材料力学性能

第一章材料在单向静拉伸载荷下的力学性能材料力学性能材料加工工程系周亮CompanyLogo、拉伸试验方法一般采用圆形或板形二种试样。可分为三个部分，即工作部分、过渡部分和夹持部分。其中工作部分必须表面光滑，以保证材料表面也是单向拉伸状态；过渡部分必须有适当的台阶和圆角，以降低应力集中，避免该处变形和断裂；夹持部分是与试验机夹头连接的部分，以定位试样。常用的拉伸试样几何试样长度要求：005dl0010dl或试样加载速率：s/101CompanyLogo、拉伸试验方法常用的拉伸试样几何CompanyLogo拉伸力-拉伸曲线：由拉伸试验机自动记录或绘图装置，将作用在试样上的力和所引起的伸长自动记录绘出的力-伸长曲线。应力-应变曲线：由拉伸曲线经换算可以得相应的到工程应力-工程应变曲线。低碳钢典型的应力-应变曲线2、拉伸曲线1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线CompanyLogo低碳钢典型的应力-应变曲线弹性变形阶段：曲线的起始部分，图中的oa段。多数情况下呈直线形式，符合虎克定律。屈服阶段：超出弹性变形范围之后，有的材料在塑性变形初期产生明显的塑性流动。此时，在外力不增加或增加很小或略有降低的情况下，变形继续产生，拉伸图上出现平台或呈锯齿状，如图中的ab段。1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线CompanyLogo低碳钢典型的应力-应变曲线均匀塑性变形阶段：屈服后，欲继续变形，必须不断增加载荷，此阶段的变形是均匀的，直到曲线达到最高点，均匀变形结束，如图中的bc段。形变硬化：随塑性变形增大，变形抗力不断增加的现象。不均匀塑性变形阶段：从试样承受的最大应力点开始直到断裂点为止，如图中的cd段。在此阶段，随变形增大，载荷不断下降，产生大量不均匀变形，且集中在颈缩处，最后载荷达到断裂载荷时，试样断裂。1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线CompanyLogo、应力-应变曲线的类型（a）弹性-弹塑性-塑性型：工程上的调质钢和一些轻合金具有此类行为。加工硬化1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线CompanyLogo典型的应力-应变曲线（b）弹性-不均与塑性-均匀塑性型：与前者不同在于出现了明显的屈服点aa′，有时呈屈服平台状，有时呈齿状。应变约1%~3%。退火低碳钢和某些有色金属具有此行为。1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线3、应力-应变曲线的类型CompanyLogo典型的应力-应变曲线（c）弹性-均匀塑性型：未出现颈缩前的均匀变形过程中发生断裂。主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物具有此种曲线。1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线3、应力-应变曲线的类型CompanyLogo典型的应力-应变曲线（d）弹性-不均匀塑性型：形变强化过程中出现多次局部失稳，其塑性变形方式通常是孪生而不是滑移。当孪生速率超过试验机夹头运动速度时，载荷会突然松弛而呈现锯齿形的曲线。某些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金具有此行为。1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线3、应力-应变曲线的类型CompanyLogo、真应力-应变曲线定义：；式中：F——外加载荷；S——试样瞬间截面积；l0——试样原始标距长度；l——试样瞬间标距长度。注：①相对而言，曲线较曲线真实。②在小应变范围内，二者区别很小，可以不区分，且曲线更方便。FS真0lnll真真真CompanyLogo弹性变形材料受外力作用发生尺寸和形状的变化，成为变形。外力去除后，随之消失的变形为弹性变形，剩余的变形为塑性变形。Hooke定律：金属弹性变形时，外力与应变成正比。即：1、弹性变形及其实质加载卸载原子间的距离发生伸长和缩短，但原子间的结合键并没有发生破坏卸载后变形迅速恢复弹性变形特征：可逆性（受力作用后产生变形，载荷卸除后，变形消失）E、弹性变形及其实质在没有外加载荷作用时，金属中的原子N1、N2在平衡位置附近振动，相邻原子间的作用力由引力和斥力叠加而成。当原子间相互平衡力受外力而受到破坏时，原子位置相应调整，产生位移。而位移总和在宏观上表现为变形。外力去除后，原子依靠之间的作用力又回到原来平衡位置，位移消失，宏观变形消失。由于晶体中的缺陷的存在，在弹性变形量尚小时的应力可以激活位错运动，代之以塑性变形。实际上可实现的弹性变形量不会很大。曲线1：两原子间的引力曲线2：两原子间的斥力曲线3：两原子之间的作用力、弹性性能弹性模量（E）（单向受力状态下）。它反映材料抵抗正应变的能力。切变模量（G）（纯剪受力状态下）。它反映材料抵抗切应变的能力。泊松比（）依据体积不变原理，纵向伸长，那么横向必然收缩（单向-X方向受力状态下）它反映材料横向正应变与受力方向正应变的相对比值。xxExyxyGxy、弹性性能体积弹性模量（K）刚度：工程上弹性模型称为刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力。各向异性单晶体金属表现为弹性各向异性多晶体金属表现为伪各向同行（单个晶粒弹性模量的各向统计平均值）)21(3EK、弹性性能弹性模量影响因素金属原子本性和晶格类型原子间作用力与原子距离应力与应变弹性模量合金化、热处理、冷塑性变形温度、加载速率弹性模量主要取决于结合键本性和原子结合力共价键材料﹥金属键材料﹥分子键结合的高分子材料均对弹性模量影响不大、弹性性能弹性比功（弹性比能、应变比能）一般用金属在塑性变形开始前单位体积材料吸收的最大弹性变形功表示。Eaeeee2212、弹性不完整性（弹性后效）在滞弹性变形期间产生的附加弹性应变称为滞弹性应变。滞弹性应变随时间的变化情况如图中下半部分所示。其中，正弹性后效CE段和反弹性后效GF段的滞弹性应变都是时间的函数，而瞬时弹性应变oa段和bd段则与时间无关。实际金属在外力作用下产生弹性变形，开始时沿OA线产生瞬时弹性应变OC，如果载荷保持不变，还产生随时间延长而逐渐增加的应变CH。这种在加载状态下产生的滞弹性变形称为正弹性后效。卸载时，延BD线只有应变DH立即消失，而应变OD是卸载后随时间延长才缓慢消失的，这种在卸载后产生的滞弹性变形称为反弹性后效。G、弹性不完整性（弹性滞后环）弹性滞后环：弹性变形时因应变滞后于外加应力，使加载线和卸载线不重合而形成的回线称为弹性滞后环。弹性滞后环的形状主要与载荷类型和加载速率有关!加载时消耗在变形上的功大于卸载时金属恢复变形所做的功，换面积大小代表被金属吸收的那部分功。交变循环载荷，加载速度缓慢交变循环载荷，加载速度较快、弹性不完整性（弹性滞后环）内耗：由弹性滞后环表征的加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属释放的变形功。而残留在金属内部的部分变形功，其大小可由滞后环的面积表示。循环韧性：一个应力循环中金属的内耗称为循环韧性。意义：反映材料在单向或交变循环载荷作用下，能以不可逆的能量方式吸收而又不破坏的能力，即有靠自身消除机械振动的能力（消震性）。应用：工程上有截然相反的要求。仪器、仪表中的测力弹簧不允许有弹性后效，以保证其测量精度；而不允许有附加振动的零件（如床身、叶片等）要求使用循环韧性较大的材料，以达到消震的目的。、弹性不完整性（包申格效应）包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，（1）卸载后同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加。（2）反向加载，规定残余伸长应力降低。初始压缩：弹性极限为176MPa卸载后二次压缩：弹性极限为287MPa初始压缩：弹性极限为176MPa卸载后二次拉伸：弹性极限为85MPa、弹性不完整性（包申格效应）包申格效应产生原因：位错理论初次加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错受阻，塞积后产生背应力，背应力反作用于位错源，当背应力做够大时，可使位错源停止开动。预变形时位错的运动方向和背应力的方向相反。当反向加载时位错运动的方向和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形相对容易。、弹性不完整性（包申格效应）应用：大型输气管道管线的UOE制造工艺U阶段：将板材冲压成U形O阶段：将U形板径向压缩成O形E阶段：周边焊接，内径扩展达到给定大小注意：包申格效应大的材料，内应力较大。希望非常小的包申格效应，减低管子成型后的强度损失消除：（1）予以较大残余塑性变形（2）在引起金属回复或再结晶的温度下退火钢在400-500℃以上退火，铜合金在250-270℃以上退火。CompanyLogo、塑性变形方式和特点塑性变形的方式：位错滑移：最主要的变形机制。滑移是金属材料在切应力作用下，位错沿滑移面和滑移方向运动而进行的切边过程。滑移面：原子最密排面；滑移方向：原子最密排方向。滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系越多，材料的塑性越好。孪生：重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时。受晶体结构的影响较大：fcc＞bcc＞hcpCompanyLogo、塑性变形方式和特点宏观现象1）单晶材料（右图）2）多晶材料，如光滑低碳钢样品，拉伸后产生45度平行线结论塑性变形是一个切变过程；原子层之间发生相对位移，作用力是切应力。CompanyLogo、塑性变形方式和特点塑性变形的特点：各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性（1）滑移的临界分切应力τ=(P/A)cosφcosλφ—外应力与滑移面法线夹角；λ—外应力与滑移向的夹角；Ω=cosφcosλ称为取向因子。（2）因为各晶粒的取向不同，cosφcosλ不同（3）对于具体材料，还存在母相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。（4）晶粒取向：影响滑移先后。有利取向和不利取向CompanyLogo、塑性变形方式和特点塑性变形的特点：变形的相互协调性多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。塑性变形后金属的晶格发生点阵畸变，储存能量，产生内应力。第一、第二内应力。弹性应变产生内应力塑性应变量提高，金属强度增大，产生加工硬化。CompanyLogo、屈服现象及其本质金属的物理屈服：在金属塑