1 金属在金属在单单向静拉伸向静拉伸载载荷下的力学性能荷下的力学性能 静载是相对于交变载荷和高速载荷而言的，其变形速度n0，n 值不但在宏观上表征材料的形变强化特性，微观上反映了材料不同的应变强化机制。它是板材冲压成形和材料断裂分析的重要参数。在区，曲线向上弯曲，可能是由三向应力造成的。弹弹性性变变形形变形金属发生形状和尺寸改变的现象。分弹性变形和塑性变形。变形可以由多种因素引起，在此仅讨论应力所引起的变形。 弹弹性性变变形及其形及其实质实质1、物理、物理过过程（程（实质实质） ）可用双原子模型来解释。1 在没有外加载荷作用时，金属中的原子在其平衡位置附近产生震动。2 相邻两原子之间的作用力由引力和斥力叠加而成。一般认为：引力是金属正离子和自由电子间的库仑力所产生，而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致。引力和斥力都是原子间距的函数。当原子间距因受力减小时，斥力开始缓慢增加；当电子壳层重叠时，斥力迅速增加。引力随原子间距的增加而逐渐下降。合力曲线在原子平衡位置处为零。3 原子间相互作用力 F 与原子间距 r 的关系为：F=2rA42 0 rAr式中 A、r0与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数。上式中第一项为引力，第二项为斥力。可见，原子间相互作用力与原子间距离的关6系并非虎克定律所示的直线关系，而是抛物线关系。但外力要较小时，原子偏离平衡位置不远，合力曲线的起始阶段可视为直线，则虎克定律表示的外力位移（原子间相互作用力原子间距离）线性关系近似是正确的。4 弹性断裂载荷及变形量当 rrm时，斥力接近为零，与外力平衡的原子间作用力只有引力，合力曲线上出现极大值 Fmax，Fmax 是拉伸时两原子间的最大结合力。如果外力达到 Fmax，就可以克服两原子间的引力而使它分开。因此，Fmax 也就是金属材料在弹性状态下的断裂载荷（断裂抗力）。 相应的原子位移量 rmr0，即弹性变形最大量，接近 23。实际上，它们都是理论值，因为实际金属材料中不可避免地存在各种缺陷甚至裂纹，因而也不可能产生那样大的弹性变形量，因为在这之前金属就可能已经产生塑性变形或断裂了。 （举例：人体寿命）2、 、弹弹性性变变形的特点形的特点 可逆：在外力作用下产生弹性变形，去除外力弹性变形消失。 应力应变之间保持单值线性关系（符合虎克定律） 具有全程性：弹性变形从金属受力到断裂以前全程相伴。 变形量很小：一般不超过 0.51。 虎克定律（略）虎克定律（略）金属的弹性是金属弹性变形的能力。实际上用弹性极限对应的应变来表示。提高 e降低 E 可提高金属的弹性 e。Ee e 弹弹性模量性模量71、定、定义义：金属的弹性模量（又称为弹性模数）：是应力和应变之间的比例系数，即产生 100弹性变形所需的应力。对不同的金属材料它为一个常数。是材料研究和设计中的一个重要参数。2、 、刚刚度度材料刚度：工程上弹性模量被称为材料刚度。其值越大，则在相同应力作用下产生的弹性变形越小。构件刚度：材料的截面积 A 与所用材料的刚度 E 的乘积，即 AE 表示。可见，要提高构件的刚度，在不能增大截面积的情况下，应选用 E 值比较高的材料，如钢铁材料。刚度是工程选材的重要指标之一。许多构件尽管承受外力不大，但仍然用仍然用较较大截面大截面积积的原因的原因是基于构件刚度考虑的。举例说明：高楼和桥梁若刚度不够会摇晃，机床刚度不够加工出的零件会超差。载货汽车板簧：满载后板簧弯曲，卸除载荷后没有完全恢复原来的形状和尺寸是为产生了塑性变形，应增加横截面积；若卸载后完全恢复原来的形状和尺寸是为构件刚度符合要求。3、影响、影响弹弹性模量的因素性模量的因素单晶体与多晶体：单晶体具有各向异性，在原子间距小的晶面和晶向上大。多晶体金属的弹性模量为各晶粒弹性模量的统计平均值，呈现伪各向同性。金属的本质、点阵间距、晶格类型的影响弹性模量取决于原子间作用力、原子间距、晶格类型。合金化的影响：溶质元素虽然可改变合金的晶格常数，但对于常用钢铁材料而言，合金元素对其晶格常数改变不大，因此对 E 的影响很小。合金钢和碳钢的弹性模量数值相当接近，差值不大于 12，所以若若仅仅考考虑虑机件机件刚刚度要求，度要求，选选用碳用碳钢钢即可。即可。8热处理组织的影响：热处理（显微组织）对 E 的影响不大，如晶粒大小对 E 值无影响；第二相大小和分布对 E 值影响也很小。淬火后 E 值虽稍有下降，但回火后又恢复到退火状态的数值。灰铸铁例外，其值与组织有关。球铁因石墨紧密度增加，故 E 值较高。这是由于片状石墨边缘有应力集中，并产生局部塑性变形，在石墨紧密度增加时其影响将有所减弱。冷变形的影响：冷变形使 E 值稍有降低。一般降低 46，与出现残余应力有关。当塑性变形量很大时，因产生形变织构而使 E 值出现各向异性，沿变形方向 E 值较大。温度及变形速度温度升高原子间距增大，E 值降低。碳钢加热时每升高 100，E 值下降 35，但在5050范围内，钢的 E 值变化不大，可以不考虑温度的影响。弹性变形的速率和声速一样快，远超过实际加载速率，故加载速率对弹性模量也无大的影响。综上所述可见，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较小。数值较为稳定，很难调整。要想大幅度调整 E 值，只有通过选材来解决。四、四、弹弹性比功性比功弹性比功又称弹性比能、应变比能，是金属材料吸收弹性变形功的能力。一般可用金属开始塑性变形前单位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下弹性变形部分的面积表示，且aeeee2/2E21由上述公式可见，金属材料的弹性比功决定于其弹性模量和弹性极限。由于弹性模量是组织不敏感性能，因此，对于一般金属材料，只有用提高弹性极限的方法才能提高9弹性比功。因为弹性比功是单位体积材料吸收的最大弹性变形功表示的。故试样或机件的体积越大，则其可吸收的弹性变形功越大，可储备的弹性能越大。此点对研究或理解大件的脆性断裂问题很有意义。弹簧是典型的弹性零件，其重要作用是减震和储能驱动。因此，弹簧材料应具有较高的弹性比功。生产上选用含碳较高的钢，加入 Si、Mn 等合金元素以强化铁素体基体，并经淬火加中温回火获得回火托氏体，以及冷变形强化等，可以有效地提高弹性极限，使弹性比功增加。仪表弹簧因要求无磁性，常用铍青铜或磷青铜等软弹簧材料制造。这类材料 E 值较低而 e较高，故其弹性变形功也比较大。可以在弹性范围内对能量有很大的吸收能力。五、滞五、滞弹弹性（性（弹弹性后效）性后效）金属的弹性不完整性金属材料不是完全的纯弹性体，导致即使在很小的应力作用下也会显示出非弹性性质。完全（完整）的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。实际上，金属的弹性变形都和这些因素有关，因而产生了包申格效应、弹性后效和弹性滞后等弹性不完整现象。对于完整的弹性体，虎克定律与加载速率无关。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。1、现象：叙述加载速率较大时的变形过程。略2、定义：这种加载时应变落后于应力而和时间有关系的现象称为正弹性后效，又称弹性蠕变或冷蠕变。卸载时应变落后于应力的现象，称为反弹性后效。1 原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。2 影响：与材料成分、组织和试验条件有关。组织越不均匀弹性后效越明显。10温度升高，弹性后效速率以及变形量都急剧增加。切应力越大，弹性后效越明显。3 危害：在仪表和精密机械中，选用重要传感元件材料时，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，使用了弹性的一一对应关系。如选用的材料弹性后效较为明显，会使仪表精度不足、失灵甚至无法使用。消除：回火。钢材一般在 300400长时间回火、铜合金在 150200长时间回火。回火的作用是使间隙原子到空位和晶界趋向变得较为困难。弹弹性滞后和循性滞后和循环韧环韧性性1、 、弹弹性滞后性滞后：金属在弹性区内加载、卸载时，由于应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，是为弹弹性滞后性滞后。封闭回线称为弹弹性滞后性滞后环环。 。说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属释放的变形功，有一部分变形功被金属吸收，这部分吸收的变形功称为金属的内耗金属的内耗，大小用回线面积度量。如果所加的是交变载荷，其最大应力低于宏观弹性极限，且加载速率比较大，弹性后效不能顺利进行，则得到交变载荷下的弹弹性滞后性滞后环环。若交变载荷的最大应力超过宏观弹性极限，则得到塑性滞后塑性滞后环环。2、金属的循、金属的循环韧环韧性性：金属材料在交变载荷（振动）下在塑性变形区内加载时，吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性。用塑性滞后塑性滞后环环面积度量。金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力称为内耗内耗。用弹弹性滞后性滞后环环面积度量。这两个名词有时混用。金属的循金属的循环韧环韧性又称性又称消振性。目前尚无统一的评定标准，通常用振动试样中自由振动振幅衰减的自然对数值 来表示其大小。11lnln1kk TT TTT TT其值越大，消振能力越强。则机件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循环韧性对于降低机械噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂是很重要的。铸铁因含有石墨不易传送弹性机械振动，故具有很高的循环韧性。机床床身、发动机缸体等选用灰铸铁，气轮机叶片用 1Cr13 钢制造，其重要原因就是这类材料的循环韧性高，消振性好，可以保证机器稳定运转。对于仪表传感元件，选用循环韧性低的材料，可以提高仪表的灵敏度。乐器所用金属材料的 越小，其音质越好。六、包申格（六、包申格（Bauschinger）效）效应应1 定义：金属材料经过预先加载产生微量塑性变形（残余应变小于 14），而后再同向加载规定残余伸长应力（e）升高，反向加载时（e）下降。这种现象成为包申格效应。2 原因：用位错塞积群来解释。3 度量：用包申格应变表示。即在给定应力下，拉伸卸载后第二次再拉伸与拉伸后第二次压缩两曲线之间的应变差（见束德林本）。4 危害：包申格效应在许多金属中均有发现。对高温回火的钢材较为明显。对预微量塑性变形的钢材若反向使用时，会产生很大危害。例 1：包申格效应对于承受应变疲劳载荷的机件是很重要的。因为材料在应变疲劳过程中，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。例 2：对预先经受冷变形的材料，如服役时受反向力作用，就要考虑微量塑性变形12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此种情况。例 3：有利的一面。可以利用包申格效应，如板材反向弯曲成型；拉拔的钢棒经过轧辊压制变直等。5 消除：预先进行较大的塑性变形。在第二次反向受力前先对金属材料进行恢复或再结晶退火，如钢在 400500以上，铜合金在 250270以上退火。第三第三节节 塑塑 性性 变变 形形一、塑性一、塑性变变形方式及特点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。孪生也是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式。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特点：1、各晶粒变形的不同时性（软位向、硬位向）和不均匀性2、各晶粒变形的相互协调性多晶体塑性多晶体塑性变变形形过过程程每个晶粒内都有自己的位错，并沿自己的滑移面运动，从而产生自己的变形，而不是一个位错可以连续穿过几个晶粒运动，以实现塑性变形。13位错移动的结果是在晶界处形成位错塞积群，在晶界处形成切应力，再加上外加切应力的合力在条件合适的情况下，也足以使临近晶粒的位错源开动。二、屈服二、屈服现现象