金属力学性能.

1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：2§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）EG3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：σsσsl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）σt0.52、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。43、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dS/de=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=eBnKeS52.抗拉强度（1）定义：韧性金属试样拉断过程中最大试验力（Fb）所对应的应力σb只代表金属材料所能承受的最大拉伸应力，表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力（2）实际意义：1）标志韧性金属材料在静拉伸条件下的实际承载能力（但不作为设计参数）2）对脆性材料即为断裂强度，用于产品设计时其许用应力以σb为依据。3）σb的高低决定于屈服强度和应变硬化指数。4）σb与HB、σ-1之间有一定关系：σb≈1/3HB，σ-1≈1/2σb（淬火回火钢）四、塑性1、塑性与塑性指标塑性——材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力塑性指标：断后伸长率（最大试验力下的总伸长率gt）断面收缩率2、塑性的实际意义⑴塑性指标是安全力学性能指标（对静载下工作的机件，要求材料具有一定塑性，以防偶然过载时突然破坏）⑵金属的成形加工（如轧制、挤压）和机器装配、修复工序要求一定塑性⑶金属材料的塑性常与强度性能有关：塑性越高，强度一般较低、屈强比越小§1.4金属材料的断裂一、断裂的类型机件的三种主要失效形式：磨损、腐蚀、断裂（危害最大）断裂1、韧性断裂与脆性断裂（按断裂前有无明显的塑性变形）脆、韧断裂的划分：5%脆断5%为韧断(光滑拉伸试样的断面收缩率)⑴韧性断裂：断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂特点：1）断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量2）断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角3）断口呈纤维状，灰暗色断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试验温度。一般材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增裂纹不完全断裂：内部存在几个部分下，材料被分成两个或完全断裂：在应力作用6大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大2、正断与切断（按断裂面的取向）正断：断裂垂直于最大正应力切断：沿着最大切应力方向断开注意：正断不一定就是脆断，正断也可以有明显的塑性变形。但切断是韧断，反过来韧断就不一定是切断了。3、穿晶断裂与沿晶断裂（按裂纹扩展的途径）穿晶断裂：裂纹穿过晶内（韧断或脆断）沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展（多为脆断），断口呈冰糖状（如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等）沿晶断裂产生原因：晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物破坏了晶界的连续性；或杂质元素向晶界偏聚引起。4、纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂（按断裂机理）⑴剪切断裂：在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂纯剪切断裂：完全由滑移流变造成断裂——纯金属尤其是单晶体微孔聚集型断裂：通过微孔形核、长大聚合而导致分离——常用金属材料⑵解理断裂：金属材料在一定条件下（如低温、应变速率较高，或是有三向拉应力状态），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（解理面）产生的穿晶断裂——脆断穿晶的解理断裂常见于bcc和hcp金属中。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面（如bcc金属的解理面为(100)二、解理断裂1、解理裂纹的形成和扩展裂纹形成塑性变形位错运动⑴甄纳-斯特罗位错塞积理论当位错塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处的最大拉应力σfmax能够等于理论断裂强度σm而形成裂纹。解理断裂过程：塑性变形形成裂纹裂纹在同一晶粒内初期长大裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展屈服时产生解理断裂的判据：晶粒直径（或第二相质点间距）d，裂纹扩展所需的应力或裂纹体的实际断裂强度⑵柯垂耳位错反应理论——柯垂耳为解释晶内解理和bcc晶体中的解理面而提出裂纹成核：位错反应形成不动位错位错群塞积裂纹2、解理断裂的微观断口特征⑴解理断裂基本微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样⑵准解理常见于淬火回火的高强度钢中，或者是组织为贝氏体的钢中（弥散细小的碳化物质点影响裂纹形成与扩展）与解理断裂的共同点：均为穿晶断裂；有小解理刻面；有河流花样不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面。真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样dkGysc27三、微孔聚合断裂1、微孔形核和长大微孔聚集断裂过程：微孔成核、长大、聚合、断裂微孔成核：第二相或夹杂物质点破裂；第二相或夹杂物与基体界面脱离2、断口特征：韧窝(即凹坑)等轴状韧窝：微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相同（如拉伸时颈缩试样的中心部分）拉长韧窝：在扭转载荷或双向不等拉伸条件下，因切应力作用而形成。断口上韧窝方向相反（如拉伸试样剪切唇部分）撕裂韧窝：σmax沿截面分布不均，在边缘部分很大（表面有缺口或裂纹的试样断口）注意：微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但有韧窝出现不一定就是韧性断裂第2章金属在其它静载荷下的力学性能研究金属材料在常温静载下力学性能：拉伸、压缩、弯曲、扭转不同加载方式在试样中产生的应力状态不同，材料所表现出的力学行为不完全相同§2.1应力状态软性系数应力状态软性系数：表示应力状态对材料塑性变形的影响式中最大切应力τmax按第三强度理论计算，即τmax=(σ1-σ3)/2，σ1，σ3分别为最大和最小主应力。最大正应力σmax按第二强度理论计算，即,为泊松比对单向拉伸α＝0.5对扭转α＝0.8对单向压缩α＝2α值表示材料塑性变形的难易程度：α，切应力分量越大，材料越易塑性变形，不易引起脆断——应力状态越“软”；反之则越“硬”§2.2压缩一、压缩试验的特点1）单向压缩试验α＝2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定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。二、压缩试验试样：截面圆形或正方形，长度为直径或边长的2.5～3.5倍抗压强度：试样压至破坏过程中的最大应力（压缩屈服点：试验时金属产生明显屈服现象）§2.3弯曲一、弯曲试验的特点及应用1）试样形状简单、操作方便。同时弯曲试验不存在拉伸试验时的试样偏斜对试验结果影响问题，并可用绕度显示材料的塑性。常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性和低塑性材料的断裂强度。2）试验时，试样截面上的应力分布不均匀，表面应力最大，可灵敏的反映材料表面缺陷。常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等机件的质量与性能。3）试验时不能使塑性较好的材料断裂，故其F－fmax曲线的最后部分可任意延长。）（＝32131maxmax5.02)(321max0AFbcbcsc8二、弯曲试验及力学性能三点弯曲或四点弯曲试验：将圆形或矩形及方形试样放置在一定跨距L的