金属材料力学性能第一章-单向静拉伸

第一章材料的拉伸性能第一节应力-应变曲线图1-1拉伸试样0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.0FbFkFsFpFeLoadF/KN图1-2低碳钢的拉伸图一、力-伸长曲线（F-ΔL曲线）DistanceΔL/mm图1-3低碳钢的工程应力一应变曲线0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.0truestrain-stresslinePbPmStress/MPaStrain二、工程应力一应变曲线弹性变形阶段塑性变形阶段断裂阶段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工程应力――载荷除以试件的原始截面积即得工程应力，σ=F／A0工程应变――伸长量除以原始标距长度即得工程应变ε，ε=ΔL／L0真应力――载荷除以试件的瞬时截面积即得真应力，S=F／A真应变――瞬时伸长量除以瞬时标距长度即得真应变e，de=dL／L三、真应力与真应变三、真应力、真应变与工程应力、工程应变之间的关系：)1ln(ln0LLLdLe)1()1(0000AAAAAAA1)1(0AFAFS三、典型的拉伸曲线1、材料分类：脆性材料：在拉伸断裂前不产生塑性变形,只发生弹性变形塑性材料：在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形。2、典型的拉伸曲线s=0.2sbεεεεεε一概念及实质：1.概念：金属在外力作用下的可逆性变形。即金属在一定外力作用下，产生变形，这种变形在外力去除时随即消失而恢复原状。2.特性：1）可逆性：外力去除时，变形消失，恢复原状。2）单值线性关系：应力与应变呈单值线性关系。（OE段）3）弹性变形量比较小，一般小于1%。3.实质：金属材料弹性变形是其晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。第二节弹性变形弹性变形涉及构件刚度——构件抵抗弹性变形的能力。与两个因素相关：构件的几何尺寸材料弹性模量塑性变形的不同工程要求：加工过程中降低塑变抗力服役过程中提高塑变抗力1、固体中一点的应力应变状态xyzzzzyzxxzxxxyyzyxyy正应力：x、y、z正应变：x、y、z切应力：xy、yz、zx切应变：xy、yz、zx二、受力分析2广义虎克定律x=[x-(y+z)]/Ey=[y-(z+x)]/Ez=[z-(x+y)]/Exy=xy/Gyz=yz/Gzx=zx/G(2–3)单向拉伸时：x=x/E，y=z=-/E1弹性模量E:单纯弹性变形过程中应力与应变的比值。E三、力学性能指标2弹性极限1）条件比例极限p：规定非比例伸长应力。2）条件弹性极限e：规定残余伸长应力。3、弹性比功We（弹性应变能密度）材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功。e0εeεWe=eεe/2=e2/(2E)制造弹簧的材料要求高的弹性比功：（e大，E小）1、滞弹性(弹性滞后)----在弹性范围内快速加载或卸载后,随时间延长产生附加弹永生应变的现象。四弹性不完整性加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回线------弹性滞后环0ε0ε3、内耗Q-1-----弹性滞后使加载时材料吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即部分能量被材料吸收。（弹性滞后环的面积）工程上对材料内耗应加以考虑4、包申格效应（概念、机理、、应用、消除措施）金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变约为1%~4%），卸载后再同向加载则规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。0ε124.0217.8328.748.52´30.1第三节塑性变形1、单晶体塑性变形的主要方式滑移和孪生2、多晶体塑性变形的特征1）塑性变形的非同时性和非均匀性材料表面优先与切应力取向最佳的滑移系优先一、方式及特点：2）各晶粒塑性变形的相互制约与协调晶粒间塑性变形的相互制约晶粒间塑性变形的相互协调晶粒内不同滑移系滑移的相互协调二屈服现象与屈服强度屈服现象：金属材料在拉伸试验过程中，外力不增加试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形的现象。屈服强度s：对于拉伸曲线上有明显的屈服平台的材料，塑性变形硬化不连续，屈服平台所对应的应力即为屈服强度，记为ss=Fs/A0对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形硬化过程是连续的，此时将屈服强度定义为产生0.2%残余伸长时的应力，记为σ0.2s=σ0.2=F0.2/A0抗拉强度b：定义为试件断裂前所能承受的最大工程应力，以前称为强度极限。取拉伸图上的最大载荷，即对应于b点的载荷除以试件的原始截面积，即得抗拉强度之值，记为σbσb=Pmax／A0延伸率：材料的塑性常用延伸率表示。测定方法如下：拉伸试验前测定试件的标距L0，拉伸断裂后测得标距为Lk，然而按下式算出延伸率%10000LLLK断面收缩率ψ：断面收缩率ψ是评定材料塑性的主要指标。%10000AAAK2、屈服现象的解释位错增值理论：柯氏气团概念：溶质原子、杂质、位错和外力的交互作用έ=b=(/0)m材料塑性应变速率έ、可动位错密度、位错运动速率、柏氏矢量b、滑移面上切应力、位错产生单位滑移速度所需应力0、应力敏感系数m3、屈服强度和条件屈服强度s=sL0.20.010.0010.54、影响屈服强度的因素s金属的屈服强度与使位错开动的临界分切应力相关，其值由位错运动的所受的各种阻力决定。A、点阵阻力：派—纳力1322exp12bWGnp1）内因B、位错交互作用阻力152Gb剧烈冷变形位错密度增加4-5个数量级----形变强化！C、晶界阻力----Hall—Petch公式：1620dks细晶强化D、固溶强化溶质原子与位错的：弹性交互作用电化学作用化学作用几何作用间隙固溶体的强化效果比置换固溶体的大！E、第二项强化聚合型：局部塑性约束导强化弥散型：质点周围形成应力场对位错运动产生阻碍----位错弯曲rGb22）外因A、温度：一般，升高温度，降低屈服强度A、温度：一般，升高温度，降低屈服强度B、应变速率：加大应变速率，等同降低温度。C、应力状态：切应力分量越大，越有利于发生塑性变形，屈服强度越低。三应变硬化（形变强化）1、形变强化指数：nHollomon方程：S=Ken描述了产生塑性变形后的真应力~应变曲线材料的n值与屈服强度近似成反比如低碳钢和低合金高强度钢：n=70/s2、形变强化容量：eb3、形变强化技术意义变形均匀化抗偶然过载能力生产上强化材料的重要手段四、缩颈现象1.概念：缩颈是韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象，是应变硬化和截面减小共同作用的结果。B点：最大力点局部塑性变形开始点拉伸失稳点塑性失稳点。2缩颈判据dF=01)dF=Ads+SdA=0所以dA/A=-dS/SAdS0，应变硬化使承载能力增加，SdA0，截面收缩使承载能力下降。2）塑性变形体积不变dV=0dA/A=-dL/LS=dS/deneknekededSSBknededSkeSbnbnbnn11:所以点五、塑性1概念：金属材料断裂前发生塑性变形的能力2塑性指标：1）断后伸长率：试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。000001001%100LAALLLLLLL集中变形伸长均匀伸长2）断面收缩率ψ：断面收缩率ψ是评定材料塑性的主要指标。%10000AAAk形成缩颈不形成缩颈，，3）断后伸长率与断面收缩率之间关系：单一拉伸条件下工作的长形零件，选用δ评定材料塑性；非长形件，且发生缩颈，选用ψ评定材料塑性。例题：光滑圆柱形拉伸试样，直径为10mm，标距长30mm，进行拉伸试验断裂时标距长37mm，求下列两种情况下的延伸率和截面收缩率。1）没有发生颈缩；2）发生颈缩，断面直径为8mm。%36)108(1)(1%33.23307)2%92.1837711)(1%33.23307)12200002000ddAAAAALLLLddAAAAALL3塑性意义：*安全性能指标*金属压力加工重要影响因素*评定材料质量4）最大力下总伸长率gt)1ln()1ln(gtBneen4脆性材料的拉伸力学行为脆性材料在拉伸载荷下的力学行为可用虎克定律来描述。在弹性变形阶段，应力与应变成正比，即=E·e无机玻璃、陶瓷以及一些处于低温下的脆性金属材料，在拉伸断裂前只发生弹性变形，而不发生塑性变形，其拉伸曲线如图1-3(a)所示。在拉伸时，试件发生轴向伸长，也同时发生横向收缩。将纵向应变el与横(径)向应变er之负比值表示为υ，即υ=-er/el，υ称为波桑比(Poisson’sratio),它也是材料的弹性常数。脆性材料在拉伸载荷下的力学性能可用两个力学参数表征：即弹性模量和脆性断裂强度。5塑性材料的拉伸力学行为当塑性材料所受的应力低于弹性极限，其力学行为可近似地用虎克定律加以表述。当材料所受的应力高于弹性极限，虎克定律不再适用。此时，材料的变形既有弹性变形又有塑性变形，进入弹塑性变形阶段，其力学行为需要用弹-塑性变形阶段的数学表达式，或称本构方程加以表述。六、静力韧度：1分类：静力韧度冲击韧度断裂韧度2概念：韧性：金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力；韧度：度量材料韧性的力学性能指标。静力韧度：静拉伸时试样断裂前单位体积材料所吸收的功。为S-e曲线下所包围的面积。4.1前言断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。第四节金属的断裂断裂分类：塑性变形量韧性断裂（ductilefracture）脆性断裂(brittlefracture)裂纹扩展路线穿晶断裂沿晶断裂断裂的微观机制解理断裂微孔聚合型的延性断裂纯剪切断裂引发断裂的缘因正断和断裂面的取向切断正断是由正应力引起的，断裂面与最大主应力方向垂直；切断是由切应力引起的，断裂面在最大切应力作用面内，而与最大主应力方向呈450。本章讨论在室温、单向加载时的金属的断裂，按脆性断裂和延性断裂分别进行论述，包括断裂过程与微观机制，断裂的基本理论以及韧—脆转化。4.2韧性断裂与脆性断裂1韧性（延性）断裂断口特征三要素：纤维区：裂纹首先在该区域形成，该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，如山脊状，这表明裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；放射区：表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹，裂纹在该区扩展较快；剪切唇：接近试样边缘时，应力状态改变了（平面应力状态），最后沿着与拉力轴向成40-50°剪切断裂，表面粗糙发深灰色。2脆性断裂脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。断裂呈“人”字形花样，“人”字的尖端指向裂纹源脆性断口韧性断口4.3穿晶、沿晶断裂穿晶断裂：多晶体金属断裂时裂纹穿过晶内的断裂。可为韧性断裂、也可为脆性断裂沿晶断裂：多晶体金属断裂时裂纹沿晶界的断裂。多为脆性断裂。断品形貌：冰糖状、晶粒状。图5-9沿晶断裂的断口形貌•沿晶断裂原因：①晶界存在连续分布的脆性第二相；②微量有害杂质元素在晶界上偏聚；③由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。•钢的高温回火脆性：微量元素晶界偏聚：P,Sb,As,Sn等。•纯剪切断裂：应变强化指数低产生剪切裂开。原因：这是因为应变强化阻碍已滑移区的进一步滑移，使滑移均匀，不易产生局部的剪切变形。此外,多向拉应力促使材料处