1、- 1 - 绪论 弹性： 指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。 塑性： 材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力。 刚度： 材料在受力时抵抗弹性变形的能力。 强度： 材料对变形和断裂的抗力。 韧性： 指材料在断裂前吸收塑性变形和断裂功的能力。 硬度： 材料的软硬程度。 耐磨性： 材料抵抗磨损的能力。 寿命： 指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能 。 材料的力学性能的 取决因素 ：内因 化学成分、组织结构、残余应力、表面和内部的缺陷等；外因 载荷的性质、应力状态、工作温度、环境介质等条件的变化。 第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能 1.1 拉伸力 伸长曲线和应力
2、 应变曲线 应力 应变 曲线 退火低碳钢在拉伸力作用下的力学行为可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形和断裂几个 阶段 。 弹性变形阶段 ：曲线的起始部分，图中的 oa 段。多数情况下呈直线形式，符合虎克定律。 屈服阶段 ：超出弹性变形范围之后，有的材料在塑性变形初期产生明显的塑性流动。此时，在外力不增加或增加很小或略有降低的情况下，变形继续产生，拉伸图上出现平台或呈锯齿状，如图中的ab 段。 均匀塑性变形阶段 ：屈服后，欲继续变形，必须不断增加载荷，此阶段的变形是均匀的，直到曲线达到最高点，均匀变形结束，如图中的 bc 段。 不均匀塑性变形阶段 ：从试样承受的最
3、大应力点开始直到断裂点为止，如图中的 cd 段。在此阶段，随变形增大，载荷不断下降，产生大量不均匀变形，且集中在颈缩处，最后载荷达到断裂载荷时，试样断裂。 弹性模量 E：应力 应变曲线与横轴夹角的大小表示材料对弹性变形的抗力，用弹性模量 E退火低碳钢应力 应变曲线 - 2 - 表示。 塑性材料应力 应变曲线 （ a）弹性 弹塑性型： Oa 为弹性变形阶段，在 a 点偏离直线关系，进入弹 塑性阶段，开始发生塑性变形，开始发生塑性变形的应力称为屈服点，屈服点以后的变形包括弹性变形和塑性变形。在 m点卸载，应力沿 mn 降至零，发生加工硬化。 （ b） 弹性 -不均匀塑性 -均匀塑性型：与前者不同在
4、于出现了明显的屈服点 aa，有时呈屈服平台状，有时呈齿状。应变约 1%3%。退火低碳钢和某些有色金属具有此行为。 （ c）弹性 -均匀塑性型：未出现颈缩前的均匀变形过程中发生断裂。主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物具有此种曲线。 （ d）弹性 -不均匀塑性型：形变强化过程中出现多次局部失稳，其塑性变形方式通常是孪生而不是滑移。当孪生速率超过试验机夹头运动速度时，载荷会突然松弛而呈现锯齿形的曲线。某些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金具有此行为。 加工硬化 ：材料经历一定的塑性变形后， 其屈服应力升高的现象称为应变强化或加工硬化。 颈缩 ：材料经均匀形变后出现集中变形的现象称为颈缩。
5、1.2 弹性变形 材料受外力作用发生尺寸和形状的变化，称为 变形 。外力去除后，随之消失的变形为 弹性变形 ，剩余的（即永久性的）变形为 塑性变形 。 弹性变形的重要特征 是其可逆性，即受力作用后产生变形，卸除载荷后，变形消失。 曲线 1：两原子间的引力 曲线 2：两原子间的斥力 曲线 3：两原子之间的作用力 当原子间相互平衡力受外力而受到破坏时，原子位置相应调整，产生位移。而位移总和在宏观上表现为变形。 - 3 - 外力去除后，原子依靠之间的作用力又回到原来平衡位置，位移消失，宏观变形消失。 弹性模量 E：表征材料抵抗正应变的能力。在单向受力状态下 = xy切变模量 G：表征材料抵抗剪切变形
6、的能力。在纯剪切应力状态下 = xyxy泊松比 ：反映材料受力后横向正应变与受力方向上正应变之比。单向受力状态下 体积弹性模量 K：表示物体在三向压缩下，压强 p 与体积变化率 V/V 之间的线性比例关系。 = 3(12) 刚度 ：工程上弹性模量为称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同的应力状态下产生的弹性变形量越小。 弹性比功 ：弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功 而不发生永久变形 的能力。金属拉伸时的弹性比功用应力 应变曲线下影线的面积表示，即 式中， ae 为弹性比功， e 为弹性极限（材料由弹性变形过渡到弹 塑性变形时的应力）； e 为
7、最大弹性应变。 在应力作用下应变不断随时间而发展的行为，以及应力去除后应变逐渐恢复的现象都统称为 弹性后效 。 实际金属在外力作用下产生弹性变形，开始时沿 OA 线产生瞬时弹性应变 OC，如果载荷保持不变，还产生随时间延长而逐渐增加的应变 CH。这种在加载状态下产生的滞弹性变形称为 正弹性后效 。卸载时，延 BD 线只有应变 DH 立即消失，而应变 OD是卸载后随时间延长才缓慢消失的，这种在卸载后产生的滞弹性变形称为 反弹性后效 。 弹性滞后环 ：弹性变形时因应变滞后于外加应力，使加载线和卸载线不重合而形成的回线称为弹性滞后环。 存在弹性滞后环的现象说明，加载时金属消耗的变形功大于卸载时金属恢
8、复变形释放出的功，环面积大小代表被金属吸收的那部分功。 滞后环的面积相当于金属在单向循环应力或交变循环应力作用下消耗不可逆能量的多少，即xy Ea eeee 221 2 交变循环载荷，加载速度慢 交变循环载荷，加载速度快 - 4 - 表示金属吸收不可逆变形功的能力，成为金属的内耗，又称 循环韧性 。循环韧性是指在塑性区加载时材料吸收不可逆变形功的能力； 内耗 是指在弹性区加载时材料吸收不可逆变形功的能力。一般这两个名词可以混用。 包申格效应 ： 金 属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变为 1%4%），卸载后同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或 屈服强度）增加，反向加载时规定残余伸长应
9、力降低的现象，称为包申格效应。 包申格效应产生的原因（位错理论）： 初次加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错受阻，塞积后产生背应力，背应力反作用于位错源，当背应力足够大时，可使位错源停止开动。预变形时位错的运动方向和背应力的方向相反。反向加载时位错运动的方向和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形相对容易。 1.3 塑性变形 塑性变形的方式 ： 滑移 和 孪生 。其中，滑移是金属材料在切应力作用下，位错沿滑移面和滑移方向运动而进行的切变过程，是最主要的变形机制。孪生也是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式，一般发生在低温形变或快速形变时，受晶体结构的影响较大 fccbcchcp。
10、塑性变形的特点 1、 各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性 ：多晶体试样受到外力作用后， 大部分区域尚处在弹性变形范围内，塑性变形首先在个别取向有利的晶粒内，塑性变形不可能在不同晶粒中同时开始；一个晶粒的塑性变形必然受到相邻不同位向晶粒的限制，由于各晶粒的位向差异，这种限制在变形晶粒的不同区域上是不同的，在同一晶粒内的不同区域的变形量也是不同的。 2、 各晶粒塑性变形的相互制约与协调 ： 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形， 否则将造成晶界开裂。五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。 3、塑性变形后金属的晶格发生点阵畸变，储存能量，产生内应力。 4、塑性应
11、变量 提高，金属强度增大，产生加工硬化。 屈服 ：受力试样中，应力达到某一特定值后，开始大规模塑性变形的现象称为屈服。 呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为 屈服点 ；试样发生屈服而首次下降前的最大应力称为 上屈服点 ，即为 su；当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中实验为第一次发生下降）时屈服阶段中的最小应力称为 下屈服点 ，记为 sl。 - 5 - 屈服现象的本质 （ 不确定） ：金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志。参考拉伸力 伸长曲线，材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡是明显的，表现在试验过程中外力不增加试样仍能继续伸长
12、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波动情况下，试样继续伸长变形，这便是屈服现象。 金属材料一般是 多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响屈服强度的因素，必须注意以下几点： 屈服变形是位错增殖和运动的结果； 实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果； 各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。 影响屈服强度的因素 ： 内在因素 金属本性及晶格类型；晶格大小和亚结构；溶质元素；第二相。 外在因素 温度；应变速率；应力状态。 相变强化 ：通过热处理方式，在不改变金属成分的前提下，改变金属的晶格结构，使金属的强度得以提高的方法称为相变强化。 细晶强化 ：减少晶粒尺
13、寸会减少晶粒内部位错塞积的数量，减少位错塞积群的长度，降低塞积点处的应力，相邻晶粒中位错源开动所需的外加切应力提高，屈服强度增加。这种通过细化晶粒尺寸提高材料强度的方法称为细晶强化。 固溶强化 ：金属中溶入溶质原子（间隙固溶、置换固溶）形成固溶体，其屈服强度会明显提高，这种提高强度的方法称为固溶强化。 （通常，间隙固溶体的强化效果大于置换固然体） 弥散强化 ：金属中的第二相质点通过粉末冶金等方法获得。 沉淀强化（析出强化） ：金属中的第二相质点通过固溶处理加时效等方法获得。 应变速率硬化 ：因应变速率增加而产生的强度提高效应的现象。 颈缩 ：颈缩是韧性金属材料 在拉伸试验时，变形集中于局部区域
14、的现象，是材料加工硬化和试样截面减小共同作用的结果。 颈缩判据： n=eb，当金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时产生颈缩。 抗拉强度 ：试件断裂前所能承受的最大工程应力称为抗拉强度，用来表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。 ， b为抗拉强度； Fb为最大载荷； A0 为试件的原始截面积。 两个塑性指标 1、断后伸长率 ：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比。 =L1L0L0100%， L0 为试样原始标距长度， L1 为试样断裂后的标距长度。 2、断面收缩率 ：试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。= A0A1A0100%， A0 为试样原始横截面积，
15、A1 为颈缩处最小横截面。 金属材料塑性与强度的关系：一般来讲，材料的强度提高，其变形抗力提高，变形能力下降，0AF bb- 6 - 塑性降低。 相变强化、固溶强化、加工硬化及第二相弥散强化一般都会使塑性降低； 细晶强化不仅提高强度还时塑性提高。 韧性 ：指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 韧度 ：度量材料韧性的力学性能指标，分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。 金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功定义为 静力韧度 ，它是强度和塑性的综合指标。 1.6 材料的断裂 材料在塑性变形过程中，也在产生微孔，微孔的产生与发展，导致材料中微裂纹的形成与长大，这种损伤达到临界状态时，裂纹
16、失稳，实现最终的断裂。 塑性变形裂纹的形成裂纹扩展断裂 韧性断裂与脆性断裂 断裂前不发生明显塑性变形 脆性断裂；断裂前发生明显塑性变形 韧性断裂。 脆性断裂所需的能量：分开原子 +新表面的表面能；韧性断裂所需的能量：分开原子 +新表面的表面能 +塑性变形消耗的能量（远大于前两者之和） 韧性断裂 是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。 韧性断裂宏观断口形态呈杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。 纤维区 ：光滑圆柱试样受拉伸力作用，产生颈缩时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心区轴向应力最大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中各部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，
17、或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔，微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。显微裂纹形成、扩展过程重复进行就形成锯齿状的纤维区。 放射区 ：环状纤维区发展到一定尺寸（临界裂纹尺寸）后，裂纹开始快速扩展（失稳扩展）而形成放射区。放射区是裂纹作快速低能撕裂而形成的，有放射线花样特征，放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端（每一瞬间）的轮廓线，并逆指向裂纹源。 - 7 - 剪切唇 ：放射区形成后，试样承载面积只剩下最外侧的环状面积，最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成与拉伸轴呈 45的杯状或锥状剪切唇。 脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。脆性断裂的断
18、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。 圆柱形拉伸试样：断裂面与正应力垂直，断口平齐、光亮。断面上的放射状条纹汇聚于一个中心，此中心区域就是裂纹源。 板状矩形截面拉伸试样： “ 人 ” 字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。 沿晶断裂与穿晶断裂 沿晶断裂 ：指裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展的断裂形式，大多 是 脆性断裂。在多晶体变形中，晶界起协调相邻晶粒变形的作用，当晶界受到损伤，其变形能力被消弱，不足以协调相邻晶粒的变形时，便形成晶界断裂。 断裂机制： 晶界由脆性相析出（如过共析钢中二次渗碳体析出）； 高温晶界变弱（加热温度过高 ，晶界熔化）； 有害元素
19、沿晶界富集（合金钢的回火脆性 ）； 晶界上有弥散相析出（奥氏体高锰钢固溶处理后再加热时沿晶界析出碳化物）； 腐蚀环境下晶界被腐蚀等原因使晶界脆化或弱化所致。 断裂过程： 沿晶断裂过程包括裂纹的形成与扩展。晶界受损的材料受力变形时，晶内的运动位错受阻于晶界，在晶界处造成应力集中，当集中应力达到晶界强度时，便将晶界挤裂。 断口形貌：沿晶断裂的性质取决于 g（沿晶断裂应力有关的常数）与屈服强度 s的相对大小。当 gs时，先发生宏观屈服变形和形变强化，晶界 有 塑性变形，在完成一定的变形量后发生微孔型沿晶断裂，产生石状断口。 穿晶断裂 ：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展的断裂。 穿晶断裂可依据不同的微观断
20、裂机制而脆性断裂断口的放射状花样 脆性断裂断口的人字形花样 - 8 - 具有不同的微观断口形貌特征，主要有解理、微孔聚集、准解理等。 一般地，从宏观上看，穿晶断裂既可以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂 剪切断裂是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，一般是韧性断裂，分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。其中， 纯剪切断裂 主要在纯金属尤其是在单晶体金属中产生，其断口呈锋利的楔形或刀尖形，这是纯粹由滑移流变所造成的断裂。 微孔聚集型断裂 是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的，常用金属材料一般均产生这类性质的断裂。 微孔聚集型断裂的断口形貌为韧
21、窝花样。在每一个韧窝内都含有一个第二相质点或者折断的夹杂物或者夹杂物颗粒，材料中的非金属夹杂物或第二相或其他脆性相颗粒是微孔形成的核心。韧窝 断口就是微孔开裂后 继续长大和连接的结果。 韧窝形成过程： 韧窝的形成与异相粒子有关， 在外力作用下产生塑性变形时，异相阻碍基体滑移，便在异相与基体滑移面交界处造成应力集中，当应力集中达到异相与基体界面结合强度或异相本身强度时，会使二者界面脱离或异相自身断裂，从而形成裂纹（微孔），并不断扩大，最后使夹杂物之间基体金属产生 “ 内颈缩 ” ，当颈缩达到一定程度后基体金属被撕裂或剪切断裂，使空洞连接，从而形成韧窝断口形貌。 影响韧窝形成的因素： 韧窝的形成位
22、置、形状、大小和深浅受很多因素影响，大致归纳起来可分为三个方面 成核粒子的大小和分布； 材料的塑性变形能力，尤其是形变硬化的能力； 外部因素（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。 韧窝形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向，有等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝三类。 解理断裂 ：金属材料在一定条件下当外加正应力达到一定数值后以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂 ， 该晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面，如体心立方点阵金属的（ 100）面和密排六方点阵金属的（ 0001）面。 一般地，解理断裂总是脆性断裂，而脆性断裂却不一定是解理断裂。 - 9 - 解理断口的微观形貌特征：
23、对于理想单晶体而言，解理断裂可以是完全沿单一结晶面的分离，其解理断口是一毫无特征的理想平面。在实际晶体中，由于缺陷的存在，断裂并不是沿单一的结晶面解理，而是沿一组平行的结晶面解理，从而在不同高度上平行的解理面以解理台阶相连。在解理裂纹扩展过程中，台阶汇合形成 “河流”花样 ，解理台阶、“河流”花样即为典型的解理断口微观形貌特征。解理断裂的另一微观特征是存在舌状花样。 - 10 - 第二章 材料在其他静载荷下的力学性能 2.1 应力状态软性系数 应力状态软性系数： = maxmax= (1 3) 21 2(2 3) 。 越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形； 越小，
24、表示应力状态越硬，金属越不容易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。 2.2 材料的压缩 压缩试验的特点 1、单向压缩试验的应力状态软性系数 = 2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以单向压缩试验主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定，以显示这类材料在塑性状态下的力学行为（图 2.4） 2、拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂（图 2.5） 脆性材料在拉伸时产生垂直于载荷轴向的正断，塑性变形量几乎为零；而在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线呈 45方向产生断裂，具有切断特征。 2.3 材料的弯曲 弯曲试验的特点 1、弯曲试验不存在拉伸试验时的试件偏斜（力的作用线不能准确通过拉伸试件的轴线而产生附加弯曲应力）对试验结果的影响，可以稳定地测定脆性材料和低塑性材料的抗弯强度，并能由挠度明显地显示脆性和低塑性材料的塑性。如铸铁、工具钢、陶瓷等。 2、弯曲试验不能使塑性很好的材料破坏，不能测定其断裂弯曲强度，但可以比较一定弯曲条件下材料的塑性。 3、弯曲试验时试样断面上的应力分布是不均匀的，表面应力最大，依此可以较灵敏地反映
