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)，則機件失去預(yù)定效能（過量彈性變形、過量塑性變形、斷裂、磨損等），材料的力學(xué)性能又可以稱為失效抗力。 材料力學(xué)性能指標(biāo)是結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、工藝評價以及材料檢驗的主要依據(jù)。測定材料力學(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：常溫、單向靜拉伸載荷，光滑試樣。（應(yīng)用最為廣泛的方法）通過拉伸試驗，可以獲得材料的彈性、塑性、強度等指標(biāo)，還可以測量形變強化指數(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：單位截面上所受到的力稱為應(yīng)力應(yīng)變：單位長度上的變形量 工程應(yīng)力：拉伸載荷除以原始截面積工程應(yīng)變：試樣斷裂后量伸長量與原始長度的比值真應(yīng)力：實際上，在拉伸過程中，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為真應(yīng)力

3、。拉伸曲線：載荷伸長曲線（P-Dl） 彈性變形 塑性變形 屈 服 頸 縮應(yīng)力應(yīng)變(stress-strain)曲線 強度指標(biāo)及其測定方法 （1）比例極限s p= Pp/A0 (MPa)當(dāng)應(yīng)力比較小時，試樣的伸長隨應(yīng)力成正比地增加，保持直線關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力超過p時，曲線開始偏離直線，因此稱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，則該點對應(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時稱為彈性強度極限，該階段為彈性變形階段。當(dāng)應(yīng)力

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

5、料開始產(chǎn)生明顯的塑性變形，進入彈塑性變形階段，伴有形變強化現(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，材料的形變強化效應(yīng)已經(jīng)不能補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）斷裂強度s k= Pk/Ak (MPa)斷裂強度k是試樣拉斷時的真實應(yīng)力，它等于拉斷時的載荷Pk除以斷裂后頸縮處截面積Ak。斷裂強度表征材料對斷裂的抗力。但是，對塑性材料來說，它在工程

6、上意義不大，因為產(chǎn)生頸縮后，試樣所能承受的外力不但不增加，反而減少，故國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定斷裂強度。 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)常用材料斷裂時的最大相對塑性變形來表示，如拉伸時的延伸率和斷面收縮率。(1) 延伸率：斷裂后試樣標(biāo)距長度的相對伸長值 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：彈性模量E；斷裂強度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，也或多或少會產(chǎn)生一些塑性變形.(c) 脆性材料的斷裂強度等于甚至低于彈性極限，因此斷裂前不發(fā)生塑性變形，其抗拉強度比較低，但是這種材料的抗壓強度比較高，一般情況下，脆性材料的抗壓強度比抗拉強度大幾倍，理論上可以達(dá)到抗拉強度的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；從塑性變形開始到應(yīng)力最大的b點，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，但真實應(yīng)變小于工程應(yīng)變。頸縮開始后，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)變增加而減少，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。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，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。（Fe單晶中常見，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)力對材料的變形和斷裂起著不同的作用：切應(yīng)力是位錯運動的推動力，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)展過程，因為只有拉應(yīng)力，才能促使裂紋的擴展。對于同一種材料，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9.2.2 扭轉(zhuǎn)Ppt23特點： 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力狀態(tài)較拉伸軟(=0.8)，可以測定那些在拉伸時表現(xiàn)為脆性的材料的特性，使低塑性材料處于韌性狀態(tài)，便于測定它們的強度和塑性。 用圓柱形試樣進行扭轉(zhuǎn)試驗時，從試驗開始到試樣破壞為止，試樣沿整個長度上的塑性變形始終是均勻發(fā)生的，不出現(xiàn)靜拉伸時所出現(xiàn)的頸縮現(xiàn)象，因此，對于那些塑性很好的材料，用這種試驗方法可以精確地測定其應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。 扭轉(zhuǎn)試驗可以明顯地區(qū)別材料的斷裂方式是正斷還是切斷。 扭轉(zhuǎn)試驗時

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)試驗的這種特點對表面淬火、化學(xué)熱處理等表面強化工藝進行研究。 扭轉(zhuǎn)試驗的缺點是：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 彎曲通過彎曲試驗，可以測量： 規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力 抗彎強度 從彎曲載荷撓度曲線上還可測出彎曲彈性模量、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)彎曲試驗的特點： 從試樣受拉一側(cè)來看，彎曲加載的應(yīng)力狀態(tài)基本上和靜拉伸時的應(yīng)力狀態(tài)相同；

12、 彎曲試驗不受試樣偏斜的影響，可以穩(wěn)定地測定脆性和低塑性材料的抗彎強度， 同時，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 很適于評定脆性和低塑性材料的性能； 彎曲試驗不能使塑性很好的材料斷裂破壞，不能測定其彎曲斷裂強度，但是， 可以比較一定彎曲條件下不同材料的塑性； 彎曲試驗時，試驗截面上的應(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。單向壓縮時，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，也會顯示出一定的塑性。例如灰鑄鐵在

13、拉伸試驗時，表現(xiàn)為垂直于載荷軸線的正斷，塑性變形幾乎為零；而在壓縮試驗時，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。 拉伸時所定義的各種性能指標(biāo)和相應(yīng)的計算公式在壓縮試驗中仍適用。壓縮可以看作是反方向的拉伸，但兩者間有差別，壓縮試驗時，試樣不是伸長，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，試驗只是測得彈性模量、比例極限和彈性極限等指標(biāo)，而不能測得壓縮強度極限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。 試驗方法：基本可分為壓入法和刻劃法兩大類。 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，硬度值實際上不是一個單純的物理量，它是表征材料的彈性、塑性、形變強化、強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是應(yīng)用得最久，也最為廣泛的壓入法硬度試驗之一。1900年由瑞典人布利奈爾(Brinell)提出而得名。 其測定原

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材料表面，保持一定時間后，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HB表示。壓痕相似原理對同一種材料，采用不同的P和D進行試驗時，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。滿足這種關(guān)系時，改變P和D，也可保證布氏硬度值不變。 布氏硬度試驗的優(yōu)點： 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，而不受個別組成相以及微小不均勻度的影響，特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料； 2）試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，

16、數(shù)據(jù)重復(fù)性強； 3）布氏硬度值和抗力強度間存在一定換算關(guān)系。 布氏硬度試驗的缺點： 1）是其壓頭為淬火鋼球，由于鋼球本身的變形問題，不能用來測量過硬材料的硬度，一般在HB450以上就不能使用了； 2）由于壓痕較大，不利于對表面有質(zhì)量要求的成品進行硬度檢驗。9.3.2 洛氏硬度鑒于布氏硬度存在以上缺點，1919年，洛克威爾(Rockwell)提出了直接用壓痕深度來衡量硬度值的洛氏硬度試驗。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所用載荷較大，不宜用來測

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量問題，與洛氏硬度的原理一樣，有一種表面洛氏硬度計，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硬度單位。 洛氏硬度試驗的優(yōu)點： 簡便迅速，效率高。洛氏硬度值可以直接從硬度機表盤上讀取。 對試樣表面造成損傷較小，可用于成品零件的質(zhì)量檢驗。 因有預(yù)加載荷，可以消除表面輕微的不平度對試驗結(jié)果的影響。洛氏硬度試驗的缺點： 洛氏硬度是人為定義的，使得不同標(biāo)尺的洛氏硬度值無法相互比較； 由于壓痕小，所以洛氏硬度對材料組織不均勻性很敏感，測試結(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定義硬度值。但維氏硬度測定所用的壓頭為金剛石制成的四方角錐體，兩相對面間夾角為136，所加的載荷較小，測定維氏硬度時，也是以一定的壓力將壓頭壓入試樣表面，保持一定的時間后，卸除壓力，于是，在試樣表面上，留下壓痕 。載荷為P，測得壓痕兩對角線長度后，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。 維氏硬度試驗時，所加的載荷為50，100，200，300，500，1000N等6種； 當(dāng)載荷一定時，即可根據(jù)d值，算出維氏硬度值。 試驗時，只要測量壓痕兩對角線長度的平均值，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定：選擇載荷時，應(yīng)使硬化層或試件的厚度大于1.5d。若不知待測試件的硬化層厚度，則可在不同的載荷下，按照從小到大的順序進行試驗。當(dāng)待測試層厚度較大時，應(yīng)盡量選用較大的載荷，以減小對角線測量的相對誤差和試件表面層的影響，提高維氏硬度測定的精度。維氏硬度試驗的優(yōu)點： 由于維氏硬度測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，不受布氏硬度測試方法加載荷和壓頭規(guī)定條件的約束。維氏硬度法測量范圍較寬，軟硬材料都可以測試，而不存在洛氏硬度法那種不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問