金属力学性能.

材料力学行为与性能

材料常规力学性能指标

材料在常温下的力学行为与性能

▪屈服强度，抗拉强度

▪疲劳强度，蠕变强度

▪延伸率，R值，n值

▪硬度，弹性模量

▪冲击韧性

▪断裂韧性

▪各向异性

▪冲压成型性

第1章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

§1.1 单向拉伸时的力学行为

▪退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形四个阶段

不同材料的应力应变曲线：

1）退火低碳钢：

2）多数塑性金属材料：

§1.2 弹性变形

▪ 一、弹性变形及其实质

▪ 弹性变形：可逆变形，是金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映 ▪ 弹性变形量较小（一般小于0.5～1%），相当于原子间距的几分之一。 二、虎克定律

▪ 在弹性变形阶段，大多数金属的应力-应变之间符合虎克定律的正比关系，如 ▪ 拉伸时： （ E —弹性模量 ）

▪ 剪切时： （ G —切变模量 ）

三、弹性模量

1、物理意义——表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力

▪ 工程上E 称做材料的刚度 ↑，则在相同应力下产生的弹性变形↓。 2、影响因素——主要取决于结合键的本性和原子间的结合力

▪ 弹性模量和材料的熔点成正比，越是难熔的材料弹性模量也越高

▪ 金属的弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对E 值影

响不大；而高分子和陶瓷材料的弹性模量则对结构与组织很敏感

滞弹性的概念

普通灰铸铁在拉伸时，其在弹性变形范围内应力和应变并不遵循直线AC 关系。加载时沿着直线ABC ，储存的变形功为ABCE ；卸载时不是沿着原途径，而是沿着CDA 恢复原状，释放的弹性变形能为ADCE 。这样在加载与卸载的循环中，试样储存的弹性能为ABCDA ，即图中阴影线面积

▪ 1、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（即应变落后于应力现象）。

▪ 材料组织越不均匀，滞弹性倾向越大。

循环韧性/内耗——金属材料在交变载荷（振动） 下吸收不可逆变形功的能力（消振性）

ε

σE =γ

τG =

▪2、实际意义

▪应用：减振（此时选用循环韧性较高的材料，如铸铁、高铬不锈钢）

▪缺点：如在精密仪表中的弹簧、油压表或气压表的测力弹簧，要求弹簧薄膜的弹性变形能灵敏地反映出油压或气压的变化，因此不允许材料有显著的滞弹性。

六、包申格效应及其意义

▪1、定义

▪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%），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）增加；反向加载，规定残余伸长应力降低(特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零)的现象

▪包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象（所有退火态和高温回火的金属与合金都有），它与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。

▪2、意义

▪⑴对于承受疲劳载荷作用的机件寿命很重要；

▪⑵工程上材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。

▪3、消除包申格效应的方法

预先进行较大的塑性变形

在第二次反向受力前进行退火

§1.3 塑性变形

▪一、屈服强度及其影响因素

▪1、屈服强度

▪⑴不连续屈服：有屈服平台(屈服齿）

表示：σs σsl

▪⑵连续屈服：拉伸时无明显屈服现象

▪屈服强度用规定微量塑性伸长应力表征：

▪1）规定非比例伸长应力（σp）σp0.01

▪2）规定残余伸长应力（σr）σr0.2

▪3）规定总伸长应力（σt）σt0.5

2、影响屈服强度的因素

⑴内在因素：结合键、组织、结构、原子本性

四大强化机制：沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度最常用的手段

⑵外在因素：温度、应变速率、应力状态

▪温度降低、应变速率增高，材料的屈服强度升高。尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。

▪应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。

3、屈服强度的工程意义

▪ 传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σs/n ，安全系数n 一般取2或更大；对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n ，安全系数n 一般取6。

▪ 屈服判据（屈服条件）是机件开始塑性变形的强度设计准则

▪ 需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，脆断危险性增加了。

二、加工硬化和真实应力－应变曲线

▪ 1. 真实应力-应变曲线

▪ 从试样开始屈服到发生颈缩，即均匀塑性变形阶段真实应力和应变的关系：

▪ 式中n ——加工硬化指数

▪ K ——硬化系数（强度系数），

是真实应变等于 1.0时的真实应力

▪ 2、加工硬化指数n 的实际意义

▪ 反映了金属材料开始屈服以后抵抗继续塑性变形的能力，是表征材料应变硬化行为的性能指标。它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。

▪ n 还决定了材料能够产生的最大均匀应变量，这一数值在冷加工成型工艺中是很重要的。 ▪ 大多数金属材料n 在0.1～0.5之间，与层错能、冷热变形有关

▪ 对于工作中的零件，材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保证。 ▪ 形变硬化是提高材料强度的重要手段。

三、颈缩条件和抗拉强度

▪ 1.颈缩条件

▪ 出现颈缩时正是相当于负荷-变形曲线上的最大载荷处，因此，应有dF=0 ▪ dF=d(S·A)=AdS+SdA=0 ▪ 即 -dA/A=dS/S

又按体积不变定理有

dL/L=-dA/A=de

▪ 故有 d S /d e =S ▪ 颈缩的条件:

▪ 当加工硬化速率等于该处的真应力时

▪ 或当硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时n =eB

n

Ke S