材料力學(xué)性能09

材料力學(xué)性能哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院朱景川8.為何常用金屬材料拉伸試驗(yàn)中彈性變形與塑性變形之間分界點(diǎn)難以確定？涉及哪些性能指標(biāo)？工程上如何解決此問(wèn)題？思考題：2.為什么材料微觀塑性變形是切變過(guò)程？7.多晶塑性變形與單晶相比有何特點(diǎn)？為什么？9.微觀塑性變形機(jī)制是均勻的還是非均勻的？如何理解拉伸頸縮前塑性變形的均勻性？3.如何實(shí)現(xiàn)材料的微觀塑性切變？4.臨界切應(yīng)力定律的物理意義？工程意義？5.如何理解微觀塑性變形與宏觀塑性變形之關(guān)系？1.單向正應(yīng)力和純剪切應(yīng)力狀態(tài)下材料力學(xué)行為異同點(diǎn)？6.晶體取向軟硬與應(yīng)力狀態(tài)軟硬有何關(guān)系？（1）多晶體塑性變形特點(diǎn)

a.不同時(shí)性和不均勻性3.多晶體的塑性變形S2-4材料的塑性變形第二章材料變形行為b.變形協(xié)調(diào)性應(yīng)變六面體單元：假設(shè)塑性變形體積不變，即：塑性變形體積不變條件可以作為塑性變形是否協(xié)調(diào)的近似判據(jù)。多晶體塑性變形的必要條件：至少5個(gè)獨(dú)立的滑移系。（2）多晶體塑性變形過(guò)程多晶體塑性變形機(jī)制：位錯(cuò)晶界塞積應(yīng)力集中促使相鄰晶粒位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)，塑性變形得以傳播。4.陶瓷材料塑性變形特點(diǎn)在共價(jià)鍵鍵合的陶瓷中，原子之間的鍵合是特定的并具有方向性。當(dāng)位錯(cuò)以水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須破壞這種特殊的原子鍵合，而共價(jià)鍵的結(jié)合力是很強(qiáng)的，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有很高的點(diǎn)陣阻力。因此，以共價(jià)鍵鍵合的陶瓷，不論是單晶體還是多晶體，都難以發(fā)生塑性變形。(a)共價(jià)鍵結(jié)合鍵對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響離子鍵合的陶瓷，也具有明顯的方向性，同號(hào)離子相遇，斥力極大，只有個(gè)別滑移系能滿(mǎn)足位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的幾何條件和靜電作用條件。所以只有極少數(shù)具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的單晶體，如MgO、KCl(均為NaCl型結(jié)構(gòu))在室溫下具有塑性，而一般晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料在室溫下不能進(jìn)行塑性變形。但是離子鍵合陶瓷多晶體，由于滑移系統(tǒng)較少不能滿(mǎn)足多晶體協(xié)調(diào)變形條件，導(dǎo)致多晶體難以塑性變形。陶瓷晶體的滑移系陶瓷材料一般呈多晶狀態(tài)，而且還存在氣孔、微裂紋、玻璃相等。位錯(cuò)更加不易向周?chē)w傳播，更易在晶界處塞積而產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋引起斷裂。所以陶瓷材料很難進(jìn)行塑性變形。TaC陶瓷斷口形貌玻璃材料與一般陶瓷材料的塑性變形機(jī)理不同無(wú)機(jī)玻璃材料：由于不存在晶體中的滑移和孿生的變形機(jī)制，其永久變形是通過(guò)分子位置的熱激活交換來(lái)進(jìn)行的，屬于粘性流動(dòng)變形機(jī)制，塑性變形需要在一定的溫度下進(jìn)行。所以普通的無(wú)機(jī)玻璃在室溫下沒(méi)有塑性。金屬玻璃性能特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高彈性極限和耐腐蝕等優(yōu)異的性能。金屬玻璃呈現(xiàn)宏觀脆性，但能發(fā)生高度局域化的剪切形變，即形變集中于數(shù)量很少、寬度只有幾十納米的剪切帶內(nèi)；而且剪切帶一旦形成便迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致材料瞬間發(fā)生災(zāi)難性斷裂。在微觀尺度下單一剪切帶內(nèi)的局域剪切應(yīng)變卻可以達(dá)到102%-103%。非晶態(tài)金屬材料：Al86Ni7Y4.5Co1La1.5塊體金屬玻璃的壓縮行為

金屬玻璃拉伸納米尺寸效應(yīng)

(a)表面加工質(zhì)量較高的樣品在均勻形變后剪切斷裂；(b)有表面加工缺陷的樣品在缺陷處發(fā)生頸縮斷裂

5.高分子材料塑性變形特點(diǎn)高分子材料的塑性變形機(jī)理因其狀態(tài)不同而異。結(jié)晶態(tài)高分子材料的塑性變形是由薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)檠貞?yīng)力方向排列的微纖維束的過(guò)程；非晶態(tài)高分子材料的塑性變形有兩種方式，即在正應(yīng)力作用下形成銀紋或在切應(yīng)力作用下無(wú)取向分子鏈局部轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠蚺帕械睦w維束。

無(wú)取向的晶態(tài)聚合物在塑件變形過(guò)程中。首先是晶球的破壞，使與應(yīng)力垂直的薄晶與無(wú)定型相分離，然后薄晶沿應(yīng)力方向排列。晶體破碎成小晶塊時(shí)，分子鏈仍然保持折疊結(jié)構(gòu)。隨著變形進(jìn)一步發(fā)展，小晶體沿拉伸方向整齊排列，形成長(zhǎng)的纖維。當(dāng)薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒗w維束的晶塊時(shí)，分子鏈沿拉應(yīng)力方向伸展開(kāi)。由于許多串聯(lián)排列的晶體塊是從同一薄晶中撕出來(lái)的，所以晶體塊之間有許多伸開(kāi)的分子鏈將它們彼此連接在一起。微纖維的定向排列以及伸展開(kāi)的分子鏈的定向排列，使高分子材料強(qiáng)度大幅度提高。由于微纖維間的聯(lián)結(jié)，分子鏈進(jìn)一步伸展，微纖維結(jié)構(gòu)的繼續(xù)變形非常困難，從而造成形變硬化。非晶態(tài)(玻璃態(tài))高分子材料的塑性變形機(jī)理主要是形成銀紋。銀紋是高分子材料在變形過(guò)程中產(chǎn)生的一種缺陷，由于它的密度低，對(duì)光線的反射能力很高，看起來(lái)呈銀色，因而得名。銀紋產(chǎn)生于高分子材料的弱結(jié)構(gòu)或缺陷部位。在拉應(yīng)力作用下，材料弱結(jié)構(gòu)或缺陷部位往往先被拉開(kāi)，形成亞微觀裂紋或空洞，這些空洞繼續(xù)發(fā)展便形成肉眼可見(jiàn)的銀紋。銀紋產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程銀紋材料體密度約比無(wú)銀紋材料小50％。在繼續(xù)變形過(guò)程中，銀紋的長(zhǎng)度在與拉應(yīng)力垂直的方向上生長(zhǎng)，其厚度變化不大。隨著塑性交形量的增大，銀紋的數(shù)量不斷增多，高密度的銀紋可產(chǎn)生超過(guò)100％的應(yīng)變。由于銀紋中的纖維取向排列使強(qiáng)度增高，因而隨著變形量的增大，材料將不斷產(chǎn)生應(yīng)變硬化。銀紋的尖端可以造成應(yīng)力集中，將對(duì)進(jìn)一步的變形和斷裂產(chǎn)生直接影響。S2-4材料的塑性變形第二章材料變形行為簡(jiǎn)單加載:宏觀屈服條件：6.宏觀屈服條件微觀屈服條件：s復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)屈服準(zhǔn)則？c或s(1)最大剪應(yīng)力（第三強(qiáng)度）理論1773年，Coulomb提出假設(shè)1868年，Tresca完善最大剪應(yīng)力是引起材料塑性屈服的原因具體說(shuō)——不管在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)有一點(diǎn)處的最大剪應(yīng)力max達(dá)到材料單向拉伸塑性屈服剪應(yīng)力s

，就發(fā)生塑性屈服?！妒?zhǔn)則》（Tresca準(zhǔn)則）即實(shí)驗(yàn)表明：理論偏于安全，差異有時(shí)達(dá)15%強(qiáng)度條件《推導(dǎo)》失效方程（或極限條件）或《評(píng)價(jià)》原因：未考慮2的影響1856年Maxwell提出(其書(shū)信出版后才知道)1904年Huber提出該理論的準(zhǔn)則(2)形狀改變比能（第四強(qiáng)度）理論1913年Mises提出，但不相信是正確的1925年Hencky以能量觀點(diǎn)解釋與論證

形狀應(yīng)變比能是引起材料塑性屈服的原因具體說(shuō)——不管在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)有一點(diǎn)處的形狀比能

達(dá)到材料單向拉伸塑性屈服時(shí)形狀比能，就發(fā)生塑性屈服《失效準(zhǔn)則》（Mises準(zhǔn)則）(單向拉伸)強(qiáng)度條件《推導(dǎo)》失效方程（或極限條件）為則28試驗(yàn)驗(yàn)證最大切應(yīng)力理論與畸變能理論與試驗(yàn)結(jié)果均相當(dāng)接近，后者符合更好鋼、鋁二向屈服試驗(yàn)《備注》SIII是第三強(qiáng)度理論換算應(yīng)力，又稱(chēng)應(yīng)力強(qiáng)度(StressIntensity)SIV是第四強(qiáng)度理論換算應(yīng)力，又稱(chēng)Mises等效應(yīng)力(eq)SIII

、SIV均與主切應(yīng)力有關(guān)，說(shuō)明第三、第四強(qiáng)度理論均認(rèn)為塑性變形是切應(yīng)力作用下發(fā)生的

S2-5

物理屈服現(xiàn)象及其本質(zhì)1.物理屈服現(xiàn)象Luders帶的形成Luders帶的傳播Luders應(yīng)變Luders帶傳播速度模型vCH=0.5mm/min，LB=0.0603，vLB=

0.1382mm/s(計(jì)算值)

vLB=0.1176mm/s(實(shí)驗(yàn)值)2.物理屈服的本質(zhì)

拉伸曲線所表現(xiàn)的物理屈服點(diǎn)是材料特性和特定的拉伸試驗(yàn)條件共同作用的結(jié)果。

(1)試驗(yàn)條件：夾頭或橫梁位移速度恒定(2)材料特性(內(nèi)部因素)溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用①釘扎機(jī)制：柯氏氣團(tuán)切應(yīng)力作用下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)②位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制②位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制

S2-5

物理屈服現(xiàn)象及其本質(zhì)2.物理屈服的本質(zhì)

材料具有明顯屈服點(diǎn)的條件:(1)塑性變形開(kāi)始前可動(dòng)位錯(cuò)密度低；(2)塑性變形開(kāi)始后位錯(cuò)密度迅速增加

(位錯(cuò)增殖或脫釘)；(3)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率對(duì)外加應(yīng)力有強(qiáng)烈的依存關(guān)系

(位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)m小)。Ge、Si、LiF、bcc金屬等m值較小，屈服現(xiàn)象明顯；Fcc金屬m值較大(>100~200)，屈服現(xiàn)象不明顯。3.應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效行為預(yù)應(yīng)變量對(duì)應(yīng)變時(shí)效行為的影響X80管線鋼不同預(yù)應(yīng)變的應(yīng)變時(shí)效行為位錯(cuò)與溶質(zhì)原子相互作用的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)依據(jù)：(1)應(yīng)變時(shí)效重新產(chǎn)生物理屈服的激活能與C原子在鐵中擴(kuò)散激活能相同，約84kJ/mol；(2)應(yīng)變時(shí)效所需時(shí)間與形成原子氣團(tuán)的時(shí)間也在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)。應(yīng)變時(shí)效微觀機(jī)制

(1)在薄鋼板冷沖壓成形時(shí)，往往因局部變形不均勻，板面呂德斯帶導(dǎo)致表面折皺，影響表面質(zhì)量。4.與物理屈服相關(guān)的幾個(gè)工程問(wèn)題為避免折皺出現(xiàn)，可對(duì)鋼板預(yù)變形，變形量稍大于屈服應(yīng)變，然后沖壓時(shí)將不出現(xiàn)物理屈服，避免折皺。應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化同時(shí)發(fā)生脆化，一般應(yīng)予以避免；但若調(diào)整成分和工藝以避免塑性下降過(guò)多，應(yīng)變時(shí)效亦能用于提高低碳鋼的強(qiáng)度。例1：川崎制鐵株式會(huì)社申請(qǐng)了一系列專(zhuān)利應(yīng)變時(shí)效硬化特性?xún)?yōu)良的高強(qiáng)度冷軋鋼板及其制造方法，CN1366559具有優(yōu)良應(yīng)變時(shí)效硬化特性的熱軋鋼板、冷軋鋼板和熱浸鍍鋅鋼板以及它們的制造方法，01801490.9沖壓成形性和應(yīng)變時(shí)效硬化特性出色的高延展性鋼板及其制造方法，02122437.4例2：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012-2015)基于動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的激光溫噴丸強(qiáng)化延壽基礎(chǔ)研究

(2)應(yīng)變時(shí)效可能導(dǎo)致工程構(gòu)件脆性增加。第三章材料變形抗力與強(qiáng)化機(jī)制繼續(xù)變形抗力：初始變形抗力：最大強(qiáng)度：ssS3-1單晶體的屈服強(qiáng)度1.點(diǎn)陣阻力(派-納力:Peierls-Nabarro)位錯(cuò)滑移時(shí)核心能量的變化：

S3-1單晶體的屈服強(qiáng)度2.位錯(cuò)間交互作用阻力Ti合金冷變形位錯(cuò)纏結(jié)(1)平行位錯(cuò)間交互作用(2)位錯(cuò)林阻力b1b2位錯(cuò)滑移方向位錯(cuò)交割結(jié)果：在位錯(cuò)線上可形成曲折(割階或扭折)。割階：位錯(cuò)線上垂直于其滑移面的曲折部分。割階阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。扭折：位錯(cuò)線上位于其滑移面上的曲折部分。

扭折對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)影響不大。bb割階扭折典型的位錯(cuò)交割：

①不同滑移面上兩條相垂直刃位錯(cuò)交割，使兩條位錯(cuò)線上各形成大小、方向等于另一條位錯(cuò)線b矢量的螺型扭折。②不同滑移面上兩條相垂直螺位錯(cuò)交割，使兩條位錯(cuò)線上各自形成大小、方向等于另一條位錯(cuò)線b矢量的刃型