工程材料力学性能第一章

材料力学性能主讲教师：张晨课程成绩构成本课程为必修考试课程，考试采取笔试。该课程总评成绩由三部分组成：平时成绩占总成绩10％；实验占总成绩20％；卷面成绩占总成绩70％。参考书目《材料的力学性能》郑修麟主编西北工业大学出版社1991;《工程材料的力学性能》姜伟之等编北京航空航天大学出版社1991;《材料性能学》王从曾主编北京工业大学出版社2001;《工程材料的失效分析》美国：查理R.布鲁克斯机械工业出版社2003.Whatwillyoubreakonceyousayit?WhyaregirlsafraidoftheletterC?Silence.Becauseitmakesfatfact!第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一节力－伸长曲线和应力－应变曲线第二节真实应力－应变曲线第三节弹性变形第四节弹性不完整性第五节塑性变形第六节金属的断裂第一节力－伸长曲线和应力－应变曲线§1.1拉伸试样一、单向静拉伸试验特点:1.最广泛使用的力学性能检测手段;2.实验的应力状态、加载速率、试样尺寸、温度等都有规定；3.揭示金属材料常见的力学行为（弹性变形、塑性变形、断裂）；4.可测最基本力学性能指标：强度（σ）、塑性（δ、ψ）、应变硬化、韧性等。二、试验标准《金属拉伸试验方法》老标准GB228-76、GB228-87《金属材料室温拉伸试验方法》新标准GB/T228-2002；试验是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定相应的力学性能。除非另有规定，试验一般在室温10℃－35℃范围内进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为23℃±5℃。三、拉伸试样1、金属拉伸试验试样标准：GB6397-862、与拉伸试样相关的几个概念：标距：测量伸长用的试样圆柱和棱柱部分的长度；原始标距l0：施力前的试样标距；断后标距：试样断裂后的标距。平行长度l：试样两头部或两夹持部分之间平行部分的长度；伸长：试验期间任一时刻原始标距的增量。拉伸试样一般为经机加工的试样和不经机加工的全截面试样,其横截面通常为圆形、矩形、异形以及不经加工的全截面形状。拉伸试样1)圆形试样l0d02)矩形试样l0tb3）异型试样3、拉伸试样的尺寸以光滑圆柱试样为例，可分为：1）比例标距试样短试样：K=5.65或L0=5d0长试样：K=11.3或L0=10d0延伸率分别用δ5、δ10来表示，一般建议采用短试样。2）定标距试样：试样的原始标距L0与原始截面积A0或直径d0之间不存在比例关系。例如L0=100mm或200mm，则延伸率表示为δ100mm或δ200mm。拉伸试样的形状尺寸,一般随金属产品的品种、规格及试验目的之不同而分为圆形，矩形及异型三类。如无特殊要求,应按该表规定选用。4、试样的加工和测量应按照相关产品标准或GB/T2975的要求切取样坯和制备试样；试样原始截面积测定的方法和准确度应符合标准附录A-D的规定。选用合适的量具或测量装置，应根据测量的试样原始尺寸计算原始横截面积，并至少保留四位有效数字。四、拉伸试验设备§1.2力－伸长曲线和工程应力－应变曲线弹性变形不均匀屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀集中塑性变形断裂应力－应变曲线§1.3强度指标及其测定1、比例极限σp应力-应变成正比关系的最大应力σp＝Fp/A02、弹性极限σe弹性极限σe是材料由弹性变形过渡到弹━塑性变形时的应力σe=Fe/A03、屈服极限试验过程中，外力不增加试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值突然下降，随后在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长的现象称为屈服现象。屈服现象是金属材料开始产生宏观塑性变形的标志。材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。屈服点σs：材料在拉伸过程中试验力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力。σs＝Fs/A0上屈服点σsu：试样发生屈服而试验力首次下降前的最大应力。下屈服点σsl：σsu＝Fsu/A0当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时的屈服阶段的最小应力。σsl＝FsL/A0表征金属材料对微量塑性变形的抗力－屈服强度就是用应力表示的屈服点或下屈服点。运用下屈服点的理由：上屈服点σsu波动性很大，对试验条件下变化很敏感而下屈服点σsl再现性较好。4、规定微量塑性伸长应力指标对于多晶体金属材料晶粒具有各向异性各晶粒在外力作用下开始产生塑性变形的不同时性用工程方法很难测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值许多金属材料在拉伸试验时看不到明显的屈服现象因此上述指标一般用试样产生规定的微量塑性伸长时的应力来表征。根据测定方法分为：规定非比例伸长应力，规定残余伸长应力，规定总伸长应力。从这个定义来说，这三个指标都表示材料对微量塑性变形的抗力。规定微量塑性伸长应力指标规定非比例伸长应力σp试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力这种应力是在试样受力的条件下测定的规定残余伸长应力σr试样卸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。常用σr0.2,表示规定残余伸长率为0.2％时的应力。σ0.01称为条件比例极限σ0.2称为屈服强度规定总伸长应力σt试样标距部分的总伸长达到规定原始标距百分比时的应力。常用σt0.5，表示规定总伸长率为0.5%时的应力。5、抗拉强度σb韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力σb的实际意义：1）标志塑性金属材料的实际承载能力，但仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件；2）σb是脆性材料的断裂强度，可作为设计依据；3）σb的高低取决于屈服强度和应变硬化指数；4）σb与布氏硬度、疲劳极限之间有一定的经验关系。σb＝Fb/A0%100%1000001LLLLL%100010AAA§1.4塑性指标1、断后伸长率δ试样拉断后，标距的伸长与原始标矩的百分比2、断面收缩率ψ缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比ψδ形成缩颈，差值越大缩颈越严重；ψ≤δ不形成缩颈。3、最大力下的总伸长率δgt指试样拉至最大力时标距的总伸长与原始标距的百分比。金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。δgt与真是应变eB的关系：eB＝ln(1+δgt)单一拉伸条件下工作的长形零件，缩颈与否均用δ或δgt评定材料塑性；非长形件，拉伸形成缩颈则用ψ做为塑性指标。4、屈服点伸长率δs试样从开始屈服至屈服阶段结束（加工硬化开始）之间标距的伸长与原始标距的百分比。5、最大力下的非比例伸长率δg试样拉至最大试验力时，标距的非比例伸长与原始标距的百分比。第二节真实应力—应变曲线一、条件应力与真实应力条件应力(工程应力)——试样的原始截面积A0除载荷Fσ=F/A0真实应力S——试样的瞬时截面积A除载荷FS=F/A)1()1(0000AAAAAAA1)1(0AFAFS∵A0＞A∴S＞σ同样可推得在均匀塑性变形阶段)1(00000LLLLLLAFLAFSLALA00二、条件应变与真实应变1、条件相对伸长ε（工程应变）和条件相对截面收缩ψ根据均匀塑性变形前后金属体积不变的近似假定，LALA0011)1(0AA)1()1(0000LLLLLLL)1()1(0000LALA1)1)(1(可以推导均匀塑性变形阶段时相对伸长与相对断面收缩间的关系。产生颈缩后，ε=ΔL/L0只能代表试样全长的平均条件相对伸长，而不能代表缩颈处实际的条件相对伸长。后者比前者大得多。根据ε=ψ/(1－ψ)计算出缩颈处实际的条件相对伸长，这个条件相对伸长叫做全伸长，相当于整个试样都拉伸到缩颈处那样细时的条件相对伸长。2、真实相对伸长和真实相对断面收缩llllldle00lnFFeFFFdF00lnellFFe00lnln条件相对伸长不能代表实际的相对伸长，实际相对伸长应该是瞬时伸长dl与瞬时长度L之比的积分值。即：在均匀塑性变形阶段，e与ψe之间的关系由体积不变的假定求得e——真实相对伸长(真实应变)，断裂时的真实相对伸长ek叫真实伸长率。同理：真实的相对断面收缩ψe为：课堂习题：一直径为2.5mm，长为200mm的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为2.2mm。试计算：(1)杆的最终长度；(2)在该载荷作用下的真应力S与真应变e；(3)在该载荷作用下的条件应力σ与条件应变ε。P37思考题与习题2.（2）（3）（5）作业:三、真实应力—应变曲线因为总比σ大，而e比ε小之故。1S1、下图为真实应力应变曲线。2、分三段：1）OP段－直线:S＝Ee符合胡克定律nkeS2）PB段－均匀塑性变形阶段3）BK段－集中塑性变形阶段上弯是由于三向应力造成的，做单向应力处理较条件应力应变曲线向左上方稍有移动。将PBK曲线直线部分向两端延长，简化为虚线所示直线，就可用D=tanα来代表材料的形变强化能力。i.形变强化模数DPB曲线的斜率D＝ds/de称材料的形变强化模数nkeSkkeDeS2.02.0tanii.应变硬化指数n大多数金属材料的PB部分符合Hollomon关系式：n——应变硬化指数(表征均匀变形阶段金属的形变强化能力)。K——硬化系数iii.真实断裂强度Skiv.静力韧度1）韧性与韧度韧性——金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。韧度——度量材料韧性的力学性能指标，又分为静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。2）静力韧度的定义在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功。3）静力韧度的表达式严格的说，静力韧度值应该是真应力-应变曲线下所包围的面积也就是eTSdeU0bTU)(21bsTU工程上用近似计算，对韧性材料静力韧度对于按屈服强度设计而在服役中可能遇到偶然过载的机件是必须考虑的指标。第三节弹性变形一、弹性变形及其特点1、定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。它是金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。2、特点：1）可逆性；2）单值性；3）全程性；4）变形量很小，一般不超过0.5％～1％。二、弹性变形的物理实质原子间相互作用力：4202rArrAFFmax——金属材料在弹性状态下的理论断裂载荷(断裂抗力)。此时，相应的理论弹性变形量rm－r0可达23％。但实际上他们都是理论值。这就是为什么金属实际的弹性变形（小于1%）非常小的原因。这是由于在大的弹性变形没来得及发生时，位错抢先导致塑性变形之故。三、弹性模量1、弹性模量的理论定义弹性变形阶段，大多数金属的应力与应变之间符合胡克定律：拉伸：εy=σy/Eεx=εz=-ν·σy/EE－弹性模量剪切：τ=GγG－切变模量故弹性模量是当应变为一个单位时的弹性应力，即产生100%弹性变形所需的应力。2、材料的刚度E工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值的大小反映金属弹性变形的难易程度。E越大变形越困难。3、构件的刚度AE机器零件或构件的刚度与材料的刚度不同，既与材料刚度有关，还与截面形状、尺寸、载荷方式有关。反映构件产生弹性变形的难易程度。欲提高机器零件的刚度，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。4、弹性模量的影响因素三、弹性模量1）键合方式和原子结构共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模量；分子键结合力较弱，弹性模量较低。2）晶体结构单晶体-弹性各向异性；多晶体-弹性伪各向同性;非晶态－各向同性。3）化学成分材料化学成分变化将引起原子间距和键合方式的变化，因此也将影响材料的弹性模量。但对一般的固溶体合金，在溶解度较小的情况下一般影响不大。如对于常用钢铁材料，合金元素对弹性模量影响不大。4）微观组织对于金属材料，在合金成分不变的情况下，微观组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小对E值无影响。故热处理对弹性模量的影响不大。5）温度温度升高，E值降低。但在室温附近，E值变化不大，可以不考虑温度的影响。6）冷塑性变形－使E值稍有降低7）加载条件和负