材料力学性能1

滑移面 （密排面
(1) 滑移的晶体学
滑移系
（1）几何要素
滑移方向（密排 方向）
滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其 上密度最大的晶向(密排方向)进行，这是由于密排面之 间的间距最大，结合力最弱。因此滑移面为该晶体的密 排面，滑移方向为该面上的密排方向,密排方向上柏氏 矢量b最小。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一 个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大， 塑性就越好。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大， 所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。
2 多晶体塑性变形的特征
①塑性变形的不同时性和不均匀性
在多晶体中，各个晶粒内原子排列的位向却不一致，这样不同 晶粒的滑移系的取向就会不同。当对多晶体施以拉伸时，作用在不 同晶粒滑移系上的分切应力会有差别，分切应力最大的那些晶粒最 先开始滑移，有些晶粒所受到的分切应力最小，最难发生滑移。 由此可见，多晶体金 属的塑性变形将会在不 同晶粒中逐批发生，是 个不均匀的塑性变形过 程。 材料表面优先 与切应力取向最佳的滑移系优先
第一章
材料的拉伸性能
1.1 前言
• 1、拉伸性能: • 单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性 能试验方法之一,通过拉伸试验可测材料的屈服强度、抗 拉强度、断后伸长率和断面收缩率等重要的力学性能指标， 这些指标是材料在其它载荷和环境条件下力学响应分析的 基础。 • 2、拉伸性能的作用、用途： • a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要 依据之一。 • b.提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、 断裂性能。
②各晶粒塑性变形的相互制约与协调
原因：各晶粒之间变形具有非同时性。
要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导 致晶体分裂） 条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变 化）
3 形变织构和各向异性
（1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈 择优取向的组织。 丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉 拔时形成） （2）类型 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋 于平行于主变形方向。（轧制时形成）
改变，形成镜面对称关系
位移量
不 同 点
小于孪生方向上的原子间距， 较小。 有限，总变形量小。 所需临界分切应力远高于 滑移 滑移困难时发生
对塑变的贡献 变形应力 变形条件
变形机制
全位错运动的结果
分位错运动的结果
2 多晶体的塑性变形
1 )晶粒之间变形的传播
位错在晶界塞积 应力集中 相邻晶粒位错源开动 相邻 晶粒变形 塑变
拉丝方向 轧制方向
3 形变织构和各向异性
形变 晶面转动
形变织构
各向异性 （轧制方向有较高的强度和塑性）
无织构
有织构
二 屈服点屈服强度
1、物理屈服现象（非连续形变强化）
P A C F D
应变时效
0
B E
L
1）屈服现象 这类材料—低碳钢、低合金钢等 从弹性变形→向塑性变形过渡明显， 表现在试验过程中，外力不增加（保持恒 定），试样仍能继续伸长；或外力增加到一 定数值时突然下降、随后，在外力不增加或 上下被动情况下，试样继续伸长变形(图1-9 曲线1)，这即是屈服现象。
• 本章内容
• 实验条件： • 光滑试件 载荷
室温大气介质
单向单调拉伸
• 研究内容： • 测定不同变形和硬化特性的材料的应力应变曲线和拉伸性能参数。了解不同材料的性 质
3.拉伸试验
• 1） 拉伸试件的形状和尺寸
• 常用的拉伸试件:为了比较不同尺寸试样所 测得的延性,要求试样的几何相似，L0／ A01/2要为一常数。其中A0为试件的初始横截 面积。 • 具体标准：GB 6397－86
2）不同材料弹性模量
Al2O3 3.99×105MPa
3）刚度
• 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抗力
其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小
• 机器零件或构件的刚度 AE
与材料刚度及截面形状和尺寸以及载荷作用的方式有关
• 刚度是金属相料重要的力学性能指标之一
3）影响弹性模量的因素
b
均匀变形阶段
典型的应力-应变曲线
s= 0.2 淬火高碳钢、 玻璃、陶 瓷 正火、调质 退火的碳 素结构钢、 低合金结 构钢
有色金属、经 冷变形的钢、 经低中温回 火的结构钢
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s
（ a）

e
（ b）
e
（c）
e
高锰钢、铝青铜、 锰青铜
冷拔钢丝、 受强烈硬 化的材料
b 纯铜、纯铝
（ d）
2）屈服点 呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样 在外力不增加(保持恒定)仍能继续伸长 时的应力称为屈服点，记为σs； 3）上屈服点
试样发生屈服而力首次下降前的最大应 力称为上屈服点，记为 4）下屈服点 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）时屈服阶段中的最小应力 称为下屈服点，记为σsl
（1）键合方式和原子结构 离子键、共价键弹性模数高 金属键 原子半径↑ E↓ 原子半径
(2) 晶体结构 单晶
多晶
过渡族小 E高
不同方向呈各项异性 伪各向同性
（3）化学成分
材料化学成分变化，将引起原子间距或键合 方式的变化可影响E
溶质 质量分数变化 晶体结构变化
固溶体材料如钢 合金元素对晶格影响不大， E变化不大 相差＜5%
(4)发生了滑移的金属试样表面状态如 下图所示
2) 孪生
（ 1 ）定义：在切应力作用下，晶体的一部分 相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均 匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。
（2）孪生的表面形貌
（3）孪生变形的特点
滑移
孪生
相同点
晶体位向
1 切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；3 不改变结构。 不改变。 滑移方向上原子间距的整 数倍，较大。 很大，总变形量大。 有一定的临界分切应力 一般先发生滑移
(a)圆截面标准试件：
l0=10d0 ， l0=5d0
标距l0
d0
(b)矩形截面标准试件(截面积为A0）： l0=5.65A01/2或11.3A0 1/2 ；
标距l0
l0=10d0
l0= 5d0
4.单向静拉伸的特点
• 特点 ：温度 • 应力 • 加载速率
第一节 力伸长曲线及应力应变曲线
• 退火低碳钢的力伸长曲线
r
4
A Ar 合力 F 2 r r
2 0 4
1）当原子处于平衡位置
F =0
2）受外力：原子偏离平衡位置
外力去除位移消失
3）原子间的力与原子间距r为抛物线关系 4）合力最大值为Fmax，当F≥ Fmax断裂
此时相应的弹性变形量为rm-r0 可以计算弹性变形最大23% 实际：材料中有缺陷不可能达到Fmax，就已产生塑变
二、弹性模量
1.胡克定律 1）单向拉伸
2）剪切扭转 τ=Gγ
2.广义虎克定律
x = [ x - ( y + z ) ] / E y = [ y - ( z + x ) ] / E z = [ z - ( x + y ) ] / E
x y = x y / G
y z = y z / G z x = z x / G
3.弹性模量
1）弹性模量的意义 • 由σ=Eε • 当ε=1 σ= E ? • 当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应 力 • 即弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力。 • 这个定义对合同而言是没有任何意义的，因为 金属材料所能产生的弹性变形量是很小的
e
e （ e） 图典型的应力-应变曲线
（ f）
e
工程应力应变曲线
b e s
K
真应力真应变曲线
图1-4 真实应力-应变曲线
§2.弹性变形
一、弹性变形的物理本质
1.弹性变形的特点：

弹塑性变形 断裂
可逆性
单值性 变形量小 不超过0.5~1%
弹性变形
ε
2.变形实质
双原子模型 引力
A
r
2
斥力
Ar
2 0
制造弹簧的材料要求高的弹性比功：（ e 大 ，E 小）含碳量为0.5%~0.7%的硅锰钢在退火后有一定 塑性，使弹簧的加工成型不至过于困难，经淬火 加中温回火可得到回火屈氏体组织，使钢弹性极 限大大提高。（仪表中弹簧件常用磷青铜和铍青 铜制造）
0
ee
ε
§3 弹性不完善性
1、弹性后效
瞬间加载---正弹性后效
瞬间卸载---弹性后效
弹性不完善性
• ⑴ 定义 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。 • ⑵ 危害：长期承载的传感器， 影响精度。
弹性后效影响因素及消除办法
• • • • • 1.材料的成分与组织 2.晶格类型 3.热处理与加工工艺 4. 温度 5.应力状态
减小弹性后效的方法
(2)滑移系
滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 滑移系的个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方 向的个数）
(3)滑移的同时必然伴随有晶体的转动， 这是因为平行于滑移面的最大切应力往往 与滑移方向不一致，于是形成二力合成一 个转动分力（如图）。
转动的结果，使滑 移面趋向与拉伸轴 平行。
：
应力与应变保持 正比关系的最大应力。
2、弹性极限 e ：
在拉伸试验过程中，材料不产生 塑性变形时的最大应力，用符 号σe表示

0.005

0.01

0.05
四、弹性比功 （弹性应变能密度）
材料开始塑性变形前单位体 积所能吸收的弹性变形功。

e
ae = e ε e / 2 = e2 / (2E)
图1-7为显示20号钢包 申格效应的拉伸、压缩 应力-应变曲线，压缩应 力-应变曲线和拉伸曲线 画在同一象限内。由图 可见，室温下预先拉伸 (应变2%)，屈服强度 约为300MPa；再反向 压缩加载，压缩屈服强 度仅为100MPa左右
2）、微观本质 预塑性变形，位错增殖、运动、缠结； 同向加载，位错运动受阻，弹性极限与 屈服强度增加； 反向加载，位错被迫作反向运动，运动 容易,弹性极限与屈服强度降低。
3）包申格应变
度量包申格效应的基本 定量指标是包申格应变， 它是指在给定应力下。正 向加载与反向加载两应力 应变曲线之间的应变差(图 1-8)。在图1-8中，b点为 拉伸应力-应变曲线上给定 的流变应力，β=bc为包申 格应变。
4）包申格效应的危害及防止方法 交变载荷情况下，显示循环软 化（强度极限下降） 预先进行较大的塑性变形，可 不产生包申格效应。 第二次反向受力前，先使金属 材料回复或再结晶退火。
§4
.塑性变形
1、 塑性变形的定义
金属或合金在外力作用下，都能或多或 少地发生变形，去除外力后，永远残留的 那部分变形叫塑性变形。
各种加工方法
2、单晶体塑性变形的主要方式 滑移和孪生
1）滑移
滑移： 在切应力作用下，晶体的一部分 相对于另一部分沿着一定的晶面 （滑移面）和晶向（滑移方向）产 生相对位移，且不破坏晶体内部 原子排列规律性的塑变方式。
（4）微观组织
组织影响较小 晶粒大小无影响
金属材料合（金成分不变）
淬火后E↓回火后恢复
第二相分布影响小
最近研究表明：当E较高时，第二相可使基体E升高
5）温 度：
温度升高影响原子间距
温度升高100℃，E下降3~5%
-50~50 ℃变化不明显
6）冷变形：
E 值略降低。
三 弹性极限
1、比例极限 p
长时间回火处理: 钢: 300~450℃, 铜合金:150~200 ℃
2、弹性滞后
---- 非瞬间加载条件下的弹性后效。 加载和卸载时的应力应变曲线不重合 形成一封闭回线 ------ 弹性滞后 环

0
e
物理意义
• 加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。 或，回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。 • • 这部分被金属吸收的功，称为内耗。 ⑵循环韧性 若交变载荷中的最大应力超过 金属的弹性极限，则可得到塑性滞后环。
•
• •
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的 能力，叫循环韧性。 循环韧性又称为消振性。
循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自 然对数来表示循环韧性的大小。 ⑶循环韧性的应用 减振材料（机床床身、 缸体等）；乐器要求循环韧性小。
内耗 Q-1
--- 弹性滞后使加载 时材料吸收的弹性变形 能大于卸载时所释放的 弹性变形能，即部分能 量被材料吸收。 （弹 性滞后环的面积）
Q-1=
1 W 2 W
工程上对材料内耗应加以考虑
4、包申格效应

24.0
1
2´
30.1
8.5
4 ε
0 2
17.8
3
28.7
金属材料经过顶先加载产生少量塑性变形(残余 应变约为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，下同)增加； 反向加载，规定残余伸长应力降低(特别是弹件 极限在反向加载时几乎降低到零)的现象，称为 包申格效应。 (退火或高温回火的低碳低合金钢 表现显著)