工程材料力学性能

工程材料力学性能

第一章

退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为如下五个阶段：

1、弹性变形；

2、不均匀屈服塑性变形（屈服阶段）

3、均匀塑性变形阶段；

4、不均匀集

中塑性变形；5、断裂。

弹性变形：是一种可逆变形，实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。弹性变形物理本质：原子间距几何参数随外力的可逆变化。

弹性模量：弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力。

物理意义：表征金属材料对弹性变形的抗力，其值大小反映了金属弹性变形的难易程度。其值越大，表示在相同应力下产生的弹性变形就越小。

影响因素一一主要取决于金属原子本性和晶格类型（原子间作用力）。

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。

弹性比功：又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力（即材料吸收变形

功而不发生永久变形的能力，是一个韧度

指标。）。

物理意义：试样或实际机器零件的体积越大，则可吸收的弹性功越多，可储备的弹性能越多。滞弹性：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，称为滞弹性。

循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫做金属

的内耗、消振性。

包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，弹性极限和屈服强

度就会升高；如果反向加载，弹性极限和屈服强度都下降，这种现象叫做包申格效应。

包申格效应的消除：预先进行较大的塑性变形，或在第二次反向受力之前使金属材料于回复或再结晶温度下退火。

塑性变形：外力移去后不能恢复的变形。

金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生。

滑移系越多，塑性越好，但滑移系的数量不是决定塑性的唯一因素。如fee金属滑移系比bee

金属少，但因前者晶格阻力低，位错容易运动，故塑性却优于后者。

塑性变形具有一些特点：

1.各晶粒变形的不同时性和不均匀性：（a ）材料表面优先（b ）与切应力取向最佳的滑移系优

先

2 •各晶粒变形的相互协调性：（a ）晶粒间塑性变形的相互制约（b）晶粒间塑性变形的相互

协调（e ）晶粒内不同滑移系滑移的相互协调

屈服现象与下述三个因素有关：

① 材料在变形前可动位错密度很小（或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错被杂质原子或

第二相质点所订扎）：② 随塑性变形发生，位错能快速增殖；③位错运动速率与外加应力有强

烈依存关系。

p ）:试样在加载过程中，标距部分的非比例伸长达到规定的原始规定非比例伸长应力（b 标

距百分比时的应力

err ）:试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标 ro.2表示规定残余伸长率为

0.2%时的应力。距百分比时的应力。

常用的为

（T t ）:试样标距部分的总伸长（弹性伸长加塑性伸长）达到规定的原始

a t 0.5表示规定总伸长率为 0.5%常用的规定总伸长率为

的应力

a a

b ：屈强比，表示材料抗变形能力。 s/

影响屈服强度因素： 内因：a 金属本性及晶格类型

b 晶粒大小和亚结构

c 溶质元素

d 第二相

外因：温度、应变速率和应力状态。

a 温度：温度升高，屈服强度下降；反之，屈服强度增大（低温脆性）°

b 应变速率（加载速率） 应变速率增大，金属的强度增大，屈服强度随应变速率的变化还要明显。 量越

大，越有利于塑性变形，屈服强度则越低。所以扭转比拉伸的屈服强度低， 服强度低。不同应力状态下材料屈服强度不同并不是材料性质发生变化， 表现的力学行为不同而已。

根据断裂前塑性变形大小分类：

韧性断裂和脆性断裂；

c 应力状态：切应力分 拉

伸比弯曲的屈 而是材料在不同条件下

根据断裂面的取向：正断和切断；：穿晶断裂和沿晶断裂；根据裂纹扩展的途径。解理断 裂、微孔聚

集型断裂和纯剪切断裂

根据断裂机理分类：有无明显的塑形变形。韧性断裂和脆性

断裂的区别：在裂纹扩展中不断消耗能量；是缓慢的撕裂过程； 韧性断裂：

断裂前产生明显宏

观塑性变形。。角。断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力成 45中低强度钢的光

断裂面

用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。

宏观断口形貌：纤维区，放 滑圆柱试样在室温

下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，有 三个区域组成，即断口特征三要 素。射区和剪切唇 因而没有明显征兆， 1 、是突然发生的断裂， 断裂前基本上不发生塑性变

形，脆性断裂：常呈放射状或结断口平齐而光亮， 危害性很大。2、脆性断裂的断裂面一般与

正应力垂直，

、通常脆性断其尖顶指向裂纹源。 43、人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。 晶状。 裂

前也产生微量塑性变形。 裂纹穿过晶内。通常为韧性断裂，断裂机制包括剪切、解理和准解理

断裂。穿晶断裂：

沿晶断裂：是指裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展的断裂形式。 ：当晶界的

强度小于屈服强度时，晶界无塑性变 沿晶断裂的断口 形，产生冰糖状断口；当晶界的强度大于

屈服强度时，晶界有塑性变形，产生石状断口。金属在切应力的作用下， 沿滑移面分离而造成的

滑移面分离断裂，其中又分为滑 剪切断裂： 断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。以极快速率 沿当外加正应力达到一定数值后，

，是在一定条件下（解理断裂：

如低温）

此晶体学平面称为解理面。一定晶体学平面产生的穿晶断裂。

在正应力下容易开裂的晶面，均有一组原子键合力最弱的、对于一定晶系的金属，

解理面：

规定残余伸长应力（（X 规定总伸长应力（

0.5% ,时标距百分比时的应力