材料力学性能第一章

ChongqingUniversityMechanicalPropertiesofMaterialsCollegeofMaterialsScienceandEngineering主讲：袁新建博士/副教授重庆大学材料学院材料加工工程系第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能ChongqingUniversityMechanicalPropertiesofMaterialsCollegeofMaterialsScienceandEngineering引言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金属的断裂主要内容ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials单向静拉伸试验(Tensiontest)特点：最广泛使用的金属力学性能检测手段试验的温度、应力状态、加载速率和试样等都有严格规定GB/T228.1-2010(GB/T228-2002)最基本的力学行为(弹性、塑性和断裂)可测力学性能指标：屈服强度Re(σs)、Rp0.2(σ0.2)抗拉强度Rm(σb)断后伸长率A(δ)断面收缩率Z(ψ)引言-单向静拉伸实验ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterialsa.拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为有效，由不同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较。b.拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所受的载荷Ｆ和伸长量ΔL之间的关系曲线。dσ/dt=1~10MPa/s拉伸实验中注意的问题引言-单向静拉伸实验ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials一、影响力学性能的外界因素温度、加载速度、环境介质、应力状态二、应力状态应力状态可用应力软性系数α表示maxmaxτ　τmax——工件上受到的最大切应力σmax——工件上受到的最大正应力（1）引言-应力状态ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials最大正应力理论：已知三个主应力，σ1＞σ2＞σ3321max其中υ是泊松比，与材料关系较小，一般取0.25(0.25~0.33)31max21（2）（3）（1）（2）（3）式联立可得3213122α≥1称为软性加载方式，τmax≥σmaxα＜1称为硬性加载方式，τmax＜σmax最大切应力理论引言-应力状态ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials单向拉伸σ1＞0σ2=σ3=0单向压缩σ1=σ2=0σ3＜0三向等拉伸σ1=σ2=σ3＞0三向等压缩σ1=σ2=σ3＜0由于单相压缩的软性系数大于单向拉伸的软性系数，则说明对同一种材料来说，压缩比拉伸更容易塑性变形。因为正应力不能使位错运动，只有在切应力的作用下才能使材料发生塑形变形，所以当α=0时，不能使材料发生塑形变形。硬性加载软性加载无塑性变形（无切应力）引言-应力状态α=0.5α=2α=0α=0ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials§1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线一、拉伸力-伸长曲线（以退火低碳钢为例）五个变形阶段：•弹性变形Oe•屈服塑性变形AC•均匀塑性变形CB•局部塑性变形Bk•断裂k正火、退火碳素结构钢和一般低合金结构钢都具有类似的拉伸力-伸长曲线ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials0AF应力0ss0eeAFAF屈服强度弹性极限%100%100000LLLLL应变0bbAF抗拉强度0kkAF断裂强度§1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线可得到金属在静拉伸条件下的力学性能指标：σkσeδgσsδgtσbδ将拉伸力-伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到应力-应变曲线。因均系以一常数相除，故曲线形状不变，称为工程应力－应变曲线。二、工程应力-应变曲线ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials低塑性材料高塑性材料低塑性材料在拉伸断裂前:只发生均匀伸长不发生颈缩塑性变形量较小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§1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials脆性材料：在拉伸断裂前不产生塑性变形,只发生弹性变形塑性材料：在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形淬火高碳钢室温普通灰铸铁并非所有金属材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸力-伸长曲线退火低碳钢在低温下拉伸时只有弹性变形阶段脆性材料§1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线陶瓷、玻璃ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials如果用拉伸时试样的真实断面Ａ和真实长度Ｌ去除得到真应力S和真应变e(ψe)绘制曲线，则得到真实应力-应变曲线(OBK曲线)。三、真实应力-应变曲线单调增加§1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线应变硬化ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials11000AAAFAAFAFS真实应力%100AA%100000AAA断面收缩率可见，S＞σ§1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线关于真实应力ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials在拉伸过程中，假设原始长度为L0拉伸到现在的长度L，拉伸次数为n次，即L0→L1→L2→L3→……→L则真实应变1-n1-n223112001LLLLLLLLLLLLe1ln1lnlnLLlnd0000000LLLLLLLLLLLn无穷大e1lne1lny很小时，当＜很小时，，当函数exyxx§1.1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线关于真实应变ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials§1.2弹性变形弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，是一种可逆变形§1.2弹性变形（elasticaldeformation）一、特点单向拉伸E胡克定律多向应力213313223211111EEE广义胡克定律☆可逆性☆正比性☆小变形性：变形量小于0.5%~1%ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials§1.2弹性变形二、物理本质（doubleatomicmodel双原子模型）双原子模型弹性变形的可逆性：原子的位移总和＝宏观变形2Ar204ArrF=Fmax时，克服引力，拉开两个原子，此为弹性下的断裂——理论正断强度通常拉开n分之一个原子间距就发生了塑性变形——塑性变形机理取代弹性变形实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起始阶段，因此胡克定律所表示的外力－位移线性关系是近似正确的。晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映(1)平衡：合力为零(2)受力：产生位移，导致变形；宏观上表现出材料的变形(3)去力：位移消失，表现出宏观可逆性ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials三、弹性模量E1.技术/工程意义：刚度(stiffness)刚度：在一定外力作用下，材料发生弹性变形的难易程度。0000//ALFLLLAFE00EAFLL当F一定，E增大，则L降低；ΔL减小，则刚度增加。§1.2弹性变形微观角度：原子、离子或分子之间键合强度的反映。键强增大，E增大。表征金属材料对弹性变形的抗力，E值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials§1.2弹性变形桥式起重机梁内燃机、离心机、压气机等的曲轴精密机床的主轴、床身等均有刚度要求以免产生挠度偏大、过大振动，保证正常工作、加工精度刚度是金属材料重要的力学性能指标之一ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials§1.2弹性变形2.影响E的因素①材料本身（内在因素）E主要决定于原子本性、晶格类型、晶格常数、原子间作用力的大小，另外还与材料熔点、汽化热有关。但合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量E的影响较小，E是一个对组织不敏感的力学性能指标。合金化：合金元素对E的影响很小（合金成分对晶格常数的改变不大），E与相图中固相线的走向相同。热处理：晶粒大小对E无影响；第二相大小和分布对E的影响很小；淬火使E降低，回火使E升高，位错使原子间作用力降低。冷加工：开始随着变形量的增大E逐渐减小，但变形量继续增大时，E增大（变形织构引起E各向异性，沿变形方向E值最大）如：E∝Tm，W的E是Fe的两倍（EW=410GPa，EFe=210GPa）；E：共价键金属键分子键；原子密排方向的E较大（单晶体弹性各向异性）。晶体缺陷降低E，板条M中高密度位错，片状M中孪晶。ChongqingUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineeringMechanicalPropertiesofMaterials§1.2弹性变形②外部因素温度升高，E降低加载条件、负载时间E0T一般来说，温度升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，E降低。例如碳钢加热时，每升高100℃，E值降3-5%。弹性模量和温度关系加载方式、加载速率、负载时间对金属、陶瓷类材料的E没有影响；因为弹性变形速度接近声速，远超加载速率。ChongqingUniversity