金属力学性能

绪论1.工程材料及其性能2.金属力学性能内涵3.课程的内容和基本要求4.课程在学科中的地位5.课程的学习方法6.教材内容7.参考书1.工程材料及其性能一、材料的种类类型分：金属材料；非金属材料；复合材料。用途分：结构材料；功能材料；结构－功能材料。二、材料的性能•物理性能（声、光、电、磁、热）：ρ、Tm、Tb、Cp、磁导率，等；•化学性能：可燃性、反应性、抗氧化性，等；•力学性能：σ、δ、HB、KIC，等；•工艺性能：热加工（铸、锻、焊、热处理……）、冷加工性能（车、铣、刨、磨……），特种加工（电火花、激光、离子……）、储存、运输性能，等；•生物性能：生物反应性、生物相容性等。2.金属力学性能内涵1）定义•金属的力学行为：金属在外加载荷作用下，或者在载荷、加载速率和环境因素的联合作用下表现出的行为。•金属的力学性能：金属在力的作用下，所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能。2）力学性能的指标强度σ、硬度HB、塑性δ、韧性ak、断裂韧度KIC等。3）影响金属力学性能的主要因素•内因：晶体学特性；化学成分、显微组织、内部缺陷；残余应力等•外因：温度、周围介质；加载方式、加载速率等。•不同外因（即服役工况）时，金属的力学性能的数值将发生改变。金属力学性能内涵1)金属软硬程度2)金属脆性3)金属抵抗外力能力4)金属变形能力5)含缺陷金属抗断裂能力6)金属抵抗多次受力能力7)特殊条件下金属材料性能几个基本概念：•弹性:是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:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力．•强度:是材料对变形和断裂的抗力。•韧性：抵抗裂纹形成和扩展的能力，表现为材料在断裂前吸收能量的能力。3.课程的内容和基本要求课程主要包括两部分：基本力学行为和应用力学行为，其中：1)金属的基本力学行为包括弹性变形、塑性变形、断裂，这几部分是金属力学性能课程的主要部分；2)应用力学行为包括金属在各种应用条件下的力学行为，如疲劳。课程内容：1）金属的弹性、塑性、屈服与硬化、断裂、硬度、疲劳、摩擦磨损等性能；2）各项力学性能指标的本质、物理含义、微观机理；3）影响金属力学性能的主要因素，及提高性能所采取的措施；4）金属力学性能的测试技术。基本要求：1）掌握金属力学性能及其变化规律2）了解金属力学性能的微观机理；3）能正确地选用材料；4）具有研究开发新型结构材料的能力。4.课程在学科中的地位一个零件的工程应用包括以下几个过程:工程要求——力学性能——成分组织——加工工艺材料力学金属力学性能相变、热处理、加工•本课程是零件设计、加工过程中的重要一环，对本课程来说，了解力学性能的物理本质是重要内容之一。课程在学科中的地位•要求•力学性能要求•选材•制备5.课程的学习方法•学会用位错理论理解并分析力学性能问题•力学性能指标的物理本质、测量方法•理解力学行为是在特定条件下表现出来的，与内因和外因都相关6.教材内容•绪论•第1章金属拉伸性能•第2章金属的硬度•第3章金属的弹性变形•第4章金属的塑性变形•第5章金属及合金的强化方法•第6章金属的断裂过程•第7章缺口试样的断裂及其抗力•第8章裂纹试样的断裂及其抗力•第9章金属的疲劳•第10章金属的磨损7.参考书•王德尊，金属力学性能，哈尔滨工业大学出版社，1995•束德林工程材料力学性能，机工版2003•冯端金属物理学（第三卷），科学版1999本节要点1.金属力学性能内涵1.课程的内容和基本要求1.课程在学科中的地位1.课程的学习方法金属力学性能第1章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能本章内容•1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线•1.2弹性变形•1.3塑性变形•1.4金属的断裂1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线单向拉伸试验特点•应力状态：单向拉应力，应力状态简单，最常用的力学性能试验方法•拉伸试验反映的信息：弹性变形、塑性变形和断裂（三种基本力学行为），能综合评定力学性能。•通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延伸率、加工硬化和韧性等重要的力学性能指标，它是材料的基本力学性能。a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一。b.提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、断裂性能。c.研究新材料，或合理使用现有材料和改善其力学性能时，都要测定材料的拉伸性能。注意：拉伸试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定（方法：GB/T228-2002；试样：GB/T6397-1986）。拉伸力-伸长曲线是拉伸实验中记录的力与伸长关系曲线图1-1退火态低碳钢拉伸力-伸长曲线将图1-1拉伸力-伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到应力-应变曲线(图1-2)。因均系以一常数相除，故曲线形状不变。这样的曲线称为工程应力－应变曲线。根据该曲线便可建立金属材料在静拉伸条件下的力学性能指标。如果用真应力S和真应变e()绘制曲线，则得到真实应力-应变曲线，如图1-3中的OBK曲线。1.2弹性变形一、弹性变形及其实质二、虎克定律三、弹性模量四、弹性比功五、滞弹性六、包申格（Bauschinger）效应一、弹性变形及其实质1.弹性变形表现：可逆性变形。不论是在加载期还是卸载期内，应力与应变之间都保持单值线性关系，且弹性变形量比较小，一般不超过0.5%～1%。2.实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。3.解释：双原子模型。如右图1－4。原子的位移总和在宏观上就表现为变形。外力去除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来的平衡位置，位移消失，宏观上变形也就消失。这就是弹性变形的可逆性。二、虎克定律(一)简单应力状态的虎克定律1．单向拉伸4202rArrAF（1-1）2．剪切和扭转（1-2）3．E、G和的关系（1-3）三、弹性模量弹性模量—工程上为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生100％弹性变形所需的应力。这个定义对金属而言是没有任何意义的，因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量金属材料E/105MPa铁2.17铜1.25铝0.72铁及低碳钢2.0铸铁1.7~1.9低合金钢2.0~2.1奥氏体不锈钢1.9~2.0合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响不大，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，外在因素的变化对它的影响也比较小。（主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织状态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。）四、弹性比功•物理意义：弹性比功-表示金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比功应变比能。表示方法：一般用金属开始塑性变形前体积吸收的最大弹性变形功表示。金属拉伸时的弹性比功用应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积表示。式中——弹性比功；——弹性极限；——最大弹性应变。弹性可分为理想弹性和非理想弹性理想弹性：在外载荷作用下，应力和应变服从虎克定律，并同时满足三个条件：(1)应变对应力的响应是线性的(2)应力和应变同相位（3）应变是应力的单值函数。但绝大多数固体材料的弹性行为表现出非理想弹性性质。可分为：滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应等几种类型。五、滞弹性1、滞弹性现象纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方向和加载时间无关。但对实际金属材料而言，其弹性变形不仅是应力的函数,而且还是时间的函数。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），称为滞弹性。E2212eeee2.滞弹性产生原因产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动有关。（在基体发生弹性变形后，点缺陷在应力场的作用下扩散并产生有序分布，使晶体的晶格尺寸继续改变，或使应力场降低。3.滞弹性意义在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑弹性后效问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等。如选用的材料弹性后效较明显，会使仪表精度不足甚至无法使用。六、包申格(Bauschinger)效应1.包申格现象金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变约为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，下同）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降低到零）的现象，称为包申格效应。图1-7为20号钢包申格效应的拉伸、压缩应力-应变曲线，压缩应力应变曲线和拉伸曲线画在同一象限内。由图可见，室稳下预先拉伸（应变2％)，屈服强度约为380MPa；再反向压缩加载，压缩屈服强度仅为100MPa左右。2.包申格效应的解释（1）表现：对某些钢和钛合金，因包申格效应可使规定残余伸长应力降低15%～20%，所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包申格效应，因此，包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象。（2）原因：包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。度量包申格效应的基本定量指标是包申格应变，它是指在给定应力下，正向加载与反向加载两应力－应变曲线之间的应变差(图1-8)。在图1-8中，b点为拉伸应力－应变曲线上给定的流变应力，＝bc即为包申格应变。3.包申格效应的意义如果金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重分布，则在随后反向加载时，包申格应变等于零。用处：（1）.包申格效应对于承受应变疲劳载荷作用的机件在应变疲劳过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑性变形抗力(规定残余伸长应力)降低，显示循环软化现象。（2）.对于预先经受冷塑性变形的材料，如服役时受反向力作用，就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况。（3）.利用包申格效应，如薄板反向弯曲成型。拉拨的钢棒经过轧辊压制变直等。消除包申格效应的方法是:预先进行较大的塑性变形，或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火，如钢在400～500℃以上，铜合金在250～270℃以上退火。1.3塑性变形一、塑性变形方式及特点二、屈服现象和屈服点(屈服强度)三、影响屈服强度的因素四、应变硬化(形变强化)五、缩颈现象和抗拉强度六、塑性七、静力韧度一、塑性变形方式及特点金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生。滑移是金属材料在切应力作用下沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。通常，滑移面是原子最密排的晶面，而滑移方向是原子最密排的方向。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。孪生也是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式。fcc、bcc和hcp三类金属材料都能以孪生方式产生塑性变形，但fcc金属只在很低的温度下才能产生孪生变形。孪生变形也是沿特定晶面和特定晶向进行的。多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规律与单晶体金属相同。但由于多晶体金属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性变形具有如下一些特点。1.各晶粒变形的不同时性和不均匀性变形的不同时性和不均匀性常常是相互联系的。多晶体由于各晶粒取向不同，在受外力时，某些取向有利的晶粒先开始滑移变形，而那些取向不利的晶粒可能仍处于弹性变形状态，只有继续增加外力才能使滑移从某些晶粒传播到另外一些晶粒，并不断传播下去，从而产生宏观可见的塑性变形。如果金属材料是多相合金，那么由于备相晶粒彼此之间力学性能的差异，以及各晶粒之间应力状态的不同(因各晶粒取向不同所致)，那些位向有利或产生应力集中的晶粒必将首先产生塑性变形。显然。金属组织愈不均匀，则起始塑性变形不同时性就愈显著。金属材料塑性变形的不同时性实际上反映了塑性变形的局部性，即塑性变形量的不均匀性。这种不均匀性不仅存在于各晶粒之间、基体金属晶粒与第二相晶粒之间，即使同一晶粒内部，各处的塑性变形量也往往不同。这是由于备晶粒取向及应力状态不同、基体与第二相各自的性质不同，以及第二相的形态、分布等不同而引起的。结果，当宏观上塑性变形量还不大的时候，个别晶粒或晶粒局部地区