材料力学第一章—金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

江苏科技大学材料科学与工程学院金属单向静拉伸性能内容§1拉伸应力—应变曲线§2弹性变形胡克定律、弹性模量、弹性比功滞弹性、包申格效应§3塑性变形塑性变形方式、屈服应变硬化§4金属的断裂断裂类型断裂强度2§1拉伸应力—应变曲线1.1单向拉伸试验最常用的金属力学性能试验方法。GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法3§1.1拉伸力—(绝对)伸长曲线定义：记录拉伸实验中力与伸长量的关系曲线。ACBke∆LFFe1、弹性变形阶段：e以下2、A-C：屈服阶段，不均匀屈服塑性变形3、C-B：均匀塑性变形阶段4、B-k：颈缩阶段(不均匀集中塑性变形阶段）FFA0L04§1.2应力—应变曲线0FA0LL应力―载荷除以试件的原始截面积即得工程应力，σ应变—伸长量除以原始标距长度即得工程应变，εksbSs真应力-应变曲线（工程应用）应力-应变5§1.3室温下几种典型的拉伸曲线s=0.2sb玻璃陶瓷灰铸铁淬火高碳钢铜合金正火退火碳素结构钢低合金结构钢高锰钢高碳钢冷拔钢丝经硬化的材料调质钢黄铜、铝合金6ACBkeεσ§2弹性变形e1、弹性变形阶段：e以下2、A-C：屈服阶段，不均匀屈服塑性变形3、C-B：均匀塑性变形阶段4、B-k：颈缩阶段(不均匀集中塑性变形阶段）7（工程）应力-应变曲线§2弹性变形—定义8材料受外力作用发生尺寸和形状变化，称为变形。外力去除后随之消失的变形为弹性变形，剩余的（久性的）变形为塑性变形。§2.1弹性变形理论—双原子模型2024FAArrr假定有两个原子，N1与N2，原子之间存在长程的吸引力和短程的排斥力，外力F作用下原子间距r发生变化，则原子间作用力也发变化。式中，式中第一项为引力，第二项为斥力。A是与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数。引力斥力合力N2N1r9金属弹性变形理论物理机制：外力致使处于平衡位置的原子位移，在宏观上就是所谓弹性变形。外力去除后，原子复位，位移消失，宏观弹性变形消失。10§2.2胡克定律虎克定律：材料在弹性变形时，应变与应力成正比。(一)简单应力状态的胡克定律1．单向拉伸EyyEyyzx——E弹性模量泊松比，材料受拉伸或压缩横向正应变与轴向正应变的绝对时值的比值11胡克定律2.剪切和扭转3.E、G和ν的关系G)1(2EGG—切应力—切变模量—切应变m轴键齿轮12胡克定律（二）广义胡克定律实际机件受力状态比较复杂，应力往往两向或者三向。xyzzzyzxxzxxyyzyxy)]([1)]([1)]([1213313223211EEE式中、、——主应力；、、——主应变。132123如果主应力中有压应力时，其前方应冠以负号。求得的应变为正号时表示伸长，负号则为缩短。13§2.3金属弹性变形特征实质是外力作用下晶格中原子自平衡位置发生位移的结果加载卸载期内，应力与应变之间保持单值线性关系；弹性变形是可逆的变形量小，不超过0.5%~1%变形速度快14电子显微镜首次拍摄到的氢化钒§2.4弹性模量E金属在弹性变形时，应变与应力成正比，比例常数即为弹性模量，E。弹性模量是产生100％弹性变形所需的应力。这个定义对金属而言是没有任何意义的，因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。刚度表征构件对弹性变形的抗力。其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。E15QEA弹性模量的特点（1）弹性模量是一个表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。因此，弹性模量也和其他的物理量如熔点、汽化热等一样，与原子键合方式、晶体结构关系密切。除了过渡族金属外，一般地讲，弹性模量E随原子半径增大而减小，亦即随原子间距的增大而减小。过渡族金属的弹性模量较大，。（2）合金化、热处理、冷塑变形对弹性模量的影响较小，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。（3）一般地，加载速率并不影响弹性性能，因为固体的弹性变形以介质中的声速传播。因此，金属的弹性变形速度很快，远远超过一般的加载速率。（4）单晶各向异性，由大量随机取向的晶粒组成的多晶体，其弹性性能却显示出各向同性。16几种金属材料在常温下的弹性模量金属材料E/105MPa结合键铁2.17金属铜1.25金属铝0.72金属低碳钢2.0金属铸铁1.7~1.9金属低合金钢2.0~2.1金属奥氏体不锈钢1.9~2.0金属金刚石11.4共价键聚乙烯0.002范德华力17§2.5弹性比功指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，它标志着单位体积材料所吸收的最大弹性变形功，是一个韧性指标。e0εeεeee12式中——弹性比功；——弹性极限；——最大弹性应变。eee18弹性极限2eeee122E因弹性模量E是对组织不敏感的常数指标，故需提高材料的弹性极限σe才能提高弹性比功αe。弹性极限由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。超过弹性极限，开始发生塑性变形。e=Fe/A0定义残余变形为0.01%时对应的应力为规定弹性极限σe。此时的弹性极限表示材料对微量塑性变形的抗力，是对组织敏感的力学性能指标。19弹簧材料的弹性比功弹簧的分类：硬弹簧：弹簧钢制造，通过合金化、热处理和冷加工，提高其弹性极限的方法来增大弹性比功。软弹簧（仪表弹簧）：磷青铜或铍青铜制作，具有较高的弹性极限和较小的弹性模量，因而弹性比功也较大。20第二种故障主要是材料的弹性极限偏低所致。改进措施：（1）更换弹性极限高的材料（2）对材料进行适当热处理。思考题某汽车弹簧，在未装满载时已变形到最大位置，缺载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。第一种故障主要是材料的刚度不足，抵抗弹性变形能力不够。改进措施：（1）更换弹性模量E高的材料（2）改变材料的截面形状尺寸。e比较弹性模量与弹性极限21§2.6滞弹性实际金属材料，即使在弹性变形范围内，应变与应力也不呈严格的即时对应关系。应变不仅与应力有关，还与时间有关，应变落后于应力。较长时间保持载荷突然加载这种在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象，称为滞弹性。22原因和危害对于多晶体金属材料，滞弹性与各晶粒中应变不均一性有关。经淬火或塑性变形的钢材料的成分和组织不均匀、应力作用下金属中点缺陷的产生、移动。测试温度、载荷频率越高滞弹性越明显。应力状态对滞弹性有强烈的影响：切应力分量愈大，愈明显危害仪表和精密机械仪表精度不足甚至无法使用。制造业中构件的形状稳定性（校直的工件会发生弯曲）。减少弹性后效的办法是长时间回火。2324气压计工作原理示意图循环韧性在弹性范围内对金属快速加载，卸载时应变落后于应力，引起弹性滞后。因此，加载和卸载时的应力—应变线不重合，形成一封闭的回线，称为弹性滞后环。由于弹性滞后，加载时金属所吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即有一部分变形能不可逆地为金属所吸收，其数值可用弹性滞后环的面积来量度。这种在交变载荷下吸收不可逆变形工的能力，称为金属的循环韧性。25循环韧性的应用循环韧性是材料靠自身来消除机械振动的能力（即消振性的好坏），所以在生产上是一个重要的机械性能指标，具有很重要的意义。循环韧性的应用：（1）减振材料（机床床身、缸体等），Cr13系列钢和灰铸铁的循环韧性大，是很好的消振材料。（2）乐器（音响效果元件音叉、簧片、钟等），希望声音持久不衰，即振动的延续时间长久，则必须使循环韧性尽可能小。262728与普通AFM探针相比，新奈材料提供的碳纳米管AFM探针具有分辨率高，使用寿命长以及可以提高垂直方向探测深度等优点这种悬臂大小在数十至数百微米，通常由硅或者氮化硅构成，其上载有探针，探针之尖端的曲率半径则在纳米量级弹性系数为0.06-0.58N/m§2.7包申格效应定义：经过预先加载产生微量塑性变形（残余应变小于4％），然后再同向加载，其弹性极限升高；反向加载变形则其弹性极限降低的现象。124.00ε328.7217.848.52´30.129包申格效应敏感材料：退火或高温回火的金属或合金。敏感工况：组织不均匀、晶体内残存应力或者加载速度很快的时候产生原因：预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同向加载，位错运动受阻；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易。30包申格效应的意义如果金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重分布，则在随后反向加载时，包申格应变等于零。用处：（1）包申格效应对于承受应变疲劳载荷作用的机件在应变疲劳过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑性变形抗力(规定残余伸长应力)降低，显示循环软化现象。（2）对于预先经受冷塑性变形的材料，如服役时受反向力作用，就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况。（3）利用包申格效应，如薄板反向弯曲成型。拉拨的钢棒经过轧辊压制变直等。消除包申格效应的方法是:预先进行较大的塑性变形，或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火，如钢在400～500℃以上，铜合金在250～270℃以上退火。31§3塑性变形ACBkeεσ1、弹性变形阶段：e以下2、A-C：屈服阶段，不均匀屈服塑性变形3、C-B：均匀塑性变形阶段4、B-k：颈缩阶段(不均匀集中塑性变形阶段）32§3塑性变形33§3.1塑性变形的方式与特点塑性变形：外力移去后不能恢复的变形；塑性：材料经受此种变形而不破坏的能力。δ－延伸率，ψ－断面收缩率。δ%≥100%，常称为超塑性。塑性变形和形变强化是金属材料区别于其它工业材料的重要特征。陶瓷材料在高温下也具有一定的塑性变形能力。34塑性变形物理过程塑性变形的方式：滑移：在形变温度不低的情况下产生于滑移系多的晶系，对变形量的贡献大(90%)；孪生：产生于滑移系少的晶系，且须冲击应力(来不及传递开)、温度较低等条件下才发生，对变形量的贡献小；扩散蠕变和晶界滑动只在高温时才起作用；35§3.1.1滑移滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的滑移面和滑移方向（滑移系）产生相对位移。ττc当作用在滑移面上沿着滑移方向的分切应力达到某一临界值τc时，晶体开始滑移。τ=µ⋅σ=τcµ是取向因子或Schmid因子。τc为临界分切应力。36实际测得晶体滑移的临界分切应力值比理论计算值低3～4个数量级，理论和实验研究的结果证明，滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的；凡是影响位错增殖和运动的各种因素都要影响材料的临界分切应力。位错的滑移37晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方{111}×4110×312Cu,Al,Ni,Au{110}×6×212Fe,W,Mo体心立方{121}×12111×112Fe,W{123}×24×124Fe{0001}×1×33Mg,Zn,Ti{1010}11203Mg,Zr,Ti{1011}6Mg,Ti密排六方最密排面最密排方向金属的位错滑移系38金属材料的塑性差异Fcc的τc值比BCC低一个数量级391、塑性变形时，晶体中固有滑移系并不同时开动，只有滑移系上的分切应力达到临界值才会滑移。2、对于体心立方晶体，其塑性变形主要由螺位错的运动决定，面心立方晶体由刃位错决定，在相同应力下，螺位错运动速度比刃位错慢很多。这是因为螺位错是非平面位错芯结构，具有很高的点阵阻力。为什么面心立方的金属比体心立方的塑性好？§3.1.2孪生孪生变形：在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，晶体变形后两部分呈镜像对称（孪晶）。对称性低、滑移系少的晶体容易发生孪生变形。孪生可提供的变形量有限，如镉孪生变形只提供约7.4%的变形量，而滑移变形量可达300%。但是孪生可以改变晶体取向，以便启动新的滑移系统，或者使难于滑移的