材料性能学

第一章：单向静拉伸的力学性能

静载作用下应力应变关系及常见3种失效形式：过量弹性变形、塑性变形和断裂。基本力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。

单向静拉伸实验：拉伸开始后，在P点以下拉伸力和伸长量呈直线关系。当拉伸力超过Fp 后，力—伸长曲线开始偏离直线。拉伸力小于Fe时，式样的变形在卸除拉伸力后可以完全恢复。因此e点以内的变形为弹性变形。当拉伸力达到Fa后，式样便产生不可恢复的永久变形，即塑性变形。在这一阶段的变形过程中，最初试样局部产生不均匀的屈服塑性变形，力-伸长曲线出现平台式锯齿，直至C点结束。接着进入均匀塑性变形阶段。达到最大拉伸力Fb时，试样再次出现不均匀的塑性变形，并在局部区域产生缩颈。最后在拉伸力Fk除，试样断裂。。

弹性变形三个特点：1、可逆性；2、应力应变之间具有单值线性关系；3、弹性变形量较小。弹性变形本质：构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。

弹性模数E：表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则相同应力下产生的弹性变形越小。

比弹性模数：弹性模数与其单位体积质量的比值，也称为比模数或比刚度，单位m或cm,比例极限óp是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力。óp=Fp／Ao。

弹性比功：又称弹性比能或应变比能，用ɑe表示，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示。

弹性：材料受载后产生一定的变形，而卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质称为材料的弹性。根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，弹性可分为理想弹性（完全弹性）和非理想弹性（弹性不完整性）两类。对于理想弹性材料，在外载荷下，应力应变服从虎克定律，并同时满足三个条件：应变对于应力的响应是线性的；应力应变同相位；应变是应力的单值函数。非理想弹性可分为：滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应。滞弹性（弹性后效）是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。这种加载时应变落后于应力的而与时间有关的滞弹性也称为正弹性后效或弹性蠕变。卸载时应变落后于应力的现象也称为反弹性后效。材料的滞弹性对仪器仪表和精密机械中的重要传感元件的测量精度有很大影响，因此选用材料时应考虑滞弹性问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感器等，所选用材料的滞弹性比较明显时，会使仪表精度不足，甚至无法使用。

粘弹性：材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为，其特征是应变对应力的响应（或反之）不是瞬时完成的，需要一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。应力和应变的关系有时间有关，可分为恒应变下的应力松弛和恒应力下的蠕变。主要在一些高分子材料中表现的比较突出。

伪弹性：指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象。

包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于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。所有退火态和高温回火态的金属都有包申格效应。包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。因包申格效应是一种材料微观组织结构变化的结果，所以可通过热处理加以消除。方法是对材料进行较大的塑性变形或对微量塑性变形的材料进行再结晶退火。

内耗：非理想弹性的情况下由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后环。此现象说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分加载变形功被材料吸收，这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗，其大小可用回线面积度量。内耗的基本度量是振动周在单位弧度上的相对能量损耗。这个损耗取决

于应变和应力之间的相角差。

拉伸断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇。影响宏观拉伸断口的因素：材料强度、温度、加载速度。

塑性变形：是微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。

金属材料的塑性变形有晶体的滑移和孪生两种。滑移是金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。孪生也是金属晶体在切应力作用下产生的一种塑性变形方式。多晶体金属材料，由于各晶粒的位相不同和晶界的存在，其塑性变形更加复杂，主要有如下特点：1、各晶粒变形的不同时性和不均匀性。2、各晶粒变形的相互协调性。

金属材料在塑性变形时，除引起应变硬化，产生残余应力外，还导致了一些物理性能和化学性能的变化，如密度降低、电阻和矫顾力增加、化学活性增大以及抗腐蚀性能降低等。

屈服现象：产生屈服的原因与材料内部的微观组织结构变化有关。材料的屈服标志着材料在应力作用下由弹性变形转变为弹-塑性变形状态。因此材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力，这一应力值称为屈服强度或屈服点，用ós表示。

屈服强度实际意义：1、作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据。2、根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆段的参考依据。

影响金属材料屈服强度的因素：晶体结构、晶界与亚结构、溶质元素、第二相、温度、应变速率与应力状态。

应变硬化：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象，称为应变硬化或形变强化。是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。应变硬化机理：塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。应变硬化指数：n是一个常用的金属材料性能指标，反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。应变硬化的意义：1、在加工方面，利用应变硬化和塑性变形的合理配合，可使金属进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。

2、材料应用方面：可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件安全使用。

抗拉强度:式样拉断过程中最大试验力所对应的应力。ób=Fb／Ao。

缩颈是一些金属材料和高分子材料在拉伸实验时，变形集中于局部区域的特殊状态，它是在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域而产生的。缩颈应力唯一地依赖于材料的应变硬化系数K和应变硬化指数n。

塑性是材料断裂前产生塑性变形的能力。应用：1、当材料偶然过载时，通过塑性变形和应变硬配合可避免机件发生突然破坏；当机件因存在台阶、勾槽、小孔而产生应力集中时，塑性变形可削减应力高峰使之重新分布，从而保证机件正常运行；还有利于塑性加工和修复工艺的顺利进行。

超塑性：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。伸长率：碳钢和合金钢30%-40% ；铝及铝合金50%-60% 。利用超塑性技术可以压制形状复杂的机件，从而可以节约材料、提高精度，减小加工工时及能源消耗。产生超塑性的条件：1、超细晶粒，要求晶粒尺寸达微米量级，且为等轴晶，2、合适的变形条件，变形温度在0.4Tm以上，应变速率一般大于10-3 S-1 3、应变速率敏感指数较高，出现超塑性的条件是0.3《m《1，当m<0.3时，材料就不出现超塑性。

断裂：固体材料在力的作用下分成若干部分的现象。包括裂纹的形成和扩展两个阶段。断裂分类：1、按照断裂前与断裂过程中材料的宏观变形程度，分为脆性断裂和韧性断裂。2、按照断裂时裂纹扩展的途径，分为穿晶断裂和沿晶断裂。3、按照微观断裂机理，分为解理断裂和剪切断裂。4、按照作用力的性质分为正断和切断。

韧性断裂是材料断裂前与断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程，特点：裂纹扩展过