《力学性能总结1讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《力学性能总结1讲义（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/10/18,金属材料的力学性能包括： 强度、刚度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、缺口敏感性、断裂韧性等。 人们将力学参量的临界值（或规定值）定义为该材料的力学性能指标，如强度指标：b、0.2、-1，塑性指标：、，韧性指标：AK、KIC等。 力学性能指标具体数值的高低，表示金属材料抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质量的主要依据。可将其理解为：金属材料抵抗外加载荷引起变形和断裂的能力。,2019/10/18,金属材料的力学性能取决于： 化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等内在因素，也取决于载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等因素。 金属力学性能的本质及宏观变化
2、规律与金属在变形和断裂过程中的位错运动、增殖和交互作用等微观过程有关。,2019/10/18,低碳钢,静载荷,冲击载荷,低温,常温,脆性断裂,韧性断裂,2019/10/18,单向静载拉伸试验是应用最广泛的材料力学性能测试方法。,试验温度确定,应力状态确定,加载速率确定,可测试,屈服强度s(0.2),抗拉强度b,伸长率,断面收缩率,第一节 力-伸长曲线和应力、应变曲线,2019/10/18,一、 力伸长曲线（拉伸力 F，绝对伸长量L） 测试方法：标准试样，万能实验机,图12 退火低碳钢的拉伸力伸长曲线,区弹性变形阶段,区屈服变形阶段,区均匀塑性变形阶段,区集中塑性变形阶段,断裂,2019/10/
3、18,二、 应力应变曲线 1.工程应力应变曲线： 将力伸长曲线的纵横坐标分别以拉伸试样的截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到应力应变曲线。称为“工程应力应变曲线” =F/A0 =L/L0 p比例极限 e弹性极限s屈服强度b抗拉强度,图14,2019/10/18,2.真实应力应变曲线： 真应力真应变曲线：用拉伸过程中每一瞬间的真实应力和真实应变绘制的曲线 真应力S=F/A 真应变de=dL/L 在弹-塑性变形阶段，只有真应力-真应变曲线才能准确描述材料的力学形为。,图15,2019/10/18,e=ln(1+) 真应变小于工程应变 S（1） 真应力大于工程应力,2019/10/18,弹性变形
4、：金属材料在外力的作用下，产生变形，当外力去除以后变形也随之消失的现象。 弹性变形的特点： 弹性变形是一种可逆现象，不论在加载期还是在卸载期，其应力和应变之间都保持单值线性关系。 弹性变形量都很小，一般在0.51之间。 金属材料的原子弹性位移量只相当于原子间距的几分之一。故弹性变形量小于1。,第二节 弹性变形及其性能指标,弹性变形,2019/10/18,图16 双原子模型,原子间作用力：,引力,斥力,原子间作用力非直线关系,引力,斥力,合力,N,F=0,M,Fmax,R,弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。,一、 弹性变形的本质,2019/10/18,二、
5、 弹性模数（弹性模量）刚度1 材料产生单位弹性应变时，所需要的弹性应力。即材料产生100弹性变形时所需要的应力。 E G ，E = 2 (1+ )G E拉伸时杨氏模数105，G切变模数MPa，比弹性模数（比刚度）E/ 单位m，将纵向应变el 与横(径)向应变er之负比值表示为泊松比。,2019/10/18,三、 影响弹性模数的因素 1、 键合方式和原子结构 室温下金属的弹性模量是原子序数的周期函数。,同一周期的元素随原子序数的增大E值增大，这与元素价电子数增多及原子半径减小有关。,同一族的元素随原子序数的增大E值减小，这与原子半径增大有关。,图18,2019/10/18,2、 晶体结构 -Fe
6、, E=2.7105MPa，E1.25105MPa 沿原子排列最密的晶向上弹性模量较大，多晶体各向同性。,2019/10/18,3、 化学成分 合金中固溶的溶质元素可以改变合金的晶格常数，但对于常用的钢铁材料而言，合金元素对其晶格常数的改变不大，因而对弹性模量的影响很小，合金钢和碳钢的弹性模量数值相当接近。 4、 微观组织 金属材料组织不敏感性。 热处理（显微组织）对弹性模量的影响不大。如晶粒大小对E值无影响；第二相的大小和分布对E值的影响也很小；淬火后E值稍有下降，但退火后又恢复到原来的水平,2019/10/18,冷塑性变形对E值稍有降低，一般在46，这与出现残余应力有关。当塑性变形量很大时
7、，因产生形变织构而使E值出现各向异性，此时沿变形方向E值最大。,5、 温度 温度升高，热运动加剧，弹性模量降低 碳钢加热时每升高100 ，E值下降35。但在-50 +50 的范围内，钢的E值变化不大，可以不考虑温度的影响。,2019/10/18,6、 加载条件和负荷持续时间 弹性变形的速率和声速一样快，远超过实际加载速率，故加载速率对E值也无大的影响。,2019/10/18,四、 比例极限与弹性极限 比例极限：p是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力应力与应变在正比关系范围内的最大应力。 弹性极限：e是材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力。 p0.01表示规定非比例伸长率0.01时的应
8、力。,比例极限,弹性极限,2019/10/18,五、 弹性比功 又称弹性比能或应变比能 ae是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。弹性比功的含义就是弹性变形过程中所吸收的引起弹性变形的能量。 数值上等于在应力应变曲线中被弹性变形阶段的曲线所覆盖的面积。 弹簧钢2.217MPa(MJm-3)(J=Nm)、磷青铜1.0，铍青铜1.44、橡胶2、铝0.1、铜0.003,2019/10/18,第三节 非理想弹性与内耗 一、理想弹性材料： 应变与应力的响应是线性的 应力和应变是同相位 应变是应力的单值函数 当塑性材料所受的应力低于弹性极限，其力学行为可近似地用虎克定律加以表述。 进入弹塑性变形阶段，其
9、力学行为需要用弹-塑性变形阶段的数学表达式，或称本构方程加以表述。,2019/10/18,二、弹性后效,对于完整的弹性体，弹性变形与加载速率无关，但对实际的金属材料而言，弹性变形不仅是应力的函数，而且是时间的函数。,A,B,H,a,e,O,b,c,d,AB正弹性后效,eO反弹性后效,定义：弹性应变落后于外加应力，并和时间有关的的现象叫弹性后效（滞弹性）。,2019/10/18,影响因素,材料成分；组织；实验条件；,材料的组织越不均匀，弹性后效越明显。如钢淬火或塑性变形后，增加了组织的不均匀性，弹性后效倾向增大。,温度升高，弹性后效速率和变形量都显著增加。如Zn，拉伸时温度升高15，弹性后效速率
10、增加50；扭转时温度升高10，变形量增加1倍。温度下降，变形量显著下降，185以下就无法确定弹性后效是否存在。,2019/10/18,产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动有关。 例如， -Fe中碳处于八面体空隙及等效位置上，施加z方向的拉应力后，x,y轴上的碳原子就会向z轴扩散移动，会使z方向继续伸长变形(图1-12），于是就产生了附加的弹性变形。,因扩散移动需要时间，故附加应变为滞弹性应变，卸载后z轴多余的碳原子又会回到原来x,y轴上，使滞弹性应变消失。,2019/10/18,三、包申格效应： 是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，卸载时降低的现
11、象。 所有退火态和高温回火态金属均有此效应。 包申格效应可使规定残余伸长应力增加或降低1520。,2019/10/18,四、内耗（弹性滞后环） 在变形过程中被吸收的功，可用弹性滞后环面积度量。该环表示金属在加载和卸载的过程中，一部分能量被金属所吸收，这部分被吸收的能量称为“金属的内耗”。 如果所加载荷为交变载荷则得到的滞后环为交变滞后环。 材料产生内耗的原因与材料微观组织结构和物理性能的变化有关。（位错、间隙原子、晶界、磁性的变化等）,图119,图118,2019/10/18,循环韧性（塑性应变环）的意义：材料的循环韧性越高，则机件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循环韧性对于降低机械噪声
12、，抑制高速机械振动，防止共振导致疲劳断裂是非常重要的。飞机螺旋桨、气轮机叶片需要高；而追求音响效果的元件如音叉、簧片等要低；灰铸铁的大，常用来作机床的床身、发动机的缸体和支架等。,图120自由振动衰减曲线,2019/10/18,第四节 塑性变形及其性能指标 一、 塑性变形方式与特点 材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料断裂的现象。,金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生。,2019/10/18,多晶体塑性变形的特点： （1） 各晶粒变形的不同时性和不均匀性（晶粒位向不同） （2） 各晶粒变形的相互协调性（晶界的存在）多晶体材料产生屈服的条件。多晶体金属作为一个连续的整
13、体，不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形，否则就会造成晶界开裂这就要求各晶粒之间能协调变形 （3） 产生加工硬化现象和残余内应力 （4） 密度降低、电阻和矫顽力增加，化学活性增大，抗腐蚀性能降低,2019/10/18,二、 屈服现象与屈服强度,低碳钢,黄铜,屈服伸长,A,C,0.2,0.2,图131 屈服现象示意图,A上屈服点,C下屈服点,AC屈服平台,对于没有明显屈服点的材料，用人为规定的办法确定屈服点：0.01； 0.05； 0.2；,1、 屈服现象：材料在拉伸过程中，当应力增加到一定数值，突然下降并在一定数值下保持恒定（或波动），而变形持续增加，由弹性变形转变为弹塑性变形状态，这种现象称
14、为“屈服现象”,2019/10/18,材料变形速率,塑性变形应变速率 b柏氏矢量的模 可动位错密度 V位错运动平均速率,=,b,V,沿滑移面上的切应力 0位错以单位速率运动所需的切应力 m-应力敏感指数,m值越低，则为使位错运动速率变化所需的应力变化就越大，屈服现象越明显。bcc金属的m值一般小于20，所以具有较明显的屈服现象；而fcc金属的m值大于100200，屈服现象就不太明显。,2019/10/18,2、 屈服强度：材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力 s工程意义： 作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据 s/b可以作为金属冷塑性变形加工的参考依据和缓解应力集中
15、防止脆断的参考依据。,2019/10/18,三、 影响金属材料屈服强度的因素 （1） 晶体结构： 晶格阻力或派纳力,位错间的交互作用：,平行位错间的交互作用,运动位错与林位错间的交互作用,2019/10/18,Hall-Petch公式：,i位错在基体金属中运动的总阻力，也称摩擦阻力，取决于晶体结构和位错密度；d晶粒平均直径；ky钉扎常数，衡量晶界对强化贡献的大小。在一定的温度和应变速率下， i和ky为常数。ky钉扎常数，fcc金属较bcc金属低，容易屈服。,晶粒越小，屈服强度越高细晶强化，同时还提高材料韧性，是金属强韧化的重要手段。,（2）晶界与亚结构,2019/10/18,（3） 溶质元素 固溶强化：金属中加入溶质元素，将对金属产生固溶强化作用，使材料的屈服强度增加。 溶质原子与基体原子的直径不同，引起晶格畸变，形成畸变应力场，使金属强化。 溶质原子对位错的运动起到了钉扎作用。 溶质原子还和基体原子之间产生电学交互作用、化学交互作用以及有序化作用。,图134,2019/10/1
