应力应变曲线.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第五级,*,9.,金属材料的变形与再结晶,1,金属材料的变形与再结晶,1,2,3,金属热变形、蠕变与超塑性,4,金属的应力应变曲线,金属的塑性变形,回复与再结晶,2,单向静拉伸试验,是应用最广泛的力学性能试验方法之一。,1,）可揭示材料在静载下的力学行为（三种失效形式）：,即：,过量弹性变形,、,塑性变形,、,断裂,。,2,）还可标定出材料的最基本力学性能指标：,如：,屈服强度,、,抗拉强度,、,伸长率,、,断面收缩率,等。,9-1,金属的应力应变曲线,3,1,、拉伸力伸长曲线,1,、拉伸曲线,拉伸力,F,绝对伸长,L,的关系曲线。,在拉伸力的作用下，退火低碳钢,的变形过程四个阶段：,1,）,弹性变形,：,O,e,2,）,不均匀屈服塑性变形,：,A,C,3,）,均匀塑性变形,：,C,B,4,）,不均匀集中塑性变形,：,B,k,5,）最后发生断裂。,k,低碳钢的拉伸力与伸长曲线,4,2,、工程应力,应变,曲线,（工程）应力,应变,曲线，,曲线形状不变。,由此，可建立材料在静拉伸下的力学性能指标。,应力,：,物体受外载荷作用时，单位截面积上内力。,工程应力应变曲线,应变,：,单位长度上的伸长。,试样原截面积,A,0,试样标距,L,0,弹性变形：应力去除后能够恢复的变形。,=E,弹性模量：,E,弹性极限：,e,屈服极限：,s,，,0.2,加工硬化（应变硬化）,抗拉强度：,b,断裂强度：,k,延伸率：,=(L,k,-L,0,)/L,0,断面收缩率：,=,（,F,0,-F,k,)/F,0,5,用静拉伸应力,应变,曲线，可得出许多重要性能指标,:,弹性模量,E,：,主要用于零件的刚度设计。,屈服强度,s,和抗拉强度,b,：,主要用于零件的强度设计。,特别是：,抗拉强度,b,和,弯曲疲劳强度,有一定比例关系，进一步为零件在交变载荷下使用提供参考。,而,材料的塑性,，,断裂前的应变量,：主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。,2,、工程应力,应变,曲线,6,工程应力,应变,曲线：,不能真实反映试件拉伸过程中应力和应变的变化关系。,实际拉伸中，随载荷,F,增加，长度,L,0,伸长，截面积,A,0,相应减少。,工程应力应变曲线,2,、工程应力,应变,曲线,低钢、正火、退火调质中钢，低、中,C,合金钢某些,Al,合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。,铸铁、陶瓷：只有第,I,阶段,中、高碳钢：没有第,II,阶段,7,3,、真应力,S,真应变,e,曲线,3,、真应力,S,真应变,e,曲线：（流变曲线）,在实践的塑性变形中，试样的截面积与长度也在不断发生着变化，在研究金属塑性变形时，为了获得真实的变形特性，应当按真应力和真应变来进行分析。,流变曲线真实反映变形过程中，随应变量增大，材料性质的变化。,工程应力应变曲线,8,真应力,S,与真应变,e,1,）真应力,S,：,试件在某一瞬时承受的拉伸应力。,2,）真应变,e,：,试件瞬时伸长量,/,瞬时长度。,若拉伸过程各阶段试件伸长量为一微小增量,dL,，,则试件从,L,0,伸长到,L,n,，,总应变为：,工程应变,工程应力,9,3,）,真应力,S,与,工程应力,关系,当材料拉伸变形是,等体积变化（,A,0,L,0,=,AL,）,过程时，,真应力,S,和,工程应力,之间存在如下关系：,这说明，,S,。,（,-,工程应变,）,10,4,）,真应变,e,与,工程应变,关系,显然，总是,e,，且变形量越大，二者的差距越大。,11,4,、定义真应力,S,（应变,e,）的意义,1,）真应力,S,和真应变,e,的定义：,承认了在变形过程中试件长度和直径间相互变化的事实。,因变形过程中体积保持不变，因此,即长度伸长了，其实际截面积,A,就会相应减少，因此，,12,4,、定义真应力,S,（应变,e,）的意义,2,）之所以如此定义真应变：,因为每一时刻实际应变,e,与,瞬时标距长度,L,i,有关。,若固定,每一位移增量,L,，,瞬时长度,L,i,就随之增加，相应地，,应变增量,就会减少。,（因随附加每一位移增量,L,，瞬时标距长度,L,i,都要随之增加）。,由试件总长度变化来定义其,真应变,e,，就有可能认为该长度变化是一步达到的，或任意多步达到的。,13,因此，若试件分几次拉伸（如分,2,次拉伸），则,各次拉伸,工程应变量,之和,不等于,一次拉伸的工程应变量。,但是，,各次拉伸,真应变量,e,之和,等于,一次拉伸的真应变量。,14,5,、不同类型材料典型的拉伸应力应变曲线,1,）第,种类型：完全弹性,可用,虎克定律,描述其,应力,-,应变,成比例的材料特性。,特点：,具有可逆应力应变曲线和不出现塑性变形的特征。,典型材料：,如玻璃、岩石、多种陶瓷、高交联度的高聚合物和低温下的某些金属材料。,此类材料抗脆性（低能量）断裂的能力是极需注意的问题。,E,材料的弹性模量（杨氏模量）,15,苏打石灰玻璃：,应力,-,应变曲线只显示弹性变形，没有塑性变形立即断裂，这是完全脆断的情形。,工程结构陶瓷材料：,如,Al,2,O,3,，,SiC,等，淬火态高碳钢、普通灰铸铁也属这种情况。,16,完全弹性材料：,不适用于在拉伸载荷下的工程应用，但用于承受压缩载荷时，却是一种理想的材料。因为脆性材料受压时强度比受拉时强度要大好几倍。,如：,混凝土材料,是其极好的例子，广泛用于受压的情况。,但工程中承受纯压缩载荷是极少的，一般或多或少地同时承受拉伸载荷，因此完全弹性材料（脆性材料）应用于工程上应考虑提高其抵抗拉伸载荷的措施。,如：在,混凝土材料中通过配钢筋来,提高其抗拉伸性能。,17,高分子材料，聚氯乙烯：,在拉伸开始时，应力和应变不成直线关系，即不服从虎克定律，而且变形表现为,粘弹性,。,粘弹性：,是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。,其,特征,是应变对应力的响应（或反之,),不是瞬时完成的（应变落后于应力），,需要通过一个弛豫过程,，,但卸裁后，,应变恢复到初始值，不留下残余变形,。,18,2,）第,种类型：弹性均匀塑性,若材料具有不可逆的塑性变形能力，在弹性变形后，接着有一个均匀变形阶段，应力,-,应变曲线呈现为,第,类型,。,第,种类型的应力应变曲线,应力很小时，仍有,弹性变形区,，接着一段光滑的抛物线，其相应于,均匀塑性变形过程,。,均匀塑性变形：,表明塑性变形需要不断增加外力才能继续进行，即材料有阻止继续塑变的能力,（应变硬化性能）,。,19,多数塑性金属材料,，如铝镁合金、铜合金、中碳合金结构钢（经淬火中高温回火）其应力,-,应变曲线也是如此。,材料由弹性连续过渡到塑性变形，塑性变形时无锯齿形平台，变形时总伴随着加工硬化。,20,3,）第,种类型：弹性不均匀塑性变形,在正常弹性后，有一系列锯齿叠加在抛物线型曲线上。,此类材料特性：是由于材料内部不均匀变形所致。,出现的情况：,（,1,）面心立方金属在低温和高应变率下，其塑变通过孪生进行。,标距的长度随孪生带的成核和生长间歇地突然伸长，当试样中瞬时应变率超过试验机夹头运动速率，则载荷就下降。,21,（,2,）含碳的体心立方铁基固溶体及铝的低溶质固溶体。,由于溶质原子或空位与晶格位错相互作用的结果所致。,若应力足够大，位错可从溶质原子簇中挣脱，载荷就下降。,若溶质原子足够快地扩散开，就可将位错重新锁住，则须再增大载荷才使变形继续下去。,22,4,）第,种类型：弹性,不均匀塑性,均匀塑性变形,许多体心立方铁基合金和有色合金，应力应变曲线在,弹性,与,均匀塑性变形,间有一狭窄一段属,不均匀塑变区,。即从弹性向塑性变形的过渡明显。,主要表现：,在试验中，外力不增加（保持恒定）试样仍继续伸长；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下，试样继续伸长变形。这便是,“屈服现象”。,23,5,）第,种类型：,弹性不均匀塑性均匀塑性变形,它有一个,上屈服点,A,，接着载荷下降。,其中：,OA,弹性,；,AB,不均匀塑变,；,BC,均匀塑变,。,到达,B,点后，试件出现,“缩颈”，,但并很快失效。,典型的,结晶高聚合物材料,具有此特征，这与其结构有关。,以,B,点为界，整个塑变出现两种不同趋势。,AB,应力随应变增大而下降，,BC,则随应变增大而上升。,A,B,C,24,不同类型材料典型的拉伸应力应变曲线,退火低碳钢：,在拉伸应力,-,应变曲线上，出现屈服平台，平台的延伸长度随钢的含碳量增加而减少。,当含碳量增至,0.6%,以上，平台消失。,25,其它类型材料的应力,-,应变曲线,弹性变形、塑性变形,弹性变形,非线性弹性变形,1,纯金属,（,Al,、,Cu,、,Ag,等）,2,高弹性材料,（橡胶）,3,脆性材料,（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢）,1,2,3,4,10,20,30,e,(%),0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,s,(MPa),1,、锰钢,2,、硬铝,3,、退火球墨铸铁,4,、低碳钢,特点：,d,较大，为塑性材料,。,无明显屈服阶段。,26,6,、,温度,和,应变速率,对材料拉伸力学性能的影响,实验表明：,材料拉伸力学性能与试验温度和拉伸速率有关，,主要对塑性变形的影响，即对材料屈服强度和延性的影响。,对某确定材料，,随试验温度升高，应力,应变曲线下降，,应变速率减小，应力,应变曲线下降，,如图,试验温度对材料应力应变曲线的影响,拉伸速率对材料应力应变曲线的影响,27,