第一章-金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院1材料力学性能裴立宅材料科学与工程学院Email:[e-mail],[e-mail]3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院2不同的材料具有不同的使用性能，在工业、社会生活等各个方面得到了广泛应用研究材料的根本目的是改善和提高其使用性能使用性能包括物理性能、化学性能、力学性能（也是物性的一种）对于金属、无机非金属等结构材料来讲，力学性能是最重要的使用性能3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院3材料力学性能的定义:材料在外加载荷（外力）作用下，或载荷与环境因素（如温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为，又称为力学行为。宏观上一般表现为材料的变形或断裂。材料的力学性能包括：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性等3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院4机器零件（简称机件）的承载条件一般用各种力学参数（如应力、断裂韧度等），所以就将表征材料的力学参数的临界值或规定值称为材料的力学性能指标或判据。材料力学性能指标具体数值的高低表示材料抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质量的主要依据。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院5材料的力学性能主要由材料的内在因素决定内在因素：材料的化学成分、组织结构、残余应力、表面及内部缺陷外部因素：载荷性质，如静载荷、冲击载荷、交变载荷应力状态，如拉、压、弯曲、扭转、剪切、温度、环境介质等因此，分析内、外因素对材料力学性能的影响，掌握材料力学性能的变化规律，对于正确选择材料，明确提高材料力学性能的方向和途径具有重要意义3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院6材料作为一门大型基础学科，内容涉及广泛，我们无机非金属材料专业的学生不仅要了解、掌握无机非金属材料，还需要了解金属材料的力学性能，这对以后大家的学习、就业和工作等方面都是大有益处的。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院7第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第二章金属在其他静载荷下的力学性能第三章金属在冲击载荷下的力学性能第四章金属的断裂韧度第五章金属的疲劳第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂第七章金属磨损和接触疲劳第八章金属高温力学性能第十章陶瓷材料的力学性能第十一章复合材料的力学性能普通混凝土的力学性能3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院8关于材料力学性能的参考书：[1]高建明主编.材料力学性能[M].武汉:武汉理工大学出版社,2004.[2]石德珂,金志浩主编.材料力学性能[M].西安:西安交通大学出版社,1998.[3]刘瑞堂主编.工程材料力学性能[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2001.[4]陈楷主编.陶瓷材料物理性能[M].北京:中国建筑工业出版社,1980.[5]吴振铎主编.无机材料物理性能[M].北京:清华大学出版社,1992.3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院9第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能单向静拉伸实验的特点：温度、应力状态和加载速率一定，通常用标准的光滑圆柱试样来实验，通过单向静拉伸实验可以揭示金属材料在静载荷作用下常见的力学行为：弹性变形、塑性变形及断裂本章主要介绍静拉伸载荷下力学性能指标的物理概念及实用意义，并分析金属弹性变形、塑性变形及断裂的基本规律与原理3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院10第一节力-伸长曲线和应力-应变曲线力-伸长曲线：是拉伸试验中拉伸力与伸长的关系曲线3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院113/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院123/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院13第二节弹性变形一、弹性变形及其实质3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院14二、虎克定律（一）简单应力状态的虎克定律3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院153/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院16（二）广义虎克定律3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院17三、弹性模量定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹性应力，即产生100%弹性变形时所需要的应力。这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院18工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抵抗力机器零件或构件的刚度与材料刚度不同，前者用其截面积A与所用材料的刚度E的乘积，即AE表示所以要提高机件的刚度，在横截面积相同时，应该选择E值大的材料，如钢铁、陶瓷材料等单晶体金属的弹性模量在不同晶体学方向上不一致，原子间距较小的晶体学方向上的弹性模量较大，反之则较小，所以单晶金属表现为弹性各向异性多晶金属的弹性模量为各晶粒弹性模量的统计平均值，呈现各向同性3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院19四、弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示材料吸收弹性变形功的能力3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院20因为弹性比功是用单位面积材料吸收的最大弹性变形功表示，所以机件的体积越大，则吸收的弹性功越大，可储备的弹性能越大。弹簧是典型的弹性零件，其重要作用是减振和储能驱动，所以弹簧材料应具有较高的弹性比功，如高碳钢3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院21五、滞弹性纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方向和加载时间无关但对于实际的金属材料来讲，其弹性变形不仅是应力的函数，而且是时间的函数在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生的附加弹性应变的现象，称为滞弹性。滞弹性应变量与材料成分、组织有关，也与试验条件有关材料组织越不均匀，滞弹性越明显。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院22由于实际金属具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时，由于应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后环（图a）。如果施加交变载荷，且最大应力低于宏观弹性极限，加载速率比较大，则也得到弹性滞后环（图b）。如果交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限，就会得到塑性滞后环（图c）。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院23金属的循环韧性定义：金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功的能力，也称为金属的内耗或消振性。意义：循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院24六、包申格效应（Bauschinger）3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院25包申格效应的定义：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残余应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院26包申格效应是多晶金属具有的普遍现象，与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关位错：是晶体中的一维缺陷，缺陷区是细长的管状区域，管内的原子排列混乱，破坏了点阵的周期性位错的TEM图像3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院273/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院28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先使金属材料于回复或再结晶温度下退火，如钢在400-500℃，铜合金在250-270℃退火。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院29第三节塑性变形一、塑性变形方式和特点变形方式：(1)滑移(2)孪生3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院30(1)滑移是金属材料在切应力作用下位错沿滑移面和滑移方向运动而进行的切变过程滑移面是原子排列最密排的晶面，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，滑移系越多，金属的塑性越好，但滑移系的数目不是决定金属塑性的唯一因素面心立方fcc金属（如Cu、Al）的滑移系比体心立方bcc金属（α-Fe)的少，但由于前者晶格阻力低，位错容易运动，所以塑性比后者好。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院31(2)孪生也是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式孪生本身提供的变形量很小，例如Cd孪生变形只有7.4%的变形量，而滑移形变度可达300%。孪生变形可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。孪生变形也是沿特定的晶面和特定晶向进行。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院32多晶金属中每一晶粒滑移变形的规律与单晶金属相同，但是多晶金属中存在晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性变形有如下特点：(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3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院33(1)各晶粒变形的不同时性和不均匀性多晶体由于各晶粒取向不同，在受外力时，某些取向有利的晶粒先开始滑移变形，而那些取向不利的晶粒可能仍处于弹性变形状态，只有继续增加外力，才能使滑移从某些晶粒传播到另外一些晶粒，并不断传播下去，从而产生宏观塑性变形。金属组织越不均匀，则起始塑性变形不同时性就越显著。金属材料塑性变形的不同时性实际反映了塑性变形的局部性，即塑性变形量的不均匀性。这种不均匀性不仅存在于各晶粒之间，基体金属晶粒与第二相晶粒之间，即使同一晶粒内部，各处的塑性变形量也不同。所以当宏观塑性变形量还不大时，个别晶粒或晶粒局部区域的塑性变形量可能已达到极限。由于塑性耗竭，加上变形不均匀产生较大的内应力，就有可能在这些晶粒中形成裂纹，从而导致金属材料的早期断裂。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院34(2)各晶粒变形的相互协调性多晶体作为一个连续的整体，不允许各个晶粒在任一滑移系中的自由变形，否则必将造成晶界开裂，这就要求各晶粒之间能够协调变形。所以每个晶粒必须能够同时沿几个滑移系进行滑移，即能进行多系滑移，或在滑移同时进行孪生变形。3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院35二、屈服现象和屈服点（屈服强度）屈服现象是材料产生宏观塑性变形的一种标志。金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡明显，表明外力保持恒定时试样仍继续伸长，或者外力增加到一定数值时突然下降，然后外力几乎不变时，试样仍继续伸长变形，这就是屈服现象。呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外力保持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点，又称屈服强度。屈服现象在退火、正火处理的中、低碳钢和低合金钢中最为常见3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院36屈服伸长上屈服点下屈服点3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院37与屈服现象相关的三个因素：(1)材料变形前可动位错密度很小，或虽然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钉扎(2)随塑性变形发生，位错能快速增殖(3)位错运动速率与外加应力密切相关3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院38屈服强度的表示方法：用应力表示的屈服点（σs）或下屈服点(σs1)就是表征材料对微量塑性变形的抗力，即为屈服强度由于正常条件下，σs1再现性较好，所以下屈服强度也选作材料屈服强度指标之一。0ssFA110ssFA3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院39对于连续屈服特征的金属材料，在拉伸试验时看不到屈服现象对于这一类材料，可用规定微量塑性伸长应力表征材料材料对微量塑性变形的抗力规定微量塑性伸长应力是人为规定的拉伸试样标距部分产生一定的微量塑性伸长率（如0.01%、0.05%、0.2%等）时的应力。根据测定方法不同，可分为三种指标3/23/2020安徽工业大学材料科学与工程学院40(1)规定非比例伸长应力（σp）试样在加载过程中，标距部分的非比例伸长达到规