工程材料力学性能1

工程材料力学性能1金属在单向静拉伸下的力学性能金属在单向静拉伸下的力学性能本章介绍金属在拉伸状态下的力学行为，包括弹性形变、塑性形变和断裂。

重点介绍表征这些力学行为的性能指标、测试方法，以及力学行为的物理机理。

第一节拉伸力―拉伸力―伸长曲线和应力―伸长曲线和应力―应变曲线一、试件形状拉伸实验一般采用光滑的圆柱或板状（横截面为长方形）试件，试件尺寸在国家标准中有明确的规定。

以圆柱试件为例，其结构如下图所示：图1.1 圆柱拉伸试件结构图、过渡部分R、夹持部分H。

光滑试件由三个部分组成：工作部分L0（标距）二、拉伸实验由拉伸实验机拉伸试件，由附加仪器记录拉伸力F及其对应的试件标距间的绝对伸长量8L。

以F为纵坐标，8L为横坐标，做出的F―8L曲线称为拉伸力-伸长曲线，也称为拉伸图（曲线）。

三、拉伸曲线和应力拉伸曲线和应力―和应力―应变曲线1、拉伸曲线下图为退火低碳钢的拉伸曲线o8L（mm）F（N）工程材料力学性能拉伸过程中金属的变形可分为四个阶段：弹性变形（oe段）、不均匀屈服塑性变形（AC段，塑性屈服）、均匀塑性变形（CB段）、不均匀集中塑性变形（BK段，即“缩颈”现象）。

需要指出的是，塑性阶段仍然伴随弹性变形，只是此时外观上表现出不可逆的塑性变形。

2、应力―应变曲线如果以试件原始横截面AO去除拉伸力F得到应力σ，即σ= F，以原始标A0距LO去除绝对伸长8L得到应变ε，即ε=L，则拉伸曲线可以转换成应力―应L0变曲线，如下图所示。

由于原始横截面和标距为常数，所以应力―应变曲线在形状上与拉伸力―伸长曲线相似。

oσ（MPa）σe：弹性极限σs：屈服强度不同材料的应力-应变曲线差别很大，有些材料只有弹性变形阶段，如陶瓷和淬火高碳钢；有些材料没有不均匀的塑性屈服阶段，如有色金属。

工程材料力学性能第二节弹性变形一、弹性变形及其实质金属弹性变形是一种可逆的变形，是金属内原子之间引力、斥力以及外力三者之间平衡的结果。

金属内原子间的作用力F随原子间距r的变化曲线如下图所示。

斥力F引力因此，弹性形变是原子间作用力随原子间距变化规律的体现，形变过程中应力与应变成正比关系，即遵循虎克定律。

二、虎克定律1、单向拉伸εx=σE,εy=εz= νεx其中，E为弹性模量，ν为泊松比，既横向应变与纵向应变的比值。

2、剪切和扭转τ=Gγ其中，G为切变模量，τ为切应力，γ为切应变。

3、物理量之间的关系G=E2(1+ν)一般定义张应力为正应力，压应力为负应力。

三、弹性模量从虎克定律可以看出，弹性模量越大，变形量越小，弹性模量反映出金属材料抵抗弹性变形的能力，所以工程上将弹性模量称为材料的刚度。

工程材料力学性能弹性模量只与原子间作用力和晶体结构有关，如石墨和金刚石，而机械加工和热处理对弹性模量影响很小，它是一个对材料组织结构不敏感的力学性能指标。

精密仪器工作台一般选择刚度大的金属材料，而且比较重（2吨！），目的是尽可能减少外界震动对仪器结构的影响（尤其是光学仪器！），选择重量大的工作台还有一个原因，就是在同样变形量的情况下，吸收更大的变形功（能量）。

四、弹性变形的强度指标及其测定弹性变形的强度指标及其测定1、比例极限σp比例极限σp一般规定曲线上某一点的切线与纵坐标夹角的正切值tanθ'比直线部分与纵坐标的夹角的正切值tanθ增加50%时，该点对应的应力称为规定（或条件）比例极限，写为σp50。

如下图所示。

σ σpε规定比例极限的确定2、弹性极限σe弹性极限是材料从弹性变形过渡到塑性变形时的应力，超过弹性极限后材料开始出现塑性变形，但弹性变形并没有停止。

弹性极限是弹性变形过渡到弹-塑性变形的临界应力，实际很难准确测量。

国家标准中规定，以残余应变为0.01%时对应的应力为弹性极限，以σ0.01表示。

国家标准规定产生一定残余变形的应力为弹性极限，称为“规定残余伸长应力”。

规定残余伸长为0.01%的应力为规定残余伸长应力，写为σ0.01，表征材料开始微工程材料力学性能量塑性变形的应力。

弹性极限的测量方法可以采用图解法，如下图所示。

其中A0为试样标距部分的原始横截面积。

五、弹性比功弹性比功是金属塑性变形前（弹性变形阶段）单位体积所能吸收的最大弹性变形功。

其数值可以从应力-L图解法确定σ0.01和σ0.21ae=σeεe=22E其中，σe为弹性极限，εe为最大弹性应变。

σ2ee从上式中可以看出，弹性极限越高，弹性比功越大，材料的弹性越好，越不容易发生塑性形变。

弹簧就是使用高弹性比功的材料。

（问题：为什么火车车厢使用粗大弹簧？--体积越大吸收的弹性变形功越多）六、滞弹性弹性变形不仅与应力有关，而且还与时间有关。

在快速加载或卸载后，应变滞后于应力，随时间延长产生附加的弹性变形，这种现象称为滞弹性，如下图（1）所示。

（1）滞弹性σ（2）单向弹性滞后环（3）交变弹性滞后环在单向加载、卸载时，加载线与卸载线组成一个封闭回路，称为弹性滞后环，如工程材料力学性能图（2）所示。

如外加载荷为交变载荷，也得到弹性滞后环，如图（3）所示。

滞后环所包围的面积表示金属加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属释放的变形功，反映出吸收不可逆变形功的能力，称为“循环韧性”或“消振性”。

循环韧性越高，吸收不可逆变形功越大，可以起到消除机械噪声的效七、包申格效应金属材料在预先加载之后产生微量塑性变形，卸载后再同向加载，弹性极限σe和屈服强度σs升高；反向加载，σe和σs下降，这种现象称为包申格效应。

包申格效应普遍存在于各种金属材料中，但在退火或高温回火状态的低碳低合金钢中表现得更明显。

右图为经淬火和350°C回火的T10钢的拉伸曲线。

包申格效应还对金属材料的疲劳寿命有明显的影响。

消除方法：预先较大的塑性变形或退火热处理。

第三节塑性变形一、塑性变形的方式和特点1、变形方式金属材料塑性变形的方式有两种：滑移和孪生（1）滑移是金属在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向进行的切变过程。

这种晶面和晶向称为滑移面和滑移方向，每个滑移面和该面上的滑移方向组成一个滑移系，表示金属在滑移时可能采取的空间取向。

一般来说，滑移面是原子排列密度最大的晶面，滑移方向是滑移面上原子排列密度最大的方向。

金属的滑移系越多，其塑性可能越好。

（2）孪生是发生在金属内局部区域的一个均匀切变过程，切变后已变形区的晶体取向与未变形区的晶体取向成镜面对称关系。

它也是沿着特定的晶面和晶向进行的。

孪生产生的变形量比较小，但它可以通过改变晶体的取向，工程材料力学性能使晶体的滑移系由原来难于滑动的取向转到容易滑动的取向，从而促进塑性变形。

2、变形特点（1）单晶体金属：塑性变形是位错运动的结果，在克服了远低于整体滑移切应力的位错滑移阻力后，位错逐步滑移实现塑性变形。

（2）多晶体金属：塑性变形是由无数的单晶体集体变形产生的，具有以下特点：不同时性。

晶体取向有利于滑移的晶粒将首先发生塑性变形，继续增大应力，其他晶粒先后出现变形。

不均匀性。

由于各个晶粒处于不同的应力状态，变形过程中相互制约，所以即使是同一晶粒的不同部位，变形也是不相同的。

相互协调性。

作为一个整体，金属内的各个晶粒变形时必须相互协调，否则将使晶界开裂。

二、屈服现象和屈服点屈服现象和屈服点1、屈服现象金属材料受到的拉伸应力超过弹性极限时，从弹性变形过渡到塑性变形，这时不增加应力，试样仍然伸长；或者应力突然下降，然后在应力不增加或上下波金属材料的应力-应变曲线下屈服齿对应的应力σs材料在屈服过程中的伸长变形是不均匀的，从上屈服齿下降到下屈服齿，材料的局部出现与拉伸轴成45°的屈服线，并沿试样长度方向逐渐扩展，但屈服线布满试样长度时，试样进入均匀塑性变形阶段。

工程材料力学性能屈服现象可以通过位错增殖理论进行解释。

（学生自学这部分内容！）屈服塑性变形是不均匀的，容易在冲压件中产生皱褶，消除的办法是在冲压之前对钢板进行微量轧制，越过物理屈服再冲压。

（物理屈服的时效：屈服卸载2、屈服强度σs 随即加载屈服消失；时效后加载σs则增大。

）屈服强度是表征材料对微量塑性变形的抵抗力。

对于拉伸实验中出现屈服平台或屈服齿的材料应力-应变曲线，直接以平台或下屈服齿对应的应力表示材料的屈服强度σs残余应变为0.2%对应的应力为屈服强度，用σ0.2表示，图解法如上图所示。

3、金属材料的屈服判据屈服强度指标可以作为机械部件设计中选择材料的重要依据（屈服判据）。

根据机件的受力情况，利用屈服判据，可以计算出达到机件受力要求的材料所需要的屈服强度值，为选择材料提供参考依据，机件选材步骤如下：机件受力情况屈服判据→确定σs 安全系数→选择机件材料屈服判据有两种：（1）最大切应力屈服判据：最大切应力达到金属的拉伸屈服强度时将出现屈服现象。

利用材料力学可以推导出最大切应力屈服判据为：σ1 σ3≥σs （屈雷斯加判据，第三强度理论）（2）畸变能屈服判据（米赛斯判据，第四强度理论）：当畸变能达到单向拉伸屈服的畸变能时将出现屈服现象，利用材料力学可以推导出畸变能屈服判据为：(σ1 σ2)2+(σ2 σ3)2+(σ3 σ1)2≥2σs实际应用中发现，米赛斯判据与实验结果符合得更好。

三、屈服强度的影响因素1、内在因素2（1）金属的本性和晶体结构金属的塑性变形实际与位错运动所受的各种阻力决定，位错密度增大，位错运动所受的阻力也增大，屈服强度也随之提高。

工程材料力学性能（2）晶粒大小和亚结构晶粒大小决定了晶界的数量，而晶界是位错运动的障碍，所以晶粒越小，屈）。

金属的晶粒大小对屈服强度越大（细晶强化，纳米金属材料中有专门的研究！服强度的影响符合Hall-Petch关系式：σs=σi+kyd 1/2其中，σi是位错在金属中运动受到的总阻力（摩擦阻力），决定于位错密度和晶体结构；ky晶界对强化贡献大小的钉扎常数；d是晶粒粒径。

属强韧化的一种好方法，是其他强化方法难于达到的。

亚晶界也阻碍位错的运动，提高屈服强度，其影响规律也符合Hall-Petch关系式，只是ky值不同。

（3）溶质元素固溶合金中溶质原子引起原子周围的晶格发生畸变，产生应力场，与位错应力场相互作用，使位错运动受阻，从而使屈服强度提高，称为固溶强化。

（4）第二相金属材料中的第二相有外来的弥散颗粒（如陶瓷），也有固溶体中的不同组织成分，它们都能提高金属屈服强度，前者称弥散强化，后者称沉淀强化。

实际金属材料的强化往往是多种强化机理共同发挥作用。

2、外在因素（1）温度一般来说，温度升高，屈服强度下降；反之，屈服强度增大（低温脆性！）。

不同晶体结构屈服强度的变化趋势不一样，如左下图所示。

T/°σsσ应变速率（%）强度与应变速率的关系屈服强度与温度的关系工程材料力学性能（2）应变速率（加载速率）应变速率增大，金属的强度增大。