材料力学性能第一章.ppt

第一部分 金属的变形,辽宁科技大学,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,辽宁科技大学,静载荷:温度、应力状态和加载速率都固定不变。动载荷:冲击载荷、循环载荷等。,辽宁科技大学,第一节 应力应变曲线,E：正弹性模量,G：切弹性模量,材料完全脆性的曲线,虎克定律,辽宁科技大学,1.1.1 脆性材料的拉伸性能,第一节 应力应变曲线,断口特征,灰铸铁拉伸试样与断口,形成平断口，断口平面与轴线垂直。,是度量材料刚度的系数，或表征材料对弹性变形的抗力。E、G值高，在相同应力下产生弹性变形就越小。,弹性模量,辽宁科技大学,1.1.1 脆性材料的拉伸性能,第一节 应力应变曲线,E：正弹性模量,G：切弹性模量,材料完全脆性的曲线,虎克定律,辽宁科技大学,1.1.2 塑性材料的拉伸性能,第一节 应力应变曲线,辽宁科技大学,(MPa),(%),0,低碳钢的应力-应变曲线,a,a,b,k,弹性变形阶段,塑性变形阶段,弹性变形：外力去除后变形随之消失，这种变形称为弹性变形。,辽宁科技大学,(MPa),(%),0,a,a,b,k,低碳钢的应力-应变曲线,0a段,发生弹性变形，与脆性材料相似。,变形量为0.5%1%，卸载后变形消失。,比例极限,弹性极限,应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力值p。,材料能够完全弹性恢复的最高应力值e。,p和e哪个大？,比例极限和弹性极限很难实际测量,(MPa),(%),0,a,a,b,k,低碳钢的应力-应变曲线,辽宁科技大学,aa 段,发生屈服变形。,载荷不增加或反而减少，试样还继续伸长的现象。,变形量为1%3%，屈服后，材料出现明显塑变，表面滑移带。,屈服极限,屈服强度，表征金属材料对塑性变形的抗力，用s表示。,表明金属材料开始发生大规模塑性变形。,意义,屈服强度的测量,(MPa),(%),0,a,a,b,k,低碳钢的应力-应变曲线,辽宁科技大学,a b段,发生均匀塑性变形。,抗拉极限,表征金属材料的极限承载能力，用b表示。,m 0 为总变形量，其中弹性变形量和塑性变形量各为哪段？,(MPa),(%),0,a,a,b,k,低碳钢的应力-应变曲线,辽宁科技大学,bk段,发生不均匀塑性变形。,断裂极限,表征金属材料抵抗断裂能力，用k表示。,实际断裂强度：Sk,颈缩,材料可能发生的局部截面缩减的现象。材料的承载能力下降。,辽宁科技大学,低碳钢的应力-应变曲线,小结,比例极限弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度,现象：,屈服加工硬化颈缩,性能指标：,屈强比低，材料塑性好；屈强比高，材料抗变形能力好。,辽宁科技大学,第二节 弹性变形,1.2.1 弹性变形及其实质1.2.2 胡克定律1.2.3 弹性模量与刚度1.2.4 弹性比功1.2.5 滞弹性,辽宁科技大学,1.2.1 弹性变形及其实质,第二节 弹性变形,弹性变形特点：,总结,1.可逆性：卸载后变形消失,2.单值性：应力应变一一对应,3.变形性小：0.5%1%,物理本质,1.2.1 弹性变形及其实质,辽宁科技大学,晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。,F=Fmax时，克服引力，拉开两个原子，此为弹性下的断裂理论正断强度但是，通常拉开n分之一个原子间距就发生了塑性变形塑性变形机理取代弹性变形,(一)简单应力状态的胡克定律 1单向拉伸（1-1）2剪切和扭转（1-2）3E、G的关系（1-3）,1.2.2 胡克定律,第二节 弹性变形,辽宁科技大学,(二)广义胡克定律,（1-4）,当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生100弹性变形所需的应力。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。,1.2.3 弹性模量与刚度,第二节 弹性变形,辽宁科技大学,弹性模量,合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响不大。？,工程上的弹性模量,刚度,刚度大，则挠度小,1.2.4 弹性比功,第二节 弹性变形,辽宁科技大学,表示金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比功，应变比能。,弹性极限屈服强度,表示金属材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大功。,韧性,吸收功储备能量？,储能,减震,恒力碟簧支吊架,1.2.5 滞弹性,第二节 弹性变形,辽宁科技大学,而后产生附加应变eO,（1）突然加载OA，产生瞬时应变Oa,而后产生附加应变Ah,（2）快速卸载Be，产生瞬时应变He,产生原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。,在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑滞弹性问题。,1.3.1 塑性变形方式及特点1.3.2 屈服现象和屈服点(屈服强度)1.3.3 影响屈服强度的因素1.3.4 应变硬化(形变强化)1.3.5 缩颈现象和抗拉强度1.3.6 塑性1.3.7 静力韧度,辽宁科技大学,第三节 塑性变形,1.3.1 塑性变形方式及特点,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,塑性变形方式,滑移,孪生,晶界滑动,扩散性蠕变,切应力,一定晶面和晶向,切变过程,切应力,镜面对称关系,切变过程,变形量大,变形量小,1.各晶粒变形的不同时性和不均匀性,1.3.1 塑性变形方式及特点,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,塑性变形特点,2.各晶粒变形的相互协调性,1.3.2 屈服现象和屈服点（屈服强度）,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,外力不增加(保持恒定)试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形的现象。,屈服现象,屈服点,上屈服点su,下屈服点sl,吕德斯带,避免：预加1%2%变形,研究指出，屈服现象与下述三个因素有关:材料在变形前可动位错密度很小(或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质点所订扎)；随塑性变形发生，位错能快速增殖；位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。,1.3.2 屈服现象和屈服点（屈服强度）,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,屈服机理,金属材料一般是多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响屈服强度的因素，必须注意以下三点：屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错增殖和运动的各种因素必然要影响屈服强度；实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果，因此，要考虑晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分以及第二相的影响；各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。,1.3.3 影响屈服强度的因素,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,1.3.3 影响屈服强度的因素,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,1.3.4 应变硬化（形变强化）真实应力应变曲线,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,弹性变形部分重合,B在b的左上方,1.3.4 应变硬化（形变强化）真实应力应变曲线,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,PB段：Hollomon,S=Ken,金属材料的n值越大，则加工成的机件在服役时承受偶然过载的能力也就越大。,1.3.4 应变硬化（形变强化）真实应力应变曲线,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,直线作图法求n值,1.3.5 缩颈现象和抗拉强度,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,颈缩是应变硬化（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。,当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，颈缩便会产生。,1.塑性与塑性指标 塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。金属材料常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。2.塑性的意义和影响因素 虽然金属的塑性指标通常并不能直接用于机件的设计，但塑性大小能反映材料冶金质量的好坏，故可用以评定材料质量。金属材料的塑性常与其强度性能有关。,1.3.6 塑性,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,断后伸长率:断后伸长率是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，用表示式中 试样原始标距长度;试样断裂后的标距长度。断面收缩率:断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号表示式中 试样原始横截面积;缩颈处最小横截面积。,1.3.6 塑性,第三节 塑性变形,辽宁科技大学,1.4.1 断裂的类型1.4.2 解理断裂1.4.3 微孔聚集断裂1.4.4 断裂强度1.4.5 断裂理论的应用,第四节 金属的断裂,辽宁科技大学,1.韧性断裂与脆性断裂2.穿晶断裂与沿晶断裂3.纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂,磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。,1.4.1 断裂的类型,第四节 金属的断裂,辽宁科技大学,1.按照断裂前变形的程度分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前发生明显的塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断 口呈暗灰色，纤维状。有预兆，一般不发生严重事故。脆性断裂：是一种突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有 明显的征兆，危害大。断口平齐而光亮，并垂直于外加的正应力脆性断裂前也发生微量塑性变形，一般规定5%，为脆性断口；5%，为韧性断口。,2.按照裂纹扩展的途径分为穿晶断裂和沿晶断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部扩展，可以是韧性的，也可是脆性的；沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多属于脆性的。随温度升高，多数金属都由穿晶断裂转化为沿晶断裂。,辽宁科技大学,1.4.1 断裂的类型,穿晶断裂,沿晶断裂,40Cr钢中间轴的脆性断口,多处裂纹源断口平齐光亮人字文或放射花样,1.4.1 断裂的类型,辽宁科技大学,1.4.1 断裂的类型,辽宁科技大学,3.按照晶体学特征分为解理断裂和切变断裂。解理断裂：在正应力作用下产生的穿晶断裂，通常断裂面是严格沿一定的 晶面（即解理面）而分离；通常解理断裂总是脆性断裂，但脆 性断裂不一定是解理断裂。bcc和hcp金属与合金在低温冲击载荷作用下能促使，fcc金属一 般不发生，切变断裂：在切应力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑移面分离称为；属 于韧性断裂。可以发生单滑移断裂、多滑移断裂和孪生断裂。分为两类：（1）滑断（纯剪切断裂）：纯金属中常发生（2）微孔聚集型断裂：低碳钢拉伸断裂时杯锥状断口，典型韧断。,4.按照断裂面的取向分为正断型断裂和切断型断裂正断型断裂：断口取向和最大正应力垂直。常见于解理断裂或塑性变形约束 较大的场合。切断型断裂：宏观断面的取向与最大切应力方向一致，和最大正应力约成 45角。常发生于塑变不受约束或约束较小的情况，如拉伸断口上的剪 切唇。,1.4.1 断裂的类型,辽宁科技大学,1.4.1 断裂的类型,辽宁科技大学,1.4.1 断裂的类型,辽宁科技大学,断口：构件受力断裂后的自然表面。宏观断口：指用肉眼或20倍以下的放大镜分析的断口，它反映了断口的全貌，可大体判断出断裂的类型（韧断、脆断、疲劳断）、裂纹源、裂 纹扩展的途径，粗略找出破坏原因。微观断口：指用光学显微镜、扫描电镜分析的断口，它揭示了断口的本质。正确的断口分析应该是两者结合。,1.4.1 断裂的类型,辽宁科技大学,1.4.2 解理断裂,辽宁科技大学,解理裂纹的形成和扩展（1）Zener-Stroh位错塞积理论（2）Cottrell位错反应理论（3）Smith碳化物开裂理论,2.解理断裂的微观断口特征（1）解理断口（2）准解理断口,切应力,位错在障碍物前塞积,晶界、第二相,一个柏氏矢量nb大位错,大位错的弹性应力场可能产生一个促使断裂的正应力c,该理论缺点：认为裂纹形成只与切应力有关，与应力状态无关。无法解释在复杂应力下脆性增大和高压缩下塑性提高的现象。,L：塞积群长度r:塞积群顶端到裂纹形成点距离,1.解理裂纹的形成和扩展,（1）Zener-Stroh位错塞积理论,辽宁科技大学,（2）Cottrell位错反应理论,主要是为解释bcc金属-Fe常从（001）面发生解理断裂的原因。-Fe中，滑移面（110），解理面（001），滑移方向111。图中：两个正交的滑移面相交于解理面（001）中的010轴线，两平行位错列在交叉线上相遇，即可形成新位错。,新位错：（1）好象在（001）解理面上插一个多余半原子面；（2）随着进行，几个位错都楔入（001）中，成大位错；（3）沿（001）面萌生微裂纹，解理开裂。,Cottrell用能量分析观点计算位错反应形成裂纹条件，较复杂，有人用一个简化模型导出开裂条件,能量：3/4a2+3/4a2a2 新位错是不动位错,辽宁科技大学,裂纹扩展相当于塞积的位错列向前攀移形成微裂纹条件：外力对位错做的功 裂纹形成增的表面能,n：位错塞积数目 b:柏氏矢量 nb：晶体的滑移量：裂纹表面能,裂纹形成时滑移面切应力（单向拉伸时）,辽宁科技大学,（3）Smith碳化物开裂理论,硬而脆的第二相粒子（如钢中碳化物）的形状、尺寸、分布影响材料断裂性质。,该模型认为：碳化物厚度是控制断裂的主要组织参数,辽宁科技大学,裂纹形成位置,晶界相界孪晶界孪晶交叉处,易造成位错塞积,模型基本出发点,裂纹扩展,Griffith公式规定的临界裂纹长度,裂纹失稳扩展迅速断裂,裂纹亚稳扩展,辽宁科技大学,2.解理断裂的微观断口特征（1）解理断口,在拉应力作用下，脆性穿晶断裂；沿着一定结晶面分离解理面；解理面一般都是低指数面（表面能低）；单晶体解理断口无特征的理想平面 多晶体解理断口很多取向略有差别的光滑小刻面（小刻面是一个晶粒）一组平行的解理面组成小刻面；两个平行解理面间相差一定高度台阶。台阶汇合“河流花样”是台阶存在标志（解理断裂最重要特征）“舌状花样”（解理断裂另一断口学特征）,辽宁科技大学,解理台阶形成机理：（1）解理裂纹与螺位错交截形成台阶。（高度为b的解理台阶）。（2）处于不同高度而两个相互平行的解理裂纹，通过二次解理或撕裂相互 连接而形成台阶。,辽宁科技大学,2.解理断裂的微观断口特征,河流上游（支流发源处）裂纹发源处河流下游裂纹扩展方向,辽宁科技大学,2.解理断裂的微观断口特征,形状象躺在解理面上的“舌头”；“舌状花样”的形成：解理裂纹与孪晶相遇时，沿着孪晶面发生局部二次解理，发展到一定程度后，二次解理面与主解理面间连接部分破断；低温、高速变形时易发生孪生变形，解理裂纹沿孪晶界扩展，留 下舌头状凹坑（或凸台）“舌状花样”,辽宁科技大学,2.解理断裂的微观断口特征,1.4.3 微孔聚集断裂,辽宁科技大学,a)塑性变形时夹杂物第二相粒子周围塞积着位错环。,韧性断裂的特征：发生明显的宏观塑性变形,韧性断裂的实质：显微空洞形成、长大、连结并最终导致断裂。,至今没有完善的理论,不如脆断危险，没足够重视；韧断时塑变区应力-应变分布复杂，数学处理困难,断口的微观形貌,韧性断裂两种类型：（1）纯剪切型断裂（2）微孔聚集型断裂,1.4.3 微孔聚集断裂,辽宁科技大学,辽宁科技大学,人们曾经根据原子间结合力推导出晶体在切应力作用下，两原子面作相对刚性滑移时所需的理论切应力，即理论切变强度。结果表明，理论切变强度与切变模量差一定数量级。同样的办法我们也可以推导出在外加正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力，即理论断裂强度，粗略计算表明，理论断裂强度与杨氏模量也差一定数量级。,1.4.4 断裂强度,辽宁科技大学,1.理论断裂强度,2.断裂强度的裂纹理论（格雷菲斯裂纹理论）为了解释玻璃、陶瓷等脆性材料断裂强度的理论值和实际值的巨大差异，格雷菲斯(AA.Griffith)在1921年提出此理论。他根据能量平衡原理计算出裂纹自动扩展时的应力值，即计算了裂纹体的强度。如图（134）。,1.4.4 断裂强度,辽宁科技大学,光滑圆柱试样的静拉伸断口,韧性断口,三个区域,纤维区,裂纹起源,裂纹缓慢扩展,裂纹达到一定尺寸,裂纹失稳扩展,形成,有效截面从心部开始减小，到达表面,试样表面：裂纹前端应力状态由三向应力变为平面应力,韧性断裂,辽宁科技大学,1.纤维区：位于断口的中央，呈粗糙的纤维状圆环形花样。,拉伸载荷超过强度极限载荷,缩颈,应力集中,出现三向应力,中心轴向应力不断增大,裂纹形成,夹杂物、缺陷等,最小截面处,微孔,夹杂物断裂,或与基体脱离,裂纹长大连接,微孔连接,纤维区,在切应力作用,塑性变形,锯齿（每个小斜面与外力成45),塑变大断面粗糙对光线散射呈暗灰色,辽宁科技大学,2.放射区 有放射花样特征，当裂纹由缓慢扩展向快速扩展转化时，就由纤维区进入到了。放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆指向裂纹源。撕裂时塑性变形量越大，放射线越粗；几乎不产生塑变的极脆断口，放射线消失。温度降低或强度增加，塑性降低，放射线由 粗变细直至消失。,3.剪切唇在拉伸断裂的最后阶段形成杯锥状剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉伸轴呈45。属于韧性断裂区。,辽宁科技大学,