材料力学性能-单智伟讲义-第3讲-材料的拉伸与压缩性能

关于每周作业：请各班学习委员将作业收齐后，于每周三上课前统一交给助教老师。姓名职称办公室办公时间电子邮件负责班级单智伟教师强度楼308F：16:00-17:[e-mail]所有牛靖高工焊接所204W:16:00-17:[e-mail]所有韩卫忠教师强度楼303M:16:00-17:00W:16:00-17:[e-mail]01王章洁教师强度楼307M:16:00-17:00W:16:00-17:[e-mail]02宁晓辉教师强度楼304M:16:00-17:00W:16:00-17:[e-mail]03,04温故而知新：•力，位移，刚度•应力，应变•杨氏模量，起源，影响因素•剪切模量，体弹性模量•弹性的定义，各种弹性3第3章:材料的拉伸与压缩性能MATL3017:材料力学性能主讲：单智伟本章要点：通过本章的学习，你将掌握或了解以下内容：2.1材料的拉伸性能•材料塑性的重要指标及其意义，包括：屈服强度，抗拉强度，延伸率，断面收缩率。2.2材料的压缩性能•压缩测试的特性•包辛格效应•最新科研进展：逼近非晶的理论强度材料的拉伸性能拉伸实验是最简单也是最重要的力学性能实验方法。定义：通过拉伸实验所测定的材料的性能指标统称为拉伸性能。应用：根据拉伸性能可预测材料的其它力学性能，如抗疲劳、断裂性能等。在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据。拉伸样品的制备及测试要求截面形状中国美国英国德国10、54.55.6511.34.05.010.0测试条件：准静态（应变速率~10-3/S)，室温，大气环境下L0D0高塑性材料的拉伸性能屈服强度应变硬化抗拉强度颈缩断裂材料的屈服强度典型的非铁合金的应力应变曲线1.第一根位错的运动2.比例极限3.弹性极限4.平移处理的屈服强度铸铁拉伸应力应变曲线右图为铸铁拉伸的应力应变曲线。由图可以看出，应力应变曲线中无直线部分，铸铁拉伸时无屈服现象和颈缩现象，试件在断裂时无明显的塑性变形，断开平齐，强度极限较低。例如灰铸铁的强度极限约为205MPa。材料的屈服强度0.5影响材料屈服强度因素内在因素原子价键组织结构外在因素温度应变速率应力状态金属键共价键离子键范德瓦尔键中强弱金属材料陶瓷材料半导体材料高分子材料固溶强化沉淀和弥散强化细晶强化应变强化压力容器钢Margolinetal,IJPCP,1998温度降低，强度上升体心材料对应变速率尤其敏感拉，压，弯曲，扭转等屈服强度的工程意义工程应力与工程应变曲线脆性材料：没问题金属材料：低估材料的真应力，尤其是当应变越来越大时。真应力与真应变曲线真应力定义为：工程应力应变曲线和真应力应变曲线颈缩特点：•小应变条件下，工程和真二者差别不大•真可正确反映应变的变化趋势，尤其是在压缩试验中。如原始长度为L0，拉伸至2L0或压缩至1/2L0，其对应的真应变均为ln2.而工程应变则分别为100%和-50%。•真可以叠加。假定均匀变形的前提下：工程应变和真应变之间的关系测试顺序试样长度（毫米）试样长度变化工程应变真应变051611/5=0.2Ln6/5=0.1822711/6=0.167Ln7/6=0.1543811/7=0.143Ln8/7=0.134累计应变0.510.47•真可以叠加。工程应变真应变工程应变总大于真应变应变硬化或加工硬化是指材料的流变应力随应变的增加而增加的现象。屈服强度应变硬化抗拉强度颈缩断裂常数K依赖于材料结构并受到材料工艺流程的影响。n通常在0.2~0.5之间。加工硬化指数n在工程上的意义n=1,理想弹性体n=0,理想塑性体应变硬化指数n反映了材料开始屈服后，继续变形时材料的应变硬化能力。通常n愈大，其抵抗局部变形的能力就越强，材料就越能发生均匀变形。对冷加工成型工艺非常重要！应变硬化可用来提高材料的强度。如不锈钢，其n=0.5,冷变形可使其强度成倍提高，但会损失塑性。铁素体+~15%马氏体的双相钢可通过形变同时提高其强度和塑性。应力低应变应力应变奥氏体含量最佳高物理意义不明：与位错芯结构和层错能有关。层错能低，n就大。物理意义不明：与位错芯结构和层错能有关。层错能低，n就大。应变强化指数的物理意义颈缩和抗拉强度屈服强度应变硬化抗拉强度颈缩断裂抗拉强度：材料在拉伸条件下均匀变形时所能经受的最大应力，是材料在静拉伸条件下的最大承载力。注意：出现颈缩后，材料的局部受力状态从单轴拉伸变成三向拉伸。颈缩后的应力分析该图给出了有效应力与轴向应力比值随a/R的变化趋势。度量塑性的指标-断面收缩率和延伸率均匀伸长区颈缩区度量塑性的指标-延伸率断面延伸率和延伸率之间的关系塑性的实际意义：静力韧度材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。适用于测试脆性材料，如铸铁，轴承合金，水泥和砖石等。材料的压缩性能郑修麟，材料的力学性能，第35页Dowling,MechanicalbehaviorofMaterials,3rdedition,page136-137材料的压缩性能郑修麟，材料的力学性能，第35页郑修麟，材料的力学性能，第36页材料的拉压不对称性1．塑性材料在断裂时有明显的塑性变形；而脆性材料在断裂时变形很小。2．塑性材料在拉伸和压缩时的弹性极限、屈服极限和弹性模量都相同，它的抗拉和抗压强度相同。而脆性材料的抗压强度远高于抗拉强度。因此，脆性材料通常用来制造受压零件。应当注意，把材料划分成塑性和脆性两类是相对的，有条件的。随着温度、外力情况等条件的变化，材料的机械性能也会发生变化。包辛格(Baushinger)效应材料经过预变形后，反向加载使得屈服强度降低甚至到零的现象。JohannBauschingerBorn:1834inNurembergDead:1893inMunichHewasamathematician,builder,andprofessorofEngineeringMechanicsatMunichPolytechnicfrom1868untilhisdeath.34-59TheBauschingereffectinmaterialsscienceisnamedafterhim.HewasalsothefatherofastronomerJuliusBauschinger(1860–1934)包辛格(Baushinger)第三讲作业：•阅读：1.8聚合物的静强度,1.9陶瓷材料的静强度•什么是包申格效应？产生包申格效应的微观机制是什么？哪些金属材料中的包申格效应比较显著？为什么？请列举一种测量包申格效应中背应力大小的方法。（韩卫忠老师）•金属材料的屈服强度和抗拉强度是评价金属材料力学性能的重要指标。请分别讲讲屈服强度和抗拉强度的定义及影响因素，并谈谈你对屈服强度和抗拉强度之间关系的理解。（宁晓辉老师）第三讲作业：金属非晶弹性极限逼近金属玻璃的弹性极限最新科研进展：1Telford,M.Thecaseforbulkmetallicglass.Mater.Today7,36–43(2004).Ceiling？ThesuperiorStrengthandelasticstrainlimitofMGs0101yY23(/)=0.11=0.09/(1n)0.0810.066mYCCgCCygTTTTAtT=300K,andtakingTg=~730K,=0.36,E=82Gpa,theidealyofthisMGispredictedtobe4.5%TheoreticalpredictionofidealelasticstrainlimitCheng,Y.Q.&Ma,E.ACTAMATER.59,1800-1807,(2011).Greer,J.R.&Nix,W.D.PRB73,2454102006Wechoosetoexamine200-300nmsamplesApproachingtheidealstrengthinnanoscalegoldpillarsJang,D.C.&Greer,J.R.NATUREMATERIALS9,215-219,(2010).Volkert,C.A.,Donohue,A.&Spaepen,F.JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS103,083539,(2008).Deformationmechanismchangeinsizerange100nmTensiletestisintrinsicallyamuchmorestandardandinformativemethodtorevealfundamentaldeformationpropertiessuchaselasticityandductility.•Aimingat:•In-situ,highresolution:TEM•Quantitative:Precisestrain•Standardsample:freestanding,geometry•ModulusofElasticity,YieldStrength,UltimateTensileStrength,Strain,Enlongation•……Jang,D.,Gross,C.T.&Greer,J.R..Int.J.Plasticity(2010)•Taperintheheightdirectionofthepillar•Contactinterface,frictionpossibleshearbandnucleationnearthepillartopassistedbythefrictionalstressfield.ArtifactsinCompressionTestTensiletestnotcompressivetestCoarsepositioning3DMechanicalcontrolFinepositioning3DPiezocontrolApplyingloadandsensing1DTransducerCCDCameraSchematicforquantitativetensiletestinaTEMwithHysitronPicoIndenterTensiondirectione-WidthHeightThicknessExperimentsetupSamplegeometry39SamplegeometryFEAsimulationbycourtesyofMs.MengLi,Mr.DegangXieandPengmingCheng40Alignment:TopviewWidthHeightThickness41Alignment:SideviewWidthHeightThickness42Alignment:FrontviewWidthHeightThickness43StressandstrainLoad=ASensedbytransducer00ttllltlInstantaneouslengthismeasuredinrecordedvideoSamplewitheffectivediameterof220nmStrainrecovered:4.4%Multipleloadingunloadingtestforsamplewitheffectivediameterof300n