9.1材料的變形

1、9.1 材料的力學(xué)性能指標(biāo)材料的力學(xué)性能是指材料在外加載荷（外力或能量）作用下，或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)出的行為。這種行為又稱(chēng)為力學(xué)行為，通常表現(xiàn)為金屬的變形和斷裂。 材料抵抗外加載荷引起的變形和斷裂的能力。mechanical properties; mechanical behavior 材料的失效(failure)： 如果材料抵抗變形與斷裂的能力與服役條件不適應(yīng)，則機(jī)件失去預(yù)定效能（過(guò)量彈性變形、過(guò)量塑性變形、斷裂、磨損等），材料的力學(xué)性能又可以稱(chēng)為失效抗力。 材料力學(xué)性能指標(biāo)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝評(píng)價(jià)以及材料檢驗(yàn)的主要依據(jù)。測(cè)定材料力學(xué)性能最常用的方

2、法是靜載荷方法，即在溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率都固定不變的狀態(tài)下測(cè)定力學(xué)性能指標(biāo)的一種方法。9.1 材料的拉伸性能 靜拉伸試驗(yàn)：常溫、單向靜拉伸載荷，光滑試樣。（應(yīng)用最為廣泛的方法）通過(guò)拉伸試驗(yàn)，可以獲得材料的彈性、塑性、強(qiáng)度等指標(biāo)，還可以測(cè)量形變強(qiáng)化指數(shù)、塑性應(yīng)變比等反映板材成型性的指標(biāo)，這些指標(biāo)特性統(tǒng)稱(chēng)為材料的拉伸性能。 9.1.1 拉伸曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力：?jiǎn)挝唤孛嫔纤艿降牧ΨQ(chēng)為應(yīng)力應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的變形量 工程應(yīng)力：拉伸載荷除以原始截面積工程應(yīng)變：試樣斷裂后量伸長(zhǎng)量與原始長(zhǎng)度的比值真應(yīng)力：實(shí)際上，在拉伸過(guò)程中，試樣的橫截面積是逐漸減小的，外加載荷除以試樣某一變形瞬間的截面積稱(chēng)為真應(yīng)力

3、。拉伸曲線：載荷伸長(zhǎng)曲線（P-Dl） 彈性變形 塑性變形 屈 服 頸 縮應(yīng)力應(yīng)變(stress-strain)曲線 強(qiáng)度指標(biāo)及其測(cè)定方法 （1）比例極限s p= Pp/A0 (MPa)當(dāng)應(yīng)力比較小時(shí)，試樣的伸長(zhǎng)隨應(yīng)力成正比地增加，保持直線關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)p時(shí)，曲線開(kāi)始偏離直線，因此稱(chēng)p為比例極限，是應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系的最大應(yīng)力值。規(guī)定比例極限 一般規(guī)定曲線上某點(diǎn)切線和縱坐標(biāo)夾角的正切值tan比直線部分和縱坐標(biāo)夾角的正切值tan增加50%時(shí)，則該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為規(guī)定比例極限。 （2）彈性極限s e= Pe/A0 (MPa)應(yīng)力應(yīng)變曲線中，應(yīng)力在e時(shí)稱(chēng)為彈性強(qiáng)度極限，該階段為彈性變形階段。當(dāng)應(yīng)力

4、繼續(xù)增加，超過(guò)e以后，試樣在繼續(xù)產(chǎn)生彈性變形的同時(shí)，也伴隨有微量的塑性變形，因此e是材料由彈性變形過(guò)渡到彈塑性變形的應(yīng)力。應(yīng)力超過(guò)彈性極限以后，便開(kāi)始發(fā)生塑性變形。規(guī)定彈性極限 規(guī)定以殘余伸長(zhǎng)為0.01%的應(yīng)力作為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，并以0.01表示。 （3）屈服極限（屈服強(qiáng)度）ss(Rel)= Ps/A0 (MPa)在拉伸過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，拉伸曲線上出現(xiàn)了平臺(tái)或鋸齒形流變，在應(yīng)力不增加或減小的情況下，試樣還繼續(xù)伸長(zhǎng)而進(jìn)入屈服階段。屈服階段恒定載荷Ps所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料的屈服點(diǎn)。 條件屈服極限 (s0.2)（4）強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度）sb（Rm）= Pb/A0 (MPa)屈服階段以后，材

5、料開(kāi)始產(chǎn)生明顯的塑性變形，進(jìn)入彈塑性變形階段，伴有形變強(qiáng)化現(xiàn)象。隨著塑性變形的增大，變形抗力不斷增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值b以后，材料的形變強(qiáng)化效應(yīng)已經(jīng)不能補(bǔ)償橫截面積的減小而引起的承載能力的降低，試樣的某一部位截面開(kāi)始急劇縮小，因而在工程應(yīng)力應(yīng)變曲線上，出現(xiàn)了應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而降低的現(xiàn)象。曲線上的最大應(yīng)力b為抗拉強(qiáng)度極限，它是由試樣拉斷前最大載荷所決定的條件臨界應(yīng)力，即試樣所能承受的最大載荷除以原始截面積。 （5）斷裂強(qiáng)度s k= Pk/Ak (MPa)斷裂強(qiáng)度k是試樣拉斷時(shí)的真實(shí)應(yīng)力，它等于拉斷時(shí)的載荷Pk除以斷裂后頸縮處截面積Ak。斷裂強(qiáng)度表征材料對(duì)斷裂的抗力。但是，對(duì)塑性材料來(lái)說(shuō)，它在工程

6、上意義不大，因?yàn)楫a(chǎn)生頸縮后，試樣所能承受的外力不但不增加，反而減少，故國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定斷裂強(qiáng)度。 塑性指標(biāo)：材料斷裂前發(fā)生永久塑性變形的能力叫做塑性。塑性指標(biāo)常用材料斷裂時(shí)的最大相對(duì)塑性變形來(lái)表示，如拉伸時(shí)的延伸率和斷面收縮率。(1) 延伸率：斷裂后試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值 均勻延伸率b:發(fā)生頸縮前的延伸率 總延伸率k：斷裂后總的延伸率9.1.2 脆性材料的拉伸性能脆性材料（玻璃、巖石、陶瓷、淬火高碳鋼及鑄鐵等材料 ）在拉伸變形時(shí)只產(chǎn)生彈性變形(a)，一般不產(chǎn)生或產(chǎn)生很微量的塑性變形。表征脆性材料力學(xué)特征的主要參量有兩個(gè)：彈性模量E；斷裂強(qiáng)度k。 在工程上使用的脆性材料并非都屬于完全的脆性，

7、尤其是金屬材料，絕大多數(shù)都有些塑性，在拉伸變形后，即便是脆性材料，也或多或少會(huì)產(chǎn)生一些塑性變形.(c) 脆性材料的斷裂強(qiáng)度等于甚至低于彈性極限，因此斷裂前不發(fā)生塑性變形，其抗拉強(qiáng)度比較低，但是這種材料的抗壓強(qiáng)度比較高，一般情況下，脆性材料的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大幾倍，理論上可以達(dá)到抗拉強(qiáng)度的8倍。因此，在工程上，脆性材料被大量地應(yīng)用于受壓載荷的構(gòu)件上，如車(chē)床的床身一般由鑄鐵制造，建筑上用的混凝土被廣泛地用于受壓狀態(tài)下，如果需要承受拉伸載荷，則用鋼筋來(lái)加固。 9.1.3 塑性材料的拉伸性能 塑性較好的工程材料曲線大致可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。 彈性變形階段，真應(yīng)力應(yīng)變曲線與工程應(yīng)力應(yīng)

8、變曲線基本重合；從塑性變形開(kāi)始到應(yīng)力最大的b點(diǎn)，即均勻塑性變形階段，真應(yīng)力高于工程應(yīng)力，隨應(yīng)變的增大，兩者之差增大，但真實(shí)應(yīng)變小于工程應(yīng)變。頸縮開(kāi)始后，塑性變形集中在頸縮區(qū)，試樣的橫截面面積急劇減小，雖然工程應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣鴾p少，但真應(yīng)力仍然增大，真應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示出與工程應(yīng)力應(yīng)變曲線不同的變化趨勢(shì)。幾種塑性不連續(xù)型應(yīng)力應(yīng)變曲線： （a）有明顯的屈服現(xiàn)象，而且有一段鋸齒形屈服平臺(tái)，之后發(fā)生均勻塑性變形。（退火低碳鋼等） （b）均勻屈服型應(yīng)力應(yīng)變曲線，試樣受力產(chǎn)生彈性變形后，出現(xiàn)了明顯上、下屈服點(diǎn)。（Fe單晶中常見(jiàn)，多晶純鐵、半導(dǎo)體材料硅、金屬鍺也有。） （c）彈性變形之后，有一系列的鋸齒疊加于

9、拋物線型的塑性流變曲線上。這種現(xiàn)象是由于材料內(nèi)部不均勻變形造成的。（多是由于孿生或者溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用） 9.2 材料在其它靜載荷下的力學(xué)性能9.2.1 加載方式與力學(xué)狀態(tài)圖 切應(yīng)力和正應(yīng)力對(duì)材料的變形和斷裂起著不同的作用：切應(yīng)力是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力，只有切應(yīng)力，才能引起塑性變形，而正應(yīng)力主要決定斷裂的發(fā)展過(guò)程，因?yàn)橹挥欣瓚?yīng)力，才能促使裂紋的擴(kuò)展。對(duì)于同一種材料，盡管其塑性變形抗力、切斷抗力和正斷抗力的大小是固有的，但在施加承載的條件下，以何種方式產(chǎn)生失效，還與加載方式和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。不同的加載方式?jīng)Q定了不同的應(yīng)力狀態(tài)，不同的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料的變形和斷裂性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響。為此，需要了解不同

10、的靜加載方式下試樣所承受的最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力。弗里德曼統(tǒng)一考慮了不同應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度極限與失效形式，用圖解的方法把它們的關(guān)系作了概括力學(xué)狀態(tài)圖 。Ppt21頁(yè)9.2.2 扭轉(zhuǎn)Ppt23特點(diǎn)： 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力狀態(tài)較拉伸軟(=0.8)，可以測(cè)定那些在拉伸時(shí)表現(xiàn)為脆性的材料的特性，使低塑性材料處于韌性狀態(tài)，便于測(cè)定它們的強(qiáng)度和塑性。 用圓柱形試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，從試驗(yàn)開(kāi)始到試樣破壞為止，試樣沿整個(gè)長(zhǎng)度上的塑性變形始終是均勻發(fā)生的，不出現(xiàn)靜拉伸時(shí)所出現(xiàn)的頸縮現(xiàn)象，因此，對(duì)于那些塑性很好的材料，用這種試驗(yàn)方法可以精確地測(cè)定其應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以明顯地區(qū)別材料的斷裂方式是正斷還是切斷。 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)

11、，試樣橫截面上沿直徑方向切應(yīng)力和切應(yīng)變的分布是不均勻的，表面的應(yīng)力和應(yīng)變最大。因此，扭轉(zhuǎn)可以靈敏地反映材料的表面缺陷，如金屬工具鋼的表面淬火微裂紋。還可以用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的這種特點(diǎn)對(duì)表面淬火、化學(xué)熱處理等表面強(qiáng)化工藝進(jìn)行研究。 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的缺點(diǎn)是：截面上的應(yīng)力分布不均勻，在表面處最大，越往心部越小。對(duì)顯示材料體積性缺陷，特別是靠近心部的材質(zhì)缺陷不敏感。9.2.3 彎曲通過(guò)彎曲試驗(yàn)，可以測(cè)量： 規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力 抗彎強(qiáng)度 從彎曲載荷撓度曲線上還可測(cè)出彎曲彈性模量、斷裂撓度及斷裂能力(曲線下面所包圍的面積)等性能指標(biāo)彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)： 從試樣受拉一側(cè)來(lái)看，彎曲加載的應(yīng)力狀態(tài)基本上和靜拉伸時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)相同；

12、 彎曲試驗(yàn)不受試樣偏斜的影響，可以穩(wěn)定地測(cè)定脆性和低塑性材料的抗彎強(qiáng)度， 同時(shí)，用撓度表示塑性，能明顯地顯示脆性或低塑性材料的塑性。所以，這種試驗(yàn) 很適于評(píng)定脆性和低塑性材料的性能； 彎曲試驗(yàn)不能使塑性很好的材料斷裂破壞，不能測(cè)定其彎曲斷裂強(qiáng)度，但是， 可以比較一定彎曲條件下不同材料的塑性； 彎曲試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)截面上的應(yīng)力分布是不均勻的，表面應(yīng)力最大，可以較靈敏地反映材料的表面缺陷情況。9.2.4 壓縮對(duì)于脆性或低塑性的材料，為了解其塑性指標(biāo)，可以采用壓縮試驗(yàn)。單向壓縮時(shí)，試樣所承受的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)比較大(=2)，因此，在拉伸載荷下，呈脆性斷裂的材料，壓縮時(shí)，也會(huì)顯示出一定的塑性。例如灰鑄鐵在

13、拉伸試驗(yàn)時(shí)，表現(xiàn)為垂直于載荷軸線的正斷，塑性變形幾乎為零；而在壓縮試驗(yàn)時(shí)，則能產(chǎn)生一定的塑性變形，并能沿與軸線成45的方向產(chǎn)生切斷。 拉伸時(shí)所定義的各種性能指標(biāo)和相應(yīng)的計(jì)算公式在壓縮試驗(yàn)中仍適用。壓縮可以看作是反方向的拉伸，但兩者間有差別，壓縮試驗(yàn)時(shí)，試樣不是伸長(zhǎng)，而是壓縮；橫截面不是縮小，而是脹大。 于塑性材料，只能壓扁，不能壓破，試驗(yàn)只是測(cè)得彈性模量、比例極限和彈性極限等指標(biāo)，而不能測(cè)得壓縮強(qiáng)度極限9.3 硬度硬度是衡量材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。一般認(rèn)為，硬度表示材料表面抵抗局部壓入變形或刻劃破裂的能力。 試驗(yàn)方法：基本可分為壓入法和刻劃法兩大類(lèi)。 在壓入法中，根據(jù)加載速度不同，又分為靜

14、載壓入法和動(dòng)載壓入法(彈性回跳法)。在靜載壓入法中，根據(jù)載荷、壓頭和表示方法不同，又分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等多種。試驗(yàn)方法不同，硬度值的物理意義也不同。例如，壓入法的硬度值是材料表面抵抗另一物理壓入時(shí)所引起的塑性變形抗力；刻劃法硬度值表示材料抵抗表面局部斷裂的能力；而回跳法硬度值代表材料彈性變形功的大小。 因此，硬度值實(shí)際上不是一個(gè)單純的物理量，它是表征材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標(biāo)。9.3.1 布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)是應(yīng)用得最久，也最為廣泛的壓入法硬度試驗(yàn)之一。1900年由瑞典人布利奈爾(Brinell)提出而得名。 其測(cè)定原

15、理是用一定大小的載荷P，把直徑為D(mm) 的淬火鋼球壓入被測(cè)材料表面，保持一定時(shí)間后，卸除載荷，載荷除以材料表面壓痕的凹陷面積 F 所得的商即為布氏硬度值，用符號(hào)HB表示。壓痕相似原理對(duì)同一種材料，采用不同的P和D進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，能否得到統(tǒng)一的布氏硬度值，關(guān)鍵在于壓痕的幾何形狀是否相似。只要保證壓痕幾何形狀相似，即可建立P和D的某種選配關(guān)系。滿(mǎn)足這種關(guān)系時(shí)，改變P和D，也可保證布氏硬度值不變。 布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)： 1）壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)材料各組成相綜合影響的平均性能，而不受個(gè)別組成相以及微小不均勻度的影響，特別適用于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料； 2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，

16、數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)； 3）布氏硬度值和抗力強(qiáng)度間存在一定換算關(guān)系。 布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)： 1）是其壓頭為淬火鋼球，由于鋼球本身的變形問(wèn)題，不能用來(lái)測(cè)量過(guò)硬材料的硬度，一般在HB450以上就不能使用了； 2）由于壓痕較大，不利于對(duì)表面有質(zhì)量要求的成品進(jìn)行硬度檢驗(yàn)。9.3.2 洛氏硬度鑒于布氏硬度存在以上缺點(diǎn)，1919年，洛克威爾(Rockwell)提出了直接用壓痕深度來(lái)衡量硬度值的洛氏硬度試驗(yàn)。洛氏硬度的壓頭分為硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)的由頂角為120的金剛石圓錐體制成，適于測(cè)定淬火鋼材等較硬的金屬材料；軟質(zhì)的為直徑1.588mm(1/16英寸)的鋼球。表面洛氏硬度由于洛氏硬度試驗(yàn)所用載荷較大，不宜用來(lái)測(cè)

17、定極薄工件及各種表面處理層(如表面滲碳、滲氮層等)的硬度。為了解決表面硬度測(cè)量問(wèn)題，與洛氏硬度的原理一樣，有一種表面洛氏硬度計(jì)，它與普通洛氏硬度不同之處在于： 預(yù)載荷為30N，總載荷比較??； 取常數(shù)K為0.1mm，以0.001mm壓痕殘余增量為一個(gè)硬度單位。 洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)便迅速，效率高。洛氏硬度值可以直接從硬度機(jī)表盤(pán)上讀取。 對(duì)試樣表面造成損傷較小，可用于成品零件的質(zhì)量檢驗(yàn)。 因有預(yù)加載荷，可以消除表面輕微的不平度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。洛氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)： 洛氏硬度是人為定義的，使得不同標(biāo)尺的洛氏硬度值無(wú)法相互比較； 由于壓痕小，所以洛氏硬度對(duì)材料組織不均勻性很敏感，測(cè)試結(jié)果比較分散，

18、重復(fù)性差，因而不適用于具有粗大、不均勻組織材料的硬度測(cè)定。9.3.3 維氏硬度 維氏硬度1925年由斯密思(Smith)和桑蘭德(Sandland)提出，在維克爾斯(Vickers)廠最早制造而得名。 維氏硬度的測(cè)定原理和方法基本上與布氏硬度的相同，也是根據(jù)單位壓痕表面積上所承受的壓力來(lái)定義硬度值。但維氏硬度測(cè)定所用的壓頭為金剛石制成的四方角錐體，兩相對(duì)面間夾角為136，所加的載荷較小，測(cè)定維氏硬度時(shí)，也是以一定的壓力將壓頭壓入試樣表面，保持一定的時(shí)間后，卸除壓力，于是，在試樣表面上，留下壓痕 。載荷為P，測(cè)得壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度后，取平均值d，代入下式，求得維氏硬度，單位為10Pa，但一般不標(biāo)注

19、單位。 維氏硬度試驗(yàn)時(shí)，所加的載荷為50，100，200，300，500，1000N等6種； 當(dāng)載荷一定時(shí)，即可根據(jù)d值，算出維氏硬度值。 試驗(yàn)時(shí)，只要測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度的平均值，即可查表求得維氏硬度。 維氏硬度的表示方法與布氏硬度的相同。維氏硬度特別適用于表面硬化層和薄片材料的硬度測(cè)定：選擇載荷時(shí)，應(yīng)使硬化層或試件的厚度大于1.5d。若不知待測(cè)試件的硬化層厚度，則可在不同的載荷下，按照從小到大的順序進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)待測(cè)試層厚度較大時(shí)，應(yīng)盡量選用較大的載荷，以減小對(duì)角線測(cè)量的相對(duì)誤差和試件表面層的影響，提高維氏硬度測(cè)定的精度。維氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)： 由于維氏硬度測(cè)試采用四方角錐體壓頭，在各種載荷作用下，所得的壓痕幾何相似。因此載荷大小可以任意選擇，所得硬度值都相同，不受布氏硬度測(cè)試方法加載荷和壓頭規(guī)定條件的約束。維氏硬度法測(cè)量范圍較寬，軟硬材料都可以測(cè)試，而不存在洛氏硬度法那種不同標(biāo)尺的硬度無(wú)法統(tǒng)一的問(wèn)