材料力学性能课件第1章

第1章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1主要内容1.1拉伸力－伸长曲线和应力－应变曲线1.2弹性变形1.3塑性变形1.4金属的断裂2拉伸试验一、单向静拉伸试验特点:1.最广泛使用的力学性能检测手段;2.实验的应力状态、加载速率、试样尺寸、温度等都有规定；（通常均匀施加拉伸力，直至试样断裂）3.揭示金属材料常见的力学行为（弹性变形、塑性变形、断裂）；4.可测最基本力学性能指标：强度（σ）、塑性（δ、ψ）、应变硬化、韧性等。3二、试验标准《金属拉伸试验方法》老标准GB228-76、GB228-87《金属材料室温拉伸试验方法》新标准GB/T228-2002；试验是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定相应的力学性能。除非另有规定，试验一般在室温10℃－35℃范围内进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为23℃±5℃。4三、拉伸试样1、金属拉伸试验试样标准：GB/T228-20022、与拉伸试样相关的几个概念：标距：测量伸长用的试样圆柱和棱柱部分的长度；原始标距L0：施力前的试样标距；断后标距Lu：试样断裂后的标距。平行长度Lc：试样两头部或两夹持部分之间平行部分的长度；伸长：试验期间任一时刻原始标距的增量。拉伸试样一般为经机加工的试样和不经机加工的全截面试样,其横截面通常为圆形、矩形、异形以及不经加工的全截面形状。5拉伸试样1)圆形试样l0d062)矩形试样l0tb3）异型试样7四、拉伸试验设备WEW-100D微机屏显液压万能试验机81.1拉伸力－伸长曲线和应力－应变曲线弹性变形(Oe)不均匀屈服塑性变形(eC)均匀塑性变形(CB)不均匀集中塑性变形(Bk)断裂(k)9应力－应变曲线101.2弹性变形(1)弹性变形及其实质定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。它是金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。1112考虑右图的双原子模型平衡时，引力＝斥力引力来源于静电引力斥力来源于正离子和电子间的斥力，及电子离心力引力：r0引斥rrm2rA＝引13斥力：其中A，B为常数，且r＝r0时，引力＝斥力。A，B决定于原子类型和晶体结构。总的作用力：见图中红色曲线。r=rm时σ＝σm4rB＝－斥42rBrA－r0引斥rrm金属弹性变形的特点①可逆性；②弹性变形过程中材料处处连续，应力应变——单值线性关系；③弹性变形量与物体的尺寸相比很小，一般不超过0.5％～1％。④弹性变形过程中材料的体积不变。14（2）胡克定律简单应力状态的胡克定律单向拉伸泊松比材料横向应变与纵向应变的比值的绝对值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。15剪切和扭转E、G和ν的关系弹性模量（又称杨氏模量）理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。切变模量G材料在弹性变形阶段内，剪切应力与对应剪切应变的比值16广义胡克定律（复杂应力状态）σx=-20MPa；σy=30MPa；τxy=20MPa17（3）弹性模量弹性模量的理论定义：当应变为一个单位时的弹性应力，即产生100%弹性变形所需的应力。材料的刚度E工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值的大小反映金属弹性变形的难易程度。E越大变形越困难。18构件的刚度AE机器零件或构件的刚度与材料的刚度不同，既与材料刚度有关，还与截面形状、尺寸、载荷方式有关。反映构件产生弹性变形的难易程度。欲提高机器零件的刚度，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。19弹性模量的影响因素键合方式和原子结构共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模量；分子键结合力较弱，弹性模量较低。晶体结构单晶体-弹性各向异性；多晶体-弹性伪各向同性;非晶态-各向同性。化学成分材料化学成分变化将引起原子间距和键合方式的变化，因此也将影响材料的弹性模量。20微观组织对于金属材料，在合金成分不变的情况下，微观组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小对E值无影响。故热处理对弹性模量的影响不大。对一般的固溶体合金（弹簧材料除外），在溶解度较小的情况下一般影响不大。如对于常用钢铁材料，合金元素对弹性模量影响不大。总结：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。21温度温度升高，E值降低。但在室温附近，E值变化不大，可以不考虑温度的影响。冷塑性变形使E值稍有降低加载条件和负荷持续时间对E值影响不大22（4）弹性比功（弹性比能）定义：材料吸收弹性变形功的能力。可用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。材料拉伸时的弹性比功可用图示应力－应变曲线弹性变形阶段的下影线面积表示。23金属材料的弹性比功决定于弹性模量E和弹性极限σe。弹性模量对组织不敏感，只有用提高弹性极限σe的方法提高弹性比功。2Ee212eeea24弹簧是典型的弹性零件，应具有较高的弹性比功和良好的弹性。弹簧钢含碳量高，并加入Si、Mn、Cr、V等合金元素以强化铁素体基体和提高钢的淬透性，经淬火加中温回火以及冷变形强化可有效提高弹性极限，使弹性比功和弹性增加。25（5）滞弹性正弹性后效(directelasticaftereffect)加载时，应变落后于应力，而和时间有关的现象称正弹性后效，亦称弹性蠕变或冷蠕变。反弹性后效(reverseelasticaftereffect)卸载时，应变落后于应力的现象称反弹性后效。弹性蠕变和弹性后效统称为滞弹性，即在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长而产生的附加弹性应变现象。26应力循环OA—AB—Be—eO应变循环Oa—ab—bc—cd27弹性滞后环金属在弹性区内单向快速加载、卸载时，由于应变落后应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，即弹性滞后环。交变载荷中最大应力低于宏观弹性极限→弹性滞后环；交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限→塑性滞后环28金属的循环韧性金属材料在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的内耗，亦称消振性。循环韧性与内耗的区别：循环韧性—用塑性滞后环面积来度量，在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。内耗—用弹性滞后环面积来度量，在弹性区内加载吸收不可逆变形功的能力。29循环韧性的意义：材料循环韧性愈高，则机件依靠材料自身的消振能力愈好。30（6）包申格效应定义：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1～4%），而后再同向加载，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。31包申格应变指在给定应力下，拉伸卸载后第二次再拉伸与拉伸卸载后第二次压缩两曲线之间的应变差。它是度量包申格效应的基本定量指标，β=bc32包申格效应的位错解释在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某一滑移面运动，遇林位错而弯曲。在位错前方，林位错密度增加，形成位错缠结，该位错结构在力学上稳定。33林位错—晶体中位错呈空间网状分布，对某一个位错线来讲，其滑移面和其它一些位错线是相交的，则这些相交叉的位错线即称林位错。如果此时卸载并随后同向加载，位错线不能显著运动，宏观上表现为规定残余伸长应力增加；如果卸载后施加反向力，位错被迫反向运动，在反向路径上，林位错等障碍数量少，位错可以在较低应力下移动较大距离，即规定残余伸长应力降低。34消除方法（1）预先经受较大的塑性变形；（2）在第二次反向受力前使金属材料于回复或再结晶温度下退火。351.3塑性变形（1）塑性变形方式及特点塑性变形的方式滑移slip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变过程。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。滑移系越多，金属的塑性越好，但不是唯一因素。36孪生twining孪生是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式，孪生变形亦是沿特定的晶面和特定晶向进行的。37多晶体金属的塑性变形特点各晶粒变形的不同时性晶粒取向不同，取向有利的晶粒先变形。组织愈不均匀，起始塑性变形不同时性愈明显。各晶粒变形的不均匀性不均匀性存在于各晶粒之间，基体金属晶粒与第二相晶粒之间，即使同一晶粒内部，各处的变形亦不均匀。结果，宏观塑性变形量尚不大时，微观局部可能变形很大，在内应力作用下形成微裂纹，导致金属材料的早期断裂。38各晶粒变形的相互协调性多晶体作为一个连续整体，要求各晶粒之间能协调变形，否则将造成晶界开裂。故多晶体金属塑性变形需要进行多系滑移，或在滑移同时进行孪生变形。要求：每个晶粒至少必须有5个独立的滑移系开动。39（2）屈服现象和屈服点（屈服强度）当应力达到一定值时，应力虽不增加（或者在小范围内波动），而变形却急剧增长的现象，称为屈服现象产生屈服现象时的应力值即为屈服点。屈服伸长：在屈服过程中产生的伸长。上屈服点σsu、下屈服点σsl40用应力表示的屈服点或下屈服点就是表征材料对微量塑性变形的抗力，即屈服强度。将下屈服点也选作材料屈服强度指标之一的理由是，在正常试验条件下，σsl的再现性较好。41对具有连续屈服特征的材料（如黄铜）无屈服平台，可用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力。有三种指标：①规定非比例伸长应力σp②规定残余伸长应力σr③规定总伸长应力σt在不规定测定方法的情况下，一般将σ0.01称为条件比例极限，σ0.2称为屈服强度。42屈服强度的应用：可以作为机械部件设计中选择材料的重要依据（屈服判据）。利用屈服判据，可以计算出达到机件受力要求的材料所需要的屈服强度值，为选择材料提供参考依据。机件选材步骤：机件受力情况→（屈服判据）→确定σs→（安全系数）→选择机件材料金属结构的强度设计中，许用应力[σ]=σs/n（其中n为安全系数，n≥2）43对于复杂受载状况，σs仍然可建立屈服判据指标。屈雷斯加最大切应力判据：米赛斯畸变能判据：式中σ1、σ2、σ3为主应力，且σ1σ2σ344（3）影响屈服强度的因素内在因素金属的本性及晶格类型纯金属单晶体的屈服强度（理论上）是使位错开始运动的临界切应力，其值由位错运动所受各种阻力决定。不同的金属及晶格类型，位错运动所受的阻力不同，故彼此的屈服强度不同。Ⅰ晶格阻力（派纳力τp-n）在理想晶体中，仅存在一个位错运动时所需克服的阻力。45G—切变模量；b—柏氏矢量的模；ν—泊松比；a—滑移面晶面间距；ω—位错宽度，由上式可知：ω↑→τp-n↓；ω↓→τp-n↑b↓或a↑→τp-n↓故位错在滑移面的滑移方向上最易运动。b2)-b(1a2-12-12eeGGnp1a46Ⅱ.位错间交互作用产生的阻力1、平行位错间交互作用产生的阻力2、运动位错与林位错交互作用产生的阻力α—比例系数；L—位错间距离；ρ—位错密度平行位错时：ρ为主滑移面中位错的密度林位错时：ρ为林位错的密度由上式知：ρ↑→τ↑，故屈服强度↑。1/2GbLGb47晶粒大小和亚结构晶粒尺寸↓→晶界↑→位错运动障碍数目↑，位错塞积群长度↓→σs↑（细晶强化）许多金属与合金σs与晶粒大小均符合霍尔—派奇（Hall-Petch）公式：σi—位错在基体金属中运动的总阻力，亦称磨擦阻力；ky—度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数；d—晶粒平均直径。亚晶界、相界的作用与晶界类似，均阻碍位错运动，霍尔－派奇公式适用。2/1yikds48溶质元素固溶合金中溶质原子和溶剂原子直径不同→形成晶格畸变应力场→该应力场和位错应力场产生交互作用→位错运动受阻→σs↑(固溶强化)固溶强化效果：间隙型＞置换型49第二相质点的强化效果与质点本身在屈服变形过程中能否变形有很大关系，据此将第二相质点分为两类：不可变形（如钢中的碳化物与氮化物等）和可变形（如时效铝合金中GP区的共格析出物θ″相）。第二相的影响501）不可变形的硬脆第二相的影响位错绕过第二相，按照这种方式，位错运动的阻力主要来自弯曲位错的线张力：LGb51如果再考虑到质点大小的影响，则位错线的运动阻力为：L——相邻质点的间距；r——质点半径；G——切变模量；b——柏氏矢量由上式可知：当r＞b时，随着L↓→τ↑，即第二相质点数量越多，越分散，材料的屈服强度就越高。随着绕