《物理力学教案 单向静拉伸力学性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理力学教案 单向静拉伸力学性能（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1第一章第一章 单向静拉伸力学性能单向静拉伸力学性能单向静拉伸试验特点:1.最广泛使用的力学性能检测手段;2.实验的应力状态、加载速率、试样尺寸、温度等都有规定。 （试验方法：GB/T228-2002； 试样：GB/T6397-1986）3.最基本的力学性能（弹性、塑性、断裂）4.可测力学性能指标：强度（） 、塑性（、f）等。（万能拉伸试验机介绍：油压式、传感器式、高温式等）1.11.1 应力应力- -应变曲线应变曲线 （视频演示：拉伸试验）一、拉伸力伸长曲线图 1-1 低碳钢拉伸力伸长曲线二、应力-应变曲线应力 =F/A 应力 =l/L图 1-2 低碳钢应力-应变曲线如果按拉伸时试样的真实断
2、面 A 和真实长度 L，则可得到真实应力-应变曲线：图 1-3 真实应力-应变曲线与常见的应力-应变曲线比较，材料强化F；而面积 A，要保持 不变，则 F。 出现峰值。三、几种常见材料的应力-应变曲线2图 1-4 某些金属与合金的 p 曲线 1铝青铜；2低碳钢（c：0.35） ；3硬铝；4铜1.21.2 弹性变形与弹性不完整性弹性变形与弹性不完整性一、弹性变形及其实质1.弹性变形及其实质定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。特点：力的作用方式：拉、压、推单调、可逆、变形量很小（0.51.0%）2.弹性的物理本质（双原子模型）金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观
3、表现。二、虎克定律1.弹性理论简介基本假设弹性力场微分方程 单元体受力分析 平衡微分方程fi作用力，i、j=x,y,z； 密度；位移：x 轴u；y 轴v；z 轴w 几何方程i，j=x,y,z；位移：x 轴u；y 轴v；z 轴w 2.广义虎克定律 在弹性极限内，物体内任一点的应力状态和应变状态均可以由六个应力分量和六个应变分)()(02运动静止tufxii jij ijijji ijij xu xu2213量来描述，虎克定律的物理方程为：式中 C11、C12Cij 为常数，称为弹性刚度系数。 当以应力为自变量时，广义虎克定律也可以写成下式：式中 S11、S12Sij 为常数，称为弹性顺度系数。
4、在晶体物理中存在 Cij=Cji，Sij=Sji（i、j=1、2、3）的关系，因此 Cij 与 Sij 中 只有 21 个独立的，即 xyzxyzzzyyxxxyxyzxyzzzyyxxzxxyzxyzzzyyxxyzxyzxyzzzyyxxzzxyzxyzzzyyxxyyxyzxyzzzyyxxxxCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC 666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211 xyzxyzzzyyxxxyxyzxyzzzyyxxzxxyzxyzzzyyx
5、xyzxyzxyzzzyyxxzzxyzxyzzzyyxxyyxyzxyzzzyyxxxxSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS 6665646362615655545352514645444342413635343332312625242322211615141312114各向同性体的广义虎克定律可用下式表达：式中 E正弹性模量，又称杨氏模量； G切变弹性模量。广义虎克定律物理方程3.狭义虎克定律三、弹性模量1.弹性模量的物理意义和作用物理意义：材料对弹性变形的抗力。用途： 工程上亦称为刚度； zyxijijiiEGEzyxjiGG 12211,2 zxzx
6、yzyzxyxyzxzzxzyyzyxxGGGEEE 111)(1)(1)(15计算梁或其他构件挠度时必须用之。弹性模量是材料重要的力学性能之一2.影响弹性模量的因素 金属原子的种类和晶体学特性； 非过渡族，原子半径、E；过渡族，原子半径、E，且 E 一般都比较大。 原子密排向的 E 大。 溶质原子与其强化； 晶格畸变能增大，E；显微组织（指热处理后） ；温度；加载速率； 一般影响不大。其他。 四、弹性极限、弹性比功1.比例极限2.弹性极限3.弹性比功又称为弹性比能、应变比能。物理意义：吸收弹性变形功的能力。几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。用途：制造弹簧的材料，要求弹性比功大。 五
7、、滞弹性（弹性后效）1.滞弹性及其影响因素实际金属材料，弹性变形不仅是应力的函数，而且还是时间的函数。定义 在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。影响因素：a.晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。b 切应力越大，影响越大。c.温度升高，变形量增加。危害：长期承载的传感器，影响精度。2.循环韧性弹性滞后环由于应变滞后于应力，使加载曲线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后 环。物理意义：加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。或，回线面积为一个循环所消耗的不可6逆功。这部分被金属吸收的功，称为内耗。 循环韧性若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可得到塑
8、性滞后环。金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫循环韧性。循环韧性又称为消振性。循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性的大小。循环韧性的应用减振材料（机床床身、缸体等） ；乐器要求循环韧性小。 六、包申格效应1.现象定义：材料经过预先加载并产生少量塑性变形，卸载后，再同相加载，规定残余伸长应力 增加；反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。2.微观本质预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同相加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易残余伸长应力降低。3.包申格效应的危害及防止方法交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降）
9、 。预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火。1.31.3 塑性变形与应变硬化塑性变形与应变硬化定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形。塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质。“” 伸长率， “”断面收缩率。190%，常称为超塑性。 一、塑性变形的方式及特点1、塑性变形的方式滑移 最主要的变形机制；孪生 重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时；晶界滑动和扩散性蠕变只在高温时起作用；形变带 滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用。 （1）滑移定义：滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向。滑移系：滑移面和滑移向的组
10、合。滑移系越多，材料的塑性越好。 晶体结构的影响较大。Fccbcchcp7滑移的临界分切应力=(P/A)coscos外应力与滑移面法线的夹角；外应力与滑移向的夹角；= coscos 称为取向因子（2）孪生孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于结 合面。孪晶可分为 自然孪晶和形变孪晶。孪生的特点：比滑移困难；时间很短；变形量很小；孪晶层在试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整 个试样。孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展。（3）形变带由晶体点阵畸变而使晶体表面出现的弯曲区域，由于该区域贯穿整个试样截面并成带状， 所以称为形变带。相邻滑移带的交互作用。多个
11、滑移系同时动作，正常的滑移不能进行，所以产生点阵弯曲， 形成形变带。 （4）三种变形机制的比较滑移 相邻部分滑动，变形前后晶体内部原子的排列不发生变化。孪生 变形部分相对未变形部分发生了取向变化。形变带 晶体点阵畸变。 2、塑性变形的特点 （1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性各晶粒的取向不同 即 coscos 不同。对于具体材料，还存在 相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。 （2）变形的相互协调性多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。 二、屈服与屈服强度1、屈服在金属塑性变形的开始阶段，
12、外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的现象， 称为屈服。上屈服点，下屈服点 （吕德丝带） 2、屈服机理（外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程） （1）柯氏气团位错与溶质原子交互作用，位错被钉扎。溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团。提高外应力，位错才能运动；一旦运动，继续发生塑性变形所需的外应力降低。 （2）位错塞积群n 个位错同相运动受阻，形成塞积群，导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力；一 旦障碍被冲破，继续发生塑性变形所需的外应力降下。 （3）应变速率与位错密度、位错运动速率的关系金属材料塑性变形的应变速率与位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比，即：=b.位错增值，
13、8提高外应力 , , 晶体结构变化，b, 3、屈服强度s=Fs/A由于金属材料存在上下屈服点，或者屈服点不明确，一般将 0.2定为屈服强度。屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据。提高屈服强度，机件不易产生塑性 变形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力重新分布，容易引起脆性断裂。 三、影响屈服强度的因素 （一）影响屈服强度的内因 （1）金属本性及晶格类型位错运动的阻力：晶格阻力（P-N 力） ；位错交互作用产生的阻力。P-N 力 fcc 位错宽度大，位借易运动。bcc 反之。交互产生的阻力 平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错交互作用产生的 阻力。 （2）溶质原子和点缺陷形成晶格畸变（间隙固溶，空位） （3）晶粒大小和亚结构晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。霍尔培奇关系式 =i+Ks
