工程材料力学性能.pptx
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1、材料力学性能材料力学性能材材料料的的力力学学性性能能力学性能也称机械性能力学性能也称机械性能(Mechanical property),是材料抵抗外力作用引,是材料抵抗外力作用引起的变形起的变形(Deformation)和断裂和断裂(Fracture)的能力。的能力。包括:强度包括:强度(Strength)、硬度、硬度(Hardness)、塑性、塑性(Ductility)、韧性、韧性(Toughness)、耐磨性、耐磨性(Wear resistance)等。等。力学性能影响因素:力学性能影响因素:内因内因材料的成分、显微组织、应力状况;材料的成分、显微组织、应力状况;外因外因载荷大小种类、加载
2、速率、环境温度、介质。载荷大小种类、加载速率、环境温度、介质。载荷静载荷:静拉伸、压缩、弯曲、扭转动载荷周期变动载荷:如交变载荷,大小方向均作周期性变动随机变动载荷几几类类典典型型载载荷荷应应力力、应应变变应力应力 材料受外加载荷作用时单位材料受外加载荷作用时单位面积的内力,单位:面积的内力,单位:MPas=P/F0应变应变、材料单位长度(或面积)材料单位长度(或面积)上的伸长或收缩,单位:无上的伸长或收缩,单位:无 =(l-l0)/l0,=(F0-F)/F0lFF0l0PP材材料料静静拉拉伸伸试试验验静静拉拉伸伸应应力力应应变变曲曲线线bKse/MPaeKE塑性材料拉伸应力应变曲线塑性材料在
3、静拉伸载荷作用下从开塑性材料在静拉伸载荷作用下从开始变形到断裂可分为三个阶段:始变形到断裂可分为三个阶段:弹性变形阶段弹性变形阶段 塑性变形阶段(塑性变形阶段(加工硬化加工硬化)断裂断裂弹弹性性变变形形性能指标:弹性模量反响材料抵抗弹性变形的能力正变弹性模量:E=tg=/(虎克定理)弹性极限e材料由弹性变形阶段过渡到塑性变形时的应力,一般规定以产生一定剩余伸长(如0.01%)时的应力为弹性极限,记为0.01弹性e可以回复的最大变形量弹性比功e材料汲取弹性变形功的能力弹性变形弹性变形材料在载荷作用下发生的可以完全回复的变形材料在载荷作用下发生的可以完全回复的变形实质实质反响原子间作用力大小反响原
4、子间作用力大小/MPaee金属材料弹性变形特点金属材料弹性变形特点 变形可完全回复变形可完全回复 变形量小变形量小弹弹性性变变形形原原子子水水平平解解释释弹弹性性模模量量影影响响因因素素弹性模量是组织不敏感参量,主要取弹性模量是组织不敏感参量,主要取决于原子本性与晶格类型。决于原子本性与晶格类型。原子间作用力越大,弹性模量越大;原子间作用力越大,弹性模量越大;因此,熔点越高,弹性模量越大因此,熔点越高,弹性模量越大原子间距增大,弹性模量减小。原子间距增大,弹性模量减小。因此,温度升高,弹性模量减小因此,温度升高,弹性模量减小弹性模量与熔点的关系塑塑性性变变形形塑性变形塑性变形材料发生的不可材料
5、发生的不可逆变形。逆变形。特点:特点:应力应力-应变关系非线形;应变关系非线形;变形不可逆;变形不可逆;通过原子价键的断开、重排实通过原子价键的断开、重排实现(晶体材料中,通过滑移和现(晶体材料中,通过滑移和孪生的方式实现)孪生的方式实现)切切变变强强度度理理论论值值和和实实际际值值的的巨巨大大差差异异理论切变强度:理论切变强度:G/30实际纯金属单晶最大切变强度:实际纯金属单晶最大切变强度:G/100,000G/10,000Why?滑滑移移滑移是指晶体的一局部滑移是指晶体的一局部沿一定的晶面和晶向相沿一定的晶面和晶向相对于另一局部发生滑动对于另一局部发生滑动位移的现象位移的现象。滑移只能在切
6、应力的作用下发生。产生滑移的滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。最小切应力称临界切应力。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生,这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间间距生,这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间间距最大,结合力最弱,产生滑移所需切应力最小。最大,结合力最弱,产生滑移所需切应力最小。滑移时,晶体两局部的相对位移量是原子间滑移时,晶体两局部的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体外表形成台阶,称距的整数倍。滑移的结果在晶体外表形成台阶,称滑移线,假设干条滑移线组成一个滑移带。滑移线,假设干条滑移线组成一个
7、滑移带。滑移的同时伴随着晶体的转动。转动有两种:滑移的同时伴随着晶体的转动。转动有两种:一种是滑移面向外力轴方向转动,另一种是在滑移一种是滑移面向外力轴方向转动,另一种是在滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。面上滑移方向向最大切应力方向转动。(5)滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。)滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。滑移的特点滑移的特点滑滑移移系系常见晶体结构的滑移面是原子最密排面,滑移方向是原子最密常见晶体结构的滑移面是原子最密排面,滑移方向是原子最密排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。产产生生滑滑移移的的力力
8、学学条条件件假设滑移面法向与外力假设滑移面法向与外力F的方向夹角为的方向夹角为,滑移方向与外力,滑移方向与外力F的方向夹角为的方向夹角为,那么,作用在滑移方向上的分切应力,那么,作用在滑移方向上的分切应力 为,为,只有当只有当 达到某一临界值达到某一临界值 c时,滑移才能开始,此时宏观上时,滑移才能开始,此时宏观上材料开始屈服,材料开始屈服,F/A等于等于 s,因此,因此,c称为晶体的临界分切应力,其数值取决于材料的本性、温称为晶体的临界分切应力,其数值取决于材料的本性、温度和加载速率。度和加载速率。称为取向因子。取向因子大,容易满足条称为取向因子。取向因子大,容易满足条件件 c,滑移容易产生
9、,因此该滑移方向称为软取向;相,滑移容易产生,因此该滑移方向称为软取向;相反,取向因子小的滑移方向称为硬取向。反,取向因子小的滑移方向称为硬取向。单单晶晶临临界界分分切切应应力力位位错错线线的的观观察察经缀饰的位错网络随塑性变形的进行,不断产生新位错,位错密度增加,互相缠结,随塑性变形的进行,不断产生新位错,位错密度增加,互相缠结,使位错运动越来越困难。使位错运动越来越困难。孪孪生生 材料滑移系少或环境温度低,位错运动不容易进行时,也可在切应力作用下以孪生方式实材料滑移系少或环境温度低,位错运动不容易进行时,也可在切应力作用下以孪生方式实现塑性变形。现塑性变形。孪生变形沿特定晶面(孪生面)和特
10、定晶向(孪生方向)进行。发生切变的局部称为孪生孪生变形沿特定晶面(孪生面)和特定晶向(孪生方向)进行。发生切变的局部称为孪生带或孪晶,沿其发生孪生的晶面称孪生面,孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。带或孪晶,沿其发生孪生的晶面称孪生面,孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。与滑移不同,孪生使晶格位向发生改变;所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近与滑移不同,孪生使晶格位向发生改变;所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近于声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。于声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。多多晶晶体体塑塑性性变变形形特特点点 多晶材料在大于屈服
11、应力的载荷作用多晶材料在大于屈服应力的载荷作用下,不同取向晶粒变形协调进行:软取向下,不同取向晶粒变形协调进行:软取向晶粒较早到达临界分切应力,首先变形;晶粒较早到达临界分切应力,首先变形;硬取向晶粒变形启动较晚。较早变形的晶硬取向晶粒变形启动较晚。较早变形的晶粒受周围较晚变形晶粒的约束。粒受周围较晚变形晶粒的约束。在塑性变形过程中,由于晶粒的转动,在塑性变形过程中,由于晶粒的转动,当变形到达一定程度(当变形到达一定程度(70%以上)时,会以上)时,会使绝大局部晶粒的某一位向与外力方向趋使绝大局部晶粒的某一位向与外力方向趋于一致,这种现象称为形变织构于一致,这种现象称为形变织构(texture
12、)或择优取向(或择优取向(preferred orientation)。)。冷冷变变形形纤纤维维组组织织冷变形纤维组织使材料性能产生各向异性冷变形纤维组织使材料性能产生各向异性加加工工硬硬化化 材料经塑性变形后晶粒拉长,晶格变形,形成亚结构;材料经塑性变形后晶粒拉长,晶格变形,形成亚结构;位错增殖缠结;产生内应力。这些都阻碍位错的运动,使位错增殖缠结;产生内应力。这些都阻碍位错的运动,使材料的强度增加、塑性降低。这种现象称加工硬化,又称材料的强度增加、塑性降低。这种现象称加工硬化,又称形变强化。形变强化。一般多晶体金属在一般多晶体金属在拉伸应力拉伸应力应变曲线应变曲线上均匀塑性上均匀塑性变形阶
13、段,应力与应变之间符合变形阶段,应力与应变之间符合Hollomon关系式,关系式,其中,其中,S为真应力,为真应力,e为真应变,为真应变,K为常数,为常数,n形变强化形变强化指数。指数。材料Al-FeCu18-8不锈钢n0.15 0.2 0.30 0.45一些一些金属材料的形变强化指数金属材料的形变强化指数金属压力加工金属压力加工金金属属的的再再结结晶晶再结晶过程通过两个阶段完成:再结晶过程通过两个阶段完成:1)回复回复位错减少形成亚晶粒,内应力位错减少形成亚晶粒,内应力消失,但保持加工硬化效果;消失,但保持加工硬化效果;T回回(0.250.30)T熔熔2)再结晶再结晶形成等轴晶粒,强度降低、
14、形成等轴晶粒,强度降低、塑性提高,加工硬化现象消除。塑性提高,加工硬化现象消除。T再再0.40T熔熔再再结结晶晶过过程程实实验验观观察察加热前加热前 625加热(不完全再结晶)加热(不完全再结晶)670加热(完全再结晶)加热(完全再结晶)750加热(晶粒长大)加热(晶粒长大)经经70%塑性变形工业纯塑性变形工业纯铁加热时的组织变化铁加热时的组织变化 400 屈屈服服强强度度条条件件屈屈服服强强度度屈服强度屈服强度 s材料开始产生塑性变形时的应力材料开始产生塑性变形时的应力条件条件屈服强度屈服强度 s:产:产生生0.2%剩余变形时剩余变形时的应力值的应力值屈屈服服强强度度低碳钢的拉伸应力低碳钢的
15、拉伸应力-应变曲线应变曲线以下屈服点的屈服应力为屈服强度以下屈服点的屈服应力为屈服强度s抗抗拉拉强强度度、断断裂裂强强度度抗拉强度(强度极限,抗拉强度(强度极限,UTS)b试样断裂前承试样断裂前承受的最大应力受的最大应力断裂强度断裂强度 K试样断裂时试样断裂时的应力的应力强强度度指指标标总总结结强度指标:强度指标:s、b(UTS)、K但凡阻碍位错运动的因素都提高材料的强度!但凡阻碍位错运动的因素都提高材料的强度!塑塑性性塑性指标:塑性指标:延伸率延伸率 K试样拉断后标距长试样拉断后标距长度的相对伸长量度的相对伸长量断面收缩率断面收缩率 K试样拉断后标试样拉断后标距局部截面的相对收缩值距局部截面
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