材料的变形

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1、,材料的变形,任何材料在外力作用下都会或多或少地发生变形，但是由于各种材料的本性不同、材料所受外力的性质和大小不同，材料服役时所处的环境不同，变形的性质和程度也就不同。 根据外力去除后材料的变形能否恢复，可分为弹性变形和塑性变形两种：能恢复的变形称为弹性变形，不能恢复的变形称为塑性变形。 本章将集中研究材料的弹性变形和塑性变形的基本规律及原理。,2.1 材料的弹性变形,弹性变形的基本特点 材料的弹性变形是指材料在外力作用下发生一定量的变形，当外力去除后，材料能够恢复原来形状的变形。 可逆性 单值性 正弹性应变-由正应力引起； 切弹性应变-由切应力引起 变形量小：0.5%-1%,2.1材料的弹性

2、变形,弹性变形的物理本质 起源于晶体点阵中原子间的相互作用,原子间势能曲线在r0处势能最低，处于稳定状态。当外力作用迫使两原子靠近(rr0)时，必须分别克服相应的斥力或引力，才能使原子N2达到新的平衡位置，产生原子间距变化，即所谓的变形。当外力去除后，因原子间力的作用，原于又回到原来平衡位置(r=r0)，即恢复变形。这就是弹性变形的物理过程，也是弹性变形具有可逆性特点的原因。,2.1材料的弹性变形,胡克定律 简单应力状态下的胡克定律,2.1材料的弹性变形,胡克定律 广义胡克定律,弹性模量的意义 表明材料抵抗弹性变形的能力代表了材料的刚度； 单晶体材料弹性上存在各向异性 （原子间距较小的晶体学方

3、向弹性模量较大）； 多晶体材料-（基本上）各向同性。,2.2 弹性模量及其影响因素,对于按照刚度要求设计的构件，应选用弹性模量值高的材料。因为用弹性模量高的材料制成的构件受到外力作用时，保持其固有尺寸和形状的能力强，即构件的刚度高。,工程应用 1）计算梁和构件的挠度，以及为了防止机器零件产生过量塑性变形，需要知道材料的弹性模量. 2）轧机的刚度设计 轧机工作机座抵抗纵向弹性变形的能力大小称为轧机纵向刚度，简称“轧机刚度”。轧机刚度是表示一台轧机结构性能的重要参数，它反映一台轧机所能获得轧制精度的一个重要指标。 影响因素：机架的变形(立柱拉伸，上、下横梁的弯曲)；轧辊的压扁；轧辊的弯曲；压下螺丝

4、的压缩；轴承部分的变形；其它接触部位的变形。其中，辊系的弹性变形量最大，占总变形的4070，压下螺丝弹性变形量占总变形量的420，机架的弹性变形量占总变形量的lOl6。,2.2 弹性模量及其影响因素,3）高强车轮钢研究开发及应用,2.2 弹性模量及其影响因素,用节约型钢材替代原车轮钢 - 厚度由14mm11.5 mm - 重量由47.5kg37.5kg 节材20% FEM模拟计算结果： 最大弹性变形相差0.005mm， 安全强度储备为1- 250/450= 44 % 疲劳寿命50万次, 全面用户满足要求,美国用户SMI 公司提供的检验报告,减重后应力应变的有限元分析结果,解决了山东龙口车轮厂因

5、超重出口受阻的问题，产品成功进入美国市场；目前这种车轮钢已经成为国内著名的牌号。,2.2 弹性模量及其影响因素,弹性模量的影响因素, 主要取决于材料的本性 与晶格类型和原子间距密切相关 室温下，金属弹性模量E是原子序数的周期函数。同一周期的元素，如Na，Mg，Al，Si等，E值随原子序数增加而增大，这与元素价电子增多及原于半径减小有关。 同族的元素，如Be，Mg，Ca，Sr，Ba等，E值随原于序数增加而减小，这与原子半径增大有关。 但对于过渡金属来说，并不适用，由图可知，过渡族金属的弹性模量最高，可能和它们的d层电子未被填满而引起的原子间结合力增大有关。常用的过渡族金属，如Fe，Ni， Mo，

6、W，Mn，Co等，其弹性模量都很大，显然，这也是这些金属被广泛应用的原因之一。,2.2 弹性模量及其影响因素,弹性模量的影响因素, 化学成分 合金中固溶溶质元素虽然可以改变合金的晶格常数，但对于常用钢铁合金来说，合金化对其晶格常数改变不大，因而对弹性模量影响很小。 热处理 改变组织的强化工艺，但对弹性模量值影响不大。 冷塑性变形 使E值稍有降低，一般降低4%6%，但当变形量很大时，因形变织构而使其出现各向异性，沿变形方向 E 值最大。 温度 对于钢铁材料来说，每加热100，其弹性模量E值就下降3%5%。但在-5050范围内，钢的E值变化不大，可以不考虑温度的影响。 加载速度 对弹性模量也没有大

7、的影响。,对组织不敏感的参数,弹性比功 又被称为弹性应变能密度， 指材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力。,弹性：材料弹性变形的能力； 刚度：材料弹性变形抗力,一种是汽车没有满载，弹簧变形已达到最大，卸载后，弹簧完全恢复到原来的状态，这是由于弹簧刚度不足造成的。由于弹性模量是对成分、组织不敏感的性能，因此，解决这一问题，要从加大弹簧尺寸和改进弹簧结构着手。 另一种情况是弹簧使用一段时间后，发现弹簧的弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是弹簧的弹性不足，是由于材料的弹性极限低造成的。可以利用改变材料、对材料进行热处理等手段，从而提高钢的弹性极限的办法来解决。,2.2 弹性模量及其影响因素,包辛格

8、（Bauschinger）效应,2.3 弹性变形的不完整性,材料经过预先加载产生微量塑性变形，同向加载弹性极限升高，反向加载弹性极限降低。,产生原因： 与位错运动阻力变化有关。 运动着的位错遇林位错而使其弯曲，所以位错前方林位错密度增加，形成位错缠结等。卸载后同向加载，位错不能做明显运动；反向加载，位错运动障碍较少，位错可以在较低应力下移动较大距离。 也可以用第二类内应力来解释。,2.3 弹性变形的不完整性,包辛格应变： 给定应力下拉伸卸载后第二次再拉伸，与拉伸卸载后压缩两曲线之间的应变差。,对于承受应变疲劳机件很重要； 冷拉型材及管子用于受压状态，属于反向加载，也有包辛格效应； 有时可以加以

9、利用： 如薄板的反向成型等。,2.3 弹性变形的不完整性,弹性后效 实际金属材料在外力作用下开始产生弹性变形时，沿OA变化，产生瞬时弹性应变Oa之后，在载荷不变的条件下，随时间延长，变形慢慢增加，产生附加的弹性应变aH。这一现象叫做正弹性后效或弹性蠕变。 卸载时，立即沿Bc变化，部分弹性应变Hc消失，之后，随时间延长，变形才缓慢消失至零。这一现象称为反弹性后效。 这种弹性应变落后于外加应力，并和时间有关的弹性变形称为弹性后效或滞弹性。随时间延长而产生的附加弹性应变称为滞弹性应变。,2.3 弹性变形的不完整性,t,弹性滞后环,2.3 弹性变形的不完整性,在弹性变形范围内，材料变形时，因应变滞后于

10、外加应力，使加载线和卸载线不重合而形成的回线，称为弹性滞后环。这个滞后环的出现，说明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料所放出的变形功，因此，在材料内部消耗了一部分功。这部分功称为内耗，其大小可用回线面积表示。,交变循环载荷，加载速度比较慢，来得及表现弹性后效。,加载速度比较快，来不及表现弹性后效。其回线面积表示在一个应力循环中材料的内耗，也可称为循环韧性。,循环韧性是材料的一个性能指标： 一般用振动试样中自由振动振幅的衰减来表示循环韧性的大小。 表示材料的消震能力，循环韧性大的材料的消震能力强。 汽轮机叶片，越大越好； 传感器、乐器等希望循环韧性越小越好。,自由振动衰减曲线,2.3 弹性变

11、形的不完整性,塑性变形的一般特点,2.4 材料的塑性变形,变形不可逆； 主要有切应力引起； 指标延伸率，断面收缩率 形变程度大； 塑性变形能力和抗力受多种因素影响； 变形过程会产生回复、再结晶、 应力松弛等； 伴随有弹性变形和加工硬化， 变形曲线非线性,塑性变形的物理过程 塑性变形的方式：滑移；孪生；晶界滑移；扩散型蠕变 （1）滑移变形 材料在切应力作用下，沿一定的晶面和一定的晶向进行的切变过程。,2.4 材料的塑性变形,滑移系:每个滑移面和其上的一个滑移方向的组合 面心立方g-Fe, Cu，Al 111110 12 体心立方Fe110112123111 48 密排六方(0001)(100)1

12、12-0 3 材料的塑性与滑移系有关，还与滑移面原子排列的密度及原子在滑移方向上的排列数目有关。,塑性变形的物理过程 （2）孪生变形 当晶体的一部分与另一部分呈镜像时，称为孪晶，对称面称为孪晶面。,2.4 材料的塑性变形,特点： 1）高应变速率下发生，对大多数晶体来说，在高速变形条件下，尤 其在低温高速下，易形成孪晶。 2）孪生产生变形量小，例如金属Cd单纯依靠孪生变形最大只能获得7.39%的变形量. 3) 具有一定的可逆性,实验观察发现，有一些金属晶体在孪生变形的初期所形成的孪晶是弹性的。在孪晶变形尚未贯穿整个晶体断面之前，若去掉外力，则孪晶变小，甚至消失；相反，若再次施加外力，则孪晶重新长

13、大变厚。但当变形孪晶穿过整个试样即形成塑性孪晶时，即使去除全部外力，这个孪晶也不能消失。,孪生与滑移的区别： 第一，在晶体取向上，孪生变形产生孪晶，形成的是镜像对称晶体，晶体的取向发生了改变，而滑移之后，沿滑移面两侧的晶体在取向上没有发生变化。 第二，切变情况不同:滑移是一种不均匀的切变，其变形主要集中在某些晶面上进行，而另一些晶面之间则不发生滑移;孪生是一种均匀的切变，其每个晶面位移量与到孪晶面的距离成正比。 第三，变形量不同:孪生的变形量很小，并且很易受阻而引起裂纹;滑移的变形量可达百分之百乃至数千。,2.4 材料的塑性变形,塑性变形的物理过程 （3）晶界滑移和扩散型蠕变,2.4 材料的塑

14、性变形, 在高温下，多晶体金属材料因晶界性质弱化，变形将集中于晶界进行。 变形时，可以使晶界切变滑动，也可以借助于晶界上空位和间隙原子定向扩散迁移来实现。,单晶体和多晶体材料塑性变形的特点,2.4 材料的塑性变形,1）单晶体塑性变形的特点 1）滑移面上分切应力必须大于临界分切应力； 2）晶体的临界分切应力是各向异性的； 3）对于制备好后却从未受过任何形变的晶体，其最易滑移面和最易滑移方向上的临界分切应力都很小，随着塑性形变的发展，紧跟着就迅速“硬化” ； 4）形变硬化并不是绝对稳固的特性 ； 5）单晶体的塑性变形将由一连串的破坏过程和一连串的“回复”过程组成。,单晶体和多晶体材料塑性变形的特点

15、 2）多晶体塑性变形的特点 形变的不均一性； 各晶粒变形的不同时性； 多晶体的形变抗力通常较单晶体高； 在较低温度下，晶界具有比晶粒内部大的形变阻力；而在较高温度 时，塑性变形可表现为沿着晶粒间分界面相对滑移，即晶界的形变阻 力此时并不比晶粒内部大。 晶体塑性变形在性质上所表现的特点和单晶体比较有重大差别， 这些差别的根源在于多晶体各晶粒本身空间取向的不一致和晶界的存在 。,2.4 材料的塑性变形,单晶体和多晶体材料塑性变形的特点 3）形变织构和各向异性 随着塑性变形程度的增加，各个晶粒的滑移方向逐渐向主形变方向转动，使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空间取向逐渐趋向一致，这一现象称为择优

16、取向；材料变形过程中的这种组织状态称为形变织构。,2.4 材料的塑性变形,屈服现象 在拉伸试验中，当外力不增加(保持恒定)时试样仍然能够伸长或外力增加 到一定数值时突然下降，然后在外力不增加或上下波动时试样继续伸长变形，这种现象叫屈服。 吕德斯带 屈服强度 对单晶体来说， 它是第一条滑移线开始出现的抗力。如 用切应力表示，即滑移临界切应力c。 对于多晶体来说， 用产生微量塑性变形的应力定义为屈服强度。 对于拉伸时出现屈服平台的材料， 由于下屈服点再现性较好， 故以下屈服应力作为材料的屈服强度。,2.5 材料的屈服,影响屈服强度的因素,2.5 材料的屈服,影响屈服强度的内在因素 金属本质及晶格类型 一般地，多相合金的塑性变形主要在基体相中进行，这表明位错主要分布在基体相中。位错的运动首先决定于基体相的各种阻力。而金属临界切应力都与其切变弹性模量G有关。G值越高，其临界切应力越大。过渡族金属Fe，Ni等，G值较高，其临界切应力也高，因而屈服强度也高。 同时，临