《材料力学性能》PPT课件.ppt
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1、第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能,材料力学性能,材料加工工程系 周 亮,Company Logo,第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1-2 弹性变形,1-3 塑性变形,1-4 材料的断裂,Company Logo,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1、拉伸试验方法,一般采用圆形或板形二种试样。可分为三个部分,即工作部分、过渡部分和夹持部分。其中工作部分必须表面光滑,以保证材料表面也是单向拉伸状态;过渡部分必须有适当的台阶和圆角,以降低应力集中,避免该处变形和断裂;夹持部分是与试验机夹头连接的部分,以定位试样。,常用的拉伸试样几何
2、,试样长度要求:,或,试样加载速率:,Company Logo,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1、拉伸试验方法,常用的拉伸试样几何,Company Logo,拉伸力-拉伸曲线:由拉伸试验机自动记录或绘图装置,将作用在试样上的力和所引起的伸长自动记录绘出的力-伸长曲线。应力-应变曲线:由拉伸曲线经换算可以得相应的到工程应力-工程应变曲线。,低碳钢典型的应力-应变曲线,2、拉伸曲线,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,Company Logo,低碳钢典型的应力-应变曲线,弹性变形阶段:曲线的起始部分,图中的oa段。多数情况下呈直线形式,符合虎克定律。屈服阶段:超出弹性变形范围之后
3、,有的材料在塑性变形初期产生明显的塑性流动。此时,在外力不增加或增加很小或略有降低的情况下,变形继续产生,拉伸图上出现平台或呈锯齿状,如图中的ab段。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,Company Logo,低碳钢典型的应力-应变曲线,均匀塑性变形阶段:屈服后,欲继续变形,必须不断增加载荷,此阶段的变形是均匀的,直到曲线达到最高点,均匀变形结束,如图中的bc段。形变硬化:随塑性变形增大,变形抗力不断增加的现象。不均匀塑性变形阶段:从试样承受的最大应力点开始直到断裂点为止,如图中的cd段。在此阶段,随变形增大,载荷不断下降,产生大量不均匀变形,且集中在颈缩处,最后载荷达到断裂载荷时,
4、试样断裂。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,Company Logo,典型的应力-应变曲线,3、应力-应变曲线的类型,(a)弹性-弹塑性-塑性型:工程上的调质钢和一些轻合金具有此类行为。加工硬化,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,Company Logo,典型的应力-应变曲线,(b)弹性-不均与塑性-均匀塑性型:与前者不同在于出现了明显的屈服点aa,有时呈屈服平台状,有时呈齿状。应变约1%3%。退火低碳钢和某些有色金属具有此行为。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,3、应力-应变曲线的类型,Company Logo,典型的应力-应变曲线,(c)弹性-均匀塑性型:未出现
5、颈缩前的均匀变形过程中发生断裂。主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物具有此种曲线。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,3、应力-应变曲线的类型,Company Logo,典型的应力-应变曲线,(d)弹性-不均匀塑性型:形变强化过程中出现多次局部失稳,其塑性变形方式通常是孪生而不是滑移。当孪生速率超过试验机夹头运动速度时,载荷会突然松弛而呈现锯齿形的曲线。某些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金具有此行为。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,3、应力-应变曲线的类型,Company Logo,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,4、真应力-应变曲线,定义:;式中:F外
6、加载荷;S试样瞬间截面积;l0试样原始标距长度;l试样瞬间标距长度。注:相对而言,曲线较 曲线真实。在小应变范围内,二者区别很小,可以不区分,且 曲线更方便。,Company Logo,1-2 弹性变形,材料受外力作用发生尺寸和形状的变化,成为变形。外力去除后,随之消失的变形为弹性变形,剩余的变形为塑性变形。Hooke定律:金属弹性变形时,外力与应变成正比。即:,1、弹性变形及其实质,加载,卸载,原子间的距离发生伸长和缩短,但原子间的结合键并没有发生破坏 卸载后变形迅速恢复,弹性变形特征:可逆性(受力作用后产生变形,载荷卸除后,变形消失),1-2 弹性变形,1、弹性变形及其实质,在没有外加载荷
7、作用时,金属中的原子N1、N2在平衡位置附近振动,相邻原子间的作用力由引力和斥力叠加而成。当原子间相互平衡力受外力而受到破坏时,原子位置相应调整,产生位移。而位移总和在宏观上表现为变形。外力去除后,原子依靠之间的作用力又回到原来平衡位置,位移消失,宏观变形消失。,由于晶体中的缺陷的存在,在弹性变形量尚小时的应力可以激活位错运动,代之以塑性变形。实际上可实现的弹性变形量不会很大。,曲线1:两原子间的引力曲线2:两原子间的斥力曲线3:两原子之间的作用力,1-2 弹性变形,2、弹性性能,弹性模量(E)(单向受力状态下)。它反映材料抵抗正应变的能力。切变模量(G)(纯剪受力状态下)。它反映材料抵抗切应
8、变的能力。泊松比()依据体积不变原理,纵向伸长,那么横向必然收缩(单向-X方向受力状态下)它反映材料横向正应变与受力方向正应变的相对比值。,1-2 弹性变形,2、弹性性能,体积弹性模量(K)刚度:工程上弹性模型称为刚度,表征金属材料对弹性变形的抗力。各向异性 单晶体金属表现为弹性各向异性 多晶体金属表现为伪各向同行(单个晶粒弹性模量的各向统计平均值),1-2 弹性变形,2、弹性性能,弹性模量影响因素 金属原子本性和晶格类型 原子间作用力与原子距离 应力与应变 弹性模量 合金化、热处理、冷塑性变形 温度、加载速率弹性模量主要取决于结合键本性和原子结合力 共价键材料金属键材料分子键结合的高分子材料
9、,均对弹性模量影响不大,1-2 弹性变形,2、弹性性能,弹性比功(弹性比能、应变比能)一般用金属在塑性变形开始前单位体积材料 吸收的最大弹性变形功表示。,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性(弹性后效),在滞弹性变形期间产生的附加弹性应变称为滞弹性应变。滞弹性应变随时间的变化情况如图中下半部分所示。其中,正弹性后效CE段和反弹性后效GF段的滞弹性应变都是时间的函数,而瞬时弹性应变oa段和bd段则与时间无关。,实际金属在外力作用下产生弹性变形,开始时沿OA线产生瞬时弹性应变OC,如果载荷保持不变,还产生随时间延长而逐渐增加的应变CH。这种在加载状态下产生的滞弹性变形称为正弹性后效。卸载时,延BD线
10、只有应变DH立即消失,而应变OD是卸载后随时间延长才缓慢消失的,这种在卸载后产生的滞弹性变形称为反弹性后效。,G,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性(弹性滞后环),弹性滞后环:弹性变形时因应变滞后于外加应力,使加载线和卸载线不重合而形成的回线称为弹性滞后环。,弹性滞后环的形状主要与载荷类型和加载速率有关!,加载时消耗在变形上的功大于卸载时金属恢复变形所做的功,换面积大小代表被金属吸收的那部分功。,交变循环载荷,加载速度缓慢 交变循环载荷,加载速度较快,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性(弹性滞后环),内耗:由弹性滞后环表征的加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属释放的变形功。而残留在金属内部的
11、部分变形功,其大小可由滞后环的面积表示。循环韧性:一个应力循环中金属的内耗称为循环韧性。意义:反映材料在单向或交变循环载荷作用下,能以不可逆的能量方式吸收而又不破坏的能力,即有靠自身消除机械振动的能力(消震性)。应用:工程上有截然相反的要求。仪器、仪表中的测力弹簧不允许有弹性后效,以保证其测量精度;而不允许有附加振动的零件(如床身、叶片等)要求使用循环韧性较大的材料,以达到消震的目的。,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性(包申格效应),包申格效应:金属材料经过预先加载产生少量塑性变形,(1)卸载后同向加载,规定残余伸长应力(弹性极限或屈服极限)增加。(2)反向加载,规定残余伸长应力降低。,初始
12、压缩:弹性极限为176MPa卸载后二次压缩:弹性极限为287MPa,初始压缩:弹性极限为176MPa卸载后二次拉伸:弹性极限为85MPa,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性(包申格效应),包申格效应产生原因:位错理论 初次加载变形时,位错源在滑移面上产生的位错受阻,塞积后产生背应力,背应力反作用于位错源,当背应力做够大时,可使位错源停止开动。预变形时位错的运动方向和背应力的方向相反。当反向加载时位错运动的方向和背应力方向一致,背应力帮助位错运动,塑性变形相对容易。,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性(包申格效应),应用:大型输气管道管线的UOE制造工艺U阶段:将板材冲压成U形O阶段:将U形板径
13、向压缩成O形E阶段:周边焊接,内径扩展达到给定大小注意:包申格效应大的材料,内应力较大。,希望非常小的包申格效应,减低管子成型后的强度损失,消除:(1)予以较大残余塑性变形(2)在引起金属回复或再结晶的温度下退火 钢在400-500 以上退火,铜合金在250-270 以上退火。,Company Logo,1-3 塑性变形,1、塑性变形方式和特点,塑性变形的方式:位错滑移:最主要的变形机制。滑移是金属材料在切应力作用下,位错沿滑移面和滑移方向运动而进行的切边过程。滑移面:原子最密排面;滑移方向: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。孪生:重要的变形机制,一般
14、发生在低温形变或快速形变时。受晶体结构的影响较大:fccbcchcp,Company Logo,1-3 塑性变形,1、塑性变形方式和特点,宏观现象1)单晶材料(右图)2)多晶材料,如光滑低碳钢样品,拉伸后产生45度平行线结论塑性变形是一个切变过程;原子层之间发生相对位移,作用力是切应力。,Company Logo,1-3 塑性变形,1、塑性变形方式和特点,塑性变形的特点:各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性(1)滑移的临界分切应力=(P/A)coscos 外应力与滑移面法线夹角;外应力与滑移向的夹角;=coscos称为取向因子。(2)因为各晶粒的取向不同,coscos不同(3)对于具体材料,还存
15、在母相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。(4)晶粒取向:影响滑移先后。,有利取向和不利取向,Company Logo,1-3 塑性变形,1、塑性变形方式和特点,塑性变形的特点: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。塑性变形后金属的晶格发生点阵畸变,储存能量,产生内应力。第一、第二内应力。弹性应变产生内应力塑性应变量提高,金属强度增大,产生加工硬化。,Company Logo,1-3 塑性变形,2、屈服现象及其本质,金属的物理屈服:在金属塑性变形的开始阶段,外力不增加、甚
16、至下降的情况下,而变形继续进行的现象,称为物理屈服。现象:上屈服点,下屈服点,平台,锯齿,Company Logo,1-3 塑性变形,2、屈服现象及其本质,物理屈服过程:AB点:肩部开始产生滑移线,产生吕德斯带;BC点:变形开始后,吕德斯带扩大直到贯通整个样品;C点:屈服平台结束;CD点:均匀塑性变形;D点:开始颈缩;DK点:颈缩阶段;K点:断裂,D,K,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,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,必须注意以下几点:屈服变形是位错增殖和运动的结果;实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果;
17、各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。以下我们将从内、外两方面因素来进行分析。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,影响屈服强度的内在因素1、金属本性及晶格类型2、晶粒大小和亚结构3、溶质元素4、第二相影响屈服强度的内在因素1、温度2、应变速率3、应力状态,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,1、金属本性及晶格类型 纯金属单晶体的屈服强度由位错运动时所受到的阻力决定的,这些阻力有晶格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。晶格阻力即派纳力。派纳力与位错宽度和柏氏矢量有关,两者又与晶体结构有关。相变强化:通过热处理方式,在不改变金属
18、成分的前提下,改变金属的晶格结构,使金属的强度得以提高的方法。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,1、金属本性及晶格类型 纯金属单晶体的屈服强度由位错运动时所受到的阻力决定的,这些阻力有晶格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。位错间交互产生的阻力,包括平行位错间交互作用产生的阻力和运动位错与林位错交互作用产生的阻力。用公式表示:=aGb/L,式中 比例系数。因为位错密度与1/L2成正比,故上式又可写为:=aGb,由此可见,增加,也增加,所以屈服强度也随之提高。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,2、晶粒大小和亚结构 晶粒大小的影
19、响是晶界影响的反映,减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目,减小晶粒内位错塞积群的长度,使屈服强度提高。许多金属与合金的屈服强度与晶粒大小的关系均符合霍尔派奇(HallPetch)公式:i 位错在基体金属中运动的总阻力,亦称摩擦阻力,决定于晶体结构和位错密度;ky 度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数,或表示滑移带端部的应力集中系数;d 晶粒平均直径。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,2、晶粒大小和亚结构细晶强化:减少晶粒尺寸会减少晶粒内部位错塞积的数量,减少位错塞积群的长度,降低塞积点处的应力,相邻晶粒中位错源开动所需的外加切应力提高,屈服强度增加。这种通过细化
20、晶粒尺寸提高材料强度的方法称为细晶强化。亚晶界的作用与晶界类似,也阻碍位错运动。不同之处在于:(1)霍尔-派奇公式中的ky值不同。同无亚晶的材料相比,ky值低1/24/5。且d为亚晶粒的直径。(2)在亚晶界上产生屈服变形所需的应力对亚晶间的取向差不是很敏感的。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,3、溶质元素固溶强化:在纯金属中加入溶质原子(间隙型或置换型)形成因溶合金(或多相合金中的基体相),将显著提高屈服强度,此即为固镕强化。通常,间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体。右图所示。在固溶合金中,由于溶质原子和溶剂原子直径不同,在溶质周围形成了晶格畸变应力场该应力
21、场与位错应力场产生交互作用,使位错运动受阻,从而使屈服强度提高。,低碳铁素体中固溶强化效果,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,4、第二相 工程上的金属材料,其显微组织一般是多相的。除了基体产生固溶强化外,第二相对屈服强度也有影响。第二相质点的强化效果与质点本身在金属材料屈服变形过程中能否变形有很大关系。据此可将第二相质点分为不可变形的和可变形的两类。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,4、第二相(a)不可变形的第二相质点 根据位错理论,位错线只能绕过不可变形的第二相质点。1)为此,位错运动过程中必须克服位错弯曲所产生的线张力,
22、使位错运动阻力增加。2)位错绕过第二相质点后,在第二相质点周围留下位错环,位错环对后续位错产生斥力,再次提高位错的运动阻力。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,(b)可变形的第二相质点 对于可变形的第二相质点,位错可以切过第二相质点,使之与基体一起变形,由此也能提高屈服强度。弥散强化:金属中的第二相质点通过粉末冶金等方法获得。沉淀强化(析出强化):金属中的第二相质点通过固溶处理家时效等方法获得。第二相的强化效果还与其尺寸、形状、数量和分布以及第二相与基体的强度、塑性相应变硬化待性、两相之间的晶体学配合和界面能等因素有关。,Company Logo,1-3 塑性
23、变形,3、影响屈服强度的因素,1、温度 一般升高温度,金属材料的屈服强度降低。同时,金属晶体结构不同,其变化趋势并不一样,如图所示。在bcc金属(如Fe)中,p-n(晶格阻力)值较fcc金属(如Ni)高很多,p-n 在屈服强度中占有较大比例,而p-n属短程力,对温度十分敏感。因此,bcc金属的屈服强度具有强烈的温度效应可能是p-n 起主要作用。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,2、应变速率 应变速率增大,金属材料的强度增加。由图可见,屈服强度随应变速率的变化较抗拉强度的变化要剧烈得多。应变速率硬化:因应变速率增加而产生的强度提高效应的现象。,应变速率对材料强
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