拉伸力学性能

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五、缩颈现象
1、缩颈 （1）缩颈的意义 变形集中于局部区域； 失稳的临界条件。 （2）缩颈的判据 S=ds/de (式1-22) 在缩颈点处，Sb=keBn 经过积分，得eB=n 即：金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑 性变量时，缩颈便产生。 （3）颈部的三向拉应力状态 承受三向拉应力（相当于厚板单向拉伸，平面应变）
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（1）滑移
（2）孪生
孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的 晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。 孪晶可分为 自然孪晶和形变孪晶。 孪生的特点： 比滑移困难；时间很短；变形量很小；孪晶层在试 样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样。 孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发 展。
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2、循环韧性
⑴弹性滞后环 由于应变滞后于应力，使加载曲线与卸载曲线不重 合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。
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物理意义： 加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。或， 回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。 这部分被金属吸收的功，称为内耗。 ⑵循环韧性 若交变载荷中的最大应力超过金属的 弹性极限，则可得到塑性滞后环。 金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫 循环韧性。 循环韧性又称为消振性。 循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来 表示循环韧性的大小。 ⑶循环韧性的应用 减振材料（机床床身、缸体 等）；乐器要求循环韧性小。
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3、应变硬化指数 Hollomon关系式： S=ken （真应力与真应变之间的关系） n—应变硬化指数；k—硬化系数 应变硬化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性 变形的能力。 n=1，理想弹性体;n=0材料无硬化能力。 层错能低的材料应变硬化程度大;高Mn钢 （Mn13），层错能力低 ∴n大 应变硬化指数，常用直线作图法求得 （见P19）。
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七、静力韧度
韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断 裂功的能力。 J/m2 静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断 裂所吸收的功。J/m3 静力韧度对按屈服强度设计，有可能偶 然过载的机件必须考虑。
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材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。（断 裂使材料失去完整性）（机件三大失效形式之一） 断裂不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低 应力和无明显塑性变形条件下。
（一）影响屈服强度的内因
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（3）晶粒大小和亚结构 晶界是位错运动的障碍。 要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。 霍尔——培奇关系式 σ=σi+Ksd-1/2 细化晶粒，可以提高材料的强度。 （4）第二相 不可变形的第二相，位错只能绕过它运动。可变形 的第二相，位错可以切过。 第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有 关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。
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（2）位错塞积群 n个位错同相运动受阻，形成塞积群，导致 材料要继续发生塑性变形必须加大外应力；一旦 障碍被冲破，继续发生塑性变形所需的外应力降 下。 （3）应变速率与位错密度、位错运动速率的 关系 金属材料塑性变形的应变速率与位错密度、 位错运动速率及柏氏矢量成正比，即： ε=bρυ. 位错增值，ρ↑，ε↑ 提高外应力τ, υ↑, ε↑ 晶体结构变化，b↑, ε↑
（3）形变带
由晶体点阵畸变而使晶体表面出现的弯曲区域，由于 该区域贯穿整个试样截面并成带状，所以称为形变带。 相邻滑移带的交互作用。多个滑移系同时动作，正 常的滑移不能进行，所以产生点阵弯曲，形成形变带。
（4）三种变形机制的比较
相邻部分滑动，变形前后晶体内部原子的排 列不发生变化。 孪生 变形部分相对未变形部分发生了取向变化。 形变带 晶体点阵畸变。 滑移
§1-4 金属的断裂
一、断裂的基本类型
1、根据断裂前塑性变形大小分类 脆性断裂；韧性断裂 2、根据断裂面的取向分类 正断；切断 3、根据裂纹扩展的途径分类 穿晶断裂；沿晶断 4、根据断裂机理分类 解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂
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二、断裂及断口特征
（一）韧性断裂与脆性断裂（宏观） 韧性断裂与脆性断裂（宏观） 1、韧性断裂； （1）断裂特点： 断裂前产生明显宏观变形； 过程缓慢； 断裂面一般平行于最大切应力， 并与主应力成45o角。 （2）断口特征 断口呈纤维状，灰暗色。杯——锥状。 断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇 纤维区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射 线粗。 剪切唇：切断。 （3）危害，不及脆性断裂，断裂前机件已变形失效。
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2、抗拉强度 σb 实际材料在静拉伸条件下的最大承载能 力。 意义： （1）易于测定，重现性好 （2）韧性材料不能作为设计参数，但脆性材 料可以用它。 （3）σs/σb对材料成型加工极为重要。 （4）σb≈1/3HB；淬火钢σ-1≈1/2σb
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六、塑性
金属材料断裂前发生塑性变形的能力。（δ、Ψ） 比例试样： L0=5d0或 L0=10d0 由于大多数材料的集中塑性变形量大于均匀变形量， ∴δ5>δ10 (断后伸长率) Ψ>δ金属拉伸时产生缩颈；反之，不产生 Ψ反映了材料断裂前的最大塑性变形量。而δ则不能 显示材料的最大塑性变形。 冶金因素对Ψ的影响更突出，Ψ比δ对组织变化更为 敏感。 最大力下的总伸长率与原始标距的百分比 δqt，实际上 是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形（工程应变 量） ∵eB=ln(1+δqt) δqt对于评定冲压用板材的成型能力非常有用。
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二、屈服与屈服强度
在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下降 的情况下，而变形继续进行的现象，称为屈服。 上屈服点，下屈服点 （吕德丝带）
1、屈服
2、屈服机理
（外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程） （1）柯氏气团 位错与溶质原子交互作用，位错被钉扎。溶质原子 聚集在位错线的周围，形成气团。 提高外应力，位错才能运动；一旦运动，继续发生 塑性变形所需的外应力降低。
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六、包申格效应
1、现象
定义：材料经过预先加载并产生少量塑性变形，卸载 后，再同相加载，规定残余伸长应力增加；反向加载规 定残余伸长应力降低的现象， 称为包申格效应。
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预塑性变形，位错增殖、运动、缠结； 同相加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加； 反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易残余伸 长应力降低。 交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降） 预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。 第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退 火。
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3、屈服强度 σs=Fs/A 由于金属材料存在上下屈服点，或者屈服点不 明确，一般将σ0.2定为屈服强度。 屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料 的依据。提高屈服强度，机件不易产生塑性变 形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力 重新分布，容易引起脆性断裂。
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三、影响屈服强度的因素
（1）金属本性及晶格类型 位错运动的阻力：晶格阻力（P-N力）；位错交互 作用产生的阻力。 P-N力 fcc 位错宽度大，位错易运动。 bcc 反作用产生的阻力。 （2）溶质原子和点缺陷 形成晶格畸变（间隙固溶，空位）
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1、塑性与塑性指标
2、塑性的意义和影响因素
意义： a）安全，防止产生突然破坏； b）缓和应力集中； c）轧制、挤压等冷热加工变形； 影响因素： （a）细化晶粒，塑性↑； （b）软的第二相塑性↑； （c）温度提高，塑性↑；高 （d）固溶、硬的第二相等，塑性↓。 3、塑性的综合性能指标 σs/σb （屈强比） σs/σb ↓，材料的塑性↑。 σb/V （体积比强度）σb/V↑，减轻构件的重量。
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二、虎克定律 1、弹性力场微分方程
平衡微分方程
∂σ ij 0 + f i = ∂ 2 ui ∂x j ρ ∂t 2 ( 静止 ) (运动 )
fi——作用力；ρ——密度 i，j=x,y,z 位移：x轴——u；y轴——v； z轴——w
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几何方程
ε γ
ij
1 = 2 = 2ε
（二）外因
温度提高，位错运动容易，σs↓。 应变速率提高，σs↑。 应力状态 切应力τ↑，σs↓。
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四、应变硬化 1、意义
或称形变硬化，加工硬化
（1）应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均 匀塑性形变。 （2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。 （3）强化金属，提高力学性能。 （4）提高低碳钢的切削加工性能。
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2、塑性变形的特点 （1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性 ∵各晶粒的取向不同 即 cosφcosλ不同。 对于具体材料，还存在 相和第二相的种类、 数量、尺寸、形态、分布的影响。 （2）变形的相互协调性 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个 滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。 五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何 方向不受约束的塑性变形。
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一、塑性变形的方式及特点 1、塑性变形的方式
定义： 滑移面：原子最密排面； 滑移向：原子最密排方向。 滑移系：滑移面和滑移向的组合。 滑移系越多，材料的塑性越好。 晶体结构的影响较大。Fcc＞bcc＞ hcp 滑移的临界分切应力 τ=(P/A)cosφcosλ φ—外应力与滑移面法线的夹角； λ—外应力与滑移向的夹角； Ω= cosφcosλ 称为取向因子
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四、弹性极限、弹性比功
1、比例极限 2、弹性极限 3、弹性比功 又称为弹性比能、应变比能。 物理意义：吸收弹性变形功的能力。 几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面 积。 用途：制造弹簧的材料，要求弹性比功大。
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五、滞弹性（弹性后效）
1.滞弹性及其影响因素
实际金属材料，弹性变形不 仅是应力的函数，而且还是时 间的函数。 ⑴ 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。 ⑵ 影响因素： （a）晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。 （b）切应力越大，影响越大。 （c）温度升高，变形量增加。 ⑶ 危害：长期承载的传感器，影响精度。