金属材料在静拉伸载荷下的力学性能.ppt

第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,静载荷：,加载速率,2、变形速率,绝对变形速率：单位时间内试样长度的增长率。,在510MPa/s.,1mm/s，5mm/S,在10-410-2/s，,相对变形速率：应变速率,提高上述性能指标的方向和途径,物理概念与实用意义,弹性变形、塑性变形及断裂的基本规律和原理,性能指标的影响因素,主要内容:,测出最基本的力学性能指标：,屈服强度、,抗拉强度、,断后伸长率,弹性模量,揭示三种失效方式：,过量弹性变形、,塑性变形,断裂,一、拉伸试验（附录A：GB/T228-2002：金属材料室温拉伸试验GB/T228-87）,1、标准比例试样：圆形试样L0=5d0或L0=10d0,第一节 拉伸力 伸长曲线和应力应变曲线,2、拉伸实验,动画,oe,:弹性变形,e点后:塑性变形,力去除后能恢复原状的变形。,外力去除后不能恢复原状的变形。,ek：,弹-塑性变形阶段,e点后平台：,屈服,外力不增加或是上下波动而试样继续产生塑性变形而伸长的现象。,cB:均匀塑性变形阶段,B:点后局部缩颈现象,1、弹性变形,2、不均匀屈服塑性变形,3、均匀塑性变形,4、不均匀集中塑性变形,5、断裂,低碳钢在拉伸力作用下的变形过程：,二、工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线,1、工程应力-应变曲线,拉伸曲线-应力应变曲线工程应力载荷除以试件的原始截面积即得工程应力，=FA0工程应变伸长量除以原始标距长度即得工程应变，=ll0,2、拉伸性能指标,1）e弹性极限,6）E弹性模量,2）s屈服强度,3)b抗拉强度,4)K断裂强度,5）伸长率,3、不同材料的拉伸曲线,图a,图b,图c,有明显的屈服现象,无屈服现象,无明显的塑性变形,低碳钢,铝合金、铜合金、中碳合金钢,淬火高碳钢、铸铁,图d,无加工硬化,冷拔钢丝,4、真实应力-应变曲线,第二节 弹性变形,一、弹性变形的实质,金属材料弹性变形是其晶格中的原子自平衡位置产生可逆位移的反应。,双原子模型：,F=A/r2-A(r0)2/r4,Fmax:在弹性状态下的断裂载荷,二、弹性模量,1、胡克定律：,单向拉伸时,切变模量G=/,对金属值约为0.33（或1/3）,泊松比：=X/Z,拉伸杨氏模量：E=/,物理意义：,产生单位应变所需的应力,技术意义：,E，G称为材料的刚度,表征材料对弹性变形的抗力,相同的下:E,表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量,合金化（加入某种金属）对E影响很小,首先决定于结合键：,应力和应变的关系实质是原子间作用力和原力间距的关系.,共价键结合的材料弹性模量最高,SiC，Si3N4陶瓷材料有很高的弹性模量。,E=/,材料的弹性模量与原子间结合力和原子间距有关.,金属的原子间作用力取决于原子本性和晶格类型,金属键有较强的键力,其弹性模量适中,例如铁(钢)的弹性模量为210GPa，是铝(铝合金)的三倍(EAl70GPa)，,钨的弹性模量又是铁的2倍，铁是铝的3倍。,弹性模量是和材料的熔点成正比的,弹性模量取决于原子本性和晶格类型,与原子序数有周期性关系,E=K/m,K，m1特征常数,原子半径,E,单晶体金属弹性各向异性,多晶体金属弹性伪各向同性,金属材料的弹性模量是组织不敏感的力学性能指标：,合金化（加入某种金属）对其影响很小,热处理对E影响不明显,冷塑性变形对E影响不大,E 46%,残余应力,温度T：,E（3%5%/100）,加载速度对E影响不大,三、弹性极限和比例极限,1、弹性极限 e,材料只发生弹性变形所能承受的最大应力,应用：不允许产生微量塑性变形的机件,2、比例极限 p,材料所受应力与应变成正比关系的最大应力,应用：应力与应变严格的直线关系的机件,注意：,多晶体材料，各晶粒变形不同时，很难测出准确和唯一的e 和p,用规定的微量塑性变形(残余伸长)所需的应力来表征。,弹性比功ae=ee/2,成分与热处理对弹性极限影响大，对弹性模量影响不大。,仪表弹簧因要求无磁性，铍青铜，磷青铜等软弹簧材料。,a e,四、弹性比功,表征金属材料吸收弹性功的能力。,弹性比能,应变比能,应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功,=e2/2E,eE,理想的弹簧材料要求有高的弹性比功,表1-2弹簧材料的弹性比功,五:弹性不完善性,(一)、滞弹性(弹性后效),在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长而产生附加弹性应变的现象，滞弹性,卸载时应变落后于应力的现象，叫反弹性后效,加载时应变落后于应力的现象，叫正弹性后效,原因：点缺陷的运动有关,组织越不均匀，温度越高，切应力越大；弹性后效越明显。,精密仪器不希望有弹性滞后现象。,（二）弹性滞后环和循环韧性,弹性滞后环：金属的内耗,循环韧性：金属在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力,消振性：（循环韧性）吸收不可逆变形功的能力,表1-3 一些金属材料的比循环韧性,(三)包申格效应,产生了少量塑性变形的材料，再同向加载规定残余伸长应力升高；反向加载规定残余伸长应力降低的现象。,包申格效应变,原因：位错支运动阻力发生变化。,作用：循环软化，塑性变形抗力下降反向成形,消除：回复或再结晶退火较大的塑性变形,第三节 金属材料的塑性变形,一、塑性变形,1、塑性变形的主要方式,滑移和孪生,滑移,:金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑移方向进行的平移过程,孪晶,金属材料在切应力作用下，均匀切变过程,BCC,110,FCC,111,HCP,0001,施密特(Schmid)定律,滑移方向上的分切应力为：,称为取向因子或施密特因子。当+=900，取向因子有最大值0.5。,单晶体屈服强度和取向有关.,屈服强度大的取向称为硬取向,其M值小.,屈服强度小的取向称为软取向,其M值大.,位错增殖,X,位错滑移与宏观塑性变形,X,晶体转动,2）各晶粒变形的相互协调性,2、多晶体塑性变形的特点,1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性,二、屈服现象和屈服强度（屈服点）,1、屈服现象：,在外力不增加或是上下波动情况下，试样继续变形的现象。,屈服线(流动带、吕德斯带)：拉伸后试样表面出现的斜线,上屈服点和下屈服点,初始瞬时效应,2、原因或条件：,产生屈服的条件：,1）变形前可动位错密度很小；,2）随塑性变形，位错能快速增殖；,3）位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系,V=（/0）m,V位错运动平均速率,可动位错密度,b柏氏矢量的模,滑移面上的分切应力,0位错以单位速率运动所需的切应力,m位错运动速率应力敏感指数,3、屈服强度s表征材料对微量塑性变形的抗力。,m小，则变化大，屈服明显。,开始塑性变形时,可动小,要求V大,要求 大,塑性变形后,要求V小,要,BCC:m100200，屈服不明显,V=（/0）m,s：上屈服点su和下屈服点sl,通常规定产生0.2%微量塑性伸长所对应的应力，作为条件屈服强度，记为0.2,(1)规定非比例伸长应力,应力-应变曲线上非比例伸长达到规定的数值所对应的应力,p0.01、p0.05,采用p表示,(2)规定残余伸长应力,试样加载后再卸载，以出现残留的永久变形达到规定值的应力,以r表示,r0.01 r0.05等,(3)规定总伸长应力,如t0.5,以t表示,屈雷斯加最大切应力判据：,1-3=s,（1-2）2+（2-3）2+（3-1）=22s,米赛斯畸变能判据：,多向应力：,三、影响屈服强度的因素,内在因素:,1、原子本性和晶格类型,G切变模量,a滑移面的晶面间距,b柏氏矢量的模,纯金属合金,单晶体多晶体,位错塑性变形,单相多相,内因外因,位错宽度W=a/(1-),派纳力：p-n=2G/(1-)*e(-2w/b),BCC的W小，,p-n大,FCC的W大，,p-n小,2、位错密度（形变强化）,，,BCC的（0.4）大于FCC的（0.2）,:位错间的交互作用=Gb(1/2),3、晶界和亚晶（细晶强化）：s=i+kyd（-1/2）,i-位错在基体金属中运动的阻力,Ky度量晶界对强化贡献大小的钉扎系数,4、溶质原子（固溶强化）:浓度、溶质种类,混合定律：s=f 1/3+（1-f 1/3）p,5、第二相（第二相强化）,1）弥散型（沉淀和弥散强化）,2）聚合型,：热处理和粉末冶金方法,粒状珠光体,弥散型（沉淀和弥散强化）,=Gb/l,相的性质、数量、大小、形状、分布,外在因素：,温度、应变速率、应力状态,1、温度因素,T，屈服强度,2、应变速率,m-应变速率敏感指数,3、应力状态的影响,切应力分量大，s小，,如扭转比拉伸小,四 加工硬化（应变硬化）,S=Ken,开始屈服到发生缩颈,n称为加工硬化指数或应变硬化指数,K叫做强度硬化系数,流变应力随应变的增加而增加的现象。,S真应力 e真应变,n=1,理想的弹性体,n=0,无应变硬化能力,真应力：,lnS=lnK+nlne,lgS=lgK+nlge,影响n的因素：,层错能：,高,n小,材料状态：,退火状,n大,强度等级：,ns=常数,溶质含量高：,n小,晶粒大小：,大,n大,应变硬化机理：,加工硬化速率d/d,易滑移阶段,线性硬化阶段,d/d小,d/d常数,抛物线硬化阶段,d/d减小,单系滑移,多系滑移,交滑移,加工硬化（指数n）的实际意义,反映了材料开始屈服以后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生缩颈时的最大应力。（b或Sb）,1)是零件安全使用的可靠保证。对于工作中的零件，要求材料有一定的加工硬化能力.,2)金属的加工硬化指数（能力），对冷加工成型工艺是很重要的。,3)形变强化是提高材料强度的重要手段。,4）改善切削加工性能,低碳钢有较高的加工硬化指数n,n约为0.2。汽车身板铝合金化，其n值较低(0.15)，冷加工或冲压性能差,五缩颈现象,缩颈：拉伸试验时,变形集中于局部区域的特殊现象.,缩颈前是均匀变形，缩颈后是不均匀变形，即局部变形,B点:塑性失稳点(拉伸失稳点),原因:,应变硬化与截面减小共同作用的结果,缩颈条件：ds/de=S,当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始缩颈。,n=eb,s=ken,ds/de=kne(n-1),在缩颈点:,ds/de=kneb(n-1),ds/de=sb,n=eb,=kebn,kne(n-1)=kebn,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,缩颈便会产生。,脆性材料：设计时，其许用应力以抗拉强度为依据。,六 抗拉强度b,材料在拉伸过程中最大试验力所对应的应力.,脆性材料：在材料不产生缩颈时抗拉强度代表断裂抗力.,塑性材料：代表产生最大均匀塑性变形抗力,它表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力。,易测定，表现性好，作为产品规格说明或质量控制的标志。,b 能和材料的疲劳极限-1和材料的硬度H B 建立一定关系,对淬火回火钢：-10.5b b0.345 H B,五大指标：S，b，a K,七 塑性,1、塑性:,金属材料断裂前发生塑性变形的能力.,断后伸长率和断面收缩率表示,断后伸长率,l试样断裂后的标距长度,l0试样原始标距长度,l=l-l0,由均匀塑性变形lU和不均匀塑性变形ln,U(均匀变形伸长率)=lU/l0=L0/L0=,N(局部变形伸长率)=ln/l0=A0(1/2)/L0,短试样:,5,10,5,L0=5d0,长试样:,L0=10d0,10,断面收缩率：,=（A0-A）/A0100%,A0试样原始横截面能,A-缩颈处最小横截面积,(1+)(1-)=1,=/(1-),均匀塑性变形:,若:材料发生了缩颈,长试样用,短试样用表示,比对组织变化更为敏感,gt:,最大力下的总伸长率,gt对于评定冲压板材的成型能力是很有用的。,真实应变 eB=ln(1+gt)=n,2、塑性的意义和影响因素,意义:,1、安全力学性能指标,2、压力加工工艺性能,3、评定产品质量,4、零件装配及修复等,影响因素：,1、溶质元素,2、第二相,3、冶金质量或是缺陷,间隙原子比置换原子显著,塑性,塑性,少、圆、小、匀,缺陷塑性,4、晶粒大小,细化晶粒塑性,注意：,塑性与强度关系,5、形变强化,塑性,材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。,八、静力韧度,韧性：,抗抵裂纹扩展的能力。,静力韧度:材料在静拉伸时单位体积材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力.,UT,A=(Sk2-0.22)/2D,A=(1/2)(Sk+0.2)(ef),D=(Sk-0.2)/ef,D形变强化模数,S=0.2+D e,S=K en,第四节 金属材料的断裂,一、断裂的分类,1、,b,3、按裂纹扩展的路径分,穿晶断裂,沿晶断裂,冰糖状断口,4、按断裂的机理分,解理断裂：,在正应力作用下沿一定的晶体学平面产生的穿晶断裂,微孔聚集型断裂：,通过微孔形核、长大聚合而导致断裂。,纯剪切断裂：,在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂。,二、拉伸试样的宏观断口,1、韧性断裂的宏观断口：,纤维状,暗灰色,光滑圆柱试样的拉伸断口：,杯锥状,断口特征三要素,三个区的形成：,纤维区：裂纹缓慢扩展形成。微孔形成、长大、相连（聚合）,放射区：裂纹快速扩展形成。,剪切唇：试样拉伸断裂的最后阶段形成。,三个区域的比例关系与材料韧断性能和实验条件有关,材料的硬度和强度很高，则放射区比例增大,低温环境，试样尺寸增大，放射区比例增大,2、脆性断裂的宏观断口：,平齐,光亮,呈放射状或结晶状,板状矩形试样拉伸形成人字纹花样,三、断裂强度,（一）理论断裂强度,m=G/2 G=104-5 MPa实际测得在1-10 MPa,决定材料强度的最基本因素：,原子间结合力,理论切变强度：,在切应力作用下，两原子面作刚性滑移所需的理论切应力,理论断裂强度：,在正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力,理论断裂强度：,理论断裂强度即相当于克服最大引力m。,m=？,引力和位移的关系,=msin(2X/),X很小时:,=m 2X/（1）,根据虎克定律:,=EX/a0（2）,m 2X/=EX/a0,m=E/2a0(3),能量守恒,:外力所作的功等于断裂面的表面能,外力所作的功U0为-X曲线所围成的面积,=m/,表面能=2 s,m/=2 s,=2 s/m 代入(3)式,m=E 2 s/m 2a0,m=(E s/a0)1/2,U0=,m=E/2a0(3),m理论断裂强度,m=(2X105X106X2/2.5X10-10)1/2,铁:E=2X105MPa,a0=2.5X10-10m,s=2J/m2,=4X1010Pa,=4X104MPa,理论断裂强度高于实际的断裂强度？,(二)断裂强度的裂纹理论(格雷菲斯裂纹理论),:实际材料中已经存在裂纹,当平均应力很低时,局部应力集中已达到很高数值(m),从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂.,max=m,1921年格雷菲斯提出,max,=(1+2(a/)1/2),2(a/)1/2,=(Es/4a a0)1/2,max=m,2(a/)1/2,=(Es/a0)1/2,C=(Es/4a a0)1/2,=m(/4a)1/2,(/4a)1/2,或a,C,如果弹性能降低足以满足表面能增加之需要时,裂纹就会失稳扩展引起脆性破坏.,从能量角度计算裂纹体的断裂强度:,系统弹性能的降低必与因存在裂纹而增加的表面能相平衡.,max,假设一单位厚度无限宽薄板,施加一拉应力,与外界隔绝能源,z=0,平面应力状态,单位体积储存的弹性能为,2/2E,中心割一2a长的裂纹,释放的弹性能Ue,Ue=-2a2/E,增加的表面能W为,W=4as,整个系统能量变化为,Ue+W=-2a2/E+4as,c=(2E s/a)1/2,Ue+W=-2a2/E+4as,-22a/E+4s=0,a=2Es/2,ac=2Es/2,ac临界裂纹长度,裂纹体的断裂强度,对于厚板,c=(2E s/（1-2）a)1/2,ac=2Es/（1-2）2,如果裂纹尖端很小,与a0相近,0.8(Es/a)1/2和0.5(Es/a)1/2,必要条件：,充分条件：,c=(2Es/a)1/2,c=(Es/4aa0)1/2,如果3a0时用c=(2Es/a)1/2,如果3a0时用c=(Es/4aa0)1/2,注意:格雷菲斯的断裂强度公式只适用于脆性固体,对于金属材料:,c=E(2s+p)/a1/2,p塑性变形所需的塑性变形功,2s p,c=(Ep/a)1/2,应力松驰:,c=(Es/4aa0)1/2,裂纹尖端附近产生塑性变形,尖端发生钝化使增大,max减少的现象.,四、解理断裂机理和微观断口特征,（一）解理裂纹的形成和扩展,裂纹形成的位错理论,甄纳-斯特罗位错塞积理论,事实：断口附近仍然有少量的塑性变形,1948年甄纳,当切应力达到某一临界值时，塞积头处的位错互相挤紧聚合而成一高nb，长r的楔形裂纹。,斯特罗指出,如果塞积头处的应力集中不能为塑性变性所松驰，则塞积头处的最大拉应力fmax能够等于理论断裂强度形成裂纹.,fmax=（-i）（d/2r）1/2,i:滑移面上的有效切应力,m=(Es/a0)1/2,f=i+(2rEs/da0)1/2,若r与a0相当，E=2G（1+）代入得,f=i+(4 G（1+）Es/d)1/2,裂纹扩展条件（柯垂耳）,nb=2 s,c=2sG/d（-i）,（s-i）=kyd（-1/2）,c=2s G/kyd（1/2）,nb=d（-i）/G,(二)解理断裂的微观断口特征,解理断裂的基本微观特征(微观断口特征):解理台阶、河流花样、解理舌,河流花样,解理台阶形成方式：,1、解理裂纹与螺旋位错相交,2、二次解理或撕裂,河流花样形成示意图,河流通过倾斜晶界,河流通过扭转晶界重新形核,舌状花样及形成示意图,（三）准解理,原因:细小的第二相,它是解理断裂的变种,不同点:准解理小刻面不是晶体学解理面;裂纹多萌芽于晶粒内部。,与解理的共同点:有小解理刻面、台阶及河流花样等,四、微孔聚集断裂机理和微观断口特征,（一）微孔聚集断裂机理,断裂过程：微孔形核、长大、聚合直到断裂,形核方式：第二相（或夹杂物）质点本身破碎或它们与基体界面脱离而成,在第二相处形核原因：位错引起应力集中；第二相与基体塑性变形不协调而产生分离,a,e,d,b,c,微孔形核长大模型,微孔长大和聚合模型,（二）微观断口特征,韧窝,20CrMo淬火高温回火断口微孔聚集型(微孔多萌生于碳化物界面),59黄铜断口,等轴韧窝 拉长韧窝 撕裂韧窝轴向 扭转 拉弯联合,韧窝的形状取决于应力状态,轴向 扭转(切应力）拉弯联合,2、塑性好，则韧窝大而深,韧窝的大小和深浅:,1、第二相密度高，间距小，则韧窝小,3、加工硬化能力强，则韧窝大而浅。,五、断裂理论的应用,c=2s G/kyd（1/2）,s=i+kyd（-1/2）,脆性断裂：i+kyd（-1/2）=2s G/kyd（1/2）,ky（d（1/2）i+ky）=2 s G,脆性断裂：ky（d（1/2）i+ky）=2s G,降低脆断倾向：提高G、s、q、降低ky、d、i,ky（d（1/2）i+ky）=2 s G q,1、G，G脆性。G高，强度高。很难用强化方法改变G而使金属材料韧化,考虑应力状态的影响，加入应力状态系数q,2、s，s 脆性。,s实际由表面能和塑性变形功组成，称有效表面能。,有效滑移系多，可动位错数目多，塑性变形功大，韧性好。,各种因素对材料韧脆性的影响：,6、ky，钉扎常数。ky 脆性。,q 脆性。,4、d，d 脆性。细晶材料的韧性好。,i与p-n和位错运动阻碍有关。位错运动速率脆性。温度的影响，低温脆性。,d（细化晶粒）脆性,3、q，表示应力状态的系数，滑移面上切应力与正应力之比。,5、i，i脆性。,合金元素：ky、i和 s 脆性，形成粗大的第二相，脆性,三向拉伸q=1/3，拉伸q=1，扭转q=2，,