第一章-金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum主要内容塑性变形弹性变形拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线金属的断裂材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum单向静拉伸试验特点:应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定；可揭示最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）；最广泛使用的力学性能检测手段→强度、塑性等。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§1-1拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线力—伸长曲线试验过程（GB/T228-2002）常温光滑试样拉伸试验机缓慢加载，低的变形速率材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum拉伸试样（GB/T6397-1986）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力σe、σs、σb、δ、ψ图1-29圆形拉伸试样图1-30低碳钢单向静拉伸曲线F－Δl→σ－ε公式：σ=F/s0,ε=Δl/l0材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum拉伸曲线弹性变形oeEσ=Eεσe均匀塑性变形（强化）sbσb不均匀集中塑性变形bz“缩颈”现象低碳钢单向静拉伸曲线不均匀屈服变形esσs、σ0.2z点：试样发生断裂σs、σ0.2及σb是设计和选材的主要依据材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum陶瓷、玻璃塑料含杂质铁合金淬火高温回火高碳钢黄铜低合金钢材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleumnKeSAPS/S—真应力，e—真应变，K—强度系数n—应变硬化指数，材料的应变强化能力材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum拉伸试验拉伸材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§1-2弹性变形一、弹性变形及其实质可逆变形本质：材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum二、虎克定律简单应力状态的虎克定律1.单向拉伸EEyyzxyy。；；E；、；yzxy拉应力泊松比弹性模量横向收缩应变纵向拉伸应变—————2.剪切和扭转G。；G；切应变切变模量切应力———3.E、G和ν的关系12EG材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum广义虎克定律材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum三、弹性模量物理意义：材料对弹性变形的抗力用途：工程上，刚度；梁、曲轴，挠度；弹簧钢。重要特点：决定于金属原子本性和晶格类型，对组织不敏感E定义：产生100%弹性变形时所需要的应力。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum四、弹性比功定义：材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。几何意义：σ-ε曲线上弹性阶段下的面积用途：弹簧钢、橡胶，要求ae大①提高σe，或者降低E。②体积越大，ae越大Eaeeee222材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum五、滞弹性（弹性后效）现象：弹性应变落后于应力，与时间相关。定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。影响因素：材料成分、组织均匀性材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum弹性滞后环：由于具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时，应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线（图a）。σ＜σe，图b。σ＞σe，图c。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum六、金属的循环韧性定义：金属在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功的能力，金属的内耗或消振性。意义：力学性能之一；循环韧性越高，机件的消振能力越好。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum七、包申格效应（Bauschinger）定义：材料经过预先加载并产生少量塑性变形，卸载后，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。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum微观本质：预塑性变形，位错增殖、运动、缠结。同向加载，位错运动受阻，σr增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易σr降低。包申格应变危害及防止方法材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§1-3塑性变形一、塑性变形的方式及特点微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象方式：滑移主要方式孪生低温或快速形变时切应力材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum多晶体的塑性变形特点(1)晶界阻碍位错运动晶界使变形抗力提高，细晶强化(2)晶粒分批逐步变形材料表面优先软位向先变形(3)各晶粒变形的相互协调性材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum二、屈服现象和屈服强度材料产生宏观塑性变形的一种标志屈服现象材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum屈服机理外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程三个因素：①变形前可动位错密度很小，②塑性变形位错能快速增殖；③位错运动速率与外加应力有强烈依存关系柯氏气团溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团，位错被钉扎位错塞积群n个位错同向运动受阻，形成塞积群材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum应变速率与位错密度、位错运动速率的关系晶体结构变化，b↑,应变速率↑位错增值，ρ↑，应变速率↑提高外应力τ,υ↑,应变速率↑vb材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum屈服强度屈服点不明确,σ0.2为屈服强度条件屈服强度——规定微量塑性伸长应力规定非比例伸长应力(σP)σ0.01或σ0.05规定残余伸长应力(σγ)σr0.2规定总伸长应力(σt)试样在外力保持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点σs=Fs/A0材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum屈服判据：[σ]=σs/n（n≥2）屈雷斯加最大切应力判据：σ1-σ3=σs米赛斯畸变能判据：(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2=2σs2开始塑性变形的强度设计准则。是否越高越好?屈强比σs——工程上从静强度角度选择韧性材料的依据材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum三、影响屈服强度的因素合金：基体+强化相塑性变形——位错——基体影响位错增殖和运动→影响屈服强化内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相外在因素：温度、应变速率、应力状态材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum1、金属本性及晶格类型纯金属单晶体，位错运动所受的各种阻力决定晶格阻力，派纳力位错交互作用阻力位错强化W—位错宽度材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum2、晶粒大小和亚结构晶界是位错运动的障碍要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力霍尔派奇（Hall-Petch）公式细晶强化21dkyis材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum3、溶质元素溶质——晶格畸变应力场溶质原子与位错的交互作用：间隙固溶体的强化效果比置换的大！固溶强化材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum4、第二相弥散强化、沉淀强化位错切过或绕过尺寸、形状、数量及分布；与基体的晶体学匹配程度第二相强化屈服强度对成分、组织极为敏感材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum影响屈服强度的外在因素（1）温度提高，位错运动容易，σs↓BCC温度效应显著FCC不显著材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（2）应变速率提高，σs↑材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（3）应力状态切应力τ↑，σs↓。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum四、应变硬化（形变强化）定义：材料在应力作用下进入塑性变形阶段，随着变形量的增加，形变应力不断提高的现象。机理：塑变变形过程中的多系滑移和交滑移造成的位错增殖，运动受阻所致材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum应变硬化的意义（1）使金属进行均匀的塑性变形；（2）改善切削加工性能；（3）保证机器的安全工作；（4）提高材料强度的重要手段。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum应变硬化指数n，反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。n=0.1~0.5n=1：s=ke,理想弹性体n=0：s=k,