第三章 材料的力学性能
内容
金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 力学实验 加工硬化原理 蠕变 疲劳 磨损
聚合物及陶瓷材料的力学性能
金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
力-伸长曲线和应力应变曲线
c C
Op——直线关系与pe——偏离直线关 系，即弹性形变阶段（可逆形变）；
F到达FA至Fc点时，产生不均匀塑性变 形（不可逆的永久变形）；
（3）溶质元素：晶格畸变应力场与位错应力场产生交互作用； 溶质与溶剂之间的电学交互作用；化学交互作用；有序作用等 都使位错运动受阻，从而提高屈服强度，产生固溶增强化。
影响金属材料屈服强度的因素
（4）第二相：其强化效果与质点的性质有关。
（5）温度：一般情况下，温度升高金属材料的屈服强度下降。 但是，晶体结构不同，其变化形式各异。
材料的化学成分有关，与其组织变化无关，与热处理状态无 关。各种钢的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量 影响也很小。
◆影响弹性模数的因素
温度Байду номын сангаас
键合方式
化学成分
微观组织
晶体结构
加载条件和负荷持续时间
总之，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， 主要取决于材料的本性与晶格类型
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。
屈服现象
屈服机理
影响金属材料屈服强度的因素
（1）晶体结构：金属材料的屈服过程主要是位错的运动。
（2）晶界与亚结构：晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多， 对材料屈服强度的提高贡献越大。 （晶粒细化）
弹性变形——比例极限与弹性极限
弹性变形——比例极限与弹性极限
σp、σe的工程意义
对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系的机 件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变 的关系显示载荷大小的，则应以比例极限作为选择材料 的依据；对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机件， 设计时应按弹性极限来选择材料。
弹性变形——弹性变形及其实质
材料在受到外力作用时产生 变形或者尺寸的变化，而且 能够恢复的变形叫做弹性变 形。
弹性变形的重要特征是其可 逆性，即受力作用后产生变 形，卸除载荷后,变形消失。
金属的弹性性质是金属原子 间结合力抵抗外力的宏观表 现。
弹性变形——弹性变形及其实质
构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。
F A Ar02
和
r2 r4
A和r0为与原子本性或晶体 、晶格类型有关的常数
双原子模型
弹性变形——弹性模量
弹性模量，又称杨氏模量，弹性模数是产生100%弹性变 形所需的应力。
拉伸时σ=Eε，剪切时τ=Gγ，E和G分别为拉伸时的杨氏模 数和切变模数。
可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。 材料的抗弹性变形的一个量，材料刚度的一个指标。它只与
抗拉强度是材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力。高分 子材料和陶瓷材料的抗拉强度是产品设计的重要依据。
塑性与塑性指标
（1）定义：塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。
（2）材料塑性的评价：在工程上一般以光滑圆柱试样的拉伸 伸长率和断面收缩率作为塑性性能指标。常用的塑性性能指标 有三种：
弹性变形——弹性比功
思考：人们日常所说的材料弹性的好坏指的是什么？
提高材料弹性比功的途径
（1）提高σe （2）降低E
举例（高弹性比功材料） 弹簧（金属材料）——减振、储能 橡胶（高分子材料）——不能做受力结构件
c O
图 3.1 低碳钢的力-伸长曲线
塑性变形——塑性变形方式及特点
塑性变形 ：材料的塑性变形上微观结构的相邻部分产生 永久性位移，并不引起材料破裂的现象。
（6）应变速率与应力状态：应变速率对金属材料的屈服强 度有明显的影响。应变速率高，金属材料的屈服应力显著提高； 应力状态对金属材料屈服强度的影响规律是：切应力分量越大， 越有利于塑性变形，屈服强度就越低。
应变硬化
应变硬化
应变硬化
应变硬化
抗拉强度
抗拉强度：拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的 应力。其值等于最大拉力Fb除以试样的原始横截面面积A0， 抗拉强度用σb表示，即 σb=Fb/A0
CB——均匀塑性变形；Bk——再次不
O
均匀塑性变形；K点——发生断裂
图 3.1 低碳钢的力-伸长曲线
纵横坐标分别除以原始截面积A0和原 始标距长度L，即可得应力应变曲线
真实应力应变曲线
真实应力应变曲线与工程应力应变曲线不同，为什么？
真实应力应变曲线与应力应变曲线的 区别
应力-应变曲线中的应力和应变是以试样的初始尺寸进行计算 的，事实上，在拉伸过程中试样的尺寸是在不断变化的，此 时的真实应力S应该是瞬时载荷（P）除以试样的瞬时截面积 （A），即：S=P/A；同样，真实应变e应该是瞬时伸长量除 以瞬时长度de=dL/L。真应力-真应变曲线，它不像应力-应 变曲线那样在载荷达到最大值后转而下降，而是继续上升直 至断裂，这说明金属在塑性变形过程中不断地发生加工硬化， 从而外加应力必须不断增高，才能使变形继续进行，即使在 出现缩颈之后，缩颈处的真实应力仍在升高，这就排除了应 力-应变曲线中应力下降的假象。
金属材料的塑性变形机理 金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪生两种。
塑性变形-滑移
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。
塑性变形-滑移模型
滑移是金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的 切变过程。
塑性变形-孪生模型
孪生本身提供的变形量很小,但可以调整滑移面的方向,使新 的滑移系开动,因而可以对塑性变形产生影响。
单晶金属
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、