金属材料在静拉伸载荷下的力学性能.pptx

一、拉伸试验（附录A：GB/T228-2002：金属材料室温拉伸试验GB/T228-87）1、标准比例试样：圆形试样L0=5d0或L0=10d0第一节 拉伸力伸长曲线和应力应变曲线第1页/共104页2、拉伸实验动画第2页/共104页oe:弹性变形e点后:塑性变形力去除后能恢复原状的变形。外力去除后不能恢复原状的变形。ek：弹-塑性变形阶段e点后平台：屈服外力不增加或是上下波动而试样继续产生塑性变形而伸长的现象。cB:均匀塑性变形阶段B:点后局部缩颈现象第3页/共104页1、弹性变形2、不均匀屈服塑性变形3、均匀塑性变形4、不均匀集中塑性变形5、断裂低碳钢在拉伸力作用下的变形过程：第4页/共104页第5页/共104页二、工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线1、工程应力-应变曲线拉伸曲线-应力应变曲线工程应力载荷除以试件的原始截面积即得工程应力，=FA0工程应变伸长量除以原始标距长度即得工程应变，=ll0第6页/共104页2、拉伸性能指标1）e弹性极限6）E弹性模量2）s屈服强度3)b抗拉强度4)K断裂强度5）伸长率第7页/共104页3、不同材料的拉伸曲线图a图b图c有明显的屈服现象无屈服现象无明显的塑性变形低碳钢铝合金、铜合金、中碳合金钢淬火高碳钢、铸铁图d无加工硬化冷拔钢丝第8页/共104页4、真实应力-应变曲线第9页/共104页第二节弹性变形一、弹性变形的实质金属材料弹性变形是其晶格中的原子自平衡位置产生可逆位移的反应。双原子模型：F=A/r2-A(r0)2/r4Fmax:在弹性状态下的断裂载荷FFr第10页/共104页第11页/共104页第12页/共104页第13页/共104页首先决定于结合键：应力和应变的关系实质是原子间作用力和原力间距的关系.共价键结合的材料弹性模量最高SiC，Si3N4陶瓷材料有很高的弹性模量。E=/E=/材料的弹性模量与原子间结合力和原子间距有关.第14页/共104页金属的原子间作用力取决于原子本性和晶格类型金属键有较强的键力其弹性模量适中例如铁(钢)的弹性模量为210GPa，是铝(铝合金)的三倍(EAl70GPa)，钨的弹性模量又是铁的2倍，铁是铝的3倍。弹性模量是和材料的熔点成正比的弹性模量取决于原子本性和晶格类型第15页/共104页第16页/共104页单晶体金属弹性各向异性多晶体金属弹性伪各向同性第17页/共104页第18页/共104页第19页/共104页三、弹性极限和比例极限1、弹性极限e材料只发生弹性变形所能承受的最大应力应用：不允许产生微量塑性变形的机件2、比例极限p材料所受应力与应变成正比关系的最大应力应用：应力与应变严格的直线关系的机件注意：多晶体材料，各晶粒变形不同时，很难测出准确和唯一的e和p用规定的微量塑性变形(残余伸长)所需的应力来表征。ppee第20页/共104页第21页/共104页表1-2弹簧材料的弹性比功材料E/MPae/MPaae/MJ.m-3高碳弹簧钢2100009650.228(2.21)65Mn20000013804.76155Si2Mn14805.47650CrVA14205.041不锈钢(冷轧)10002.5铍青铜1200005881.44磷青铜1010004501.0第22页/共104页五:弹性不完善性(一)、滞弹性滞弹性(弹性后效)0t10tee1e20tee1e2e1e2在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长而产生附加弹性应变的现象，延长而产生附加弹性应变的现象，滞弹性滞弹性卸载时应变落后于应力的现象，叫卸载时应变落后于应力的现象，叫反弹性后效反弹性后效加载时应变落后于应力的现象，叫加载时应变落后于应力的现象，叫正弹性后效正弹性后效第23页/共104页第24页/共104页（二）弹性滞后环和循环韧性（二）弹性滞后环和循环韧性弹性滞后环：金属的内耗弹性滞后环：金属的内耗循环韧性：金属在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力循环韧性：金属在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力消振性：消振性：（循环韧性）循环韧性）吸收不可逆变形功的能力吸收不可逆变形功的能力0e第25页/共104页表1-3 一些金属材料的比循环韧性材料在不同应力水平下的比循环韧性31.5MPa46.23MPa77.28MPa碳钢(WC=0.10%)2.282.784.16镍铬淬火回火钢 0.380.490.71Cr13不锈钢8.08.08.018-8不锈钢0.761.163.8灰铸铁28.040.0黄铜0.50.86第26页/共104页(三)包申格效应 产生了少量塑性变形的材料，再同向加载规定残余伸长应力升高；反向加载规定残余伸长应力降低的现象。0e124.0217.8328.748.5230.1第27页/共104页包申格效应变原因：位错支运动阻力发生变化。原因：位错支运动阻力发生变化。作用：循环软化，塑性变形抗力下降作用：循环软化，塑性变形抗力下降反向成形反向成形消除：回复或再结晶退火消除：回复或再结晶退火较大的塑性变形较大的塑性变形第28页/共104页第三节第三节 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形一、塑性变形一、塑性变形1 1、塑性变形的主要方式、塑性变形的主要方式滑移滑移和和孪生孪生滑移滑移:金属材料在切应力作用下金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑移方向进行的平移过程沿滑移面和滑移方向进行的平移过程孪晶孪晶金属材料在切应力作用下，均匀切变过程金属材料在切应力作用下，均匀切变过程第29页/共104页第30页/共104页 BCC BCC 110110FCCFCC111111HCPHCP00010001第31页/共104页施密特(Schmid)定律 滑移方向上的分切应力为：称为取向因子或施密特因子。当+=900，取向因子有最大值0.5。第32页/共104页单晶体屈服强度和取向有关.屈服强度大的取向称为硬取向,其M值小.屈服强度小的取向称为软取向,其M值大.第33页/共104页位错增殖第34页/共104页X位错滑移与宏观塑性变形第35页/共104页X第36页/共104页晶体转动第37页/共104页2 2）各晶粒变形的相互协调性）各晶粒变形的相互协调性2 2、多晶体塑性变形的特点、多晶体塑性变形的特点1 1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性）各晶粒变形的不同时性和不均匀性第38页/共104页二、屈服现象和屈服强度（屈服点）1、屈服现象：在外力不增加或是上下波动情况下，试样继续变形的现象。屈服线(流动带、吕德斯带)：拉伸后试样表面出现的斜线上屈服点和下屈服点初始瞬时效应第39页/共104页2、原因或条件：产生屈服的条件：1）变形前可动位错密度很小；2）随塑性变形，位错能快速增殖；3）位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系=bV.V=（/0）mV位错运动平均速率可动位错密度b柏氏矢量的模滑移面上的分切应力0位错以单位速率运动所需的切应力m位错运动速率应力敏感指数第40页/共104页3、屈服强度s表征材料对微量塑性变形的抗力。m小，则变化大，屈服明显。开始塑性变形时,可动小,要求V大要求 大塑性变形后 要求V小要 BCC:m100200，屈服不明显=bV.V=（/0）m第41页/共104页s：上屈服点su和下屈服点sl通常规定产生0.2%微量塑性伸长所对应的应力，作为条件屈服强度，记为0.2第42页/共104页(1)规定非比例伸长应力应力-应变曲线上非比例伸长达到规定的数值所对应的应力p0.01、p0.05采用p表示第43页/共104页(2)规定残余伸长应力试样加载后再卸载，以出现残留的永久变形达到规定值的应力以r表示r0.01 r0.05等第44页/共104页(3)规定总伸长应力如t0.5以t表示第45页/共104页屈雷斯加最大切应力判据：1-3=s（1-2）2+（2-3）2+（3-1）=22s米赛斯畸变能判据：多向应力：第46页/共104页第47页/共104页第48页/共104页2、位错密度（形变强化），BCC的（0.4）大于FCC的（0.2）:位错间的交互作用=Gb(1/2)第49页/共104页3、晶界和亚晶（细晶强化）：s=i+kyd（-1/2）i-位错在基体金属中运动的阻力Ky度量晶界对强化贡献大小的钉扎系数第50页/共104页4、溶质原子（固溶强化）:浓度、溶质种类空位间隙原子第51页/共104页混合定律：s=f 1/3 +（1-f 1/3）p5、第二相（第二相强化）1）弥散型（沉淀和弥散强化）2）聚合型：热处理和粉末冶金方法粒状珠光体第52页/共104页弥散型（沉淀和弥散强化）=Gb/l相的性质、数量、大小、形状、分布第53页/共104页第54页/共104页3 3、应力状态的影响、应力状态的影响 切应力分量大，切应力分量大，s s小小，如扭转比拉伸小如扭转比拉伸小第55页/共104页第56页/共104页第57页/共104页影响n的因素：层错能：高n小材料状态：退火状n大强度等级：ns=常数溶质含量高：n小晶粒大小：大n大第58页/共104页第59页/共104页第60页/共104页第61页/共104页原因:应变硬化与截面减小共同作用的结果第62页/共104页第63页/共104页s=kends/de=kne(n-1)在缩颈点:ds/de=kneb(n-1)ds/de=sbn=eb=kebnkne(n-1)=kebn金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时,缩颈便会产生。第64页/共104页第65页/共104页 脆性材料脆性材料：设计时，其许用应力以抗拉强度为依据。设计时，其许用应力以抗拉强度为依据。六六 抗拉强度抗拉强度b b 材料在拉伸过程中最大试验力所对应的应力材料在拉伸过程中最大试验力所对应的应力.脆性材料脆性材料：在材料不产生缩颈时抗拉强度代表断裂抗力在材料不产生缩颈时抗拉强度代表断裂抗力.塑性材料：代表产生最大均匀塑性变形抗力塑性材料：代表产生最大均匀塑性变形抗力它表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力。它表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力。易测定，表现性好易测定，表现性好，作为产品规格说明或质量控制的标志。作为产品规格说明或质量控制的标志。b b 能和材料的疲劳极限能和材料的疲劳极限-1-1和材料的硬度和材料的硬度H H B B 建立一定关系建立一定关系对淬火回火钢：对淬火回火钢：-1-10.50.5b b b b0.345 H0.345 H B B五大指标：五大指标：S S，b b，a a K K第66页/共104页第67页/共104页U U(均匀变形伸长率均匀变形伸长率)=l)=lU U/l/l0 0=L L0 0/L/L0 0=N N(局部变形伸长率局部变形伸长率)=l)=ln n/l/l0 0 =A A0 0 (1/2)(1/2)/L/L0 0短试样短试样:5 510105 5L L0 0=5d=5d0 0 长试样长试样:L L0 0=10d=10d0 01010第68页/共104页第69页/共104页gtgt:最大力下的总伸长率最大力下的总伸长率gtgt对于评定冲压板材的成型能力是很有用的。对于评定冲压板材的成型能力是很有用的。真实应变真实应变 e eB B=ln(1+=ln(1+gtgt)=n)=n第70页/共104页第71页/共104页材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。八、静力韧度韧性：抗抵裂纹扩展的能力。静力韧度:材料在静拉伸时单位体积材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力.UT第72页/共104页A=(Sk2-0.22)/2DA=(1/2)(Sk+0.2)(ef)D=(Sk-0.2)/efD形变强化模数S=0.2+DeS=Kensefe0.2Sk第73页/共104页第四节第四节 金属材料的断裂金属材料的断裂一、断裂的分类1、第74页/共104页b2、：无明显塑性变形：明显塑性变形-5%5%3、按裂纹扩展的路径分穿晶断裂沿晶断裂冰糖状断口第75页/共104页4、按断裂的机理分解理断裂：在正应力作用下沿一定的晶体学平面产生的穿晶断裂微孔聚集型断裂：通过微孔形核、长大聚合而导致断裂。纯剪切断裂：在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂。二、拉伸试样的宏观断口二、拉伸试样的宏观断口1、韧性断裂的宏观断口：纤维状暗灰色纤维区F放射区R剪切唇S光滑圆柱试样的拉伸断口：杯锥状断口特征三要素第76页/共104页三个区的形成：纤维区：裂纹缓慢扩展形成。微孔形成、长大、相连（聚合）放射区：裂纹快速扩展形成。剪切唇：试样拉伸断裂的最后阶段形成。第77页/共104页三个区域的比例关系与材料韧断性能和实验条件有关三个区域的比例关系与材料韧断性能和实验条件有关材料的硬度和强度很高，则放射区比例增大材料的硬度和强度很高，则放射区比例增大低温环境，试样尺寸增大，放射区比例增大低温环境，试样尺寸增大，放射区比例增大2、脆性断裂的宏观断口：平齐光亮呈放射状或结晶状裂纹扩展方向板状矩形试样拉伸形成人字纹花样第78页/共104页三、断裂强度（一）理论断裂强度m=G/2G=104-5MPa实际测得在1-10 MPa决定材料强度的最基本因素：原子间结合力理论切变强度：在切应力作用下，两原子面作刚性滑移所需的理论切应力理论断裂强度：在正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力第79页/共104页理论断裂强度：理论断裂强度即相当于克服最大引力m。m=？ma0引力和位移的关系=msin(2X/)X很小时:=m 2X/（1）根据虎克定律:=EX/a0 （2）Xa0m 2X/=EX/a0m=E/2a0 (3)能量守恒:外力所作的功等于断裂面的表面能第80页/共104页ma0外力所作的功U0为-X曲线所围成的面积=m/表面能=2sm/=2s=2s/m 代入(3)式m=E 2s/m 2a0m=(Es/a0)1/2U0=m=E/2a0 (3)m理论断裂强度m=(2X105X106X2/2.5X10-10)1/2铁:E=2X105MPa,a0=2.5X10-10m,s=2J/m2=4X1010Pa=4X104MPa第81页/共104页第82页/共104页如果弹性能降低足以满足表面能增加之需要时,裂纹就会失稳扩展引起脆性破坏.从能量角度计算裂纹体的断裂强度:系统弹性能的降低必与因存在裂纹而增加的表面能相平衡.max假设一单位厚度无限宽薄板,施加一拉应力与外界隔绝能源z=0平面应力状态单位体积储存的弹性能为2/2E中心割一2a长的裂纹释放的弹性能UeUe=-2a2/E增加的表面能W为W=4as整个系统能量变化为Ue+W=-2a2/E+4as第83页/共104页第84页/共104页如果裂纹尖端很小,与a0相近0.8(Es/a)1/2和0.5(Es/a)1/2必要条件：充分条件：c=(2Es/a)1/2c=(Es/4aa0)1/2如果3a0时用c=(Es/4aa0)1/2注意:格雷菲斯的断裂强度公式只适用于脆性固体对于金属材料:c=E(2s+p)/a1/2p塑性变形所需的塑性变形功2spc=(Ep/a)1/2应力松驰:c=(Es/4aa0)1/2裂纹尖端附近产生塑性变形,尖端发生钝化使增大,max减少的现象.第85页/共104页四、解理断裂机理和微观断口特征（一）解理裂纹的形成和扩展裂纹形成的位错理论甄纳-斯特罗位错塞积理论事实：断口附近仍然有少量的塑性变形1948年甄纳当切应力达到某一临界值时，塞积头处的位错互相挤紧聚合而成一高nb，长r的楔形裂纹。nbr-ifmax第86页/共104页斯特罗指出如果塞积头处的应力集中不能为塑性变性所松驰，则塞积头处的最大拉应力fmax能够等于理论断裂强度形成裂纹.nbr-ifmaxfmax=（-i）（d/2r）1/2i:滑移面上的有效切应力m=(Es/a0)1/2f=i+(2rEs/da0)1/2若r与a0相当，E=2G（1+）代入得f=i+(4G（1+）Es/d)1/2第87页/共104页裂纹扩展条件（柯垂耳）nb=2snbr-ic=2sG/d（-i）（s-i）=kyd（-1/2）c=2sG/kyd（1/2）nb=d（-i）/G第88页/共104页d（-1/2）c=2sG/kyd（1/2）s=i+kyd（-1/2）ef第89页/共104页(二)解理断裂的微观断口特征解理断裂的基本微观特征(微观断口特征):解理台阶、河流花样、解理舌河流花样第90页/共104页解理台阶形成方式：1、解理裂纹与螺旋位错相交2、二次解理或撕裂第91页/共104页河流花样形成示意图河流通过倾斜晶界河流通过扭转晶界重新形核第92页/共104页舌状花样及形成示意图第93页/共104页（三）准解理原因原因:细小的第二相细小的第二相它是解理断裂的变种它是解理断裂的变种不同点不同点:准解理小刻面不是晶体学解理面准解理小刻面不是晶体学解理面;裂纹多萌芽于晶粒内部裂纹多萌芽于晶粒内部。与解理的共同点与解理的共同点:有小解理刻面、台阶及河流花样有小解理刻面、台阶及河流花样等等第94页/共104页四、微孔聚集断裂机理和微观断口特征（一）微孔聚集断裂机理断裂过程：微孔形核、长大、聚合直到断裂形核方式：第二相（或夹杂物）质点本身破碎或它们与基体界面脱离而成在第二相处形核原因：位错引起应力集中；第二相与基体塑性变形不协调而产生分离第95页/共104页aedbc微孔形核长大模型第96页/共104页微孔长大和聚合模型第97页/共104页（二）微观断口特征韧窝20CrMo20CrMo淬火高温回火断口微孔聚集型淬火高温回火断口微孔聚集型(微孔多萌生于碳化物界面微孔多萌生于碳化物界面)5959黄铜断口黄铜断口第98页/共104页等轴韧窝拉长韧窝撕裂韧窝轴向扭转拉弯联合韧窝的形状取决于应力状态轴向扭转(切应力）拉弯联合第99页/共104页2、塑性好，则韧窝大而深韧窝的大小和深浅:1、第二相密度高，间距小，则韧窝小3、加工硬化能力强，则韧窝大而浅。第100页/共104页五、断裂理论的应用c=2sG/kyd（1/2）s=i+kyd（-1/2）脆性断裂：i+kyd（-1/2）=2sG/kyd（1/2）ky（d（1/2）i+ky）=2sGd（-1/2）csef第101页/共104页脆性断裂：ky（d（1/2）i+ky）=2sG降低脆断倾向：提高G、s、q、降低ky、d、iky（d（1/2）i+ky）=2sG q1、G，G脆性。G高，强度高。很难用强化方法改变G而使金属材料韧化考虑应力状态的影响，加入应力状态系数q2、s，s脆性。s实际由表面能和塑性变形功组成，称有效表面能。有效滑移系多，可动位错数目多，塑性变形功大，韧性好。各种因素对材料韧脆性的影响：第102页/共104页6、ky，钉扎常数。ky脆性。q脆性。4、d，d脆性。细晶材料的韧性好。i与p-n和位错运动阻碍有关。位错运动速率脆性。温度的影响，低温脆性。d（细化晶粒）脆性3、q，表示应力状态的系数，滑移面上切应力与正应力之比。5、i，i脆性。合金元素：ky、i和s脆性，形成粗大的第二相，脆性三向拉伸q=1/3，拉伸q=1，扭转q=2，第103页/共104页感谢您的观看！第104页/共104页