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1、 1 陈康敏 江苏大学材料科学与工程学院2009年01月 材料的变形与断裂 2 第一篇材料的变形 3 第一章拉伸应力 应变曲线 4 第一章拉伸应力 应变曲线 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 5 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 e2 不均匀屈服塑性变形 A C3 均匀塑性变形 C B4 不均匀集中塑性变形 B
2、 k5 最后发生断裂 k 低碳钢的拉伸力与伸长曲线 6 2 应力 应变 曲线 2 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A0 试样标距L0 7 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
3、8 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L0伸长 截面积A0相应减少 工程应力 应变曲线 9 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 真实反映变形过程中 随应变量增大 材料性质的变化 真应力 应变曲线 工程应力 应变曲线 10 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L0伸长到Ln 总应变为 工程应变 工程应力 11 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 A0L0 AL 过
4、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 12 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 13 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 14 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Li有关 若固定每一位移增量 L 瞬时长度Li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Li都要随之增加 由试件总长度变化
5、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 15 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 16 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 17 苏打石灰玻璃 应力 应变曲线只显示弹性变形
6、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Al2O3 SiC等 淬火态高碳钢 普通灰铸铁也属这种情况 18 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 19 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
7、 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 20 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 21 多数塑性金属材料 如铝 镁合金 铜合金 中碳合金结
8、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 22 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 23 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
9、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 24 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 25 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 26 5 第 种类型 弹性 不
10、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 27 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
