力学性能整理

第一章

弹性比功——材料吸收弹性变形功的能力

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

滞弹性的影响因素

（1）材料的成分、组织 材料组织越不均匀，滞弹性越明显。

（2）试验条件：a) 温度T↑→滞弹性速率和滞弹性应变↑

b) 切应力愈大，滞弹性越明显。

消除办法： 采用长期回火

回火的作用是使间隙原子到位错空位和晶界去，自身变得比较稳定。

金属的内耗 加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属放出的变形功，因而有一部分变形 功为金属所吸收，这部分吸收的功就称为金属的内耗。

循环韧性：金属材料在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，

也叫金属的内耗，表示材料吸收不可逆变形的能力，亦称消振性。

循环韧性的意义是：材料循环韧性愈高，则机件依靠材料自身的消振能力愈好。

包申格（Bauschinger ）效应 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1

－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。

消除方法（1）预先经受较大的塑性变形（2）在第二次反向受力前使金属材料于回复或再

结晶温度下退火

金属材料常见的塑性变形方式主要为滑移和孪生

屈服现象是金属材料开始产生宏观塑性变形时的标志。

屈服点σs ：材料的在拉伸过程中试验力不增加（保持恒定）仍能 继续伸长时的应力。

σs ＝Fs/ A0

上屈服点σsu ： 试样发生屈服而试验力首次下降前的最大应力。

σsu ＝Fsu/A0

下屈服点σsl ： 当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时的屈服阶

段的最小应力。

σsl ＝FsL/ A0

影响屈服强度的因素

（一） 影响屈服强度的内因素

1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构）

不同的金属其晶格类型，位错运动所受的阻力不同，故彼此的屈服强度不同，单晶的屈服强

度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－

－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。

派拉力：

位错交互作用力

（a 是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L 是位错间距。）

2．晶粒大小和亚结构

晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动 →产生宏观塑性变形 。

晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细

晶强化）。

屈服强度与晶粒大小的关系： 霍尔－派奇（Hall-Petch) 3．溶质元素

加入溶质原子→（间隙或置换型）固溶体→（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸

变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动 →使位错受阻→提高屈服强度 （固溶强

化） 。

4．第二相（弥散强化，沉淀强化）

1.第二相质点本身能否变形

2.第二相的强化效果还与其尺寸、形状、数量、分布以及第二相与基体的强度、塑性和应

变硬化特性、两相之间的晶体学配合和界面能等因素有关。如：

a) 第二相均为硬脆相，沿晶界网状分布→沿晶界不连续网状分布→弥散均匀分布于基体 脆性减小 b)片状珠光体比球状珠光体屈服强度高 原因：长形质点显著影响位错运动。 位错绕过第二相，按照这种方式，位错运动的阻力主要来自弯曲位错的线张力：

如果再考虑到质点大小的影响，则位错线的运动绕过阻力为：

由上式可知： 当r ＞b 时，随着L ↓→τ↑，即第二相质点数量越多，越分散，材料的屈

服强度就越高。

随着绕过位错数量的增加，质点周围留下的位错越来越多，因而其相邻质点间距L 便

越来越小，弯曲位错所需的切应力就越来越高，表现为形变强化现象，这是两相合金形变强

化的原因之一。

（二） 影响屈服强度的外因素

1.温度

一般的规律是温度升高，屈服强度降低。

原因：派拉力属于短程力，对温度十分敏感。

2.应变速率

应变速率大，强度增加。

σε,t = C 1(ε)m

3．应力状态 切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。

缺口效应：试样中“缺口”的存在，使得试样的应力状态发生变化，从而影响材料的力学性

能的现象。

应变硬化——在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度之后，塑性变形并不是像屈服

平台那样连续流变下去，而需要不断增加外力才能继续进行。这表明金属材料有一种阻止塑

b r L Gb ln

=τL Gb

=τ2/1y i k -+=d

s σσ

性变形的能力。

应变硬化指数在金属材料拉伸真应力－应变曲线上的均匀塑性变阶段，应力与应变之间符合Hollomon关系式：S = keⁿ

n—应变硬化指数，金属材料抵抗继续塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化能力的性能指标。

k—硬化系数，真应变等于1.0时的真实应力

n=1 材料为完全理想的弹性体，S与e成正比关系。

n=0 s=k=常数，材料没有应变硬化能力。

应变硬化在生产实际中的意义

*应变硬化可使金属零件具有抵抗偶然过载的能力，保证安全。

*应变硬化是工程上强化材料的重要手段。如18-8型不锈钢，变形前σ0.2 =196MPa，经40%冷轧后，σ0.2 = 780～980MPa，屈服强度提高3~4倍。

*应变硬化性能可以保证某些冷成形工艺，如冷拔线材和深冲成形等顺利进行。

磨损、腐蚀和断裂是机件的三种失效形式

断口三要素纤维区、放射区和剪切唇

韧性断裂：中、低强度钢光滑圆柱试样在室温的静拉伸断裂就是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥状

脆性断裂断裂前基本上不发生塑性变形。脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状

韧断的特征：

a) 伴随塑性变形及能量吸收；

b) 工件外形呈颈缩、弯曲及断面收缩；

c) 断面一般平行于最大切应力并与主应力成45°。

脆断的特征：

a) 断裂时构件承载的工作应力并不高，通常不超过σs，故又称为低应力脆断。

b) 脆断总是从构件内部存在的宏观裂纹作为“源”开始的。

c) 中、低强度钢脆断常在低温下发生，而高强钢则不一定。

d) 断口平整光亮，有金属光泽，且与正应力垂直，断面上有人字或放射花纹。

解理裂纹的形成

位错塞积理论的要点：塑性变形→位错运动受阻→位错塞积→塞积头应力集中→如塞积头处最大拉应力σfmax≥理论断裂强度σm→产生裂纹

解理断裂的微观断口特征1解理断裂：解理台阶、河流花样、舌状花样、鱼骨状花样（人字型花样、二次裂纹

解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。

微孔聚集断裂的微观特征微孔聚集的过程亦有两种形式，一种是相邻微孔成长至互相接触；另外是相距较大的微孔由于微孔之间的基体金属发生变形—颈缩而引起微孔的聚集。韧窝的大小与深浅，决定于材料断裂时孔洞核心的数量、材料本身相对塑性和环境温度。

解理和准解理之间有联系

共同点：都是穿晶断裂；有小解理刻面；有台阶或撕裂棱及河流花样。

区别：准解理小刻面不是晶体学解理面；真正的解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样

E(G)弹性模量

σb 抗拉强度