第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

1第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能①静载是相对于交变载荷和高速载荷而言的，其变形速度8％L0/min。②金属静载试验方法包括单向静拉伸试验、压缩、弯曲、扭转、剪切、硬度试验等，是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法。③这些试验方法的特点是：温度、应力状态和加载速率是确定的，并且常用标准试样进行试验（硬度试验除外）。④通过静载力学性能试验可以揭示金属材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹性变形、塑性变形和断裂。⑤可以标定出金属材料的最基本的力学性能指标。这些性能指标是机械设计、制造、选材、工艺评定以及内外贸易订货的主要依据。本章将讨论性能指标的定义、测试方法以及试验方法的意义特点等。第一节拉伸力－伸长曲线和应力应变曲线单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验之一，原因是其测得的性能指标比较稳定，具有广泛的可比性。一、光滑拉伸试样光滑试样是相对于缺口试样和裂纹试样而言的。1、采用光滑试样的目的：光滑试样可保证试验材料承受单向拉应力，而缺口试样或裂纹试样将导致缺口或裂纹周围处于两向或三向应力状态。2、试样的种类：经常使用的光滑试样可分为：圆柱形试样、板状试样和管状试样。详见国家标准（GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法）3、光滑试样的组成光滑拉伸试样由三部分组成：工作部分：是试样的中间部分，在取样和加工过程中应按照GB/T2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》、GB/T2649-1989《焊接接头机械性能试验取样方法》等相关标准执行，试样在原材料或机件中的取向、部位以及试样形状、精度、粗糙度和加工程序均按照标准执行。过渡部分：是工作部分向外过渡的部分，为减少应力集中，采用圆弧过渡的形式。处理不好会在此断裂，导致试验失败（尤其是脆性材料）。夹持部分：这部分的作用是保持自身承载能力，不能断裂（其截面积大）；把载荷正确地传递到工作部分上去。二、拉伸曲线及应力应变曲线介绍试验机的种类、试样装夹、所用仪器和操作过程。1、拉伸曲线（力－伸长曲线）：F-纵坐标，ΔL－横坐标2、拉伸过程：退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为四个阶段：弹性变形阶段→不均匀屈服塑性变形阶段→均匀塑性变形阶段→不均匀集中塑性变形阶段。3、拉伸曲线的分类：拉伸曲线可分为以下几种形式：①退火低碳钢的拉伸曲线如图a所示，它有锯齿状的屈服阶段，分上、下屈服，2均匀塑性变形后产生颈缩，然后试样断裂。②中碳钢的拉伸曲线如图b所示，它有屈服阶段，但波动微小，几乎成一条直线，均匀塑性变形后产生颈缩，然后试样断裂。③淬火后低中温回火钢的拉伸曲线如图c所示，它无可见的屈服阶段，试样产生均匀塑性变形并颈缩后产生断裂。④铸铁、淬火钢等较脆材料在室温下的拉伸曲线如图d所示，它不仅无屈服阶段，而且在产生少量均匀塑性变形后就突然断裂。abcd4、应力－应变曲线(σ-ε曲线)拉伸曲线（力－伸长曲线）的不足之处是曲线的形状与拉伸试样的几何尺寸有关，只能反映特定试样的力学性质。若用应力－应变曲线σ（F/A0）-(ΔL/LO)曲线表示，它与试样的几何尺寸无关，其形状相似。同时还可直接从σ-ε曲线上直接读出力学性能指标Rb、R0.2、A等。三、真实应力与条件应力1、条件应力在拉伸试验过程中，试样的横截面积不断减小，如果用外力除以横截面积，得到的应力为条件应力。σ＝0AF2、真实应力如果用任意时刻的外力除以横截面积，得到的应力为真实应力。S=AF3、真实应力与条件应力的关系S=AF＝1(0AF=可见，随载荷的增加，横截面积不断减小，ψ不断加大，真实应力S在不断增加。四、真实应变与条件应变1、条件应变3伸长量与原始标距长度之比，即ε＝0ll称为条件应变。2、真实应变e对任意时刻真正伸长率是这时刻相对于前时刻试样的伸长Δli与前一时刻长度li之比，即εi＝iill试样的真实应变定义为每一时刻的真正伸长率的总和，即e＝01ll+102lll+2103llll+…+110...kkllll0ilkllldl0＝ln0llk3、条件应变与真实应变之间的关系e＝ln0llk＝ln（00lLlk）＝ln（1+ε）断裂时：ek＝ln（1+δk）五、真实应力应变曲线真实应力应变曲线见图1-3，可分为三个区段，各区段有不同的特点。在Ⅰ区，为直线，真应力与真应变成直线关系。在Ⅱ区，为均匀塑性变形阶段，是向下弯曲的曲线，遵循S＝ken规律。K，n均为材料常数。n为形变强化指数。当n＝1时，上式变成σ＝Eε，表示理想刚性状态。当n＝0时，则表示无硬化效应，表示理想塑性状态。一般金属材料，1n0，n值不但在宏观上表征材料的形变强化特性，微观上反映了材料不同的应变强化机制。它是板材冲压成形和材料断裂分析的重要参数。在Ⅲ区，曲线向上弯曲，可能是由三向应力造成的。第二节弹性变形变形－金属发生形状和尺寸改变的现象。分弹性变形和塑性变形。变形可以由多种因素引起，在此仅讨论应力所引起的变形。一、弹性变形及其实质1、物理过程（实质）可用双原子模型来解释。1、在没有外加载荷作用时，金属中的原子在其平衡位置附近产生震动。2、相邻两原子之间的作用力由引力和斥力叠加而成。一般认为：引力是金属正离子和自由电子间的库仑力所产生，而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致。引力和斥力都是原子间距的函数。当原子间距因受力减小时，斥力开始缓慢增加；当电子壳层重叠时，斥力迅速增加。4引力随原子间距的增加而逐渐下降。合力曲线在原子平衡位置处为零。3、原子间相互作用力F与原子间距r的关系为：F=2rA－420rAr式中A、r0－与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数。上式中第一项为引力，第二项为斥力。可见，原子间相互作用力与原子间距离的关系并非虎克定律所示的直线关系，而是抛物线关系。但外力要较小时，原子偏离平衡位置不远，合力曲线的起始阶段可视为直线，则虎克定律表示的外力－位移（原子间相互作用力－原子间距离）线性关系近似是正确的。4、弹性断裂载荷及变形量当r＝rm时，斥力接近为零，与外力平衡的原子间作用力只有引力，合力曲线上出现极大值Fmax，Fmax是拉伸时两原子间的最大结合力。如果外力达到Fmax，就可以克服两原子间的引力而使它分开。因此，Fmax也就是金属材料在弹性状态下的断裂载荷（断裂抗力）。相应的原子位移量rm－r0，即弹性变形最大量，接近23％。实际上，它们都是理论值，因为实际金属材料中不可避免地存在各种缺陷甚至裂纹，因而也不可能产生那样大的弹性变形量，因为在这之前金属就可能已经产生塑性变形或断裂了。（举例：人体寿命）2、弹性变形的特点①可逆：在外力作用下产生弹性变形，去除外力弹性变形消失。②应力－应变之间保持单值线性关系（符合虎克定律）③具有全程性：弹性变形从金属受力到断裂以前全程相伴。④变形量很小：一般不超过0.5％～1％。二、虎克定律（略）金属的弹性是金属弹性变形的能力。实际上用弹性极限对应的应变来表示。提高σe降低E可提高金属的弹性εe。Eee三、弹性模量1、定义：金属的弹性模量（又称为弹性模数）：是应力和应变之间的比例系数，即产生100％弹性变形所需的应力。对不同的金属材料它为一个常数。是材料研究和设计中的一个重要参数。2、刚度①材料刚度：工程上弹性模量被称为材料刚度。其值越大，则在相同应力作用下产生的弹性变形越小。5②构件刚度：材料的截面积A与所用材料的刚度E的乘积，即AE表示。可见，要提高构件的刚度，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。刚度是工程选材的重要指标之一。许多构件尽管承受外力不大，但仍然用较大截面积的原因是基于构件刚度考虑的。举例说明：①高楼和桥梁若刚度不够会摇晃，②机床刚度不够加工出的零件会超差。③载货汽车板簧：满载后板簧弯曲，卸除载荷后没有完全恢复原来的形状和尺寸是为产生了塑性变形，应增加横截面积；若卸载后完全恢复原来的形状和尺寸是为构件刚度符合要求。3、影响弹性模量的因素①单晶体与多晶体：单晶体具有各向异性，在原子间距小的晶面和晶向上大。多晶体金属的弹性模量为各晶粒弹性模量的统计平均值，呈现伪各向同性。②金属的本质、点阵间距、晶格类型的影响弹性模量取决于原子间作用力、原子间距、晶格类型。③合金化的影响：溶质元素虽然可改变合金的晶格常数，但对于常用钢铁材料而言，合金元素对其晶格常数改变不大，因此对E的影响很小。合金钢和碳钢的弹性模量数值相当接近，差值不大于12％，所以若仅考虑机件刚度要求，选用碳钢即可。④热处理组织的影响：热处理（显微组织）对E的影响不大，如晶粒大小对E值无影响；第二相大小和分布对E值影响也很小。淬火后E值虽稍有下降，但回火后又恢复到退火状态的数值。灰铸铁例外，其值与组织有关。球铁因石墨紧密度增加，故E值较高。这是由于片状石墨边缘有应力集中，并产生局部塑性变形，在石墨紧密度增加时其影响将有所减弱。⑤冷变形的影响：冷变形使E值稍有降低。一般降低4～6％，与出现残余应力有关。当塑性变形量很大时，因产生形变织构而使E值出现各向异性，沿变形方向E值较大。⑥温度及变形速度温度升高原子间距增大，E值降低。碳钢加热时每升高100℃，E值下降3～5％，但在－50～50℃范围内，钢的E值变化不大，可以不考虑温度的影响。弹性变形的速率和声速一样快，远超过实际加载速率，故加载速率对弹性模量也无大的影响。综上所述可见，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，外在因素的变化对它的影响较小。数值较为稳定，很难调整。要想大幅度调整E值，只有通过选材来解决。四、弹性比功弹性比功又称弹性比能、应变比能，是金属材料吸收弹性变形功的能力。一般可用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。金属拉伸时的弹性比功用应力应变曲线下弹性变形部分的面积表示，且ae＝21σeεe＝σe2/2E由上述公式可见，金属材料的弹性比功决定于其弹性模量和弹性极限。由于弹性模量是组织不敏感性能，因此，对于一般金属材料，只有用提高弹性极限的方法才能提高6弹性比功。因为弹性比功是单位体积材料吸收的最大弹性变形功表示的。故试样或机件的体积越大，则其可吸收的弹性变形功越大，可储备的弹性能越大。此点对研究或理解大件的脆性断裂问题很有意义。弹簧是典型的弹性零件，其重要作用是减震和储能驱动。因此，弹簧材料应具有较高的弹性比功。生产上选用含碳较高的钢，加入Si、Mn等合金元素以强化铁素体基体，并经淬火加中温回火获得回火托氏体，以及冷变形强化等，可以有效地提高弹性极限，使弹性比功增加。仪表弹簧因要求无磁性，常用铍青铜或磷青铜等软弹簧材料制造。这类材料E值较低而σe较高，故其弹性变形功也比较大。可以在弹性范围内对能量有很大的吸收能力。五、滞弹性（弹性后效）金属的弹性不完整性金属材料不是完全的纯弹性体，导致即使在很小的应力作用下也会显示出非弹性性质。完全（完整）的弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方向和加载时间无关。实际上，金属的弹性变形都和这些因素有关，因而产生了包申格效应、弹性后效和弹性滞后等弹性不完整现象。对于完整的弹性体，虎克定律与加载速率无关。对实际金属材料而言，其弹性变形不仅是应力的函数，而且还是时间的函数。1、现象：叙述加载速率较大时的变形过程。略2、定义：这种加载时应变落后于应力而和时间有关系的现象称为正弹性后效，又称弹性蠕变或冷蠕变。卸载时应变落后于应力的现象，称为反弹性后效。1、原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。2、影响：与材料成分、组织和试验条件有关。①组织越不均匀弹性后效越明显。②温度升高，弹性后效速率以及变形量都急剧增加。③切应力越大，弹性后效越明显。3、危害：在仪表和精密机械中，选用重要传感元件材料时，需要考虑弹性后效问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等，使用了弹性的一一对应关系。如选用的材料弹性后效较为明显，会使仪表精度不足、失灵甚至无法使用。消除：回火。钢材一般在300～400℃长时间回火、铜合金在150～200℃长时间回火。回火的作用是使间隙原子到空位和晶界趋向变