工程材料力学性能
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材料力学性能
材料的力学性能
力学性能也称机械性能(Mechanical property)，是材料抵抗外力作用引 起的变形(Deformation)和断裂(Fracture)的能力。 包括：强度(Strength)、硬度(Hardness)、塑性(Ductility)、韧性 (Toughness)、耐磨性(Wear resistance)等。 力学性能影响因素： ▪内因——材料的成分、显微组织、应力状况； ▪外因——载荷大小种类、加载速率、环境温度、介质。
常见晶体结构的滑移面是原子最密排面，滑移方向是原子最密 排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。
晶体结构
体心立方
面心立方
密排六方
滑移系
滑移面 滑移方向 滑移系数量
（110） [111] 12
（111） [110] 12
（001） [001] 3
产生滑移的力学条件
假设滑移面法向与外力F的方向夹角为，滑移方向与外力 F的方向夹角为，那么，作用在滑移方向上的分切应力为，
⑶ 滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间 距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称 滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。
⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动。转动有两种： 一种是滑移面向外力轴方向转动，另一种是在滑移 面上滑移方向向最大切应力方向转动。
（5）滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。
滑移系
F0 l0
P F
l
P
材料静拉伸试验
静拉伸应力—应变曲线
塑性材料在静拉伸载荷作用下从开 始变形到断裂可分为三个阶段： • 弹性变形阶段 • 塑性变形阶段（加工硬化） • 断裂
/MPa
e
s
b K
E
e
K
塑性材料拉伸应力—应变曲线
弹性变形
弹性变形——材料在载荷作用下发生的可以完全回复的变形
实质——反应原子间作用力大小 性能指标：
件>c，滑移容易产生，因此该滑移方向称为软取向；相 反，取向因子小的滑移方向称为硬取向。
单晶临界分切应力
位错线的观察
经缀饰的位错网络
随塑性变形的进行，不断产生新位错，位错密度增加，互相缠结， 使位错运动越来越困难。
孪生
材料滑移系少或环境温度低，位错运动不容易进行时，也可在切应力作用下以孪生方式 实现塑性变形。
冷变形纤维组织
冷变形纤维组织使材料性能产生各向异性
加工硬化
材料经塑性变形后晶粒拉长，晶格变形，形成亚结构；S P / F F0 (1 )
位错增殖缠结；产生内应力。这些都阻碍位错的运动，使 材料的强度增加、塑性降低。这种现象称加工硬化，又称
l dl
l
e de ln
l l0
l0
ln(1 )
形变强化。
一般多晶体金属在拉伸应力——应变曲线上均匀塑性
变形阶段，应力与应变之间符合Hollomon关系式，
S Ken
其中，S为真应力，e为真应变，K为常数，n——形变强
化指数。
一些金属材料的形变强化指数
材料 n
Al ~0.15
-Fe ~ 0.2
Cu ~ 0.30
18-8不锈钢 ~ 0.45
金属压力加工
F cos F cos cos A / cos A
只有当达到某一临界值c时，滑移才能开始，此时宏观上 材料开始屈服，F/A等于s，因此，
c s cos cos
c称为晶体的临界分切应力，其数值取决于材料的本性、温 度和加载速率。
cos cos 称为取向因子。取向因子大，容易满足条
2 e
2E
e
金属材料弹性变形特点 • 变形可完全回复 • 变形量小
弹性变形原子水平解释
弹性模量影响因素
弹性模量是组织不敏感参量，主要取 决于原子本性与晶格类型。 原子间作用力越大，弹性模量越大； ——因此，熔点越高，弹性模量越大 原子间距增大，弹性模量减小。 ——因此，温度升高，弹性模量减小
弹性模量与熔点的关系
载荷
静载荷：静拉伸、压缩、弯曲、扭转
周期变动载荷：如交变载荷，大小方向均作周期性变动 动载荷
随机变动载荷
几类典型载荷
应力、应变
应力——材料受外加载荷作用时单位 面积的内力，单位：MPa
= P/F0
应变、 ——材料单位长度（或面积）
上的伸长或收缩，单位：无
=（l-l0）/l0， = （F0-F）/F0
滑移
滑移是指晶体的一部分 沿一定的晶面和晶向相 对于另一部分发生滑动 位移的现象。
滑移的特点
⑴ 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移 的最小切应力称临界切应力。
⑵ 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向 发生，这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间间 距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。
多晶材料在大于屈服应力的载荷作用 下，不同取向晶粒变形协调进行：软取向 晶粒较早达到临界分切应力，首先变形； 硬取向晶粒变形启动较晚。较早变形的晶 粒受周围较晚变形晶粒的约束。
在塑性变形过程中，由于晶粒的转动， 当变形达到一定程度（70%以上）时，会 使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋 于一致，这种现象称为形变织构(texture) 或择优取向（preferred orientation）。
塑性变形
塑性变形——材料发生的不可 逆变形。 特点： • 应力-应变关系非线形； • 变形不可逆； • 通过原子价键的断开、重排实 现（晶体材料中，通过滑移和 孪生的方式实现）
切变强度——理论值和实际值的巨大差异
理论切变强度：G/30 实际纯金属单晶最大切变强度：G/100，000~G/10，000 Why?
金属的再结晶
再结晶过程通过两个阶段完成： 1) 回复——位错减少形成亚晶粒，内应力 消失，但保持加工硬化效果； T回＝（0.25~0.30）T熔
/MPa
e
弹性模量——反应材料抵抗弹性变形的能力
正变弹性模量：E=tg=/ （虎克定理）
弹性极限e——材料由弹性变形阶段过渡到塑性
变形时的应力，一般规定以产生一定残余伸长
（如0.01%）时的应力为弹性极限，记为0.01
弹性e——可以回复的最大变形量
弹性比功e——材料吸收弹性变形功的能力
e
1 2
e
e
孪生变形沿特定晶面（孪生面）和特定晶向（孪生方向）进行。发生切变的部分称为孪 生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
与滑移不同，孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接 近于声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。
多晶体塑性变形特点
材料的力学性能
力学性能也称机械性能(Mechanical property)，是材料抵抗外力作用引 起的变形(Deformation)和断裂(Fracture)的能力。 包括：强度(Strength)、硬度(Hardness)、塑性(Ductility)、韧性 (Toughness)、耐磨性(Wear resistance)等。 力学性能影响因素： ▪内因——材料的成分、显微组织、应力状况； ▪外因——载荷大小种类、加载速率、环境温度、介质。
常见晶体结构的滑移面是原子最密排面，滑移方向是原子最密 排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。
晶体结构
体心立方
面心立方
密排六方
滑移系
滑移面 滑移方向 滑移系数量
（110） [111] 12
（111） [110] 12
（001） [001] 3
产生滑移的力学条件
假设滑移面法向与外力F的方向夹角为，滑移方向与外力 F的方向夹角为，那么，作用在滑移方向上的分切应力为，
⑶ 滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间 距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称 滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。
⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动。转动有两种： 一种是滑移面向外力轴方向转动，另一种是在滑移 面上滑移方向向最大切应力方向转动。
（5）滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。
滑移系
F0 l0
P F
l
P
材料静拉伸试验
静拉伸应力—应变曲线
塑性材料在静拉伸载荷作用下从开 始变形到断裂可分为三个阶段： • 弹性变形阶段 • 塑性变形阶段（加工硬化） • 断裂
/MPa
e
s
b K
E
e
K
塑性材料拉伸应力—应变曲线
弹性变形
弹性变形——材料在载荷作用下发生的可以完全回复的变形
实质——反应原子间作用力大小 性能指标：
件>c，滑移容易产生，因此该滑移方向称为软取向；相 反，取向因子小的滑移方向称为硬取向。
单晶临界分切应力
位错线的观察
经缀饰的位错网络
随塑性变形的进行，不断产生新位错，位错密度增加，互相缠结， 使位错运动越来越困难。
孪生
材料滑移系少或环境温度低，位错运动不容易进行时，也可在切应力作用下以孪生方式 实现塑性变形。
冷变形纤维组织
冷变形纤维组织使材料性能产生各向异性
加工硬化
材料经塑性变形后晶粒拉长，晶格变形，形成亚结构；S P / F F0 (1 )
位错增殖缠结；产生内应力。这些都阻碍位错的运动，使 材料的强度增加、塑性降低。这种现象称加工硬化，又称
l dl
l
e de ln
l l0
l0
ln(1 )
形变强化。
一般多晶体金属在拉伸应力——应变曲线上均匀塑性
变形阶段，应力与应变之间符合Hollomon关系式，
S Ken
其中，S为真应力，e为真应变，K为常数，n——形变强
化指数。
一些金属材料的形变强化指数
材料 n
Al ~0.15
-Fe ~ 0.2
Cu ~ 0.30
18-8不锈钢 ~ 0.45
金属压力加工
F cos F cos cos A / cos A
只有当达到某一临界值c时，滑移才能开始，此时宏观上 材料开始屈服，F/A等于s，因此，
c s cos cos
c称为晶体的临界分切应力，其数值取决于材料的本性、温 度和加载速率。
cos cos 称为取向因子。取向因子大，容易满足条
2 e
2E
e
金属材料弹性变形特点 • 变形可完全回复 • 变形量小
弹性变形原子水平解释
弹性模量影响因素
弹性模量是组织不敏感参量，主要取 决于原子本性与晶格类型。 原子间作用力越大，弹性模量越大； ——因此，熔点越高，弹性模量越大 原子间距增大，弹性模量减小。 ——因此，温度升高，弹性模量减小
弹性模量与熔点的关系
载荷
静载荷：静拉伸、压缩、弯曲、扭转
周期变动载荷：如交变载荷，大小方向均作周期性变动 动载荷
随机变动载荷
几类典型载荷
应力、应变
应力——材料受外加载荷作用时单位 面积的内力，单位：MPa
= P/F0
应变、 ——材料单位长度（或面积）
上的伸长或收缩，单位：无
=（l-l0）/l0， = （F0-F）/F0
滑移
滑移是指晶体的一部分 沿一定的晶面和晶向相 对于另一部分发生滑动 位移的现象。
滑移的特点
⑴ 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移 的最小切应力称临界切应力。
⑵ 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向 发生，这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间间 距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。
多晶材料在大于屈服应力的载荷作用 下，不同取向晶粒变形协调进行：软取向 晶粒较早达到临界分切应力，首先变形； 硬取向晶粒变形启动较晚。较早变形的晶 粒受周围较晚变形晶粒的约束。
在塑性变形过程中，由于晶粒的转动， 当变形达到一定程度（70%以上）时，会 使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋 于一致，这种现象称为形变织构(texture) 或择优取向（preferred orientation）。
塑性变形
塑性变形——材料发生的不可 逆变形。 特点： • 应力-应变关系非线形； • 变形不可逆； • 通过原子价键的断开、重排实 现（晶体材料中，通过滑移和 孪生的方式实现）
切变强度——理论值和实际值的巨大差异
理论切变强度：G/30 实际纯金属单晶最大切变强度：G/100，000~G/10，000 Why?
金属的再结晶
再结晶过程通过两个阶段完成： 1) 回复——位错减少形成亚晶粒，内应力 消失，但保持加工硬化效果； T回＝（0.25~0.30）T熔
/MPa
e
弹性模量——反应材料抵抗弹性变形的能力
正变弹性模量：E=tg=/ （虎克定理）
弹性极限e——材料由弹性变形阶段过渡到塑性
变形时的应力，一般规定以产生一定残余伸长
（如0.01%）时的应力为弹性极限，记为0.01
弹性e——可以回复的最大变形量
弹性比功e——材料吸收弹性变形功的能力
e
1 2
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孪生变形沿特定晶面（孪生面）和特定晶向（孪生方向）进行。发生切变的部分称为孪 生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
与滑移不同，孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接 近于声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。
多晶体塑性变形特点