第01章单向静拉伸力学性能(2)精.ppt
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1、第01章单向静拉伸力学性能(2)1第1页,本讲稿共77页引言:单向静拉伸试验及其特点 1.拉伸实验拉伸实验2.拉伸试验特点 (1)最广泛使用的力学性能检测手段;(2)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)。(3)最基本的力学行为(弹性、塑性、断裂等);(4)可测力学性能指标:强度()、塑性(、f)等。拉伸试验机介绍拉伸试验机介绍:2第2页,本讲稿共77页1.1 应力-应变曲线一、拉伸力伸长曲线3第3页,本讲稿共77页 变形过程中拉伸试样的变化 变形前的拉伸试样均匀变形后(包括弹性变形、均匀塑性变形)的拉伸试样发生缩
2、颈后的拉伸试样拉断后的拉伸试样4第4页,本讲稿共77页二、应力-应变曲线 1.工程应力-应变曲线(应力=F/A,应变=L/L)5第5页,本讲稿共77页 2.真实应力-应变曲线 如果按拉伸时试样的真实断面A和真实长度L,则可得到真实应力-应变曲线:6第6页,本讲稿共77页三、几种常见材料的应力-应变曲线7第7页,本讲稿共77页1.2 弹性变形一、弹性变形及其实质 1.弹性变形:当外力去除后,能恢复到原来形 状或尺寸的变形。特点特点:单调、可逆、变形量小(0.51.0%)2.弹性的物理本质 金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。8第8页,本讲稿共77页二、虎克定律 (一)简单应力状态
3、的虎克定律 1单向拉伸 (1-1)2剪切和扭转 (1-2)3E、G和的关系 (1-3)9第9页,本讲稿共77页(二)广义虎克定律 实际上机件的受力状态都比较复杂,应力往往是两向或三向的。在复杂应力状态下,用广义虎克定律描述应力与应变的关系:式中 、主应力;、主应变。主应力中拉为正,压为负;求得的应变正号为伸长,负号为缩短。10第10页,本讲稿共77页三、弹性模量 1.弹性模量的物理意义和作用 物理意义:表征金属材料对弹性变形的抗力,其值愈大,则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。当应变为一个单位时,弹性模量即等于弹性应力,即弹性模弹性模量是产生量是产生100100弹性变形所需的应力弹性变形所需的
4、应力。这个定义对金属而言是没有任何意义的,因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。用途:工程上亦称为刚度;计算梁或其他构件挠度时必须用之,是重要的力学性能之一。11第11页,本讲稿共77页表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量金属材料E/105MPa铁2.17铜1.25铝0.72铁及低碳钢2.0铸铁1.71.9低合金钢2.02.1奥氏体不锈钢1.92.012第12页,本讲稿共77页2.影响弹性模量的因素 金属原子的种类和晶体学特性;非过渡族:原子半径、E;过渡族:原子半径、E,且E一般都较大。原子密排向的E大。溶质原子及其强化;晶格畸变能增大,E;13第13页,本讲稿共77页u 对于钢铁材料
5、来说,由于合金原子对晶格常数改变不大,因此,金属的合金化对弹性模量E的改变不大,在只要求增加抗变形刚度的场合,没有必要选择合金钢,这就是为何在结构材料中只用碳钢即可以满足要求;u 热处理对于弹性模量E的影响也不大。晶粒大小对于弹性模量E无影响;第二相大小和分布对于弹性模量E的影响也很小;淬火后弹性模量E略升,但回火后又会恢复退火状态;铸铁例外,弹性模量E与其中的石墨形状有直接关系;u 冷加工塑性变形后E值略降(4%6%),大变形所产生的变形织构将引起弹性模量E的各向异性,沿变形方向E值最大;显微组织(合金化、热处理、冷塑性变形);14第14页,本讲稿共77页温度升高使得原子间距增加,E值下降;
6、碳钢温度每升高100,E值下降3%5%,但是在-5050范围内变化不大。温度、加载速率等外界因素;一般影响不大。15第15页,本讲稿共77页四、弹性比功(弹性比能、应变比能)物理意义:吸收弹性变形功的能力,一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。几何意义:应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。式中,弹性比功;弹性极限;最大弹性应变。用途:制造弹簧的材料,要求弹性比功大16第16页,本讲稿共77页五、滞弹性(弹性后效)1.滞弹性及其影响因素 纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关,而与加载方向和加载时间无关。但对于实际金属材料,弹性变形不仅是应力的函数,而且还是时间的函数。定义:在弹性
7、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。产生原因:可能与金属中点缺陷的移动有关。影响因素:(a)晶体中的点缺陷;显微组织的不均匀性。(b)切应力越大,影响越大。(c)温度升高,变形量增加。(4)危害:长期承载的传感器,影响精度。17第17页,本讲稿共77页2、循环韧性 弹性滞后环 由于应变滞后于应力,使加载曲线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线,称为弹性滞后环。图1-6 滞后环的类型(a)单向加载弹性滞后环 (b)交变加载弹性滞后环 (c)交变加载塑性滞后环(交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限)18第18页,本讲稿共77页物理意义:加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。或
8、者说,回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。这部分被金属吸收的功,称为内耗。循环韧性 金属材料在交变载荷下塑性区内吸收不可逆变形功的能力,叫循环韧性,又称为消振性。循环韧性不好测量,常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性的大小。循环韧性的应用 减振材料(机床床身、缸体等)要求循环韧性高;乐器要求循环韧性小。19第19页,本讲稿共77页六、包申格效应 1、定义 材料经过预先加载并产生少量塑性变形(1%4%),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,称为包申格效应。图1-7为20号钢包申格效应的拉伸、压缩应力-应变曲线,压缩应力应变曲线和拉伸曲线画在同一象限内
9、。由图可见,室稳下预先拉伸(应变2),屈服强度约为380MPa;再反向压缩加载,压缩屈服 强度仅为100MPa左右。20第20页,本讲稿共77页 2、度量指标 度量包申格效应的基本定量指标是包申格应变,它是指在给定应力下,正向加载与反向加载两应力应变曲线之间的应变差(图1-8)。在图1-8中,b点为拉伸应力应变曲线上给定的流变应力,c点为压缩应力-应变曲线上给定的同样流变应力,bc即为包申格应变。21第21页,本讲稿共77页3.解释 (1)表现:对某些钢和钛合金,因包申格效应可使规定残余伸长应力降低15%20%,所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包申格效应,因此,包申格效应是多晶体金属所具
10、有的普遍现象。(2)原因:与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。预塑性变形,位错增殖、运动、缠结;同向加载,位错运动受阻,残余伸长应力增加;反向加载,位错被迫作反向运动,运动容易残余伸长应力降低。22第22页,本讲稿共77页 4.意义 如果金属材料预先经受大量塑性变形,因位错增殖和难于重新分布,则在随后反向加载时,包申格应变等于零。用处:(1)包申格效应对于承受应变疲劳载荷作用的机件在应变疲劳过程中,每一周期内都产生微量塑性变形,在反向加载时,微量塑性变形抗力(规定残余伸长应力)降低,显示循环软化现象。(2)对于预先经受冷塑性变形的材料,如服役时受反向力作用,就要考虑微量塑性变形抗力降低的有
11、害影响,如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况。(3)利用包申格效应,如薄板反向弯曲成型,拉拨的钢棒经过轧辊压制变直等。23第23页,本讲稿共77页5、包申格效应的危害及防止方法 危害:交变载荷情况下,显示循环软化(强度极限下降)防止:预先进行较大的塑性变形,或在第二次反向受力前,先使金属材料回复或再结晶退火。如钢在400500以上,铜合金在250270以上退火。24第24页,本讲稿共77页1.3 塑性变形 定义:外载荷卸去后,不能恢复的变形。塑性:材料受力,应力超过屈服点后,仍能继续变形而不发生断裂的性质。“”伸长率,“”断面收缩率。%100%,常称为超塑性。一、塑性变形的方式及特点
12、1、塑性变形的方式 滑移:最主要的变形机制。孪生:重要的变形机制,一般发生在低温形变或快速形 变时。25第25页,本讲稿共77页(1)滑移 滑移面:原子最密排面;滑移向:原子最密排方向。滑移系:滑移面和滑移向的组合。滑移系越多,材料的塑性越好。晶体结构的影响较大,fccbcchcp滑移的临界分切应力:=(P/A)coscos 外应力与滑移面法线的夹角;外应力与滑移向的夹角;=coscos 称为取向因子。26第26页,本讲稿共77页 (2)孪生 孪晶:外形对称,好象由两个相同晶体对接起来的晶体;内 部原子排列呈镜面对称于结合面。孪晶可分为 自然孪晶和形变孪晶。孪生的特点:比滑移困难;时间很短;变
13、形量很小;孪晶层在 试样中仅为狭窄的一层,不一定贯穿整个试样。(3)两种变形机制的比较 滑移:相邻部分滑动,变形前后晶体内部原子的 排列不发生变化。孪生:变形部分相对未变形部分发生了取向变化。孪生与滑移的交互作用,可促进金属塑性变形的发展。孪生与滑移的交互作用,可促进金属塑性变形的发展。27第27页,本讲稿共77页 2、塑性变形的特点 (1)各晶粒变形的不同时性和不均匀性各晶粒的取向不同,即 coscos不同 对于具体材料,还存在:相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。28第28页,本讲稿共77页(2)各晶粒变形的相互协调性 多晶体作为一个整体,不允许晶粒仅在一个滑移系中变形,否则将
14、造成晶界开裂。五个独立的滑移系开动,才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。位错在晶界处塞积示意图位错在晶界处塞积示意图 晶粒转动示意图晶粒转动示意图29第29页,本讲稿共77页二、屈服与屈服强度 1、屈服 在金属塑性变形的开始阶段,外力不增加、甚至下降的情况下,而变形继续进行的现象,称为屈服。上屈服点Fsu,下屈服点Fsl 2、屈服机理(外应力作用下,晶体中位错萌生、增殖和运动过程)(1)柯氏气团 位错与溶质原子交互作用,位错被钉扎。溶质原子聚集在位错线的周围,形成柯氏气团。提高外应力,位错才能运动;一旦运动,继续发生塑性变形所需的外应力降低。30第30页,本讲稿共77页(2)位错塞积群 n
15、个位错同向运动受阻,形成塞积群,导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力;一旦障碍被冲破,继续发生塑性变形所需的外应力降下。(3)应变速率与位错密度、位错运动速率的关系 金属材料塑性变形的应变速率与位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比,即:=b b.位错增值,提高外应力,晶体结构变化,b b,31第31页,本讲稿共77页3、屈服强度 用应力表示的屈服点或下屈服点,表征材料对微量塑性变形的抗力。s=Fs/A0,sl=Fsl/A0 许多具有连续屈服特征的金属材料,拉伸时看不到屈服现象,用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力。规定微量塑性伸长应力规定微量塑性伸长应力:人为规定拉伸试样标
16、距部分产生 一定的微量塑性伸长率时的应力。根据测定方法不同,分为三种:32第32页,本讲稿共77页(1)规定非比例伸长应力(规定非比例伸长应力(p):试样在加载过程中,标 距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比 时的应力,如p0.01、p0.05、p0.2等。(2)规定残余伸长应力(规定残余伸长应力(r):试样卸除拉伸力后,其标 距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时 的应力。常用的r0.2表示规定残余伸长率为 0.2%时的应力。(3)规定总伸长应力(规定总伸长应力(t):试样标距部分的总伸长达到 规定的原始标距百分比时的应力,常用的t0.5表 示规定总伸长率为0.5%时的应力。如果不
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