《材料力學性能》

材料力學性能Mechanicalpropertiesofmaterials大連理工大學

材料科學與工程學院材料通常是指可以用來直接制造有用物件、構件或器件的物質，是科學與工業(yè)技術發(fā)展的基

礎。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明

進步的標志。

一種新材料的問世及其應用，往往

會引起人類社會的重大變革。

新

材

料

時

代鋼鐵

時

代石

器

時

代

青

銅

時

代

鐵

器

時

代材料的發(fā)展與人類社會的進步前1司母戊鼎是商代后期由王

室所鑄，1939年在河南省安陽市

出土，是商朝青銅器代表作，是

迄今為止出土的最大最重的青銅

器，現(xiàn)藏于中國國家歷史博物館。前銅是人類最早應用的金屬。2四羊方尊，商朝晚期偏早青

銅器。屬于禮器，祭祀用品。是中

國現(xiàn)存商代青銅器中最大的方尊，

高58.3厘米，重近34.5公斤，1938

年出土于湖南寧鄉(xiāng)，現(xiàn)藏于中國國

家歷史博物館。前

言3前

言前言52021年7月8日星期四前

言銅條軋輪不銹鋼制品前言2021年7月8日星期四7世界杯用球復合泡沫耐磨，反彈力大，球速快而穩(wěn)定液晶電視晶體硅對比度好，清晰度高，

顯示速度快，體積小錄像機用DVD-RW盤片體積小，重量輕，存儲節(jié)目容量大，兼容性好仿真手臂高強度碳纖維強度高，重量輕，旋轉靈活前部分新型材料應用圖例

所用材料

特點沒有半導體材料的工業(yè)化生產，就不可能

有目前的計算機技術。ElectronicNumericalIntegratorAndComputer前

言所用材料：單晶硅片，高純鈦、SiO?

和鉻等薄膜單晶硅棒單晶晶園片以純硅石為原料提

煉出的多晶硅在單

晶爐內拉成單晶棒，在單晶棒上切

出的一片晶園片(Wafer)上就可以做

出數(shù)百個計算機用的芯片(Chip)。一

個

芯片上的晶體管由

初期的數(shù)百個到早

期大規(guī)模集成電路

上的100,000個，目

前主頻為1GHz的個

人電腦芯片上晶體

管的數(shù)目己超過30,000,000個。50,000290330.100000550000200600000007集成電路由原料到集成電路：硅石一多晶硅一單晶硅棒一單晶晶園一集成電路前

言10不同時期飛機發(fā)動機溫度600

F1200

F2000

F3500F華氏度=攝氏度×1.8+32發(fā)動機溫度渦扇式噴氣

發(fā)動機渦輪噴氣式

發(fā)動機超音速燃燒

沖壓發(fā)動機一次世界大戰(zhàn)時的水冷式發(fā)動機三十年代的氣冷式發(fā)動機前

言2000溫度(華氏度)11300

F4000300010000沒有高溫高強度的結構材料，就不可

能有今天的航空工業(yè)

和宇航工業(yè)。前

言12自二十世紀七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。沒有低消耗的光導纖維，也就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。

言前Whilst

materials

create

technological

wonders,theyare

also

the

disaster

strikesTITANIC14

Titanic

sank

because

of

brittle

fracture

failure

of

steel

!!!2021年7月8日星

期四前

言1912年4月10日，當時英國最大、最豪華的郵輪“泰坦尼克號”離開港口，進行她的處女航。它預定從英國駛向美國紐約，時間為7天。船

上共有2208人，其中乘客1316人，船員892人。乘客中不乏英美兩國著名

的實業(yè)家、富豪及其家眷。在航行的頭4天中一路順風。然而，出航后

的第五天夜晚，“泰坦尼克號”正以每小時23海里的速度航行在大西洋上，深夜11時40分，這艘巨輪突然撞上了游離的冰山，船的吃水線以下被劃破一個長長的口子，船體立刻大幅度搖晃，船艙內一片混亂。凌晨0

時15分，“泰坦尼克號”發(fā)出第一個求救信號。0時45分，救生艇開始放

入水中，乘客們爭先恐后地登上救生艇。但船上僅有16只救生艇。于是男子們決定先把婦女與兒童送上救生艇，他們自己則留在船上。船長愛德華

·史密斯也執(zhí)意不肯離船，與“泰坦尼克號”同生死。凌晨2時20分，號稱“不沉之船”的“泰坦尼克號”帶著1523名乘客和船員，葬身大西洋底。前Titanic

號鋼板(左圖)和近代船用鋼板(右圖)的沖擊試驗結果16前

言哥倫比亞號航天飛機17前

言哥倫比亞號航天飛機是美國第一架正式服役的航天飛機，它在1981年4月12日首次執(zhí)行任務，正式開啟了NASA

的太空運輸系統(tǒng)計劃之序章。然而很不幸的是，哥倫比亞號在2003年2月1日，在執(zhí)行第28次任務重返大氣層的階段中與控制中心失去聯(lián)系，并且在不久后被發(fā)現(xiàn)在德克薩斯州上空爆炸解體，機上7名宇航員全數(shù)罹難。事后查明，哥倫比號航天飛機外部燃料箱表面泡沫材料安裝過程中存在的缺陷是造成事故的

禍首。外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機左翼前緣的名

為“增強碳碳”(即增強碳-碳隔熱板)的材料。當航天飛機返回時，經

過大氣層，產生劇烈摩擦使溫度高達攝氏1400度的空氣在沖入左機翼后

融化了內部結構，致使機翼和機體融化，導致了悲劇的發(fā)生。前

言挑戰(zhàn)者號是美國正式使用的第二架航天飛機。1986年1月28日，挑戰(zhàn)者號在進行第10次太空任務時，因為右側固態(tài)火箭推進器上面的一

個O

形環(huán)失效，導致一連串的連鎖反應，并且在升空后73秒時，爆炸解體墜毀。機上的7名宇航員都在該次意外事故中喪生。前事后查明，發(fā)射時氣溫過低，發(fā)射臺上已經結冰，造成固定右副燃料艙的O

形環(huán)硬化失效。在點火時，火焰從上往下燒，O型環(huán)要及時膨脹，但O

型環(huán)已經失效，火焰往外冒，斷斷續(xù)續(xù)冒出了黑煙。但是

由于燃料中添加了鋁，燃燒形成的鋁渣堵住了裂縫，在明火沖出裂縫前臨時替代了O

型環(huán)的密封作用。在爆炸前十幾秒，宇航飛機遭到一股強氣流，威力相當與卡特里娜颶風。接下來的震動讓鋁渣脫落，移除了阻礙明火從接縫處泄漏出來的最后一個屏障-鋁渣，致使火焰直接噴射在主燃料艙上。在爆炸前一秒，火焰燒灼讓主燃料艙的O

型環(huán)脫落，造成了主燃料

艙底部脫落。宇航飛機的機鼻也撞上了主燃料艙的頂部。在發(fā)射后73秒，“挑戰(zhàn)者”號在40000公升燃料的爆炸下，炸成了幾千個碎片。前

言●金屬材料●高分子材料●陶瓷材料●復合材料金屬復合材料高分子

陶瓷●按屬性或化學成分可將材料分為前

言21有色金屬●以金屬鍵結合為主●良好的導電性、導熱性、

延展性和金屬光澤●用量最大、應用最廣泛前

黑色金屬言●金屬材料機械制造業(yè)中大約90%的材料為鋼鐵材料前言前盡管我們三千多年前就有了無與倫比的冶煉技

術，但直到晚清的洋務運

動才開始發(fā)展鋼鐵工業(yè)。1949年———15萬噸1996年——1億噸2001年————1.5億噸2006年———4.1億噸2011年—6.8億噸2013年—7.8億噸24前言●以分子鍵和共價鍵為主●塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小●包括塑料、橡膠及合成

纖維等石油、天然氣、

煤炭等作為原料呂裂解反應單體聚合反應高分子聚合物加工高分子材料●高分子材料前

言26塑料橡膠合成纖維涂料粘合劑功能高分子天然高分子合成高分子按材料性能和用途按材料來源前

言◆低的強度和較高的比強度；◆高彈性和低彈性模量；◆粘彈性；◆高耐磨性；◆高絕緣性好熱膨脹性；◆低導熱性和耐熱性；◆高化學穩(wěn)定性；前

言2021年7月8日星期四前言●陶瓷材料陶瓷材料日用瓷建筑瓷

美術瓷

結構陶瓷

功能陶瓷傳統(tǒng)陶瓷特種陶瓷成型配料前

言煅燒30

前三

●化學穩(wěn)定性高；●硬度高、耐磨損、強度高；●高溫抗蠕變能力強；●耐高溫、耐氧化、耐腐蝕；●塑性和韌性較低(陶瓷材料最大的弱點);●是良好的絕緣體，可用于隔電的絕緣材料；●具有介電特性，可作為電器的介質；●功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能?！衩芏刃?、熔點高、彈性模量大；普通陶瓷前特種陶瓷是把兩種或兩種以上不同性質或不同結構的材料

以微觀或宏觀的形式組合在

一起而形成的材料。分散分布在基體中，也可稱為分散相?？梢允翘沾伞⒏叻肿踊蚪饘俨牧现械囊环N，以不同形態(tài)加入：顆粒、

纖維、晶須或片狀，分布方式可以是定向和隨機的。復合材料的主體，即自身保持連續(xù)而包圍增強的材料，可以是金屬、高分子或陶瓷材料中的一種。

●復合材料玻璃纖維增強高分子復合材料前

言增強體基體34金屬基復合材料陶瓷基復合材料高分子基復合材料顆粒增強復合材料纖維增強復合材料層疊復合材料按基體材料分類按增強體特征分類復合材料前

言前

言▲比強度和比彈性模量高；▲抗疲勞和抗斷裂性能好；▲具有良好的減震和耐磨性能；▲優(yōu)越的高溫性能；▲高韌性和良好的抗沖擊性能；▲特殊的光、電、磁等性能；前

言前

言鐵合金：60%~70%,絕大部分為低合金高強度鋼鋁、鎂合金：5%~10%;塑料：10%~20%;其它：5%~10%;鎂、鋁合金密度小，比強度高，阻尼性及切削加工性好，導熱性好，減振性好，無毒，無磁性，易于回收。用鎂合金代替鋼和鑄鐵，可使零件質量降低70%,有效達到節(jié)能減排的目的。前

言1985～1995亞音速飛機波音767結構材料是把強度作為主要功能應用

的材料。前

按使用性能可將材料分為結構材料和功能材料。前言

功能材料是以強度以外的功能為主的材料。美國F-117隱身戰(zhàn)斗機一吸波材料言前導電材料

導熱材料

磁性材料

半導體薄膜材料

納米材料

非晶合金

超導材料磁懸浮列車一磁性材料前

言44從發(fā)展的觀點看可將材料分為傳統(tǒng)材料和新型材料。傳統(tǒng)材料是指具有悠

久使用歷史的材料，如鋼鐵、水泥、普通陶瓷、磚瓦、橡膠等，也稱基礎材料。前

言新型材料包含著三個層面的含義，一是新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能的材料；二是高技術發(fā)展需要，具有

特殊性能的材料；三是由于采用新技術(工藝、裝備),使材料性能比原有性能有明顯提高，或出現(xiàn)新的功能的材料。前

言離子注入使材料表面層的物理、化學和冶金特

性發(fā)生變化，突破了傳統(tǒng)

冶金學的規(guī)律，許多很難

互溶的金屬形成了新的合

金相，使有關合金相、金

屬間化合物以及固溶體生

成墑和焓的研究獲得了新

的研究結果。離子注入半導體摻雜技術已成為現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路制造的核

心工藝之一前言Amorphous

strip

20-25

pm

thicknesszzle急冷法制備非晶態(tài)合金MeltingfurnaceInductionheatingCeramic

nV~100kmlhCucasting

wheelT=20C前

言Liquid

metal前曰優(yōu)異的力學

性能，是目前世界上最優(yōu)良的穿

甲彈芯材料良好的加工性能，延伸率可達15000%優(yōu)良的化學特性，是極好的

化學反應催化和光催化材料優(yōu)良的軟磁、硬磁及獨

特的膨脹特性良好的耐腐蝕能力50材料的制備和

加工工

藝對性

能有很

大影響51前材料的性能本質上由其內部結構決定原子排列方式鍵合方式顯微組織原子結構力學性能：金屬材料在外加載荷或載荷

與環(huán)境因素(溫度、介質、加載速率)聯(lián)合

作用下所表現(xiàn)出來的力學行為。前

言前言幾個生活中常見的問題1、一個鐵棒拉長后，會發(fā)生什么變化?2、怎樣徒手弄斷一塊磚?3、怎樣徒手弄斷一根鐵絲?4、怎樣徒手弄斷一根帶包裝的火腿腸?5、為什么打鐵時要把鐵燒紅?6、怎樣把一塊比較結實的布撕成兩半?塑性、韌性等，用各種力學性能參量表示，如強度指標σ0.2(R,)、σ1、σ?(Rm);塑性指標δ(A)、

y(Z);

韌性指標Aκ

、K?c等。力學性能指標具體

數(shù)值的高低，表示金屬材料抵抗變形和斷裂能

力的大小，是評定材料質量的主要依據(jù)。可將

其理解為：金屬材料抵抗外加載荷引起變形和斷裂的能力。54前言金屬材料的力學性能包括：強度、硬度、金屬材料的力學性能取決于：內在因素一材料的化學成分、組織結構、冶金質量、殘余應力、表面狀態(tài)、內部缺陷；外在因素一載荷性質(靜載荷、沖擊載

荷、交變載荷),應力狀態(tài)(拉、壓、

彎曲、扭轉),溫度、環(huán)境介質等。前

言靜載荷韌性斷裂低碳鋼

常溫前

言脆性斷裂韌性斷裂脆性斷裂沖擊載荷斷裂低溫561.金屬材料在各種服役條件下的變形和斷裂行為及微觀機理。2.金屬力學性能指標的概念、本質、實用意義

及各指標間的相互關系。3.影響金屬力學性能的因素及改善金屬力學性

能的手段和方法。4.金屬力學性能指標的測試技術。本課程主要內容：前

言屈服強度o(00.2)抗拉強度o?(Rm)

伸長率δ(A)斷面收縮率y(Z)單向靜載拉伸試驗是應用最廣泛的材料力

學性能測試方法。試驗溫度確定應力狀態(tài)確定

加載速率確定第一章

單向靜載下材料的力學性能可測試58拉伸試驗機強調試樣光滑是為了避免表面產生應力集中導致三向應力狀

態(tài)；強調軸向拉伸是防止試樣

偏斜或不對中情況，否則將導

致復雜應力狀態(tài)。第一章

單向靜載下材料的力學性能第一節(jié)應力一應變曲線GB/T228-2002規(guī)定：拉伸試樣為光滑圓柱試樣，兩種規(guī)格：l=5d?(短試樣)l=10d?(長試樣)圖1-1圓柱拉伸試樣I

區(qū)一彈性變形階段IⅡ區(qū)一屈服變形階段Ⅲ區(qū)一均勻塑性變形階段IV區(qū)一集中塑性變形階段△L第一章

單向靜載下材料的力學性能圖1-2退火低碳鋼的拉伸力一伸長曲線正火、退火、調質的各種碳素結構鋼和一般合金結構鋼也都具有類似的力一伸長曲

線，只是力的大小和變形量不同而已。我們

將圖1-2的力一伸長曲線的縱坐標力除以試樣

的原始截面積，橫坐標長度除以試樣的原始

標距，就得到了應力一應變曲線，曲線的形狀不變。但是并非所有的材料都具有相同類

型的應力一應變曲線，還有如下幾種：第一章單向靜載下材料的力學性能第一章

單向靜載下材料的力學性能彈性一均勻塑性型E許多金屬和合金、部

分陶瓷和非晶態(tài)高聚物大多數(shù)玻璃、陶瓷、

巖石、低溫下的金屬σ純彈性型σ

第一章

單向靜載下材料的力學性能低溫和高應變

速率下的fcc金屬。

其塑性變形常常是

通過孿生實現(xiàn)的。

當孿生速率超過夾

頭運動速率時出現(xiàn)

此種類型曲線。第一章

單向靜載下材料的力學性能一些結晶態(tài)的高聚

物和未經拉伸的非晶

態(tài)高聚物一些bcc的鐵基合金和若干有色合金。彈性一不均勻塑性一均勻塑性型彈性一不均勻塑

性一均勻塑性型σσ第

一

章

單向靜載下材料的力學性能同一種材料在不同拉伸條件下其應

力一應變曲線也會不同。比如，退火低碳鋼在低溫下脆性大大增加，其拉伸曲

線就只有彈性變形部分。第一章

單向靜載下材料的力學性能TSStrainStress金屬的彈性變形是一種可逆變形，應力和應變之間保持單值線性關系：施加外

力→變形產生，外力消失→變形消失，不論加載期或卸載期，應力與應變之間的關

系都是單值的線性關系。變形量<1%。第一

章

單向靜載下材料的力學性能第二節(jié)彈性變形一、彈性變形及其實質第一章

單向靜載下材料的力學性能引力由金屬正離子和自由電子間的庫侖力產生原子

在平衡位置振動斥力

由離子之間及電子之間的排斥作用所致當原子間的相互平衡力因外力作用而受到破壞時，原子位置必須作相應的調整，從而產生位移，以期達到新的平衡。原子位移的總和在宏觀上就表現(xiàn)為變形。外力去除后，原子依靠彼此間的作用力又回到原來的平衡位置，此時位移消失，宏觀上變形也就消失，從而表現(xiàn)彈性變形68的可逆性。引力和斥力均為原子間距的函數(shù)R

為材料可承受的最大彈性變形量，理論值可達23%!但實際上材料的彈性變形量<1%,是由于實際材料中不

可避免地存在各種缺陷所致。第一章

單向靜載下材料的力學性能原子間作用力：

—

引

力原子間作用力非直線關系FmaxM原子間距r2021年7月8日星期四圖1-3雙原子模型RNF=0—斥

力

—

合力斥力引力1、單向拉伸：2、剪切和扭轉：t=Gy3、相互關系：彈性模量—一般性術語ε-縱向拉伸應變；8、ε?-橫向收縮應變；E-彈性模量(楊氏模量);

v-泊松比；ox-拉應力；T-切應力；G-切變模量；第一章

單向靜載下材料的力學性能律

楊氏模量—特指拉伸加載

y-切應變應

力

狀

態(tài)

胡克

定&y=Ez=—VEx簡單70在這些面上只有正應力，而切應力等于零，這樣的面稱為應力主平面(簡稱主平面),主平面上的正應力

稱為主應力。O?

O?O?三向應力狀態(tài)

雙向應力狀態(tài)

單向應力狀態(tài)71

復雜應力狀態(tài)

簡單應力狀態(tài)第

一

章

單向靜載下材料的力學性能任何應力狀態(tài)，總能找到三對互相垂直的面，義

胡

克定律O?

O?O

Oo-主應力s-主應變如果主應力中有壓應力，其前方應冠以負號，

求得的應變?yōu)檎枙r表示伸長，負號時表示縮短。72第一章

單向靜載下材料的力學性能適用于復雜應力狀態(tài)二

、彈性模量E彈性模量是材料抵抗彈性變形的能

力。單晶體金屬的彈性模量在不同的晶

體學方向上是不一致的，因此，單晶體

金屬表現(xiàn)為彈性各向異性。多晶體金屬

的彈性模量為各晶粒彈性模量的統(tǒng)計評

均值，呈現(xiàn)為各向同性。第一

章

單向靜載下材料的力學性能材料E/10?MPaTm/℃鍵型鋁0.72600金屬鍵銅1.251084金屬鍵鋼2.071538金屬鍵Al?O?4.02050共價鍵鎢4.13387金屬鍵金剛石11.43800共價鍵聚苯乙烯0.3Tg~100范德華力聚乙烯0.02Tg~137范德華力

第一章

單向靜載下材料的力學性能表1-1

一些工程材料的彈性模量、熔點和鍵型74彈性變形是原子間距在外力作用下可逆變化的結果，因而彈性模量E

與原子間作用力和原子間距都有關系。原子間作用力取決于原子本性和晶格類

型，故E也取決于原子本性與晶格類型。75

第

一

章

單向靜載下材料的力學性能影響因素室溫下金屬的E值是原子序數(shù)的周期函數(shù)：■同一周期元素隨原子序數(shù)增大E

值增大，這與元素價電子數(shù)增多及原子半徑減小有關?！鐾蛔逶仉S原子序數(shù)增大E

值減小，這與原子半徑增大有關?！鲞^渡族金屬E

最大：如Fe、Ni、Mo、W等，這

也是它們在工程上得到廣泛應用的原因之一。76第一章

單向靜載下材料的力學性能●合金中固溶的溶質元素可以改變合金的晶格常數(shù)，但對于常用的鋼鐵材料而言，合金元素對其晶格常數(shù)的改變不大，因而對彈性模量的影響很小，合金鋼和碳鋼的彈性模量數(shù)值相當接近?！駸崽幚?顯微組織)對彈性模量的影響不大。

如晶粒大小對E

值無影響；第二相的大小和分布

對E

值的影響也很小；淬火后E

值稍有下降，但

退火后又恢復到原來的水平。第一章

單向靜載下材料的力學性能第一章

單向靜載下材料的力學性能●冷塑性變形對E

值稍有降低，

一般在4%～6%,這

與出現(xiàn)殘余應力有關。當塑性變形量很大時，因產

生形變織構而使E

值出現(xiàn)各向異性，此時沿變形方向

E

值最大?！駵囟壬咴娱g距加大，E值降低。碳鋼加熱時每

升高100℃

,E

值下降3%～5%。但在-50℃~+50℃

范圍內，鋼

的E

值變化不大，可不考慮溫度的影響。第一章

單向靜載下材料的力學性能彈性變形的速率和聲速一樣快，遠

超過實際加載速率，故加載速率對E值也

無大的影響。結論：彈性模量是組織不敏感的力學性能指標能力稱為剛度：

9是金屬材料重要的力學性能指

標。機器零件或構件的剛度不

僅與材料的彈性模量有關，還

與其截面形狀、尺寸、載荷作

用方式有關。起重機梁；桁架

結構；精密機床主軸；內燃機

曲軸；鏜床鏜桿…..F=98N介鋼：1cm鋁合金：3cm聚苯乙烯：60cm第

一

章

單向靜載下材料的力學性能彈性范圍構件抵抗變形的第一章

單向靜載下材料的力學性能要增加構件的剛度，要選用E值高的材料或增

加構件的截面積，但這對于航空航天裝置是不適

用的。為了降低重量，對材料的比彈性模量(Elp)

也很重視，如表1-2所示，由于鈹?shù)谋葟椥阅Ａ孔?/p>

大，因此在航空航天中得到了廣泛應用，氧化鋁、

氮化硅等也具有明顯的優(yōu)勢。表1-2幾種常用材料的比彈性模量材

料銅鉬鐵鈦鋁鈹氧化鋁碳化硅比彈性模量/×10?cm1.32.72.62.72.716.810.517.5第

一

章

單向靜載下材料的力學性能三

、彈性比功用金屬材料開始塑性變形前單位體積吸收的最

大彈性變形功表示。表示金屬材料吸收彈性變形功的能力。1De

Ee2Oe2E2圖1-4.彈性比功材料E/MPaσ(os)/MPaae/MJ

·m-3高碳彈簧鋼2100009652.21765Mn13804.76155Si2Mn14805.47650CrVA20000014205.041不銹鋼(冷軋)10002.5鈹青銅1200005881.44磷青銅1010004501.0元素：Si,Mn,Cr等，強化鐵素體基體，提高淬透性；3、合適的熱處理工藝：淬火+中溫回火，回火屈氏體組織；4、冷變形強化。表1-3部分彈簧材料的彈性比功第一章

單向靜載下材料的力學性能機械零件的體積越大，可吸收的彈性比功越大。彈簧材料要求

高的彈性比功，方法有：1、提高碳含量：中、高碳；2、加入合金第一章單向靜載下材料的力學性能第三節(jié)

彈性的不完整性理想的彈性變形應該是單值的、可逆的，而

且其變形只與載荷的大小有關，而與加載的方向

和時間無關。但實際中的金屬是多晶體并伴隨有

各種缺陷，所以，變形時并不是完整彈性的，會

出現(xiàn)包申格效應、彈性后效和彈性滯后等現(xiàn)象。事實上，人們很早就發(fā)現(xiàn)，金屬材料即使在

很小的應力作用下也會顯示非彈性性質，這是因84

為金屬材料不是完全的純彈性體。應力(彈性極限或屈服強度)增加；反向加載，規(guī)定殘余

伸長應力降低的現(xiàn)象，稱為85包申格效應。定義：效腐材料經過預先加載產生少量塑性變形(殘余

應變小于1%～4%),而后

再同向加載，規(guī)定殘余伸長第一章

單向靜載下材料的力學性能一、包申格(Bauschinger)應力/MPa第一章

單向靜載下材料的力學性能規(guī)定殘余伸長應力：試樣卸除拉伸力后，其標距

部分的殘余伸長達到規(guī)定的原始標距百分比時的

應力。許多金屬材料在拉伸時沒有明顯的屈服現(xiàn)

象，對于這類材料，用規(guī)定微量塑性伸長應力表

征材料對微量塑性變形的抗力，即人為規(guī)定拉伸

試樣標距部分產生一定的微量塑性伸長率(如0.01%,0.05%,0.2%等)時的應力，根據(jù)測定方

法不同，又可區(qū)分為三種指標：第一章

單向靜載下材料的力學性能手、規(guī)定非比例伸長應力(op)試樣在加載過程中，標距長度內的非比例伸長量(彈

性伸長+塑性伸長)達到規(guī)定值(以%表示)時的應力，如

Op0.01’Op?.05

等。第一章

單向靜載下材料的力學性能2、規(guī)定殘余伸長應力(o)試樣卸載后，標距部分的殘余伸長量(塑性伸長)達到規(guī)定值時的應力，常用的為σ0.2。第一章

單向靜載下材料的力學性能3、規(guī)定總伸長應力(q)試樣加載后，試樣標距部分的總伸長量達到規(guī)定值時的應力，常用的為

σt?

.5,O?.6,O?.7

等。第一章

單向靜載下材料的力學性能o和σ,是在試樣加載時直接從應力-應

變曲線上測量的，而σ則要求卸載測量。由

于卸載法測定比較困難，而且效率低，而加載中測試半徑效率高，而且易于實現(xiàn)測

量的自動化，所以在材料屈服抗力評定中更趨于采用op和o。

而

o

在測試上比op方便，

所以，在大規(guī)模工業(yè)生產中，

一般采用σ的

測定方法提高效率。90包申格效應與金屬材料中位錯運動所受的阻力變化有關。如圖1-6所示。在金屬預先受載產生少量塑性變形時，位錯沿某一滑移面運動，遇林位錯彎曲，結果，在位錯前方，林位錯密度增加，形成位錯

纏結和胞狀組織(圖中1位置)。這種位錯結構在力學上是相當穩(wěn)定

的，宏觀上表現(xiàn)為規(guī)定殘余伸長應力增加。卸載后施加反向力，位錯被迫作反向運動，反向路徑上像林位錯這類障礙數(shù)量較少，而且也不

一定恰好位于位錯運動的前方，故

位錯可以在較低應力下移動較大距

離，即第二次反向加載，規(guī)定殘余

伸長應力降低。第一章

單向靜載下材料的力學性能圖1-6.林位錯對位錯運動的影響91第一章

單向靜載下材料的力學性能

包申格應變：在給定應力下，正向加載與反向加載應力-應變曲線之間的應變差。圖1-7包申格應變包申格效應可能使規(guī)定的殘余伸長應力降低15%～20%,所有退火狀態(tài)和高溫回火的金屬與合金都有包申格效應，它是多晶體金屬

所具有的普遍現(xiàn)象。包申格效應對于研究金屬疲勞問題是很重要的。

因為材料在疲勞過程中，每一周期內都產生微量塑性變形，在反向加

載時，微量塑性變形抗力(規(guī)定殘余伸長應力)降低，顯示循環(huán)軟化

現(xiàn)象。另外，對于預先經受冷變形的材料，如服役時受到反向力的作

用，就要考慮微量塑性變形抗力降低的有害影響，如冷拉型材及管子

在受壓狀態(tài)下使用就是這種情況。消除包申格效應的方法是：預先進行較大的塑性變形；或在第二次反向受力前先使金屬材料在回復或再結晶溫度下退火。第一章

單向靜載下材料的力學性能第一章

單向靜載下材料的力學性能二、滯彈性對于完整的彈性體，彈性變形與加載速率無關，但對實際的金屬材料而言，彈性變形不僅是應力的函數(shù)，而且是時間的函數(shù)。在彈性范圍內快速加載或卸

載后，隨時間延長產生附加彈

性應變的現(xiàn)象稱為滯彈性。ABeO圖1-7.滯彈性示意圖第一章

單向靜載下材料的力學性能

影

響因素

材料成分；組織；實驗條件；材料的組織越不均勻，滯彈性越明顯。如鋼淬火或塑性變形后，增加了組織的不均勻性，滯

彈性傾向增大。溫度升高，滯彈性速率和變形量都顯著增加。如Zn拉伸時溫度升高15℃,滯彈性速率增加50%;扭

轉時溫度升高10℃,變形量增加1倍。溫度下降，變形量顯著下降，-185℃以下就無法確定滯彈性是

否存在。第一章

單向靜載下材料的力學性能產生滯彈性的原因可能與金屬中點缺陷的移動有關。例如，α-Fe中碳處于八面體空隙及等效位置上，施加z方向的拉應力后，x,y軸上

圖1-8.碳在α-Fe

中的擴散的碳原子就會向z軸擴散移動，會使z方向繼續(xù)伸長變

形(圖1-8),于是就產生附

加的彈性變形。96因擴散移動需要時間，故附加應變?yōu)闇椥詰?，卸載

后z軸多余的碳原子又會回到

原來x,y軸上，使滯彈性應變

消失。感元件的材料時，需要考慮滯彈性問題，如長期受載的測力彈簧、薄膜傳感

件等，如選用的材料滯彈性比較明顯，

會使儀表精度不足甚至無法使用。還有

經過較直的工件放置一段時間以后又會

彎曲，就是由于滯彈性造成的。

第一

章單向靜載下材料的力學性能在儀表和精密機械中，選用重要傳金屬在彈性區(qū)內加載卸載時，由于應變落后于應力，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉

回線，此封閉回線稱為彈性滯后環(huán)。如果所加為

交變載荷，其最大應力低于彈性極限，且加載速

率比較大使彈性后效不能順利進行，得到交變載

荷下的彈性滯后環(huán)，如交變載荷中的最大應力超

過宏觀彈性極限，則得到塑性滯后環(huán)。第一章單向靜載下材料的力學性能三、循環(huán)韌性第一章

單向靜載下材料的力學性能

單向加載彈性滯后環(huán)

交變加載彈性滯后環(huán)

交變加載塑性滯后環(huán)存在滯后環(huán)現(xiàn)象說明加載時消耗于金屬的變形功大于卸載時金屬放出的變形功，因而有一部分變形功為金屬所吸收，這部分被吸收的功就稱為金屬的循環(huán)99韌性，其大小用回線面積來衡量。金屬在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力稱為金屬的循環(huán)韌性，也叫金屬的內耗。二

者經常混用，但嚴格說來，二者是有區(qū)別的：內耗：彈性區(qū)內加載吸收不可逆變形功的能力，用彈性滯后環(huán)的面積表示。循環(huán)韌性：塑性區(qū)內加載吸收不可逆變形功的

能力，用塑性滯后環(huán)的面積表示。100第一章單向靜載下材料的力學性能第一章

單向靜載下材料的力學性能循環(huán)韌性也是金屬材料的力學性能指標之一，它又稱為消振性。目前尚無統(tǒng)一的評定循環(huán)

韌性的指標，通常用振動試樣中自由振動振幅衰

減的自然對數(shù)來表示其大小。如圖1-9所示，設T和Tk+1為自由振動相鄰振幅的大小，則循環(huán)韌性：δ

ln

k

圖1-9.

自由振動衰減曲線+1101循環(huán)韌性的意義：材料的循環(huán)韌性越高，則機件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循環(huán)韌性對于降低機械噪聲，抑制高速機械振

動，防止共振導致疲勞斷裂是非常重要的。飛

機螺旋槳、氣輪機葉片需要高δ;而追求音響效果的元件如音叉、簧片等要低δ;灰鑄鐵的δ大，常用來作機床的床身、發(fā)動機的缸體和支架等。102第一章

單向靜載下材料的力學性能一、塑性變形的特點塑性變形是金屬材料區(qū)別于其它工業(yè)材料的

重要特征，也是金屬材料在人類文明史上能夠發(fā)

揮無與倫比的作用的原因。對塑性變形的機制和

規(guī)律的研究，有助于我們更好地理解材料強度和

塑性，為使用和研制新材料打下良好的基礎。103第一章

單向靜載下材料的力學性能第四節(jié)塑性變形

第一

章單向靜載下材料的力學性能金屬在外力作用下，當超過彈性

極限后就開始發(fā)生塑性變形，它是一

種不可逆變形，隨外力增加，變形量

也增加，直致斷裂。根據(jù)材料和實驗

條件的不同，變形量可達百分之幾至

幾十，超塑性可達100~1000%,遠遠

高于彈性變形。104第一章

單向靜載下材料的力學性能二

、塑性變形的方式金屬材料常見的塑性變形方式為滑移和孿生。滑

移是材料在切應力作用下位錯沿滑移面和滑移方向運動而進行的切變過程?；剖疽鈭D(a)

未變形105(b)滑移第一章

單向靜載下材料的力學性能○

○

●

●

●●

●

●

●

●●

●

●

●

●●

●

●

●

●

●●

●

●

●

●●

●

●

●

O

t●●106T●●O第一章

單向靜載下材料的力學性能移滑移方向一原子最密排方向

系滑移面一原子最密排的晶面滑107晶格體心立方面心立方密排六方滑移面{110}×6{111}×4六方底面×1滑移方向<111>×2<110>×3底面對角線×3滑移系數(shù)量12123第一章

單向靜載下材料的力學性能體心立方面心立方密排六方表1-3三種典型金屬晶格的滑移系108

第一章

單向靜載下材料的力學性能其原因是原子密度最大的晶面面間距最大，點陣阻力最小，而原子密度最大的方向原子間距

最短，位錯柏氏矢量最小。事實上，bcc金屬的原

子密排程度不如fcc

和hcp,

所以它不具有突出的

最密集晶面，其滑移面可有{110},{112}和{123}

三組，具體的滑移面因材料、溫度等因素而定，但滑移方向總是<111>。109第一章單向靜載下材料的力學性能滑移系越多，金屬的塑性越好，其中滑移方向對塑性的貢獻比滑移面更大，故fcc金屬的塑性要好

于bcc金屬?；葡档臄?shù)目不是決定金屬塑性的唯一

因素。比如，fcc金屬的滑移系和bcc金屬的一樣多，

但fcc金屬的晶格阻力低，位錯容易運動，故塑性優(yōu)

于bcc金屬。實驗觀察到，滑移面受溫度、金屬成分、和預先塑性變形程度等因素的影響較大，而滑移方向則110比較穩(wěn)定。例如，溫度升高時，bcc

金屬可能沿{112}及{123}滑移，這是由于高指數(shù)晶面上的位錯源容

易被激活。軸比為1.587的鈦(hcp)中含有氧和氮

等雜質時，若氧含量為0.1%,滑移面為(1010),

當氧含量為0.01%時，滑移面變?yōu)?0001)。由于

hcp金屬只有三個滑移系，所以其塑性較差，并

且這類金屬塑性變形程度與外加應力方向有很大

關系。第

一

章

單向靜載下材料的力學性能111①滑移只能在切應力作用下發(fā)生，產生

滑移的最小切應力稱為臨界切應力；②滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生，這是因為原子密度最大的晶面和晶向之間的間距最大，原子結合

力最弱，產生滑移所需切應力最小。112第一

章

單向靜載下材料的力學性能滑移變形的特點：第一

章單向靜載下材料的力學性能③滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原

子間距的整數(shù)倍，滑移的結果是在晶體表

面形成臺階——滑移線，若干滑移線組成

一個滑移帶，如圖1-10所示。圖1-11為工

業(yè)純鐵表面的滑移帶，圖1-12為多晶銅經

塑性變形后在預先拋光的表面上觀察到的

滑移帶。113~100原子間距滑移線

~10000原子間距圖1-10鋁單晶體滑移線和滑移帶示意圖第一章

單向靜載下材料的力學性能滑移帶~1000原子間距114

圖1-11工業(yè)純鐵表面的滑移帶

圖1-12變形多晶銅拋光表面上的滑移帶下部晶體綜品體部晶體115

圖1-13滑移變形示意圖單向靜載下材料的力學性能第一章上部晶體2021年7月8日星

期四上部晶體④滑移的同時伴隨著晶體轉動：滑移面向外力軸方向轉動，滑移方向向最大切應力方向轉動。當滑移面和滑移方向都與外力軸方向成45°角時，

滑移方向上的切應力分量最大，當滑移面和滑移方向與外力軸方向平行或垂直時，切應力分量=0,晶體不發(fā)生滑移。外力在晶面上的分解圖1-14滑移時晶體的轉動116第一章

單向靜載下材料的力學性能最大切應力方向第一章單向靜載下材料的力學性能⑤滑移是通過滑移面上位錯運動來實現(xiàn)的。計算

表明，把滑移設想為剛性整體滑動所需的理論臨

界切應力比實際測量值大3-4個數(shù)量級，而按照位

錯運動模型計算所得的臨界切應力值則與實測值

相符。圖1-15所示的是一刃型位錯在切應力作用

下在滑移面上運動的過程，即通過一根位錯線從

滑移面的一側到另一側的運動形成一個原子間距滑移量的過程。117第一章

單向靜載下材料的力學性能圖1-15晶體中通

過位錯運動造成

滑移的示意圖2021年7月8日星

期四118位錯運動過程中滑移面上原子位移情況如圖1-16所示。當晶體通過位錯運動產生滑移時，只在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，而且它們的移動距離遠小于一個原子間距，因而所需的臨界切應力小，稱為位錯的易動性。

圖1-16位錯運動時的原子位移第一章

單向靜載下材料的力學性能119當一個位錯移動到晶體表面時，便產生一個原子間距的滑移量，同一滑移面上大量的位錯移出，就在晶體表面形成了

一條滑移線。120第一章

單向靜載下材料的力學性能2021年7月8日星

期四○00○○OO○

O

●

○

O00

○

0

○

00○

○

○

O0O0

○

O柏氏矢量b○0設一截面積為A的圓柱形單晶體受軸向拉力F作用，F(xiàn)

在滑移方向的分力為Fcosθ,滑移面的面積為A/cosa,

則外力在該滑移面沿滑移方向的分切應力：當滑移系中的分切應力達到其臨界分切應力值t

開始滑

移時，F(xiàn)IA應為宏觀上晶體的屈服強度σ。稱cosθcosa

為取向因子或施密特因子。滑移方向圖1-17計算分切應力分析圖單向靜載下材料的力學性能第一章2021年7月8日星期四121第一章

單向靜載下材料的力學性能滑移開始的條件為：

T=o,cosθcosa。顯然，對任一給定的α值，若滑移方向是位于F與滑移面法線所組成的平面上，即a+θ=90°,則此時的t值較其他α時的值大，取向因子cosθcosa=cos(90°-α)cosα=/2sin2a,故

當α=45時取向因子具有最大值0.5。由公式亡t=ogcosθcosaα可以看出，當α=90°或θ=90°時，t=0,

即當滑移面與外力方向平行，或者滑移方向與

外力垂直的情況下不可能產生滑移，而滑移面與外力成45時分切應力最大。通常稱取向因子大的方向為軟取向，取向因子小的方向為硬取向?；频呐R界分切應力是一個真實反映單晶體受力起始屈服的物理量，其數(shù)值不僅與晶體類型、純的及溫度等因素有關，還與該晶體的加工和熱處理狀態(tài)、變形速度以及滑移系類型有關。122單系滑移一只有一個滑移系開動，晶體(或晶粒)表面只有一組平行的直線形滑移線，如圖1-17所示

圖1-17銅的單系滑移第一

章

單向靜載下材料的力學性能滑移的種類：123第一章

單向靜載下材料的力學性能多系滑移一多個滑移系同時開動，晶體(或晶粒)表面有多組相交的直線形滑移線，如圖1-18所示。圖1-18鋁的多系滑移124交滑移：當晶體滑移受阻時，另一個與原滑移系方向相同但滑移面不同的交滑移系開動使滑

移繼續(xù)進行的滑移。晶體中的交滑移是通過螺

位錯的交滑移進行的。第

一

章

單向靜載下材料的力學性能圖1-19晶體中的交滑移125第一章

單向靜載下材料的力學性能圖1-20單位螺位錯的交滑移

圖1-21鋁晶體交滑移的波紋狀滑移線126第一章

單向靜載下材料的力學性能層錯能越低，擴展位錯就越寬，交滑移束集時要

做的功也越大，越不容易產生交滑移。低層錯能材料————平直狀滑移線高層錯能材料——波紋狀滑移線122堆垛層錯：金屬結構在堆垛時，沒有嚴格的按照堆垛順序，形成堆垛層錯。層錯是一種晶格缺陷，它破壞了晶體的周期完整性，引起能量升高，通常把單位面積層錯所增加的能量稱為層錯能。層錯出現(xiàn)時僅表現(xiàn)在改變了原子的次近鄰關系，幾乎不產生點陣畸變。但破壞了晶體的完整性和周期性，使體系的能量增加——層錯能，但層錯能相對于晶界能而言是比較小的。層錯能越小的金屬，則層錯出現(xiàn)的幾率越大。面心立方晶格的堆垛順序為：ABCABC...堆垛層錯：ABCBCABC...

或ABCBABC...擴展位錯

(extended

dislocation):一個全位錯分解為兩個或多個不全位錯，其

間以層錯帶相聯(lián)，這個過程稱為位錯的擴展，

形成的缺陷體系稱為擴展位錯。第一章

單向靜載下材料的力學性能CBACB128為了降低兩個不全位錯間的層錯能，力求把兩個不全位

錯的間距縮小，這相當于給予

兩個不全位錯一個吸力，其數(shù)

值即等于層錯能。而兩個不全

位錯間的斥力則力圖增加層錯

寬度，當斥力與吸力平衡時，擴展位錯穩(wěn)定下來。129第一章

單向靜載下材料的力學性能圖1-22fcc晶體中的擴展位錯第一

章

單向靜載下材料的力學性能位錯也可能通過雙交滑移返回原來的滑移面。圖1-23雙交滑移示意圖130孿生是塑性變形的另一種重要形式，是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生的切變。第一章

單向靜載下材料的力學性能2021年7月8日星

期四孿生變形過程孿

生131第一章

單向靜載下材料的力學性能fcc晶體在切應力作用下發(fā)生孿生變形時，晶體內局部地區(qū)的各個(111)面沿[112]方向產生彼此相對移動距離為

6012]的均勻切變，如圖1-

22所示。圖中紙面相當于(110)(111)面垂直于紙面，AB為(111)面與紙面的交線，相當于[112]晶向。孿晶面圖1-24fcc晶體孿生變形示意圖

(111)孿生方向[112]孿生方向[112]孿晶面—(111)(T10)晶面132第一章

單向靜載下材料的力學性能可以看出，均勻切變集中發(fā)生在中部，由AB

至GH中的每個(111)面都相對于其鄰面沿[112]方向移動了6112的距離，這樣的切變并未使晶體的點陣類型發(fā)生變化，但它卻使均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生變更，切變區(qū)與未切變區(qū)呈鏡向對稱，這一變形過程稱為孿生，變形

與未變形兩部分晶體合稱為孿晶，切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面(鏡面

對稱面)稱為孿晶界，發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面(本例中

為(111)面),孿生面的移動方向稱為孿生方向(本例中為[112])。孿晶面

孿生方向圖1-24

fcc晶體孿生變形示意圖

(111)

[112]133孿生具有以下特點：·孿生變形也是在切應力作用下產生的，通常出現(xiàn)于

滑移受阻而引起的應力集中區(qū)，其所需的臨界應力比

滑移大得多。如Mg孿生所需的分切應力在4.9~34.3M

Pa,

而滑移的臨界切分應力僅為0.49MPa。

但孿晶在

萌生后長大所需的應力相對較小，因此孿晶長大的速

度極快，與沖擊波傳播速度相當。由于在孿晶形成時

在極短時間內有相當數(shù)量的能量被釋放出來，因而有時伴隨明顯的聲響。134第一章

單向靜載下材料的力學性能孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)內與孿晶面平行的每一層原子面均相對于其毗鄰晶面沿孿生方向移動了移動距離，每一層原子的切變量跟它與孿生面的距離成正比。·孿晶的兩部分晶體形成鏡面對稱的位向關系?！\生提供的變形量很小，相當于滑移的十幾到幾十分之

一，但可以調整滑移面的方向，間接對塑性變形有貢獻?！cc、bcc、hcp金屬材料都能以孿生方式產生塑性變形，不過fcc金屬只在很低的溫度下才能產生孿生變形，而hcp

金屬由于滑移系少，并且在c軸方向上沒有滑移矢量，因而更容易產生孿生變形。135第一章

單向靜載下材料的力學性能第一章

單向靜載下材料的力學性能孿晶面晶軸改變位向

孿晶區(qū)域(孿晶帶)圖1-25滑移和孿生

圖1-26鋅拉伸過程中形變孿晶的生長晶軸保持直線136第一章

單向靜載下材料的力學性能圖1-27純鈦中的變形攣晶單晶體受力后，外力P在任何晶面上都可分解為正

應力和切應力，正應力只能引起彈性變形及解理斷裂，只有

在切應力的作用下，金屬才能

產生塑性變形。塑性變形的方

式有兩種：滑移和孿生。多數(shù)情況下，金屬的塑性變形是以滑移方式進行的。138第一章

單向靜載下材料的力學性能三、單晶體金屬的塑性變形圖1-28單晶體的拉伸變形第一章單向靜載下材料的力學性能四

、多晶體金屬的塑性變形多晶體金屬中，每一晶?；谱冃蔚囊?guī)律與

單晶體金屬相同，但由于多晶體金屬存在著晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性變形具

有如下一些特點：1.各晶粒變形的不同時性和不均勻性變形的不同時性和不均勻性是相互聯(lián)系的。

多晶體由于各晶粒取向不同，受外力作用時，某第一

章單向靜載下材料的力學性能取向有利的晶粒先開始滑移變形，而那

些取向不利的晶粒可能仍處于彈性變形狀態(tài)，只有繼續(xù)增加外力才能使滑移從

某些晶粒傳播到另外一些晶粒，并不斷

傳播下去，從而產生宏觀可見的塑性變

形。多相合金也是如此。金屬組織越不

均勻，塑性變形的不同時性就越顯著。140塑性變形的不同時性實際上反映了塑性變形的局部性，也即塑性變形量的不均勻性。這種不

均勻性存在于各晶粒之間、基體金屬晶粒和第二

相晶粒之間，即使同一晶粒內部，各處的塑性變形量也往往不同，所以，當宏觀塑性變形量還不

大的時候，個別局部地區(qū)的晶粒的變形量可能已

達到極限值，并且由于變形不均勻會產生較大的內應力，從而導致金屬的早期斷裂。141第一章

單向靜載下材料的力學性能2.

各晶粒變形的相互協(xié)調性雖然多晶體金屬內部各晶粒之間的變形時

間和變形量不會相同，但多晶體金屬作為一個

連續(xù)的整體，不允許各個晶粒在任一滑移系中

自由變形，否則就會造成晶界開裂，這就要求

各晶粒之間能協(xié)調變形，為此，每個晶粒必須

能同時沿幾個滑移系進行滑移，或在滑移的同時進行孿生變形。142第一章

單向靜載下材料的力學性能米賽斯(Von

Mises)經過研究認為，每個晶粒必須至少有5個獨立的滑移系開動，才能確保產生任何方向

上不受約束的塑性變形并維持體積不變。由此可見，多晶體金屬能否塑性變形的關鍵在于金

屬本身滑移系的數(shù)量。立方金屬(如Cu、Ni、A1)的滑移系都在12個以上，這些金屬的多晶體都具有較好的塑性，而hcp金屬(Zn

、Mg

、Ti)的滑移系最少，只有3個，

不能滿足協(xié)調性的要求，所以此類金屬的塑性極差。金屬化合物的滑移系數(shù)量更少，故而更脆。143第一章

單向靜載下材料的力學性能對組織的影響：金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變

化，而且其內部晶粒也相應

被拉長或壓扁。當變形量很

大時，晶粒將被拉長為纖維

狀，晶界變得模糊不清，還可能使晶粒破碎為亞晶粒，

如圖1-29所示。第一

章

單向靜載下材料的力學性能五、塑性變形對金屬組織和性能的影響圖1-29工業(yè)純鐵在塑性變

形前后的組織變化144達到一定程度(70%以上)時，絕大部分晶粒的位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱為形變織構或擇優(yōu)取向，如圖1-30所示。形變織構使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時易產生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不均。對性能的影響：隨變形量增加，

金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱為加工硬化。145第一章

單向靜載下材料的力學性能在塑性變形過程中，當變形(a)絲織構

(b)板織構圖1-30形變織構示意圖第一章

單向靜載下材料的力學性能六、屈服現(xiàn)象和屈服強度σ屈服現(xiàn)象：金屬材料在拉伸時產生屈服現(xiàn)象是其開始產生宏觀塑性變形的標志。試樣在拉伸過程中外力不增加而試樣仍然

能繼續(xù)伸長，或外力增加到一定的數(shù)值時突然

下降，隨后在外力不增加或上下波動情況下試

樣仍能繼續(xù)伸長的現(xiàn)象稱為屈服。146對于沒有明顯屈服點的材料，用人為規(guī)定的辦法確定屈服點：0.01%;0.05%;0.2%;147圖1-31為低碳鋼和黃銅拉伸時的應力應變曲線。第一

章

單向靜載下材料的力學性能O屈服

伸長A00.2CAC一屈服平臺C一下屈服點A

一上屈服點低碳鋼黃銅圖1-31屈服現(xiàn)象示意圖0.2%O呂德斯帶隨后沿試樣長度方向逐漸擴展，當屈服線布滿整個試樣時，屈服伸長結束，試樣開始進入均148

勻塑性變形階段。屈服變形始于試樣微觀不均勻處或應力集中部位。

屈服階段的伸長變形是不均

勻的，在局部開始形成與拉

伸軸約成45°角的平行線，被稱為呂德斯(Lüders)帶。第一章

單向靜載下材料的力學性能圖1-32呂德斯帶示意圖■材料在變形前可動位錯密度小，或雖有大量位錯但被釘扎，如鋼中的位錯被雜質原子或第二

相粒子所釘扎；■隨塑性變形的發(fā)生，位錯能快速增殖；■位錯運動速率與外加應力有強烈依存關系。149第一章

單向靜載下材料的力學性能屈服現(xiàn)象與下面三個因素有關：m

值越低，則為使位錯運動速率變化所需的應力變化就越大，屈服現(xiàn)象越明顯。bcc金屬的m

值一般小于20,所以具有較明顯的屈服現(xiàn)象；而fcc金屬的m值大于100～200,屈服現(xiàn)象就不太明顯。150t—沿滑移面上的切應力to_位錯以單位速率運動所需

的切應力m-應力敏感指數(shù)?一塑性變形應變速率

b一柏氏矢量的模p

一可動位錯密度V一位錯運動平均速率第

一

章

單向靜載下材料的力學性能材料變形速率?=b.pA.Vf2021年7月8日星

期四第一章單向靜載下材料的力學性能用屈服強度表示金屬材料對屈服變形

的抗力，對于沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，用規(guī)定微量塑性伸長應力表征材料對微量塑性變形的抗力，如0.2%,本課程涉

及屈服強度的有關具體問題時，不計測定

方法，統(tǒng)一用σ或0o.2表示材料的屈服強度。

但實際使用時，測定方法應予以標注。151靜強度角度選擇材料的基本依據(jù)。傳統(tǒng)設計方法規(guī)定，許用應力n≥2對于復雜的受載情況，單向拉伸測得的σ仍

然是建立屈服判據(jù)的重要指標。關于屈服的強度理論主要有屈雷斯加最大切

應力理論(第三強度理論)和米賽斯畸變能理論

(第四強度理論)。

第一章

單向靜載下材料的力學性能σg是材料重要的力學性能指標，是工程上從152安全服役條件：第三強度理論曾被許多塑性材料的試驗結果所證實，且稍偏于安全。這個理論所提供的計算式比較簡單，故它在工程設計中得到了廣泛的應用。該理論沒有考慮中間主應力o?

的影響，但其帶來的最大誤差一般不超過15%,而在大多數(shù)情況下遠比此為小。癌雷斯加(Tresca)最大切應力理論：無論材料內各點的應力狀態(tài)如何，只要有一點的最大切應力tmax達到單向拉伸屈服

切應力ts時，材料就在該處出現(xiàn)明顯塑性變形或屈服：第一章

單向靜載下材料的力學性能153采

賽

斯(Mises)

畸變能理論：假定：復雜應力狀態(tài)下材料的畸變能密度達到單向拉伸時使材料屈服的畸變能密度時，材料即會發(fā)生屈服：(o?-

σ2)2+(σ2-

σ3)2+(σ3-

σ1)2≥2os2安全服役條件：Mises理論和許多塑性材料的試驗結果相符，用這個理論判斷碳素鋼的屈服失效是相當準確的。該理論可應用于絕大多數(shù)塑性材料結構

的強度計算，結果較第三強度理論更精確。154第一章

單向靜載下材料的力學性能第一章單向靜載下材料的力學性能按以上準則，采用屈服強度高的材料，可減

小機件的體積或尺寸。但屈服強度過高會增大屈

強比，不利于應力重新分布，易引起脆性斷裂。

在脈沖束輻照產生的熱激波、高速碰撞及爆炸等

產生的沖擊波這類強動載荷作用下，材料顯現(xiàn)出

的屈服強度與靜態(tài)載荷作用時的屈服強度不同，

因此，在工程實際中，對于強動載荷常常采用動

態(tài)屈服強度，它約為靜態(tài)屈服強度的2~4倍。155第一章

單向靜載下材料的力學性能工程應用深沖用的低碳薄鋼板在沖壓成形時，會因不均勻變形使工件某些區(qū)域(應變量對應屈服伸長階段)的

表面粗糙不平———桔皮現(xiàn)象。光整冷軋：將薄鋼板在沖壓之前先經過一道微量的冷

軋(通常為1~2%的壓下量)使屈服點消失，隨后進

行沖壓加工，可保證工件表面的平整光潔。156■材料的屈服變形是位錯運動和增殖的結果，凡影響位錯增殖和運動的各種因素都會影響材

料的屈服強度?！鴮嶋H材料大多為多晶體，單個晶粒的力學行為并不能決定整個材料的力學行為，要考慮晶

界、相鄰晶粒的約束、材料的化學成分以及第

二相的影響。157第

一

章

單向靜載下材料的力學性能七、影響屈服強度的因素1.金屬本性及晶格類型一般多相合金的塑性變形主要沿基體相進行，

這表明位錯主要分布在基體相中。158內在因素外在因素金屬本性及晶格類型溫度晶粒大小及亞結構應變速率溶質元素應力狀態(tài)第二相第一章

單向靜載下材料的力學性能表1-4影響屈服強度的因素

第一

章

單向靜載下材料的力學性能如果不計合金成分的影響，那么一個

基體相就相當于純金屬的單晶體。純金屬

單晶體的屈服強度從理論上說是使位錯開

始運動的臨界切應力，其值由位錯運動所受的各種阻力所決定——晶格阻力、位錯間交互作用產生的阻力等。晶格阻力(派納力tp-)—理想晶體中，僅存在一個位錯運動時所受的阻力。G—

切變模量；v—泊松比；a—滑移面的晶面間距；b—

柏氏矢量的模；w—

位錯寬度(滑移面內原子位移大于50%b區(qū)域的寬度)●滑移面的a最大

→tp-n小→位錯容易運動。不同材料的a不同，故tp-不

同?！裎诲e寬度w

大→

晶格畸變小→位錯容易運動，如fcc金屬。●切變模量G

大→tp-大→位錯不易運動。160單向靜載下材料的力學性能第一章2021年7月8日星

期四第一章

單向靜載下材料的力學性能平行位錯間的交互作用位錯間的交互作用：運動位錯與林位錯間的交互作用α與晶體本性、位錯結構及分布有關。如fcc金屬a≈0.2,bcc金屬a≈0.4。a—比例系數(shù)；b一柏氏矢量的模；L一位錯間距離；G一切變模量；LT=aGb

2p

一位錯密度；161L=1

1

22.晶粒大小和亞結構晶粒大小的影響實際上是晶界影響的反

映。晶界是位錯運動的障礙，在一個晶粒內

部必須塞積足夠數(shù)量的位錯才能提供必要的

應力使鄰接的晶粒中的位錯源開動并產生宏

觀可見的塑性變形，因而減小晶粒尺寸將增

加位錯運動障礙的數(shù)目，使屈服強度提高。第一

章單向靜載下材料的力學性能第一章

單向靜載下材料的力學性能切應力

T塞積位錯T位錯源位錯源Applystress第一章單向靜載下材料的力學性能多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近45°的晶粒，當晶界處塞積位錯前端達到一定程度時相鄰晶粒中的位錯源開動，大量晶粒

發(fā)生滑移后，宏觀上顯示出塑性變形。晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多，塑性變形抗力越

高。晶粒越細，單位體積內晶粒數(shù)目越多，參與變

形的晶粒數(shù)目也多，變形越均勻，且斷裂前可發(fā)生

較大的變形，強度和塑性同時增加，因而韌性也好。164o—

位錯在基體金屬中運動的總阻力，也稱摩擦阻力，取決于晶體結構和位錯密度；d—

晶粒平均直徑；k,—釘扎常數(shù)，衡量晶界對強

化貢獻的大小。在一定的溫度和應變速率下，o

和k,為常數(shù)。晶粒越小，屈服強度越高——細

晶強化，同時還提高材料韌性，是金屬強

韌化的重要手段。165第一章

單向靜載下材料的力學性能

1Hall-Petch

公式：Os=Oi+

kyd

2

第一

章單向靜載下材料的力學性能亞晶界的作用與晶界類似，Hall-Petch公式也完全適用于亞晶粒，只是σ和k,不同。相界也阻礙位錯運動，因為相界兩側

材料具有不同的取向，位錯柏氏矢量也不

同，或具有不同的晶體結構和性能，所以，多相合金中第二相的大小、分布和形

狀等將影響屈服強度。166第一章

單向靜載下材料的力學性能.溶質元素在純金屬中加入溶質元素形成固溶合金將

顯著提高材料的屈服強度———固溶強化。通常，間隙固溶體的強化效果要好于置換固溶體。主要是形成了畸變的應力場，與位錯產生

彈性交互作用，強化的效果是溶質原子與位錯

交互作用能及溶質濃度的函數(shù)。如圖1-33所示。167第一章

單向靜載下材料的力學性能

空位引起的晶格畸變類似于由置換型原子所引起的晶格畸變：淬火空位、輻照空位。原子能工程上必須考慮材料在服役過程中空位濃度不斷增加，使屈服強度顯著提高，脆性增加，引起突發(fā)性災難。二

全

10∠圖1-33低碳鐵素體中固溶強化效果(MPa)168鳥4.第二相工程上的金屬材料，組織一般是多相的，除基體產生固溶強化外，第二相對屈服強度也有影響。第二相質點用粉末冶金法獲

得—彌散強化，固溶處理后沉淀析出—沉

淀

(析出)強化。第二相質點的強化效果與質點

本身在基體變形過程中能否變形有關。第

一

章

單向靜載下材料的力學性能過，就要克服彎曲位錯的線張力，這與相鄰質點的間距有關，繞過質點的位錯線在質點周圍留下

一個個位錯環(huán)，這相當于質點間距減小，屈服強

度增大。對于可變形的第二相質點，位錯可以切過，同基體一起變形，產生新的界面需要作功，質點

與基體晶格錯排，也會導致屈服強度增加。170第一章

單向靜載下材料的力學性能對于不可變形的第二相質點，位錯只能繞第一章

單向靜載下材料的力學性能位錯線位錯環(huán)第二相粒子圖1-34位錯繞過第二相粒子示意圖171

圖1-35

α黃銅中圍繞Al?O?粒子的位錯環(huán)第一章

單向靜載下材料的力學性能

滑移面

第二相粒子

生成表面

頂視圖圖1-36位錯切過第二相粒子示意圖圖1-37Ni-Cr-Al合金中位錯切過Ni?Al粒子172第二相的強化效果與其尺寸、形狀和數(shù)量以及與基體的結合強度、塑性、應變硬化特性

及兩相之間的晶體學配合和界面能等因素有關。

體積比相同的情況下，長