金属材料力学性能

1金属材料力学性能2本章内容1.金属力学性能基本概念2.单向拉伸试验特点3.拉伸曲线4.拉伸力学性能指标5.几个基本概念3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.金属力学性能基本概念41.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52.单向拉伸试验特点•应力状态：单向拉应力，应力状态简单，最常用的力学性能试验方法•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。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）。62.单向拉伸试验特点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72.单向拉伸试验特点：应力ABFAs=F/A(单位:N/m2orPascal(Pa))82.单向拉伸试验特点：应变•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无单位(m/m,mm/mm)92.单向拉伸试验特点：应力与应变举例•图中丝的截面积为1mm2,长度为100mm.•在丝的下方悬挂10Kg物体，丝的长度变成了100.5mm.•计算：丝中的应力；丝的应变量10Kg10•应力：9.8×10/1（N/mm2)＝98×106Pa＝98MPa•应变：(100.5-100)/100=0.005＝0.5%113.拉伸曲线12典型的拉伸曲线sss=s0.2sssssbeeeeee13弹性变形阶段14屈服点15屈服发生后的卸载16均匀塑性变形阶段17颈缩阶段183.拉伸曲线：弹性变形•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193.拉伸曲线：塑性变形•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20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wire21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22•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4.拉伸力学性能指标（1）弹性模量EF=kx23弹性模量E:单纯弹性变形过程中应力与应变的比值。eEs24stressstrainAB应力应变A=刚度大B=刚度小刚度与弹性模量的区别25材料的弹性模量具有组织不敏感性！26悬臂梁挠度与弹性模量聚苯乙烯铝钢27（2）比例极限•定义：满足线性关系的所能达到的最大应力。•tgθ’＝1.5tgθ偏离50％此时，σp50如果偏离25％或10％，记做σp25,,σp10•也可以：P/A0•意义：强调正比例关系，是弹性零件必须满足的性能指标。如弹簧秤θθ’σp5028（3）弹性极限•定义：发生弹性变形，而不发生塑性变形的最大应力。•规定一个小的塑性变形量对应的应力值作为弹性极限，如0.005%,0.01%,0.05%.此时弹性极限分别记做：σ0.005,σ0.01,σ0.05•也可以：P/A0•意义：强调不发生塑性变形；（比例极限强调符合正比例关系）。•一般的弹性件，如紧固螺栓29•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（4）屈服强度303132•小塑性变形抗力指标33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（5）抗拉强度34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通常在拉伸试验中，不测定断裂强度。在这种情况下，可以根据下列经验公式估算断裂强度σf=σb（1+Ψk）（6）真实断裂强度35•大塑性变形抗拉指标36条件断面收缩率ψ：断面收缩率ψ是评定材料塑性的主要指标。%10000AAAK（7）条件断面收缩率37条件延伸率：材料的塑性常用延伸率表示。测定方法如下：拉伸试验前测定试件的标距L0，拉伸断裂后测得标距为Lk，然而按下式算出延伸率%10000LLLK（8）条件延伸率38极限延伸率极限延伸率等于试样断裂后的总条件延伸率，K＝ΔLK/L0×100％其中ΔLK＝ΔLE＋ΔLN试验总结得出：ΔLE＝β×L0，其中β是常数ΔLN＝γ×A0，其中γ是常数，A0是试样的原始截面积因此：K＝ΔLK/L0×100％＝（β×L0＋γ×A0）/L0×100％＝β＋γ×A0/L0极限延伸率与试样尺寸A0和L0的比值有关。如果是细长试样，A0/F0比值小，试样极限延伸率小；反之则大。为此国家标准对拉伸试样样品尺寸作出规定。两种：10倍试样：L0＝10×A0，延伸率记为10；5倍试样：L0＝5×A0，延伸率记为539•依据体积不变原理，纵向伸长，那么横向必然收缩n=-横向应变=-ey•范围：0到0.5•大多数工程材料~0.3–Al=0.33,Zr=0.31,Pb=0.42,Nylon=0.4,硬塑料=0.43,…–反泊松比材料5.几个基本概念：泊松比纵向应变ex40•体模量（压缩弹性模量）：•0.5的情况•大于0.5的情况•小于0.5的情况41脆性与韧性•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…42BrittlefractureDuctilefracture”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43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？44弹性能x弹性能45思考•那种材料弹性模量最大？（A）•哪种材料脆性最大？（C）•那种材料塑性最好？（A）•那种材料韧性最好？•（A）•比较强度：–屈服强度–抗拉强度–断裂强度应变应力46思考题1）有颈缩材料的拉伸应力应变曲线分为几个变形阶段？2）叙述金属拉伸力学性能指标的物理意义和测量方法。3）推导极限延伸率计算公式。说明5倍拉伸试样和10倍拉伸试样测量得到的极限延伸率差别的原因？4）一个直径为2.5mm，长度200mm的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为2.2mm，计算：a）杆的最终长度（体积不变原理）；b）该载荷作用的真应力与真应变；c）该载荷作用下的条件应力与条件应变。47思考题1）美国哥伦比亚号航天飞机解体，从材料上看原因是什么？2）弹簧的弹性系数和弹簧所用材料的弹性模量有什么区别？3）什么是形状记忆合金的伪弹性？产生原因？应用？4）查找下面材料的力学性能指标：45＃钢，2024Al合金，纯铝，纯镁5）材料的弹性模量构件的刚度6）超声法测量材料弹性模量的原理7）比例极限和弹性极限概念上有什么区别？8）工程零件实际服役应力以屈服强度设计，还是抗拉强度设计？48