第1章 材料在静载下的力学行为.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,*,1.1,材料在静拉伸时的力学行为概述,静拉伸：,是材料力学性能实验中最基本的试验方法。,拉伸曲线：,应力-应变曲线，可求出许多主要性能指标。,如：弹性模量,E：,零件刚度设计。,屈服强度,s，,抗拉强度,b:,强度设计，交变载荷,塑性,，,断裂前的应变量：冷热变形时的工艺性能。,第一章 材料在静载下的力学性能,应力应变曲线,应力应变曲线(,F,0,不变）,弹性变形,屈服变形,均匀塑性变形,局部塑性变形,真应力-应变曲线（-代表）,p:,比例极限,E,:,弹性极限,LY,:,屈服（下）,Yield point,UY,：,屈服（上）,B,：,强度极限,b,:,强度,p,:,应力与应变成正比关系的最大应力。,p,=F,P,/F,0,E,:,由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。,E,=F,E,/F,0,不同材料，其应力应变曲线不同，如：,1.2 金属材料的弹性变形,1.2.1 广义虎克定律,弹性模量,E=,X,/,X,X,轴方向，同轴，描写材料正应力条件,虎克定律：,单位应变产生的单位应力（单向应力）,物理意义：表示原子之间的结合力，它是组织不敏感元素,描写材料切应力：切变模量,G,=,XY,/,XY,泊桑比：,=,XX,/,XY,关系式：,G=E/2（1+）,比弹性模量=弹性模量/密度,对完全各向同性材料,=0.25,对金属,值约为0.33（或1/3）,当,=0.25,时，,G=0.4E；,当,=0.33,时，,G=0.375E,弹性常数4个：,E，G，K,K=,m,/=E/3(1-2),-,单位体积变形,K,体弹性模量,m,=(,x,+,y,+,z,)/3,若,=0.33,，,则,KE,只要已知,E,和,，,就可求出,G,和,K,，,由于,E,易测，因此用的最多。,1.2.2 弹性模量的技术意义,技术意义：,E，G,称为材料的刚度,，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力,影响,E,的特征因素：,与原子序数有周期性关系,E=K/,m,K，m1,特征常数，,原子半径,E,温度,T：T,原子结合力下降，,E,加载速度：对,E,影响不明显,合金化（加入某种金属），热处理对,E,影响不明显。,机械设计中，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核。,不同类型的材料，其弹性模量差别很大。,材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，可以说它是一个对组织不敏感的性能指标（对金属材料），而对高分子和陶瓷,E,对结构和组织敏感。,熔点高，,E E,W,=2E,Fe,E,Fe,=3E,Al,零件的刚度与材料的刚度不同,，它除了决定于材料的刚度外还与零件的截面尺寸与形状，以及截面积作用的方式有关。,1.2.3 弹性比功,弹性比功：,为应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功的能力,又称,弹性比能，应变比能。,即,弹性比功,=,e,2,/2E=,e,e,/2,其中,e,为材料的弹性极限,，它表示材料发生弹性变形的极限抗力,弹性比功,理论上：,弹性极限的测定应该是通过不断加载与卸载，直到能使变形完全恢复的极限载荷。,实际上：,弹性极限的测定是以规定某一少量的残留变形（如,0.01%,）为标准，对应此残留变形的应力即为弹性极限,。,理想的弹簧材料：,应有高的弹性极限和低的弹性模量。,成分与热处理,对弹性极限影响大，对弹性模量影响不大。,仪表弹簧,因要求无磁性，铍青铜，磷青铜等软弹簧材料。,e,Ea,e,.2.4,滞弹性,应变落后于应力的现象，这种现象叫滞弹性,优点：,滞后环面积，它可以减少振动，使振动幅度很快衰减下来。,缺点：,精密仪器不希望有滞后现象,高分子滞弹性表现为,粘弹性并成为普遍特性,，这时高分子与,时间,有关了。,优点：,滞后环面积，它可以减少振动，使振动幅度很快衰,减下来。,缺点：,精密仪器不希望有滞后现象,高分子滞弹性表现为,粘弹性并成为普遍特性,，这时高分子与,时间,有关了。,弹性滞后环,(,链接,),1.2.4,滞弹性,应变落后于应力的现象，这种现象叫滞弹性。,1.2.5 包辛格（,Baushinger,）,效应 弹性不完整性,定义：,指原先经过变形，然后反向加载时弹性极限（,P,）,或屈服强度（,S,）,降低的现象。,值度量,包辛格效应的大小。,单循环或多循环后，,都有,BE,效应,包辛格效应示意图,(有,链接,),实际材料,T10,钢的包辛格效应,条件：,T10,钢淬火,350,回火,拉伸时，曲线,1,0,.,2,=,1130M Pa,曲线,2,事先经过预压变形再拉伸时,0.2,=880M Pa,原先加载变形时,位错源,在划移面上产生的位错遇到障碍,塞积后产生了,背应力,当反向加载时,位错运动的方向与原来方向相反,背应力帮助位错运动,塑性变形容易,屈服强度,另外,反向加载时,划移面上产生的位错与预变形的位错异号,异号位错销毁,引起材料软化,S,包辛格效应理论上解释 用位错(等位错)理论,理论上:,由于它是金属变形时长程内应力的度量(可用,X,光方法测定),所以,包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制.,工程上:,材料加工工艺时,需要注意或考虑包辛格效应.输油管,UOE,工艺,包辛格效应大的材料,内应力较大.,包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系,包辛格效应的应用,清除包辛格效应的方法,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于,回复或再结晶温度下退火,如钢在400-500以上,.,1.3 金属材料的塑性变形,回顾一下塑性变形的方式和特点,常见的塑性变形方式为,滑移和孪生,滑移,是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑移方向进行的切变过程.,滑移面滑移方向=滑移系 滑移系越多,塑性,孪晶,是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式,孪晶变形可以调整滑移面的方向,使新的滑移系开动,间接对塑性变形有贡献.(滑移受阻孪生,变形速度加快),1.3.1 屈服强度及其影响因素,屈服标准,S,定义:材料开始塑性变形的应力.,工程上常用的屈服标准有三种,比例极限,P,:,应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力.,S,P,弹性极限,el,:,材料能够完全弹性恢复的最高应力.,el,P,工程上用途不同区别,枪炮材料要求高的比例极限,弹簧材料要求高的弹性极限,屈服强度,0.2,或,ys,:,以规定发生一定的残留变形为标准,通常为0.2%残留变形的应力作为屈服强度.,比例极限,P,弹性极限,el,屈服强度,0.2,或,ys,这三种标准在测量上实际上都是以,残留变形,为依据,只不过规定的,残留变形量不同,所以国家规定三种规范.,规定非比例伸长应力(,P,),0.01,或,0.05,规定残留伸长应力(,),r,0.2,规定总伸长应力(,t,),t,0.5,注意：,P,和,t,是在试样加载时直接从应力-应变曲线上测量的,要求卸载测量。,规定,t,的目的：,连续屈服和不连续屈服：,1.影响屈服强度的因素,结合键:,金属金属键 高分子范德华力,陶瓷共价键或离子键,组织:,四种强化机制影响,rs,固溶强化 形变强化,沉淀和弥散强化 晶界和亚晶强化 其中沉淀强化和晶粒细化是工程上常使用提高,rs,的手段。,前三种机制提高,ys,但是降低,只有第四种提高,rs,又提高,。,内在因素:结合键,组织,结构,原子本性,外在因素,温度+应变速率+应力状态,温度因素：,高温时,钢性能高,低温时,钢性能高,并非高温性能好的钢,低温性能也好。,（体心立方金属对温度更敏感）,应变速率和应力状态(应力集中)的影响,应力状态(扭转、应力集中)的影响,引出应力集中系数,K,t,(,尖角,),越尖,K,t,若缺口敏感,:,R1,强化,YS,的工程意义,YS,的工程意义,:,许用应力：单向、多向。,是指材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量（不是越高越好）：,如,:,YS,对应力腐蚀和氢脆就敏感,YS,冷加工成型性能和焊接性能好,YS,是材料性能中不可缺少的重要指标,1.3.2 加工硬化和真应力-应变 曲线,真实应变与条件应变相比有两种明显的特点:,条件应变往往不能真实反映或度量应变。（拉伸与压缩）,真实应变可以叠加,可以不记中间的加载历史,只需知道试样的初始长度和最终长度（条件应变不能）,两者关系:条件应变真实应变,真应力,-,应变曲线,(,流变曲线,),真应力,S=F/A,真实应变,真应力-应变关系:,从试样开始屈服到发生颈缩，这一段应变范围中真实应力和真应变的关系，可用以下方程描述,S=K,n,Hollomon,关系式,式中,n,称为加工硬化指数或应变硬化指数，,K,叫做强度硬化指数。,S,真应力,真应变,若取对数，,lnS,=,lnK,+,nln,2.真应力-应变关系,图1-6,双对数座标上,的,Hollomon,关系,图,1-7,n,的变化范围,图,理想弹性体：,n1,；,理想塑性体：,n0,n,的取值范围：01,一般金属：,n0.10.5,注意：加工硬化速率,ds,/d,与加工硬化指数,n,并不等同,n=,dlnS,/,dln,=,ds,/,Sd,即,ds,/d,=,nS,/,在相同变形时,的情况下,，,n,ds,/d,对有些金属材料,:,象双相钢，一些铝合金和不锈钢,不能用,S=K,n,方程描述。,在,lnS,-,ln,图中会得到两段不同的斜率的直线，称为,双,n,行为,，它使得,n,的意义模糊和复杂化，要寻求其他方程形式来表征真应力-应变关系。,3.,加工硬化指数,n,的实际意义,反映了材料开始屈服以后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。（,b,或,S,b,）,1),金属的,加工硬化指数（能力）,，对冷加工成型很重要（,n,决定开始颈缩时的最大应力和最大均匀变形量，,n=0,材料能否冷加工？）。低碳钢有较高的,n,n,约为0.2。汽车身板铝合金化，其,n,值较低，冷加工或冲压性能差。,2)对于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，是零件安全使用的可靠保证。,3),形变强化,是提高材料强度的重要手段。,不锈钢：,n=0.5,因而也有很高的均匀变形量，,YS,不高，但可用冷变形可成倍的提高,高碳钢丝：,经过铅浴等温处理后冷拔，可达2000,M Pa,以上，但这些传统方法,YS,复相钢：,（,即能提高,YS，,又能,）,a.,铁素体+马氏体钢,b.,+M,或,+贝氏体,利用,多相组织增强形变强化,的例子，利用受力变形时,M,是形变硬化作用增强的特点，达到推迟颈缩的目的。,图1-9 复相钢的应力应变曲线,普通碳钢，控制轧制的,SAE950 x,和980低合,金高强度刚（屈服点分别为345和550,MN/m,2,),以及临界区淬火,SAE980 x,图1-10 贝氏体-奥氏体钢的应力应变曲线,（,a),低奥氏体含量,（,b),最佳奥氏含量,（,c),高奥氏体含量,在工程上：对冷加工成型的低碳钢，其加工的硬化指数,n,可通过屈服强度,ys,估算：,ys,M Pa=70/n n ,ys,与,b,差值越大，即,S,/,B,颈缩条件,：,应力-应变曲线上的应力达到最大值时，即开始出现颈缩，,颈缩前是均匀变形，颈缩后是不均匀变形，即局部变形,颈缩条件：,ds,/d=S,当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩,。,1.3.3 颈缩条件和抗拉强度,抗拉强度,在材料不产生颈缩时抗拉强度代表断裂抗力,脆性材料,：设计时，其许用应力以抗拉强度为依据,。,塑性材料：,代表产生最大均匀塑性变形抗力，但它表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力（对吊钩、钢丝绳是必要的）。,易测定，重现性好，作为产品规格说明或质量控制的标志。取决于,b,和,n，n,不能直接测量，可通过,b,和,S,间接了解材料加工硬化情况。,b,能和材料的疲劳极限,-1,和材料的硬度,H,B,建立一定关系 对淬火回火钢：,-1,b,b,0.345 H,B,因此，,b,被列为材料常规力学性能的五大指标之一,五大指标：,S,，,b,，a,K,塑性的测量,(有,链接,),塑性的,定义,：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。工程上常用条件塑性而不是真实塑性，拉伸时条件塑性以延伸率,和断面收缩率,表示。,条件塑性,=（l-l,0,）/l,0,100%,U,=,l,U,/l,0,(,均匀变形延伸率),N,(,局部变形延伸率)=,l,n,/l,0,l,试样断裂后的标距长度,l,0,试样原始标距长度,1.3.4 塑性的度量及其实际意义,（,塑性变形）=均匀塑性变形+集中塑性变形,5,:l,0,=5d,0,(,小试样),1 0,:l,0,=10d,0,（,大试样）,（试样长度对,有,影响?),gt,:,最大力下的总伸长率表示材料塑性，最大力下的总伸长率指试样材料拉伸时产生的最大的均匀塑性，变形是工程应变，,gt,对于评定冲压板材的成型能力是很有用的。,真实应变,B,=,ln,(1+,gt,),对于退火，正火或调质态的低、中碳钢来说，测出,gt,B,n,断面收缩率：,=（A,0,-A）/A,0,100%,A,0,试样原始横截面能,A,1,-,缩颈处最小横截面积,U,=A,U,/A,0,n,=A,n,/A,0,f,=(A,0,-A,f,)/A,0,若,形成颈缩，若,不形成颈缩，,比,对组织变化更为敏感,塑性的实际意义,金属材料的塑性指标是安全力学性能指标,；,f,材料均匀变形的能力。,f,局部变形的能力。,塑性对压力加工是很有意义的。,加工硬化,塑性大小反映冶金质量的好坏，评定材料质量。细化晶粒，碳化指数。,1.3.5 静力韧度（能量指标）,定义：,材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度,。,是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合,1.4 金属材料的断裂,1.4.1 静拉伸的断口(3种情况),（,a）(b),：,断口齐平，垂直于最大拉应力方向，,，,只有少量均匀变形，铸铁，淬火+,低回火高碳钢。,（,e）,：,塑性很好，试样断面可减细到近于一尖,刀，然后沿最大切应力方向断开。,如纯,Au、Al,。,(c)(d),：,都出现颈缩，只是程度不同，试样中心,先开裂，然后向外延伸，接近表面时沿最,大切应力方向斜面断开，断口形状如杯口状,。,但是，正断不一定就是脆断，也可以有明显的塑性变形。,切断是韧断，但反之不一定成立，韧断不一定是切断，韧断与切断并非是同义词,拉伸试样的宏观断口,对拉伸试样的宏观断口观察：三个区域,中心区叫做纤维区,放射区,剪切唇,这三个区域的比例关系与材料韧断性能,（,塑性,）,有关，若材料的硬度和强度很高，又处于低温环境，断面上有许多放射状条纹，并汇聚一个中心。,链接,无缺口拉伸试样,断口和三个断裂区示意图,冲击试样和三个断裂区示意图,1.4.2 韧断机制微孔聚合,利用,SEM,，,微孔分成：,微孔聚合型,解理和准解理型,晶间断裂,疲劳断裂,在,SEM,，,微孔聚合型断裂的形貌是一个个韧窝，韧窝是微孔长大的结果，韧窝中包含着一个夹杂物或第二相，这证明微孔多萌生于夹杂物或第二相与基体的界面上。,颈缩试样锯齿状拉伸断口形成过程示意图,由于应力状态或加载方式的不同，韧窝可有三种类型,拉伸型的等轴状韧窝,剪切型的伸长韧窝,拉伸撕裂的伸长韧窝,韧窝的形状取决于,应力状态,，而韧窝的大小和深浅取决于,第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力，,韧窝大而深，塑性好，大而浅，加工硬化能力强。,20,CrMo,淬火高温回火断口微孔聚合型(微孔多萌生于碳化物界面),1.4.3 穿晶断裂解理和准解理,解理断裂：,为脆性断裂,（宏观)(体心立方，密排,六方金属,),解理面：沿着一定的结晶学平面发生的，这个 平面叫解理面,微孔断口形貌：河流状花样，河流的流向为裂纹扩展方向，裂纹多萌生于晶界或亚晶界,河流状花样：实际上是许多解理台阶，不是在单一的晶面上,解理断裂,解理阶,解理羽毛,准解理断裂,实际上也有一定的塑性变形，如：贝氏体钢中、高强度钢,它是,解理和微孔聚合的混合断裂,相似点:,有解理面、河流花样,不同：,主裂纹的走向不太清晰，,原因,是主裂纹前方常产生许多二次裂纹；,晶粒内部有许多撕裂棱，撕裂棱附近有许多变形；,裂纹多萌生于晶粒内部，裂纹的扩展从解理台阶逐渐过渡向撕裂棱。,准解理断裂,准解理,1.4.4 力学状态图的断裂分析,应力状态系数,一个材料的塑性或脆性并不是绝对的，受应力状态的影响。,例：,铸铁 压韧，拉脆 韧性低碳钢 光滑，缺口,为了表示应力状态对材料塑性变形的影响，引入应力状态系数,分别为最大和最小主应力,为泊松比,对单向拉伸：,扭转：,单向压缩：,取,表示材料塑性变形的难易程度。,大,在该应力状态下切应力分量越大，塑性变形,易,；称软的应力状态，相对于,的应力状态而言，不易引起脆断。反之，称硬的应力状态。,影响断裂的内在因素是材料本性，如,s,b,外在因素：应力状态，温度和加载速度,力学状态图就是将四因素综合在一个图中，从图中可定性的判断材料发生何种断裂,2.力学状态图,温度、载荷速度影响,s,、,f,*,的,相对位置,。,