金屬材料的力學性能包括：強度、剛度、硬度、塑性、韌性、耐磨性、缺口敏感性、斷裂韌性等。人們將力學參量的臨界值（或規定值）定義為該材料的力學性能指標，如強度指標：σb、σ0.2、σ-1，塑性指標：δ、ψ，韌性指標：AK、KIC等。力學性能指標具體數值的高低，表示金屬材料抵抗變形和斷裂能力的大小，是評定材料質量的主要依據。可將其理解為：金屬材料抵抗外加載荷引起變形和斷裂的能力。2/6/2023金屬材料的力學性能取決于：

化學成分、組織結構、冶金質量、殘余應力及表面和內部缺陷等內在因素，也取決于載荷性質、載荷譜、應力狀態、溫度、環境介質等因素。金屬力學性能的本質及宏觀變化規律與金屬在變形和斷裂過程中的位錯運動、增殖和交互作用等微觀過程有關。2/6/2023低碳鋼靜載荷沖擊載荷低溫常溫斷裂韌性斷裂脆性斷裂？？？？脆性斷裂韌性斷裂2/6/2023單向靜載拉伸試驗是應用最廣泛的材料力學性能測試方法。試驗溫度確定應力狀態確定加載速率確定可測試屈服強度s(0.2)抗拉強度b伸長率斷面收縮率第一節力--伸長曲線和應力、應變曲線2/6/2023一、力——伸長曲線（拉伸力F，絕對伸長量△L）測試方法：標準試樣，萬能實驗機圖1－2退火低碳鋼的拉伸力－伸長曲線ⅠⅡⅢⅣⅠ區－彈性變形階段Ⅱ區－屈服變形階段Ⅲ區－均勻塑性變形階段Ⅳ區－集中塑性變形階段斷裂2/6/2023二、應力應變曲線1.工程應力—應變曲線：將力—伸長曲線的縱橫坐標分別以拉伸試樣的截面積A0和原始標距長度L0去除，則得到應力—應變曲線。稱為“工程應力應變曲線”σ=F/A0ε=△L/L0σp比例極限σe彈性極限σs屈服強度σb抗拉強度圖1－42/6/20232.真實應力—應變曲線：真應力－真應變曲線：用拉伸過程中每一瞬間的真實應力和真實應變繪制的曲線真應力S=F/A真應變de=dL/L在彈-塑性變形階段，只有真應力-真應變曲線才能準確描述材料的力學形為。圖1－52/6/2023e=ln(1+ε)真應變小于工程應變

S＝σ（1＋ε）真應力大于工程應力2/6/2023彈性變形：金屬材料在外力的作用下，產生變形，當外力去除以后變形也隨之消失的現象。彈性變形的特點：彈性變形是一種可逆現象，不論在加載期還是在卸載期，其應力和應變之間都保持單值線性關系。彈性變形量都很小，一般在0.5％～1％之間。金屬材料的原子彈性位移量只相當于原子間距的幾分之一。故彈性變形量小于1％。第二節彈性變形及其性能指標彈性變形2/6/2023圖1－6雙原子模型原子間作用力：引力斥力原子間作用力非直線關系引力斥力合力原子間距r引力斥力FNF=0MFmaxR彈性變形的本質是構成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產生可逆位移的反映。一、彈性變形的本質2/6/2023二、彈性模數（彈性模量）剛度1材料產生單位彈性應變時，所需要的彈性應力。即材料產生100％彈性變形時所需要的應力。σ＝Eετ＝Gγ，E=2(1+)GE拉伸時楊氏模數105，G切變模數MPa，比彈性模數（比剛度）E/ρ單位m，將縱向應變el與橫(徑)向應變er之負比值表示為泊松比υ。2/6/2023三、影響彈性模數的因素

1、鍵合方式和原子結構室溫下金屬的彈性模量是原子序數的周期函數。同一周期的元素隨原子序數的增大E值增大，這與元素價電子數增多及原子半徑減小有關。同一族的元素隨原子序數的增大E值減小，這與原子半徑增大有關。圖1－82/6/20232、晶體結構α-Fe,<111>E=2.7×105MPa，<100>E＝1.25×105MPa

沿原子排列最密的晶向上彈性模量較大，多晶體各向同性。2/6/20233、化學成分合金中固溶的溶質元素可以改變合金的晶格常數，但對于常用的鋼鐵材料而言，合金元素對其晶格常數的改變不大，因而對彈性模量的影響很小，合金鋼和碳鋼的彈性模量數值相當接近。4、微觀組織金屬材料組織不敏感性。熱處理（顯微組織）對彈性模量的影響不大。如晶粒大小對E值無影響；第二相的大小和分布對E值的影響也很小；淬火后E值稍有下降，但退火后又恢復到原來的水平2/6/2023

冷塑性變形對E值稍有降低，一般在4％～6％，這與出現殘余應力有關。當塑性變形量很大時，因產生形變織構而使E值出現各向異性，此時沿變形方向E值最大。

5、溫度溫度升高，熱運動加劇，彈性模量降低碳鋼加熱時每升高100℃，E值下降3％～5％。但在-50℃～+50℃的范圍內，鋼的E值變化不大，可以不考慮溫度的影響。2/6/20236、加載條件和負荷持續時間彈性變形的速率和聲速一樣快，遠超過實際加載速率，故加載速率對E值也無大的影響。結論：彈性模量是組織不敏感的力學性能指標2/6/2023四、比例極限與彈性極限比例極限：σp是保證材料的彈性變形按正比關系變化的最大應力－－應力與應變在正比關系范圍內的最大應力。

彈性極限：σe是材料由彈性變形過渡到彈塑性變形時的應力。

σp0.01表示規定非比例伸長率0.01％時的應力。比例極限彈性極限2/6/2023五、彈性比功又稱彈性比能或應變比能

ae是材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力。彈性比功的含義就是彈性變形過程中所吸收的引起彈性變形的能量。數值上等于在應力應變曲線中被彈性變形階段的曲線所覆蓋的面積。彈簧鋼2.217MPa(MJm-3)(J=Nm)、磷青銅1.0，鈹青銅1.44、橡膠2、鋁0.1、銅0.003eσeεσεe圖1-10.彈性比功2/6/2023第三節非理想彈性與內耗一、理想彈性材料：①應變與應力的響應是線性的②應力和應變是同相位③應變是應力的單值函數當塑性材料所受的應力低于彈性極限，其力學行為可近似地用虎克定律加以表述。進入彈塑性變形階段，其力學行為需要用彈-塑性變形階段的數學表達式，或稱本構方程加以表述。2/6/2023二、彈性后效對于完整的彈性體，彈性變形與加載速率無關，但對實際的金屬材料而言，彈性變形不僅是應力的函數，而且是時間的函數。ABHaeO圖1-11.彈性后效示意圖應變應力時間bcdAB－正彈性后效eO－反彈性后效定義：彈性應變落后于外加應力，并和時間有關的的現象叫彈性后效（滯彈性）。2/6/2023影響因素材料成分；組織；實驗條件；材料的組織越不均勻，彈性后效越明顯。如鋼淬火或塑性變形后，增加了組織的不均勻性，彈性后效傾向增大。溫度升高，彈性后效速率和變形量都顯著增加。如Zn，拉伸時溫度升高15℃，彈性后效速率增加50％；扭轉時溫度升高10℃，變形量增加1倍。溫度下降，變形量顯著下降，－185℃以下就無法確定彈性后效是否存在。2/6/2023產生彈性后效的原因可能與金屬中點缺陷的移動有關。例如，-Fe中碳處于八面體空隙及等效位置上，施加z方向的拉應力后，x,y軸上的碳原子就會向z軸擴散移動，會使z方向繼續伸長變形(圖1-12），于是就產生了附加的彈性變形。因擴散移動需要時間，故附加應變為滯彈性應變，卸載后z軸多余的碳原子又會回到原來x,y軸上，使滯彈性應變消失。2/6/2023三、包申格效應：

是指金屬材料經預先加載產生少量塑性變形，而后再同向加載，規定殘余伸長應力增加，卸載時降低的現象。所有退火態和高溫回火態金屬均有此效應。包申格效應可使規定殘余伸長應力增加或降低15％～20％。2/6/2023四、內耗（彈性滯后環）

在變形過程中被吸收的功，可用彈性滯后環面積度量。該環表示金屬在加載和卸載的過程中，一部分能量被金屬所吸收，這部分被吸收的能量稱為“金屬的內耗”。如果所加載荷為交變載荷則得到的滯后環為交變滯后環。材料產生內耗的原因與材料微觀組織結構和物理性能的變化有關。（位錯、間隙原子、晶界、磁性的變化等）圖1－19圖1－182/6/2023循環韌性（塑性應變環）的意義：材料的循環韌性越高，則機件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循環韌性對于降低機械噪聲，抑制高速機械振動，防止共振導致疲勞斷裂是非常重要的。飛機螺旋槳、氣輪機葉片需要高δ；而追求音響效果的元件如音叉、簧片等要低δ；灰鑄鐵的δ大，常用來作機床的床身、發動機的缸體和支架等。圖1－20自由振動衰減曲線2/6/2023第四節塑性變形及其性能指標

一、塑性變形方式與特點

材料的塑性變形是微觀結構的相鄰部分產生永久性位移，并不引起材料斷裂的現象。金屬材料常見的塑性變形方式為滑移和孿生。2/6/2023多晶體塑性變形的特點：

（1）各晶粒變形的不同時性和不均勻性（晶粒位向不同）

（2）各晶粒變形的相互協調性（晶界的存在）－－多晶體材料產生屈服的條件。多晶體金屬作為一個連續的整體，不允許各個晶粒在任一滑移系中自由變形，否則就會造成晶界開裂這就要求各晶粒之間能協調變形

（3）產生加工硬化現象和殘余內應力

（4）密度降低、電阻和矯頑力增加，化學活性增大，抗腐蝕性能降低2/6/2023二、屈服現象與屈服強度

低碳鋼黃銅屈服伸長ACσ0.20.2％εσO圖1－31

屈服現象示意圖A－上屈服點C－下屈服點AC－屈服平臺對于沒有明顯屈服點的材料，用人為規定的辦法確定屈服點：0.01％；0.05％；0.2％；

1、屈服現象：材料在拉伸過程中，當應力增加到一定數值，突然下降并在一定數值下保持恒定（或波動），而變形持續增加，由彈性變形轉變為彈塑性變形狀態，這種現象稱為“屈服現象”2/6/2023材料變形速率?－塑性變形應變速率b－柏氏矢量的模－可動位錯密度V－位錯運動平均速率?=bρV··－沿滑移面上的切應力0－位錯以單位速率運動所需的切應力m-應力敏感指數

m值越低，則為使位錯運動速率變化所需的應力變化就越大，屈服現象越明顯。bcc金屬的m值一般小于20，所以具有較明顯的屈服現象；而fcc金屬的m值大于100～200，屈服現象就不太明顯。2/6/20232、屈服強度：材料抵抗起始塑性變形或產生微量塑性變形的能力σs工程意義：

①作為防止因材料過量塑性變形而導致機件失效的設計和選材依據

②σs/σb可以作為金屬冷塑性變形加工的參考依據和緩解應力集中防止脆斷的參考依據。2/6/2023三、影響金屬材料屈服強度的因素（1）晶體結構：

①晶格阻力或派納力②位錯間的交互作用：平行位錯間的交互作用運動位錯與林位錯間的交互作用2/6/2023Hall-Petch公式：i—位錯在基體金屬中運動的總阻力，也稱摩擦阻力，取決于晶體結構和位錯密度；d—晶粒平均直徑；ky—釘扎常數，衡量晶界對強化貢獻的大小。在一定的溫度和應變速率下，i和ky為常數。ky釘扎常數，fcc金屬較bcc金屬低，容易屈服。晶粒越小，屈服強度越高——細晶強化，同時還提高材料韌性，是金屬強韌化的重要手段。（2）晶界與亞結構2/6/2023（3）溶質元素固溶強化：金屬中加入溶質元素，將對金屬產生固溶強化作用，使材料的屈服強度增加。溶質原子與基體原子的直徑不同，引起晶格畸變，形成畸變應力場，使金屬強化。溶質原子對位錯的運動起到了釘扎作用。溶質原子還和基體原子之間產生電學交互作用、化學交互作用以及有序化作用。圖1－342/6/2023

（4）第二相不可變形的非共格相，位錯可以繞過（線張力）這與相鄰質點的間距有關，繞過質點的位錯線在質點周圍留下一個個位錯環，這相當于質點間距減小，屈服強度增大。不可變形的第二相大都是以很小的質點方式存在，其強化可以有兩種類型：（5）溫度：溫度升高，屈服強度降低（6）應變速率與應力狀態

高應變速率時屈服明顯變大2/6/2023四、應變硬化

材料在應力作用下進入塑性變形階段后，隨著變形量的增大，形變應力不斷提高的現象。應變硬化能力在生產實際中具有重要意義：（1）應變硬化可使金屬機件有一定的抗偶然過載能力，保證機件安全。機件在使用過程中，某些薄弱部位會因偶然過載而產生局部的塑性變形，如果金屬沒有應變硬化能力，變形就會一直進行下去，使承載應力越來越高，從而導致斷裂。由于應變硬化能力的存在，會阻止變形繼續進行，從而保證機件的安全運行。2/6/2023（2）應變硬化和塑性變形適當配合，可使金屬進行均勻塑性變形，從而保證冷變形工藝順利實施。金屬的塑性變形是不均勻的，時間上也有先后，由于金屬具有應變硬化能力，哪里有變形，它就在哪里阻止變形的繼續發展，從而使變形轉移到別處去，變形和硬化交替進行就構成了均勻塑性變形，從而獲得合格的冷變形加工的金屬制品。2/6/2023（3）應變硬化是強化金屬的重要工藝手段之一。這種手段既可以單獨使用，也可以和其它方法聯合使用，尤其對那些不能進行熱處理強化的材料。強化手段包括軋制、噴丸、滾壓等。可有效提高屈服強度、抗拉強度、疲勞強度等。2/6/2023（4）應變硬化可以降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性能。低碳鋼切削時易產生粘刀現象，表面加工質量差。此時可利用冷變形降低塑性，使切屑容易脆離，從而改善切削性能。2/6/20232、

應變硬化指數（Hollomon）

S＝Ken

n為應變硬化指數－－直線斜率，K為硬化系數S=(1+ε)σe=ln(1+ε)

n反映了材料抵抗繼續塑性變形的能力。n＝1，表示材料為理想的彈性體。n＝0，表示材料沒有應變硬化能力，大多數金屬的n值在0.1～0.5之間。圖1－382/6/2023抗拉強度：拉伸實驗時，試樣拉斷過程中最大實驗力所對應的應力，成為材料的設計依據。抗拉強度的實際意義：1)塑性金屬材料光滑試樣的實際承載能力。2)變形要求不高的機件的設計依據。3）σb與硬度、疲勞強度等之間有一定的經驗關系。4）材料的重要力學性能指標，易于測定，重復性好。工程上代表材料在拉伸中，斷裂前所能承受最大外力時的應力值。五、抗拉強度2/6/2023延伸率：δ＝△L/L0×100%（斷后伸長率）斷面收縮率：ψ＝(A0－A1)/A0×100%試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大減縮量與原始橫截面積的百分比。為了使同一金屬材料制成的不同尺寸的拉伸試樣得到相同的δ值，要求：六、塑性與塑性指標（一）塑性與塑性指標塑性是指材料斷裂前產生塑性變形的能力。2/6/2023（二）材料塑性的意義：

①避免機件因偶然過載而發生突然破壞

②通過塑性變形消除應力集中

③塑性加工和修復工藝

④冶金質量的評價標準2/6/2023（三）超塑性

材料在一定條件下呈現非常大的伸長率，而不發生縮頸和斷裂的現象（相變超塑性和結構超塑性－純金屬或單相合金）產生條件：

①超細晶粒

②合適的條件，變形溫度≥0.4Tm，應變速率ε≤10－3s－1③應變速率敏感指數較高0.3≤m≤12/6/2023第五節金屬的斷裂——固體材料在力的作用下分成若干部分的現象機件的三大失效形式：磨損、腐蝕、斷裂。其中以斷裂的危害最大。研究斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證構件在服役過程中的安全。力學宏觀微觀正斷切斷韌斷脆斷剪切解理擴展穿晶沿晶一、斷裂的類型及斷口特征2/6/2023（一）韌性斷裂（ductilefracture）和脆性斷裂(brittlefracture)

韌性斷裂是材料斷裂前及斷裂過程中產生明顯塑性變形的斷裂過程（斷口呈灰色、纖維狀）

脆性斷裂是材料斷裂前基本上不產生明顯的宏觀塑性變形的斷裂過程（斷口比較齊平光亮，呈放射狀或結晶狀）淬火鋼、鑄鐵等。脆性斷裂前無明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發生的，因而往往引起嚴重的后果（脆性斷口最危險）。因此，應防止脆性脆斷。2/6/2023

根據斷口上宏觀微觀斷口分析可以真實地了解材料斷裂時裂紋萌生及擴展的起因、經歷及方式，有助于對斷裂的原因、條件及影響因素作出正確判斷。宏觀斷裂形態不一定與微觀斷裂特征完全相符。

中低碳鋼光滑圓柱試樣斷口呈杯錐狀，由纖維區、放射區和剪切唇三部分組成。所謂拉伸斷口三要素。纖維區F放射區R剪切唇S圖1－42拉伸斷口三個區域示意圖2/6/2023（二）穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂的裂紋穿過晶內；沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴展的一種脆性斷裂。穿晶斷裂可以是韌性斷裂也可以是脆性斷裂，而沿晶斷裂則大部分是脆性斷裂。一般由晶界有脆性第二相、夾雜物引起。圖1－452/6/2023沿晶斷裂的原因大致有：①晶界存在連續分布的脆性第二相，②微量有害雜質元素在晶界上偏聚，③由于環境介質的作用損害了晶界，如氫脆、應力腐蝕、應力和高溫的復合作用在晶界造成損傷。鋼的高溫回火脆性是微量有害元素P、Sb、As、Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子間的結合力，從而大大降低了裂紋沿晶界擴展的抗力，導致沿晶斷裂。2/6/2023裂紋擴展有哪些形式？受哪些因素支配？包括穿晶和沿晶。裂紋擴展決定于第二相質點的大小和密度、基體材料的塑性變形的能力和應變硬化指數，以及外加應力的大小和狀態等。應通過細化組織、減少夾雜物數量、改變夾雜物形貌來消除。2/6/2023（三）純剪切斷裂、微孔聚集型斷裂與解理斷裂剪切斷裂和解理斷裂都是穿晶斷裂。前者受剪切力作用是韌性斷裂，后者受正應力作用，屬脆性斷裂。斷裂性質完全不同。也就是說穿晶斷裂既可能是韌性斷裂也可能是脆性斷裂。取決于材料的本性和力的作用方式。剪切斷裂是金屬材料在切應力的作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，其中又分為滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。微孔聚集型斷裂是通過微孔的形核、長大聚合而導致材料分離的。必須指出，微孔聚集斷裂一定有韌窩存在，但在微觀上出現韌窩，其宏觀上不一定就是韌性斷裂。2/6/20231.甄納－斯特羅（Zener－Stroh）（位錯塞積理論）如圖1－47所示，在滑移面上的切應力的作用下，刃型位錯互相靠近，當切應力達到某一臨界值時，塞積群頂端若干個位錯將擠在一起形成一個柏氏矢量為nb、長為r的楔形裂紋或孔洞形位錯，該理論指出，如果塞積群頂端的應力集中不能為塑性變形所松弛，則其最大拉應力f等于理論斷裂強度σm，從而形成裂紋。圖1－47位錯塞積形成裂紋2/6/20232.A.H.Cottrell位錯反應理論該理論是A.H.Cottrell為了解釋晶內解理與bcc晶體（如-Fe）常從（001）面發生解理斷裂而提出的。圖1-50位錯反應形成裂紋如圖1-50所示，在-Fe中，滑移面為(110)，滑移方向為[111]。有兩個相交的滑移面(101)和(10ī)，與解理面(001)相交，三個面的交線為[001]。2/6/2023A.H.Cottrell用能量分析法推導出解理裂紋擴展的臨界條件為：σcnb=2s…………式中：c—外加正應力；n—塞積的位錯數；b—柏氏矢量；即：為了產生解理斷裂，裂紋擴展時外加正應力所作的功必須等于產生新增表面的表面能。2/6/20233.史密斯（Smith）理論（脆性第二相開裂理論）

碳化物開裂臨界有效切應力,γf鐵素體表面能，d晶粒直徑，γc碳化物表面能，E彈性模量，ν泊松比圖1－512/6/2023解理斷口的宏觀形貌是較為平坦的、發亮的結晶狀斷面。解理斷裂是沿特定界面發生的脆性穿晶斷裂，其微觀特征應該是類似于平坦的鏡面。但實際上，解理斷口是由許多相當于晶粒大小的解理面集合而成的，這些解理面稱為解理刻面—解理斷裂是沿一族相互平行的晶面發生的，這組晶面就是解理刻面。進一步研究表明，這些解理刻面也并不是一個單一的平面，而是由一組平行的解理面所組成。解理斷裂實際上是沿一族相互平行的晶面(解理面)解理而引起的。（二）解理斷裂的微觀斷口特征2/6/2023解理斷裂的另一個微觀特征是舌狀花樣；它類似于伸出來的小舌頭，是解理裂紋沿孿晶界擴展而留下的舌狀凸