处于新的稳定位置。滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移面：发生滑移的晶面就是“滑移面”；滑移方向：发生滑移的晶向就是“滑移方向”。滑移系：一个滑移面和其面上的一个滑移方向的组成称为“滑移系”表格2-1三种典型晶格的滑移系晶格类型体心立方面心密排六方滑移面｛１１０｝｛１１１｝底面滑移方向〈１１1〉〈１１0〉底面对角线滑移系6面×２方向=124面×3方向=121面×3方向=3孪生本身提供的变形量很小，但可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动。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材料表面优先；与切应力取向一致的滑移系优先。2）各晶粒变形的相互协调性晶粒间塑性变形的相互制约、协调；晶粒内不同滑移系的相互协调。2、陶瓷材料的塑性变形属于晶体材料，变形机制为滑移和孪生。但是，陶瓷材料的结合多为离子键或共价键，具有明显方向性，同号离子之间相斥很大，因而只有个别滑移系能满足位错运动的条件。因此，只有极少数陶瓷材料在室温下具有塑性，而一般陶瓷材料在室温下不能进行塑性变形。3、非晶态材料的塑性变形不存在滑移和孪生变形机制：粘性流动变形，需要在一定温度下进行，在室温下几乎没有塑性。如：玻璃在室温下没有塑性。二、屈服现象与屈服强度1、屈服现象特点：外力不增加（保持恒定），试样仍然继续伸长；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的情况下试样继续伸长。屈服是材料由弹性变形向弹-塑性变形过渡的标志。屈服点：材料在屈服时对应的应力值。上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值。下屈服点：屈服阶段中最小应力。屈服伸长：屈服阶段产生的伸长。屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或曲折线段。ssusl材料产生屈服的原因：与材料内部的位错运动有关。vb：塑性应变速率b：柏氏矢量的大小：可动位错密度v：位错运动平均速率')(0mv位错运动速率与切应力的关系：其中，为位错运动速率应力敏感指数。'm欲提高位错运动平均速率，就需要有较高的应力----上屈服点。塑性变形一旦发生，位错大量增殖，增加，则位错运动速率下降（为定值），导致应力突然降低，从而产生屈服现象越小，屈服现象越明显。v'm2、屈服强度屈服强度（或屈服点）：材料屈服时所对应的应力值。意义：材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。s0/AFss0/AFslsl屈服强度的工程意义：1、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；2、根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。三、影响金属材料屈服强度的因素1、晶体结构位错宽度w大，位错易于移动，小，屈服强度小，如fcc金属.bcc金属相反np（派纳力）2、晶界和亚结构晶界越多，晶粒越小，位错中应力集中程度不够，需要更大的外加切应力才能够使位错运动，因此屈服强度越大。——细晶强化3、溶质元素——固溶强化此外，4、第二相强化分为：第二相不可变形、可变形两类第二相尺寸与基体相近的块状分布----产生不均匀变形第二相细小弥散分布----强化效果与质点本身的性质及其与基体的结合情况有关5、温度。bcc金属温度效应明显，fcc和hcp金属温度效应较小6、应变速率与应力状态小结：屈服强度是一个对成分、组织、温度、应力状态等极为敏感的力学性能指标。因此，改变金属的成分或热处理工艺都可以是屈服强度产生明显变化。如：冷轧，拉拔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。意义：是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。1、应变硬化机理普遍认为：是塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。由于位错的交互作用，位错运动的阻力不断增加，从而产生应变硬化。四、应变硬化：1、应变硬化指数n1）经验公式:S：真应力e：真应变n:应变硬化指数K：硬化系数（真应变为1时的真应力）2）意义：反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。n=1，理想弹性形变。S=Ken=0,S=K=常数，表示材料没有应变硬化能力——理想塑性体多数金属材料的n值在0.1-0.5之间。n的变化范围3）应变硬化指数的测量根据（1-31），方程两边取对数，得：enKSlglglg在应力-应变曲线上取几组坐标值(σ,ε)，由真应力与工程应力、真应变与工程应变之间的关系S=(1+ε)σe=ln(1+ε)可做出lgS-lge曲线（线性关系），直线斜率为n值。4）n的影响因素常数sn5）n的意义五、抗拉强度与缩颈条件1、抗拉强度1）概念：试件拉断前所能承受的最大载荷Fb除以试件初始横截面面积A0.0AFbb意义：标志金属材料的实际承载能力（光滑试样单向拉伸的受载条件）。1)可作设计依据：当横截面上的应力达强度极限时，受拉杆件上将开始出现颈缩并随即发生断裂。2)抗拉强度易于测定，且重复性好，广泛用于产品规格说明和质量控制指标。2、缩颈1）概念：是一些金属材料和高分子材料在拉伸实验时，变形集中于局部区域的特殊状态。2）产生机理：在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域。3）颈缩条件：dF=0由（i）得(ii)全微分，得(iii)nKAeF0