金屬在單向靜拉伸下的力學性能

1、第一章 金屬在單向靜拉伸下的力學性能單向靜載拉伸是應用最廣泛的力學性能實驗之一，該實驗的特點是溫度、應力狀態(tài)和加載速率是確定的，通過該實驗可以給出金屬材料最基本的力學性能指標：屈服強度、抗拉強度、伸長率、斷面收縮率。§1.1 拉伸曲線和應力應變曲線一、 應力和應變1 復習應力、應變的定義，包括正應力、切應力、正應變、切應變。2 給出在拉伸條件下工程應力、工程應變（又稱為名義應力、名義應變）、真應力、真應變的定義。3 應力狀態(tài)軟性系數(shù)二、 拉伸曲線、應力應變曲線1 拉伸曲線：拉伸實驗時所記錄的載荷-伸長曲線。2 將拉伸曲線的載荷-伸長坐標分別用試樣原始截面積和原始標距長度去除，則得到應

2、力應變曲線。真應力應變曲線。3 拉伸實驗中金屬材料的變形過程通常包括彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。§1.2 彈性變形階段的力學性能一、 彈性變形及其實質1 彈性變形特點：32 微觀實質：晶格中原子自平衡位置產生可逆位移的反映。二、 彈性模量1 是材料彈性變形階段應力與應變正比關系的比例系數(shù)，表征金屬材料對彈性變形的抗力。2 彈性模量與原子間作用力有關，主要決定于金屬原子本性和晶格類型。3 彈性模量是一個對組織不敏感的力學參數(shù)，合金中溶質原子及熱處理工藝對其影響不大，冷塑性變形和升高溫度可使其降低。三、 比例極限和彈性極限1 比例極限為拉伸過程中應力與應變成正比關系的最大應力。2

3、彈性極限為材料在拉伸過程中由彈性變形過渡到塑性變形時的應力。四、 彈性比功材料開始塑性變形前單位體積所吸收的最大彈性變形功，表示金屬材料吸收彈性變形功的能力。彈性比功決定于材料的彈性模量和彈性極限。五、 彈性不完整性完全的彈性變形與載荷方向和加載時間無關，而實際的彈性變形與這些因素有關，產生了彈性不完整性：（1）包申格效應（Bauschinger）；（2）彈性后效；（3）彈性滯后。§1.3 塑性變形階段的力學性能一、金屬的塑性變形方式及特點4 常見塑性變形方式有滑移和孿生。fcc, bcc, hcp金屬。5 多晶體金屬塑性變形特點：（a） 各晶粒變形的不同時性和不均勻性；（b） 各晶

4、粒變形的相互協(xié)調性。二、屈服現(xiàn)象、屈服點和屈服強度6 屈服現(xiàn)象的定義：材料在拉伸變形時，從彈性變形到塑性變形存在一個明顯的過渡，表現(xiàn)為載荷增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后在載荷不增加或在某一不變值附近波動的情況下，試樣繼續(xù)伸長變形。屈服現(xiàn)象是金屬材料開始出現(xiàn)塑性變形的標志。7 上屈服點、下屈服點、屈服伸長、屈服平臺、呂得斯(Luders)帶或屈服線8 屈服現(xiàn)象產生的原因：（1）間隙原子對位錯的釘扎作用；（2） ， 9 屈服強度：上屈服點受實驗條件影響大，而下屈服點再現(xiàn)性比較好，通常將下屈服點記作ss 。無明顯屈服現(xiàn)象的材料，屈服強度記作s0.2 。10 屈服強度的意義，屈強比。三、 影響屈服強度

5、的因素1 影響屈服強度的內在因素a) 金屬本性及晶格類型b) 晶粒大小與亞結構 （細晶強化）c) 溶質原子 （固溶強化）d) 第二相粒子 （彌散強化）2 影響屈服強度的外在因素a) 溫度b) 應變速率c) 應力狀態(tài)四、 屈服判據（屈服條件）1 Tresca最大切應力理論2 Von Mises畸變能理論五、 形變強化1 形變強化的意義：（1） 使機件具有一定的抗偶然過載能力；（2） 使金屬進行均勻的塑性變形；（3） 強化金屬材料的重要手段；（4） 降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性能。2 Hollomon關系，形變強化指數(shù) S = K e n 形變強化指數(shù)n反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。六

6、、 頸縮現(xiàn)象韌性金屬材料在拉伸實驗時形變集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象，是形變強化（物理因素）與截面減小（幾何因素）共同作用的結果。頸縮判據： ， 七、 抗拉強度與真實斷裂強度抗拉強度的意義：（1）標志塑性金屬材料的實際承載能力；（2）在有些場合，可以使用sb 作為設計依據；（3）sb 與布氏硬度、疲勞強度間有一定的對映關系。八、 金屬的塑性塑性是指金屬斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。1 伸長率(d)，斷面收縮率(y)金屬斷裂時的塑性變形包括均勻變形與集中變形（頸縮附近）兩部分，金屬的塑性變形與形變強化同步進行是產生均勻變形的先決條件。頸縮后，由于形變強化跟不上塑性變形的發(fā)展，遂由均勻變形轉變?yōu)榧凶冃巍?/p>

7、2 總塑性（最大塑性）均勻變形（eB）與集中變形（eu）兩部分。對于形成頸縮的塑性金屬有：（1）均勻變形量比集中變形量小很多，前者通常不超過后者的50%，（2）試樣標距長度越小，集中變形所占的比例越大。3 塑性的意義和影響因素意義：（1）防止偶然過載時，突然產生破壞，（2）金屬材料的塑性變形，可以使金屬在軋制、擠壓等冷變形壓力加工時，得到合格產品，（3）塑性大小可反映材料冶金質量好壞。影響因素：（1）平均晶粒尺寸，（2）溶質原子，間隙式溶質原子對塑性的降低大于置換式溶質原子，（3）碳化物、硫化物等第二相。實驗證明，eB主要取決于基體相，eu除取決于基體相外，還受第二相影響。九、 靜力韌度韌性是

8、金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力，韌度是度量金屬材料韌性的力學性能指標，可理解為應力應變曲線下所圍成的面積（W=），分為靜力韌度、沖擊韌度、斷裂韌度。只有在強度與塑性較好配合下，才能獲得較好的韌性。§1.4 金屬的斷裂斷裂是金屬材料三種失效形式之一（斷裂、腐蝕、磨損），危害最大；（2）分為完全斷裂和不完全斷裂；（3）斷裂過程包括裂紋形成與裂紋擴展兩個階段。一、 斷裂的類型1 韌性斷裂與脆性斷裂（根據斷裂前是否產生明顯宏觀塑性變形）斷口特征三要素：纖維區(qū)F、放射區(qū)R和剪切唇S。2 穿晶斷裂與沿晶斷裂（根據裂紋擴展路徑）3 解理斷裂、純剪切斷裂與微空聚集型斷裂（根據斷裂機理）（

9、1）解理斷裂是金屬材料在一定條件下（如低溫），當外加正應力達到一定程度后，以極快速率沿一定晶體學平面產生的穿晶斷裂。因與大理石的斷裂類似，故稱為解理斷裂，該晶體學平面為解理面（一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面）。bcc: 001, 112hcp: (0001), (1100), (1124)fcc: 無解理斷裂。解理斷裂總是脆性斷裂。（2）剪切斷裂是金屬材料在切應力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，分為純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂（常見的金屬斷裂形式）。此外，根據斷裂面的取向分類：如果斷裂面垂直于最大正應力，稱為正斷斷裂，斷裂面與最大切應力方向一致而與最大正應力方向成45度角，稱為切

10、斷斷裂。二、 脆性斷裂機理與微觀特征1 解理裂紋的形成和擴展（1） Zener-Stroh位錯塞積理論（2） Cottrel位錯反應理論（3） Smith模型2 脆性斷裂的微觀特征（1） 解理臺階：不同高度解理面相交形成臺階。（2） 河流花樣：臺階匯合，同號長大，形成河流，異號相消。（3） 舌狀花樣：解理面與孿晶面相遇，形成舌狀花樣。三、 韌性斷裂機理與微觀特征1 純剪切斷裂與微空聚集型斷裂微孔形核、長大和聚合。2 韌性斷裂的微觀特征韌窩是微孔形核長大和聚合在斷口上留下的痕跡，是韌性斷裂的基本特征，根據應力狀態(tài)不同，可分為：等軸韌窩（正應力垂直于微孔），拉長韌窩（扭轉或雙向不等拉伸切應力），撕

11、裂韌窩（拉、彎聯(lián)合作用）。四、 斷裂強度1 理論斷裂強度：在外加正應力作用下，將晶體的兩個原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應力，稱為理論斷裂強度。E，彈性模量，gS，表面能，a0，相鄰原子間平均距離。2 斷裂強度的裂紋理論(Griffith)理論2a，裂紋長度，gS，表面能，gP，塑性功。五、 斷裂理論的應用為減低金屬材料脆斷傾向，應提高G、gS、q，降低si、d、ky 。六、 力學狀態(tài)圖屈服和斷裂（韌性的或脆性的，正斷或切斷）是金屬材料的失效形式，失效類型取決于應力狀態(tài)、材料性能、溫度和加載速率。力學狀態(tài)圖：統(tǒng)一考慮材料在不同應力狀態(tài)下的強度極限條件與失效形式，用圖解的方法對其關系進行概括和總結。力學狀態(tài)圖（1）溫度降低，可提高ts，而tf與sc基本不變。（2）提高加載速率對斷裂類型的影響與降低溫度等效。提高加載速率、降低溫度和造成硬的應力狀態(tài)（a減?。┦鞘共牧献兇嗟娜笠蛩?。力學狀態(tài)圖的應用：（1） 預測斷裂類型；（2） 合理選擇和利用材料；（3） 正確選擇力學性能測試方法。習題一、 名詞解釋1. 彈性變形；2. 塑性變形；3. 屈服強度；4. 抗拉強度；5. 韌性；6. 延伸率；7. 斷面收縮率；8. 形變強化；9. 頸縮現(xiàn)象；10. 應力狀態(tài)軟性系數(shù)。二、 簡答題1. 彈性變形的特點及微觀實質。2. 彈性不完整性主要包括