《【2017年整理】Chapter 1 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】Chapter 1 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能（143页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,本章目的：（1）揭示金属变形和断裂的基本规律；（2）阐述静载荷下各种力学性能指标的本质、意义、相互关系及变化规律；（3）掌握静拉伸试验方法。,一、静拉伸试验的目的（意义）与条件 目的：揭示金属变形和断裂的基本规律 条件： 受力简单、试样理想 具体： 环境：常温、空气介质 载荷：静负荷、轴向单拉伸 试样: 表面光滑、圆棒形,1 力伸长曲线和应力应变曲线,2.1拉伸试样与拉伸曲线,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
2、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。,图2.1 常用的拉伸试样几何,比例试样尺寸要求：,长试样,短试样,拉伸试验机,拉伸曲线（拉伸图）：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。,图2.2 低碳钢典型的应力-应变曲线,相互关系：二者具有相同或相似的形状，但坐标刻度不同，意义不同；拉伸曲线不能直接给出材料的力学性能指标，应力-应变曲线可直接给出材料的力学性能指标。,：弹性变形 线性、可逆性 ：屈服阶段 塑性流动、不可逆 ：均匀塑性变形 应变硬化
3、 ：不均匀集中塑性变形 颈缩现象,二、低碳钢拉伸曲线及应力应变曲线 1 低碳钢拉伸曲线典型性 拉伸力作用下的变形过程分为四个阶段：,过程：弹性变形弹塑性变形断裂,四个阶段特征：,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，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。均匀变形阶段：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
4、断增加的现象。局部变形阶段：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，试样断裂。,注意：(1)实际使用的金属材料，多数无屈服现象 或四阶段不全；(2)拉伸曲线反映了受力后变形的特性，以及材料抵抗变形、断裂的能力。,基于试样初始截面和初始长度定义的应力、应变称为工程应力和工程应变。,2 工程应力-工程应变曲线,条件应力：条件应变(以长度表示)： (以面积表示)： ,图1-2 低碳钢的工程应力一工程应变曲线,比例极限: P 弹性极限: e屈服极限: s抗拉强度: b断裂极限: k,工程应
5、力应变曲线意义：可以建立材料经拉伸条件下的力学性能指标,另：弹性应变量、 塑性应变量等,注：（1）三者弹性模量相同，但屈服强度、抗拉强度不同； （2） 低碳钢与中碳钢存在明显屈服现象，高碳钢无明显屈服现象 本章结束后能解释,注：比较材料的软硬与塑性好坏之间的差别,真实应变 e:,真实应力S： S =,3 真应力真实应变曲线,= (1+ ),-：工程应力应变曲线,1 工程应力应变曲线中“颈缩”现象掩盖了 “加工硬化”。2 思考：是否曲线不下垂就是Se曲线。,S -e：真应力真应变曲线,真应力真应变曲线与工程应力一工程应变曲线之间的差别,图14 典型金属的真实应力真实应变曲线,(1)随变形加剧，变
6、形抗力增大形变强化；(2)不同金属的形变强化能力各不相同。,思考：哪种材质适于制造矿山用钻头？,图14 典型金属的真实应力真实应变曲线,例如：高锰钢初始强度不高，但形变强化能力强适于制造矿山用钻头,工程常用弹性常数,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变的能力。泊松比（ ） （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。,2 弹性变形阶段的力学性能,1.1 弹性变形、Hooke 定律和弹性模量,弹性变形：原子系统在外力作用下离开原来的平衡位置达到新的平衡状态的过程。 注意：新的平衡状
7、态要由外力来维持，且原子所在的位置并不是它的平衡位置。（可逆性）Hooke定律：金属弹性变形时，外力与应变成正比。 即：弹性模量：金属弹性变形时外力与应变的比例因子。（反映产生单位弹性应变的抗力） 符号为E，量纲为MPa，在变形曲线上为初始阶段直线的斜率，它表征应力随应变增长的强度。,1 弹性变形的特点：,一、弹性变形及其物理本质,(1)可逆性；(2)应力应变间单值对应、 近线性关系 ； 符合虎克定律： E,(3)变形量小：0.51% 原因：材料内部存在 缺陷：位错、 裂纹、夹杂等,Hooke定律的推导双原子模型,图1.1 二个原子间的相互作用力,金属的弹性变形来源于原子间的相互作用吸引力和排
8、斥力。对以金属键结合为主的晶体而言，可以认为：吸引力是金属正离子与公有电子之间库仑引力作用的结果，因它在比原子间距大得多的距离处仍然起作用并可占优势（图中曲线1），所以吸引力是长程力；而排斥力则是短程力，它只有在原子间距离很接近时才起主导作用（曲线2）。二者的合力如图中曲线3所示。,因此，当吸引力和排斥力达到平衡时，二原子间平衡距离便确定了，为 ，相应地处于最低能量状态。,显然，当外力使原子靠近或分开时，原子的平衡状态就被破坏，于是在外力、吸引力、排斥力之间建立起新的平衡，二原子便稳定在新的平衡距离上，假设为a，相应地金属便产生了弹性变形。,1 弹性模量的物理意义： 弹性范围内应力与应变的比值
9、，即产生单位弹性应变所需应力的大小，是金属对弹性变形的抗力，表征了材料弹性变形难易，E，难。,二、弹性模量 Hooke定律： 正应力时：E 切应力时：G,正弹性模量,切弹性模量,2 弹性模量的工程技术意义 机床主轴、镗床弹杆、刀架、梁等对弹性变形量(挠度)有严格要求。 刚度要求 原因：刚度小易于弹性变形，过量的弹性变形导致构件失稳、加工精度降低等, 工程上 E 称为材料的刚度 EA 则为实际构件的刚度,E/,提高构件刚度的途径： 选择高弹性模量材料； 加大构件截面积,刚度（E）的实用意义：是衡量构件抵抗弹性变形的能力以及构件稳定性的重要指标；,例：制造飞机结构的铝合金 抗拉强度大约650 MN
10、/mm2以下；若提高强度，截面积可减少但刚度不够 工程设计中强度、刚度均需校核 有时宁可选择强度较低、高弹性模量材料,空间飞行器要求较高的比弹性模量E/,几种材料在常温下的弹性模量（MPa）,现象1： 无机非金属材料、金属、合金E；高分子聚合物 E ；现象2：超高强度钢较低碳钢强度高十倍。但二者E值基本相同。 主要与原子间结合力(结合键)有关,3 影响弹性模量的因素,（1）与原子间结合力有关： 原子间距离或原子半径 a或r愈小， E 愈大 E = k / a m m1 价电子数：价电子数愈多， E 愈大注意特殊：过渡族金属较普通金属E值高 原因：d 层电子较多，原子结合力大，且随原子半径增大而
11、增大 合金元素影响小,（2）温 度 T，a ，E 原因：影响原子间距离及原子间结合力 Fe: 每升高100 ，E下降约34,温度的影响总体较小，故一般不需考虑温度变化引起的刚度问题；但精密仪表、高精度机床中某些零件除外。解决方法：恒温环境 采用恒弹合金,(3)加载速度 基本不影响 原因： 弹性变形速度相当于声速，金属、无机物中达几千m/s，摆锤冲击速度仅46 m/s。 应用：冲击负荷的测定 利用弹性模量不变，测定应变值即可： 即E,(4)合金化、热处理、 冷加工的影响 取决于对原子间键合力的影响 E为非组织敏感参量，故影响小。 例: 中高碳钢淬火后 E 下降10%; 随回火温度升高，E 逐渐回
12、升。,E是力学性能中组织最不敏感参量。,另：单晶体 E 值各向异性； 原因：不同晶向原子排列不同 沿原子密排晶向上的弹性模量较大。 多晶体 E 伪各向同性 如：-Fe单晶体室温下 沿晶向: E=2.7 105MPa 沿晶向: E=1.25 105MPa 非晶态材料玻璃等各向同性,1 弹性极限 e 弹性变形的抗力 由弹性变形过渡到弹塑性 变形时的应力, 但实际难测， 规定采用非比例伸长应力p0.01或p0.05 ：产生规定非比例伸长率0.01%或0.05%时对应的应力; 2 弹性模量 E（前已述） 弹性变形的难易 3 最大弹性变形量E,三、金属的弹性指标,4、弹性比功 WE（弹性比能、应变比能）
13、 选材时须综合考虑E、E、 P。 引入弹性比功 WE：表示材料吸收弹性变形功的能力。,W (FPlE)，两端各除以A0l0 WE (PE) P2/2E,单位体积内吸收的弹性功,提高比例极限P比降低E更有效,弹簧或弹性元件的材料要求高的弹性比功： P 大 ，E 小 例如弹簧钢成分与工艺设计目的均是为P （1）加Si、Mn固溶强化;（2）淬火中温回火细小第二相强化、 位错强化;（3）冷拉位错强化.,弹性比功的意义：金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功，也是一个韧度指标。,0,e,1,P =240N/mm,3,178,4,287,5,85,初始拉伸,初始压缩,初始压缩后卸载，再进行第二次压
14、缩,初始压缩后卸载，第二次进行拉伸,1 包申格效应,2,301,初始拉伸后卸载，再进行第二次拉伸,第三节 弹性的不完整性,实际材料内部结构中存在各种缺陷弹性的不完整性,图1 退火轧制黄铜在不同载荷条件下弹性极限的变化情况,(1)定义： 产生了少量塑性变形（14）的材料，再同向加载，则规定残余伸长应力r（弹性极限e与屈服强度s）升高；反向加载则规定残余伸长应力r（弹性极限e与屈服强度s）降低的现象，称为包申格效应。,(2)产生原因： 与位错运动所受的阻力变化有关。 预先的少量塑性变形位错在运动前沿受阻产生聚集，甚至形成位错胞提高同向强度； 反方向上，位错阻力小降低反向强度,(3)实际意义： 害处：交变载荷工件强度下降问题； 利用：薄板反向弯曲易于成形等 (4)消除：(1)预先进行较大的塑性变形 （2）二次受力前回复或再结晶退火。,2 滞弹性变形,
