9-1应力-应变曲线解析

19.金属材料的变形与再结晶2金属材料的变形与再结晶123金属热变形、蠕变与超塑性4金属的应力－应变曲线金属的塑性变形回复与再结晶3单向静拉伸试验是应用最广泛的力学性能试验方法之一。1）可揭示材料在静载下的力学行为（三种失效形式）：即：过量弹性变形、塑性变形、断裂。2）还可标定出材料的最基本力学性能指标：如：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率等。9-1金属的应力－应变曲线41、拉伸力－伸长曲线1、拉伸曲线拉伸力F－绝对伸长△L的关系曲线。在拉伸力的作用下，退火低碳钢的变形过程四个阶段：1）弹性变形：O～e2）不均匀屈服塑性变形：A～C3）均匀塑性变形：C～B4）不均匀集中塑性变形：B～k5）最后发生断裂。k～低碳钢的拉伸力与伸长曲线52、工程应力σ－应变ε曲线（工程）应力σ－应变ε曲线，曲线形状不变。由此，可建立材料在静拉伸下的力学性能指标。应力σ：物体受外载荷作用时，单位截面积上内力。0FA000LLLLL工程应力－应变曲线应变ε：单位长度上的伸长。试样原截面积A0试样标距L0弹性变形：应力去除后能够恢复的变形。σ=Eε弹性模量：E弹性极限：σe屈服极限：σs，σ0.2加工硬化（应变硬化）抗拉强度：σb断裂强度：σk延伸率：δ=(Lk-L0)/L0断面收缩率：ψ=（F0-Fk)/F06用静拉伸应力σ－应变ε曲线，可得出许多重要性能指标:弹性模量E：主要用于零件的刚度设计。屈服强度σs和抗拉强度σb：主要用于零件的强度设计。特别是：抗拉强度σb和弯曲疲劳强度有一定比例关系，进一步为零件在交变载荷下使用提供参考。而材料的塑性，断裂前的应变量：主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。2、工程应力σ－应变ε曲线7工程应力σ－应变ε曲线：不能真实反映试件拉伸过程中应力和应变的变化关系。实际拉伸中，随载荷F增加，长度L0伸长，截面积A0相应减少。0FA工程应力－应变曲线000LLLLL2、工程应力σ－应变ε曲线1.低Ｃ钢、正火、退火调质中Ｃ钢，低、中C合金钢某些Al合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。2.铸铁、陶瓷：只有第I阶段3.中、高碳钢：没有第II阶段83、真应力S－真应变e曲线3、真应力S－真应变e曲线：（流变曲线）在实践的塑性变形中，试样的截面积与长度也在不断发生着变化，在研究金属塑性变形时，为了获得真实的变形特性，应当按真应力和真应变来进行分析。流变曲线真实反映变形过程中，随应变量增大，材料性质的变化。工程应力－应变曲线9真应力S与真应变e1）真应力S：试件在某一瞬时承受的拉伸应力。2）真应变e：试件瞬时伸长量/瞬时长度。若拉伸过程各阶段试件伸长量为一微小增量dL，则试件从L0伸长到Ln，总应变为：000LLLLL工程应变0AF＝工程应力初始长度最终长度lnln01120010LLLdLLLLLLLeLL试件瞬时截面积瞬时载荷iiAFS103）真应力S与工程应力σ关系当材料拉伸变形是等体积变化（A0L0=AL）过程时，真应力S和工程应力σ之间存在如下关系：这说明，Sσ。（ε-工程应变））（1S00000()(1)FFLFLLSAALAL114）真应变e与工程应变ε关系显然，总是eε，且变形量越大，二者的差距越大。0ln0LLLdLeLL000LLLLL000lnlnlnLLLeLL（1＋）124、定义真应力S（应变e）的意义1）真应力S和真应变e的定义：承认了在变形过程中试件长度和直径间相互变化的事实。因变形过程中体积保持不变，因此即长度伸长了，其实际截面积A就会相应减少，因此，常数2211LALA工程应力真应力SiiFSA瞬时载荷试件瞬时截面积0AF＝134、定义真应力S（应变e）的意义2）之所以如此定义真应变：①因为每一时刻实际应变e与瞬时标距长度Li有关。若固定每一位移增量ΔL，瞬时长度Li就随之增加，相应地，应变增量就会减少。（因随附加每一位移增量ΔL，瞬时标距长度Li都要随之增加）。②由试件总长度变化来定义其真应变e，就有可能认为该长度变化是一步达到的，或任意多步达到的。试件初始长度试件最终长度lnln01120010LLLdLLLLLLLeLL14因此，若试件分几次拉伸（如分2次拉伸），则各次拉伸工程应变量之和不等于一次拉伸的工程应变量。但是，各次拉伸真应变量e之和等于一次拉伸的真应变量。002112001LLLLLLLLL021201lnlnlnLLLLLL155、不同类型材料典型的拉伸应力－应变曲线1）第Ⅰ种类型：完全弹性可用虎克定律描述其应力σ-应变ε成比例的材料特性。E特点：具有可逆应力－应变曲线和不出现塑性变形的特征。典型材料：如玻璃、岩石、多种陶瓷、高交联度的高聚合物和低温下的某些金属材料。此类材料抗脆性（低能量）断裂的能力是极需注意的问题。E－材料的弹性模量（杨氏模量）16苏打石灰玻璃：应力-应变曲线只显示弹性变形，没有塑性变形立即断裂，这是完全脆断的情形。工程结构陶瓷材料：如Al2O3，SiC等，淬火态高碳钢、普通灰铸铁也属这种情况。17完全弹性材料：不适用于在拉伸载荷下的工程应用，但用于承受压缩载荷时，却是一种理想的材料。因为脆性材料受压时强度比受拉时强度要大好几倍。如：混凝土材料是其极好的例子，广泛用于受压的情况。但工程中承受纯压缩载荷是极少的，一般或多或少地同时承受拉伸载荷，因此完全弹性材料（脆性材料）应用于工程上应考虑提高其抵抗拉伸载荷的措施。如：在混凝土材料中通过配钢筋来提高其抗拉伸性能。18高分子材料，聚氯乙烯：在拉伸开始时，应力和应变不成直线关系，即不服从虎克定律，而且变形表现为粘弹性。粘弹性：是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。其特征是应变对应力的响应（或反之)不是瞬时完成的（应变落后于应力），需要通过一个弛豫过程，但卸裁后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。192）第Ⅱ种类型：弹性－均匀塑性若材料具有不可逆的塑性变形能力，在弹性变形后，接着有一个均匀变形阶段，应力-应变曲线呈现为第Ⅱ类型。第Ⅱ种类型的应力－应变曲线应力很小时，仍有弹性变形区，接着一段光滑的抛物线，其相应于均匀塑性变形过程。均匀塑性变形：表明塑性变形需要不断增加外力才能继续进行，即材料有阻止继续塑变的能力（应变硬化性能）。20多数塑性金属材料，如铝－镁合金、铜合金、中碳合金结构钢（经淬火＋中高温回火）其应力-应变曲线也是如此。材料由弹性连续过渡到塑性变形，塑性变形时无锯齿形平台，变形时总伴随着加工硬化。213）第Ⅲ种类型：弹性－不均匀塑性变形在正常弹性后，有一系列锯齿叠加在抛物线型曲线上。此类材料特性：是由于材料内部不均匀变形所致。出现的情况：（1）面心立方金属在低温和高应变率下，其塑变通过孪生进行。标距的长度随孪生带的成核和生长间歇地突然伸长，当试样中瞬时应变率超过试验机夹头运动速率，则载荷就下降。22（2）含碳的体心立方铁基固溶体及铝的低溶质固溶体。由于溶质原子或空位与晶格位错相互作用的结果所致。若应力足够大，位错可从溶质原子簇中挣脱，载荷就下降。若溶质原子足够快地扩散开，就可将位错重新锁住，则须再增大载荷才使变形继续下去。234）第Ⅳ种类型：弹性－不均匀塑性－均匀塑性变形许多体心立方铁基合金和有色合金，应力－应变曲线在弹性与均匀塑性变形间有一狭窄一段属不均匀塑变区。即从弹性向塑性变形的过渡明显。主要表现：在试验中，外力不增加（保持恒定）试样仍继续伸长；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下，试样继续伸长变形。这便是“屈服现象”。245）第Ⅴ种类型：弹性－不均匀塑性－均匀塑性变形它有一个上屈服点A，接着载荷下降。其中：OA－弹性；AB－不均匀塑变；BC－均匀塑变。到达B点后，试件出现“缩颈”，但并很快失效。典型的结晶高聚合物材料具有此特征，这与其结构有关。以B点为界，整个塑变出现两种不同趋势。AB－应力随应变增大而下降，BC－则随应变增大而上升。ABC25不同类型材料典型的拉伸应力－应变曲线退火低碳钢：在拉伸应力-应变曲线上，出现屈服平台，平台的延伸长度随钢的含碳量增加而减少。当含碳量增至0.6%以上，平台消失。26其它类型材料的应力-应变曲线弹性变形、塑性变形弹性变形非线性弹性变形1—纯金属（Al、Cu、Ag等）2—高弹性材料（橡胶）3—脆性材料（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢）1234102030(%)0100200300400500600700800900(MPa)1、锰钢2、硬铝3、退火球墨铸铁4、低碳钢特点：d较大，为塑性材料。无明显屈服阶段。276、温度和应变速率对材料拉伸力学性能的影响实验表明：材料拉伸力学性能与试验温度和拉伸速率有关，主要对塑性变形的影响，即对材料屈服强度和延性的影响。对某确定材料，随试验温度升高，应力—应变曲线下降，应变速率减小，应力—应变曲线下降，如图试验温度对材料应力－应变曲线的影响拉伸速率对材料应力－应变曲线的影响