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1、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 F0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 屈服强度 下 UY 屈服强度 上 B 强度极限 b 抗拉强度 p 应力与应变成正比关系的最大应力 p FP F0 E 由弹性变形过渡到弹 塑性变形时的应力 E FE F0 不
2、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 XX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 KK 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K E只要已知E和 就可求出G
3、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 mK m 1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
4、组织敏感 熔点高 E EW 2EFeEFe 3EAl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 e2 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
5、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 E ae 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 高分子弹性与时间有关 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或屈服强度降低的现象 值度量包辛格效应的大小 单循环或多循环后 都有包辛格效应 包辛格效应示意图 有链接 T10钢的包辛格效应 条件 T10钢淬火350 回火拉伸
6、时 曲线1 0 2 1130MPa曲线2事先经过预压变形再拉伸时 0 2 880MPa 包辛格效应理论解释 原先加载变形时 位错源在滑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 导致屈服强度 另外 反向加载时 滑移面上产生的位错与预变形的位错异号 异号位错抵销 引起材料软化 屈服强度 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
7、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 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
8、 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 r0 2 规定总伸长应力 t t0 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
9、 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 ys 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 ys的手段 前三种机制提高 ys 但是降低 只有第四种提高 ys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Kt 尖角 越尖 Kt 若缺口敏感 R1强化 YS的工程意义 Y
10、S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
11、 K nHollomon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 7n的变化范围图 理想弹性体 n 1 理想塑性体 n 0n的取值范围 0 1一般金属 n 0 1 0 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
12、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Sb 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 举例 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
13、碳钢丝 经过铅浴等温处理后冷拔 可达2000MPa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550MN m2 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 ysMPa 70 nn ys
14、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
15、HB建立一定关系对淬火回火钢 1 b b 0 345HB 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 aK 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 l0 l0 100 U lU l0 均匀变形延伸率 N 局部变形延伸率 ln l0l 试样断裂后的标距长度l0 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 l0 5d0 小试样 10 l0 10d0 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
16、 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 A0 A A0 100 A0 试样原始横截面能A1 缩颈处最小横截面积 U AU A0 n An A0 f A0 Af A0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 链接 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
