第1章 材料在单向拉伸下的力学性能

1主讲人:张宁2材料力学性能的定义:材料在外加载荷（外力）作用下，或载荷与环境因素（如温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为，又称为力学行为。宏观上一般表现为材料的变形或断裂。第一章材料在单向拉伸下的力学性能3机器零件（简称机件）的承载条件一般用各种力学参数（如应力、断裂韧度等），所以就将表征材料的力学参数的临界值或规定值称为材料的力学性能指标或判据。材料力学性能指标具体数值的高低表示材料抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质量的主要依据。第一章材料在单向拉伸下的力学性能4一、拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线二、弹性变形三、塑性变形四、金属的断裂第一章材料在单向拉伸下的力学性能51.1金属力学性能基本概念1.2单项静拉伸试验1.3拉伸力-伸长曲线1.4应力-应变曲线1.5拉伸力学性能指标第一节拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线6力作用于材料弹性变形弹塑性变形断裂1.1金属力学性能基本概念7力学性能强度成形性刚度韧性耐久性•拉伸•屈服•压缩•弯曲•剪切•蠕变•延伸率•断面收缩率•弯曲曲率•模量•弯曲模量•冲击强度•缺口敏感性•磨损阻力•疲劳强度金属的服役性能与力学性能相关拉伸测试冲击试验硬度试验1.1金属力学性能基本概念81.1金属力学性能基本概念：应力及应力类型力变形方式应力类型单向应力剪切应力扭转力矩弯曲力矩拉伸伸长压缩压缩剪切剪切扭转扭转弯曲弯曲工程构件可能受到的应力类型有：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲等9单向静拉伸试验特点应力状态：单向拉应力，应力状态简单，最基本的、应用最广泛的力学性能。拉伸试验反映的信息：弹性变形、塑性变形和断裂（三种基本力学行为），能综合评定力学性能。通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延伸率、加工硬化和韧性等重要的力学性能指标，它是材料的基本力学性能。1.2单向静拉伸试验10拉伸性能的作用、用途a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一。b.提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、断裂性能。c.研究新材料，或合理使用现有材料和改善其力学性能时，都要测定材料的拉伸性能。注意：拉伸试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定（方法：GB/T228-2002；试样：GB/T6397-1986）。1.2单向静拉伸试验111.2单向静拉伸试验121.2单向静拉伸试验13可移动横梁试样载荷与位移读数载荷和运动控制试验条件和样品要符合标准工程应力：σengstress=P/A0A0原始截面积真应力：σtruestress=P/AA=实时截面积1.2单向静拉伸试验1.2单向静拉伸试验美特斯工业系统(中国)有限公司CMT5105系列微机控制电子万能试验机试验机的结构及零部件（外部）15ABFA工程应力――载荷除以试件的原始截面积即得工程应力ss=F/A0式中F为载荷，A0为原始截面积。(单位:N/m2orPascal(Pa))1.2单向静拉伸试验：应力16工程应变――伸长量除以原始标距长度即得工程应变e，应变用来描述塑性变形和弹性变形程度单位长度上的变化量：e=DL/L0式中DL为试样伸长量，DL=L-L0，L0为试样原始标长，L为与F相对应的标长部分的长度。无单位(m/m，mm/mm)1.2单向静拉伸试验：应变171.3拉伸力-伸长曲线181.3拉伸力-伸长曲线191.3拉伸力-伸长曲线20弹性变形阶段21屈服点22屈服发生后的卸载23均匀塑性变形阶段24颈缩阶段25材料分类：按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。（1）脆性材料：在拉伸断裂前不产生塑性变形,只发生弹性变形；（2）塑性材料：在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形。高塑性材料：在拉伸断裂前不仅产生均匀的伸长，而且发生颈缩现象，且塑性变形量大。低塑性材料：在拉伸断裂前只发生均匀伸长，不发生颈缩，且塑性变形量较小。1.3拉伸力-伸长曲线：26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加载卸载1.3拉伸力-伸长曲线：弹性变形27相邻原子改变，改变后又会迅速产生新的平衡卸载后产生不可恢复的永久变形加载卸载1.3拉伸力-伸长曲线：塑性变形28塑性变形一定导致断裂吗？一些材料可以承受一定的塑性变形而不破坏。一些材料承受一定塑性变形就会发生破坏，如桥梁混凝土，陶瓷等。wire29基本设计准则施加的应力必须小于材料的强度强度就是材料变形和断裂的临界应力301.4应力-应变曲线31脆性材料的应力－应变曲线：典型材料：玻璃、多种陶瓷、岩石，低温下的金属材料、淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等。曲线特征：在拉伸断裂前，只发生弹性变形，不发生塑性变形，在最高载荷点处断裂。断口特征：平断口，断口平面与拉力轴线垂直。1.4应力-应变曲线32塑性材料的应力－应变曲线：1.4应力-应变曲线33（1）最常见的金属材料应力-应变曲线Oa为弹性变形阶段，ab为形变强化阶段，bk为缩颈阶段，在k点发生断裂，如图1.7(a)。典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。1.4应力-应变曲线34（2）具有明显屈服点的应力-应变曲线曲线有明显的屈服点aa′，屈服点呈屈服平台或呈齿状，相应的应变量在1%～3%范围，图1.7(b)。典型材料：退火低碳钢和某些有色金属。1.4应力-应变曲线35（3）不出现颈缩的应力-应变曲线只有弹性变形oa和均匀塑性变形ak阶段，图1.7(c)。典型材料：铝青铜和高锰钢。1.4应力-应变曲线36（4）不稳定型材料的应力-应变曲线在形变强化过程中出现多次局部失稳，原因是孪生变形机制的参与，当孪生应变速率超过试验机夹头运动速度时，导致局部应力松弛，从而出现齿形特征，如图1.7(d)。典型材料：低溶质固溶体铝合金和含杂质铁合金。1.4应力-应变曲线38真应力-应变曲线1.4应力-应变曲线391.4应力-应变曲线工程应力-应变曲线不能真实反映变形过程中的应力和应变的变化40真实应变与工程应变区别：1、工程应变往往不能真实反映或度量应变。2、真实应变可以叠加，可以不计中间的加载历史，只需要知道试样的初始长度和最终长度。3、工程应变总大于真应变，工程应变为0.1左右时，两者相差不多，随着应变量的增加，两者的相差越来越大。在弹-塑性变形阶段，只有真应力-真应变曲线才能描述材料的力学形为。1.4应力-应变曲线41大多数的工程材料都可以看作弹性体，因此弹性模量具有普遍性弹性系数和弹性模量的区别1.5拉伸力学性能指标（1）弹性模量EF=kx42弹性模量E:单纯弹性变形过程中应力与应变的比值，表示材料对弹性变形的抗力。stanEeE（1）弹性模量E43材料的弹性模量具有组织不敏感性！（1）弹性模量E44悬臂梁挠度与弹性模量聚苯乙烯铝钢45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ssss=Ps/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σ0.2ss=σ0.2=P0.2/A0（2）屈服强度46（2）屈服强度47小塑性变形抗力指标（2）屈服强度48抗拉强度sb：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（3）抗拉强度49拉伸断裂时的真应力称为真实断裂强度，记为σf。试验时测出断裂点的截荷Pf，试件的最小截面积Af，则断裂时的平均真应力，即平均断裂强度值，σf表示如下σf=Pf/Af大塑性变形抗拉指标（4）真实断裂强度50断裂前不发生明显塑性变形——脆性玻璃、陶瓷、硬塑料高强度钢断裂前发生明显塑性变形——韧性低强度钢、铜、铝、铅…脆性与韧性51BrittlefractureDuctilefracture“脆性断裂”所需的能量：分开原子＋新表面的表面能“韧性断裂”所需的能量：分开原子＋新表面的表面能+塑性变形消耗的能量（远大于前两者之和）BrittlefractureDuctilefracture脆性断裂韧性断裂52应变应变应力应力塑性材料脆性材料玻璃、陶瓷下面两种材料强度相近，谁的韧性大？脆性与韧性532.1弹性变形及其实质2.2胡克定律2.3弹性模量2.4弹性比功2.5滞弹性2.6包申格（Bauschinger）效应第二节弹性变形54金属弹性变形是一种可逆变形（卸载后可以恢复变形前形状的变形）；弹性变形微观解释：变形的实质——双原子模型2.1弹性变形及其实质55图1-4中，在没有外加载荷作用时，金属中的原子N1、N2在其平衡位置附近产生振动。相邻两个原于之间的作用力(曲线3)由引力(曲线1)与斥力(曲线2)叠加而成。引力与斥力都是原子间距的函数。当两原子因受力而接近时，斥力开始缓慢增加，而后迅速增加；而引力则随原子间距减小增加缓慢。合力曲线3在原子平衡位置处为零。2.1弹性变形及其实质56当原子间相互平衡力因受外力作用而受到破坏时，原子的位置必须作相应调整，即产生位移，以期外力、引力和斥力三者达到新的平衡。原子的位移总和在宏观上就表现为变形。外力去除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来的平衡位置，位移消失，宏观上变形也就消失。这就是弹性变形的可逆性。金属弹性变形量比较小，一般不超过0.5％~1％。这是因为原子弹性位移量只相当于原子间距的几分之一，所以弹性变形量小于1％。2.1弹性变形及其实质57单向拉伸σ=E·εE：弹性模量剪切和扭转τ=G·γτ：切应力G：切变模量Γ：切应变2.2胡克定律58定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹性应力，即产生100%弹性变形时所需要的应力。这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。2.3弹性模量59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，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。机器零件或构件的刚度与材料刚度不同，前者除与材料刚度有关外，尚与其截面形状和尺寸以及载荷作用的方式有关。刚度是金属材料重要的力学性能指标之一。一些机件或构件在选材或设计时常要用到它。合金化、热处理(显微组织)、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，所以，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。温度、加载速率等外在因素对其影响也不大。2.3弹性模量60弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般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图1-2应力应变曲线上弹性变形阶段下的面积表示，即ae为弹性比功，σe为弹性极限（是材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力），εe为最大弹性应变。2.4弹性比功61弹性极限表示材料对微量塑性变形的抗力，是对组织敏感的力学性能指标。金属材料的弹性比功决定于其弹性模量和弹性极限。由于弹件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弹性比功。2.4弹性比功62完整的弹性应该是加载时立即变形，卸载时立即恢复原状，应力—应变曲线上加载线与卸载线完全重合，即应力与应变同相，变形值大小与时间无关，即变形的性质的确是完全弹性的。但实际上，如上所述，弹性变形时加载线与卸载线并不重合，应变落后于应力，存在着弹性后效、弹性滞后、包申格效应等。这些现象属于弹性变形中的非弹性问题，称为弹性的不完整性。2.5滞弹性63把一定大小的应力骤然加到多晶体试样上，试样立即产生的弹性应变仅是该应力所应该引起的总应变(OH)中的一部分(Oa)，其余部分的应变(aH)是在保持该应力大小不变的条件下逐渐产生的，此现象称为正弹性后效。当外力骤然去除后，弹性应变消失，但也不是全部应变同时消失，而只先消失一部分(eH)，其余部分(Oe)也是逐渐消失的，此现象称为反弹性后效。工程上通常所说的弹性后效就是指的