金属材料力学性能第一章-单向静拉伸ppt课件.ppt

《金属材料力学性能第一章-单向静拉伸ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料力学性能第一章-单向静拉伸ppt课件.ppt（90页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第一章第一章材料的拉伸性能材料的拉伸性能第一节第一节 应力应力-应变曲线应变曲线0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.0FbFkFsFpFeLoad F / KN图图1-2 低碳钢的拉伸图低碳钢的拉伸图一、力一、力-伸长曲线（伸长曲线（F-L曲线）曲线）Distance L/mm图图1-3 低碳钢的工程应力一应变曲线低碳钢的工程应力一应变曲线0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.0true strain-stress linePbPmStress / MPaStrain 弹性变形阶段塑性变形阶段断裂阶段弹性变形不均匀屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀集中塑性

2、变形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真应力载荷除以试件的瞬时截面积即得真应力，S=FA真应变瞬时伸长量除以瞬时标距长度即得真应变e，de=dLL)1ln(ln0LLLdLe)1 ()1 (0000AAAAAAA1)1 (0AFAFS三、 典型的拉伸曲线 1、材料分类：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。2、典型的拉伸曲线 s= 0.2sb一一 概念概念及实质：及实质：1 .概念：金属在外力作用下的可逆性变形。即金属在一定外力作用下，产生变形，这种变形在外力去除

3、时随即消失而恢复原状。2. 特性：1） 可逆性：外力去除时，变形消失，恢复原状。2） 单值线性关系：应力与应变呈单值线性关系。（OE段）3） 弹性变形量比较小，一般小于1%。 3. 实质：金属材料弹性变形是其晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。 第二节第二节 弹性变形弹性变形 弹性变形涉及构件刚度构件抵抗弹性变形的能力。与两个因素相关： 构件的几何尺寸材料弹性模量 塑性变形的不同工程要求：加工过程中降低塑变抗力服役过程中提高塑变抗力1、固体中一点的应力应变状态xyzz zz y z x x zx x x y y z y xy y正应力： x 、 y 、 z正应变： x 、 y 、 z切应力

4、：x y 、 y z 、 z x切应变：x y 、 y z 、 z x二、受力分析二、受力分析2 2 广义虎克定律广义虎克定律 x = x - ( y + z ) / E y = y - ( z + x ) / E z = z - ( x + y ) / E x y = x y / G y z = y z / G z x = z x / G( 2 3 )单向拉伸时： x = x / E ， y = z = - / E 单纯弹性变形过程中应力与应变的比值。E三、力学性能指标三、力学性能指标2 弹性极限1）条件比例极限 p ：规定非比例伸长应力。2）条件弹性极限 e ：规定残余伸长应力。3 3、弹

5、性比功、弹性比功 W We e（弹性应变能密度）（弹性应变能密度）材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功。弹性变形功。e0 e We = e e / 2 = e2 / (2E)制造弹簧的材料要求高的弹性比功：（ e 大 ，E 小）1、滞弹性 (弹性滞后)-在弹性范围内快速加载或卸载后,随时间延长产生附加弹永生应变的现象。四 弹性不完整性加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回线 - 弹性滞后环003 3、内耗、内耗 Q Q-1-1 -弹性滞后使加载时材料吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即部分能量被材料吸收。 （弹性滞后环的面积）工程

6、上对材料内耗应加以考虑4、包申格效应（概念、机理、应用、消除措施） 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变约为（残余应变约为1%4%），卸载后再同向加载则，卸载后再同向加载则规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸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。长应力降低的现象。 0124.0217.8328.748.52 30.1第三节第三节 塑性变形塑性变形1 1、单晶体塑性变形的主要方式、单晶体塑性变形的主要方式滑移和孪生滑移和孪生2 2、多晶体塑性变形的特征、多晶体塑性变形的特征1 1）塑性变形的非同时性和非均匀性）塑性变形的非

7、同时性和非均匀性材料表面优先材料表面优先与切应力取向最佳的滑移系优与切应力取向最佳的滑移系优先先一、方式及特点：一、方式及特点：2 2）各晶粒塑性变形的相互制约与协调）各晶粒塑性变形的相互制约与协调晶粒间塑性变形的相互制约晶粒间塑性变形的相互制约晶粒间塑性变形的相互协调晶粒间塑性变形的相互协调晶粒内不同滑移系滑移的相互协调晶粒内不同滑移系滑移的相互协调二二 屈服现象屈服现象 与屈服强度与屈服强度屈服现象：金属材料在屈服现象：金属材料在拉伸试验过程中，外力拉伸试验过程中，外力不增加试样仍能继续伸不增加试样仍能继续伸长；或外力增加到一定长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，数值时突然下降，随后

8、，在外力不增加或上下波在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸动情况下，试样继续伸长变形的现象。长变形的现象。屈服强度s： 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ss = Fs / 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0.2 s = 0.2 = F0.2 / A0 抗拉强度b： 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bb = PmaxA0 延伸率：

9、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%10000LLLK断面收缩率： 断面收缩率是评定材料塑性的主要指标。%10000AAAK2、屈服现象的解释位错增值理论：柯氏气团概念：溶质原子、杂质、位错和外力的交互作用 = b = ( /0 )m材料塑性应变速率、可动位错密度 、位错运动速率 、柏氏矢量b 、滑移面上切应力 、位错产生单位滑移速度所需应力0 、应力敏感系数m3 3、屈服强度和条件屈服强度、屈服强度和条件屈服强度s = sL 0.20.01 0.001 0.54、影响屈服强度的因素s 金属的屈服强度与使位错开动

10、的临界分切应力相关，其值由位错运动的所受的各种阻力决定。A、点阵阻力 ： 派纳力1322exp12bWGnp1）内因）内因B、位错交互作用阻力152Gb剧烈冷变形位错密度增加4-5个数量级-形变强化！C、晶界阻力-HallPetch公式：1620dks细晶强化D、固溶强化溶质原子与位错的：弹性交互作用电化学作用化学作用几何作用间隙固溶体的强化效果比置换固溶体的大！E、第二项强化聚合型：局部塑性约束导强化弥散型：质点周围形成应力场对位错运动产生阻碍-位错弯曲rGb22）外因）外因A、温度：一般，升高温度，降低屈服强度A、温度：一般，升高温度，降低屈服强度B、应变速率：加大应变速率，等同降低温度。

11、C、应力状态：切应力分量越大，越有利于发生塑性变形，屈服强度越低。三三 应变硬化（形变强化）应变硬化（形变强化）1、形变强化指数： nHollomon方程： S = K S = K e en n 描述了产生塑性变形后的真应力应变曲线材料的 n值与屈服强度近似成反比如低碳钢和低合金高强度钢：n =70/n =70/ s s2 2、形变强化容量：、形变强化容量： e eb b3 3、形变强化技术意义、形变强化技术意义变形均匀化抗偶然过载能力生产上强化材料的重要手段四、缩颈现象1.概念：缩颈是韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象，是应变硬化和截面减小共同作用的结果。B点：最大力点局部

12、塑性变形开始点拉伸失稳点塑性失稳点。2 缩颈判据 dF=0 1) dF=Ads+SdA=0 所以dA/A=-dS/SAdS0，应变硬化使承载能力增加，SdA0，截面收缩使承载能力下降。2）塑性变形体积不变 dV=0dA/A=-dL/LS=dS/deneknekededSSBknededSkeSbnbnbnn11:所以点五、塑性1 概念：金属材料断裂前发生塑性变形的能力2 塑性指标：1）断后伸长率：试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。000001001%100LAALLLLLLL集中变形伸长均匀伸长2）断面收缩率： 断面收缩率是评定材料塑性的主要指标。%10000AAAk形成缩颈不形成缩颈，

13、3）断后伸长率与断面收缩率之间关系：单一拉伸条件下工作的长形零件，选用单一拉伸条件下工作的长形零件，选用评定材料塑性；评定材料塑性；非长形件，且发生缩颈，选用非长形件，且发生缩颈，选用评定材料塑性。评定材料塑性。例题：例题： 光滑圆柱形拉伸试样，直径为光滑圆柱形拉伸试样，直径为10mm，标，标距长距长30mm，进行拉伸试验断裂时标距长，进行拉伸试验断裂时标距长37mm，求下列两种情况下的延伸率和截面收缩率。求下列两种情况下的延伸率和截面收缩率。1）没有发生颈缩；）没有发生颈缩；2）发生颈缩，断面直径为）发生颈缩，断面直径为8mm。%36)108(1)(1%33.23307)2%92.18377

14、11)(1%33.23307) 12200002000ddAAAAALLLLddAAAAALL3 塑性意义： *安全性能指标 *金属压力加工重要影响因素 *评定材料质量4）最大力下总伸长率gt)1ln()1ln(gtBneen4 脆性材料的拉伸力学行为 脆性材料在拉伸载荷下的力学行为可用虎克定律来描述。在弹性变形阶段，应力与应变成正比，即 =Ee 无机玻璃、陶瓷以及一些处于低温下的脆性金属材料，在拉伸断裂前只发生弹性变形，而不发生塑性变形，其拉伸曲线如图1-3(a)所示。 在拉伸时，试件发生轴向伸长，也同时发生横向收缩。将纵向应变el 与横(径)向应变er之负比值表示为，即=-er/el，称为

15、波桑比(Poissons ratio), 它也是材料的弹性常数。 脆性材料在拉伸载荷下的力学性能可用两个力学参数表征：即弹性模量和脆性断裂强度。 5 塑性材料的拉伸力学行为 当塑性材料所受的应力低于弹性极限，其力学行为可近似地用虎克定律加以表述。当材料所受的应力高于弹性极限，虎克定律不再适用。此时，材料的变形既有弹性变形又有塑性变形，进入弹塑性变形阶段，其力学行为需要用弹-塑性变形阶段的数学表达式，或称本构方程加以表述。六、静力韧度：1 分类：静力韧度冲击韧度断裂韧度2 概念：韧性：金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力；韧度：度量材料韧性的力学性能指标。静力韧度：静拉伸时试样断裂前单位体

16、积材料所吸收的功。为S-e曲线下所包围的面积。4.1 前言前言断裂是机械和工程构件失效的主要形式之断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。一。失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。的断裂形式。研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。构件在服役过程中的安全。第四节第四节 金属的断裂金属的断裂断裂分类：断裂分类：塑性变形量塑性变形量韧性断裂（韧性断裂（

17、ductile fractureductile fracture）脆性断裂脆性断裂 (brittle fracture) (brittle fracture) 裂纹扩展路线裂纹扩展路线穿晶断裂穿晶断裂沿晶断裂沿晶断裂断裂的微观机制断裂的微观机制 解理断裂解理断裂 微孔聚合型的延性断裂微孔聚合型的延性断裂纯剪切断裂纯剪切断裂引发断裂的缘因引发断裂的缘因 正断正断和断裂面的取向和断裂面的取向 切断切断 断口特征三要素：断口特征三要素：纤维区：纤维区：裂纹首先在该区域形成，该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，如裂纹首先在该区域形成，该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，如山脊状，这表明裂纹在该区扩展时伴有较大

18、的塑性变形，裂纹扩展也较慢；山脊状，这表明裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；放射区：放射区：表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹，裂纹在该区扩展较快；表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹，裂纹在该区扩展较快；剪切唇：剪切唇：接近试样边缘时，应力状态改变了（平面应力状态），最后沿着接近试样边缘时，应力状态改变了（平面应力状态），最后沿着与拉力轴向成与拉力轴向成40-50剪切断裂，表面粗糙发深灰色。剪切断裂，表面粗糙发深灰色。2 2 脆性断裂脆性断裂 脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，不发生塑性变形，

19、而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。接近音速。 脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。止脆断。断裂呈断裂呈“人人”字形花样，字形花样，“人人”字的字的尖端指向裂纹源尖端指向裂纹源 脆性断口韧性断口4.3 穿晶、沿晶断裂穿晶、沿晶断裂穿晶断裂：多晶体金属断裂时裂纹穿过晶内的断裂。穿晶断裂：多晶体金属断裂时裂纹穿过晶内的断裂。 可为韧性断裂、也可为脆性断裂可为韧性断裂、也可为脆性断裂沿晶断裂：多晶体金属断裂时裂纹沿晶界的断裂。沿晶断裂：多晶体金属断裂时裂纹沿晶界的断裂。

20、多为脆性断裂。多为脆性断裂。断品形貌：冰糖状、晶粒状。断品形貌：冰糖状、晶粒状。图图5-9 5-9 沿晶断裂的断口形貌沿晶断裂的断口形貌沿晶断裂原因：沿晶断裂原因： 晶 界 存 在 连 续 分 布 的 脆 性 第 二 相 ； 晶 界 存 在 连 续 分 布 的 脆 性 第 二 相 ； 微 量 有 害 杂 质 元 素 在 晶 界 上 偏 聚 ； 微 量 有 害 杂 质 元 素 在 晶 界 上 偏 聚 ；由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。成损伤。钢的高温回火脆性：微量元素晶

21、界偏聚：钢的高温回火脆性：微量元素晶界偏聚：P,Sb,As,SnP,Sb,As,Sn等。等。纯剪切断裂：应变强化指数低产生剪切裂开。纯剪切断裂：应变强化指数低产生剪切裂开。原因：这是因为应变强化阻碍已滑移区的进一原因：这是因为应变强化阻碍已滑移区的进一步滑移，使滑移均匀，不易产生局部的剪切变步滑移，使滑移均匀，不易产生局部的剪切变形。形。此外此外, ,多向拉应力促使材料处于脆性状态，也容多向拉应力促使材料处于脆性状态，也容易产生剪切断开。易产生剪切断开。4.4 断裂机理：纯剪切、微孔聚集型、解理断裂机理：纯剪切、微孔聚集型、解理4.4.1 解理断裂解理断裂1. 概念：金属材料在一定条件下，当外

22、加概念：金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值时，以极快速率沿一正应力达到一定数值时，以极快速率沿一定的晶体学平面产生的穿晶断裂。定的晶体学平面产生的穿晶断裂。* 解理面：解理断裂中产生穿晶断裂的一定解理面：解理断裂中产生穿晶断裂的一定晶体学平面。一般是表面能最小的晶面，晶体学平面。一般是表面能最小的晶面，且往往是且往往是低指数低指数的晶面。的晶面。解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。断面。解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。但实际晶体总是有缺陷存在，如位错、第二相粒子但实际晶

23、体总是有缺陷存在，如位错、第二相粒子等等。等等。解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿一族相解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面互平行的晶面(均为解理面均为解理面)解理而引起的。在不同解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之间形成了所谓的高度上的平行解理面之间形成了所谓的解理台阶解理台阶。在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样，在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样，如图如图5-1所示。河流状花样是由解理台阶的侧面汇所示。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。合而形成的。解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺旋位错解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺旋位错交割而形成，见图

24、交割而形成，见图5-25-2；也可认为通过二次解；也可认为通过二次解理或撕裂而形成理或撕裂而形成. .解理断裂的另一个微观特征是舌状花样，见解理断裂的另一个微观特征是舌状花样，见图图5-55-5；它类似于伸出来的小舌头，是解理裂；它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑。纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑。4.4.2 准解理断裂准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。准解理断裂时，其解理面除(001)面外，还有(110)、(112)等晶面。解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十分明显。撕裂棱的形成过程是由一些单独形核的

25、裂纹相互连接而形成的。准解理的细节尚待研究，但已知它和解理断裂有如下的不同：准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；准解理断口有许多撕裂棱；准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。准解理断裂的主要机制仍是解理，其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。断裂机理断裂机理（裂纹形成与扩展）（裂纹形成与扩展） 裂纹形成的位错理论裂纹形成的位错理论1）甄纳）甄纳-斯特罗位错塞积理论斯特罗位错塞积理论2）柯垂耳位错反应理论）柯垂耳位错反应理论微孔长大：微孔长大：微孔在纵向与横向均长大；微孔不断长大并发生联接而形成大的中心空腔。

26、二）二） 微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂延性断裂的过程是：“微孔形核微孔形核微孔微孔长大长大微孔聚合微孔聚合”三部曲。微孔形核：微孔形核：颈缩区，三向拉应力状态。试样心部的夹杂物或第二相质点破裂，或者夹杂物或第二相质点与基体界面脱离结合而形成微孔。微孔形核-长大模型延性断裂的微观特征是韧窝形貌韧窝形貌a)等轴韧窝 b) 拉长韧窝 c)撕裂韧窝等轴韧窝拉长韧窝5.3 理论断裂强度和脆断强度理论理论断裂强度和脆断强度理论5.3.1 理论断裂强度原子间作用力与原子间位移关系曲线 =msin(2x/ ) （5-1） =m(2x/ ) （5-2） =E=Ex/a0 (5-3) m=E/2a0 (5-4)另

27、一方面，晶体脆性断裂时，形成两个新的表面，需要表面形成功2，其值应等于释放出的弹性应变能，可用图5-10中曲线下所包围的面积来计算得:m=（E/a0）1/2 (56)这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。可见，在E，a0一定时，m与表面能有关，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。如用实际晶体的如用实际晶体的E E，a a。，。，值代入式值代入式(5-6)(5-6)计算，计算，例如铁，例如铁，E=2E=210105 5 MPa,a MPa,a0 0=2.5=2.51010-10-10 m m，=2 =2 J/mJ/m2 2, , 则则m m4 410104 4 MPaE/5 MPaE/

28、5。高强度钢，其强度只相当于高强度钢，其强度只相当于E/100E/100，相差，相差2020倍。倍。在实际晶体中必有某种缺陷在实际晶体中必有某种缺陷, ,使其断裂强度降低。使其断裂强度降低。5.3.2 Griffith理论Griffith在在1921年提出了裂纹理论。年提出了裂纹理论。Griffith假定在实际材料中存在着裂纹，假定在实际材料中存在着裂纹，当名义应力还很低时，裂纹尖端的局部当名义应力还很低时，裂纹尖端的局部应力已达到很高的数值，从而使裂纹快应力已达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。速扩展，并导致脆性断裂。设想有一单位厚度的无限宽形板，对其设想有一单位厚度的无限宽

29、形板，对其施加一拉应力后，与外界隔绝能源（图施加一拉应力后，与外界隔绝能源（图5-11)。板材每单位体积的弹性能为板材每单位体积的弹性能为2/2E。长度为。长度为2a的的裂纹，则原来弹性拉紧的平板就要释放弹性能。裂纹，则原来弹性拉紧的平板就要释放弹性能。根据弹性理论计算，释放出来的弹性能为根据弹性理论计算，释放出来的弹性能为Ue=-2a2/E (5-7)形成新表面所需的表面能为形成新表面所需的表面能为W=4a (5-8)整个系统的能量变化为整个系统的能量变化为Ue+W=4a-2a2/E （5-9）系统能量随裂纹半长系统能量随裂纹半长a的变化的变化,如图如图当裂纹增长到2ac后，若再增长，则系统

30、的总能量下降。从能量观点来看，裂纹长度的继续增长将是自发过程。临界状态为:（Ue+W）/ a =4-22a/E =0 （5-10）于是，裂纹失稳扩展的临界应力为:c=(2E/a)1/2 (5-11)临界裂纹半长为ac=2E/2 (5-12)式(5-11)便是著名的Griffith公式。c是含裂纹板材的实际断裂强度，它与裂纹半长的平方根成反比;Griffith公式和理论断裂强度公式比较公式和理论断裂强度公式比较 m=（E/a0）1/2 c=(2E/a)1/2在形式上两者是相同的。在研究裂纹在形式上两者是相同的。在研究裂纹扩展的动力和阻力时，基本概念都是扩展的动力和阻力时，基本概念都是基于能量的消长与变化。基于能量的消长与变化。Griffith-Orowan-IrwinGriffith-Orowan-Irwin公式公式c c=E=E（2+Wp2+Wp）/a /a 1/2 1/2 (5-17) (5-17)需要强调的是，需要强调的是，GriffithGriffith理论的前提是材料中理论的前提是材料中已存在着裂纹，但不涉及裂纹来源。已存在着裂纹，但不涉及裂纹来源。本章完