《材料单向静拉伸的力学性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料单向静拉伸的力学性能（134页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第一章 材料单向静拉伸的力学性能,1-1 力伸长曲线和应力应变曲线,2,材料力学性能的研究任务,材料力学性能研究的重要任务，就是研究材料在受载过程中变形和断裂的规律。 单向静拉伸试验是工业生产和材料科学研究中应用最广泛的材料力学性能试验方法。通过拉伸试验可以揭示材料在静载作用下的应力应变关系及常见的3种失效形式(过量弹性变形、塑性变形和断裂)的特点和基本规律，还可以评定出材料的基本力学性能指标，如屈服强度、拉伸强度、伸长率和断面收缩率等。,3,这些性能指标既是材料的工程应用、构件设计和科学研究等方面的计算依据，也是材料的评定和选用以及加工工艺选择的主要依据。本章介绍这些性能指标的物理概念和
2、工程意义，讨论材料弹性变形、塑性变形及断裂行为的基本规律及其与材料组织结构的关系，在此基础上探讨提高材料性能指标的途径和方向。,4, 1-1力伸长曲线和应力应变曲线,一、拉伸力-伸长曲线,在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形(强化)及不均匀集中塑性变形(局部变形)4个阶段。,5,退火低碳钢的力一伸长曲线是一种最典型的曲线，除低碳钢外，正火、退火或调质的各种碳素结构钢和一般的合金结构钢都有类似的力一伸长曲线，只是力的大小和变形量的多少不同而已。 并非所有的材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸曲线。,一、拉伸力-伸长曲线, 1-1力伸长曲线和应力应变曲线,6,一、
3、拉伸力-伸长曲线, 1-1力伸长曲线和应力应变曲线,1、淬火高碳钢弹性形变、少量均匀塑性形变 2、低合金结构钢弹性形变、大量均匀塑性形变。 3、黄铜弹性形变、均匀和不均匀塑性形变。 4、陶瓷、玻璃只有弹性形变。,7,一、拉伸力-伸长曲线, 1-1力伸长曲线和应力应变曲线,5、橡胶只有弹性形变，少量或没有塑性形变。 6、工程塑料弹性形变、均匀和不均匀塑性形变。,8,注意：对于高分子聚合物材料来说： 由于其在结构上的力学状态差异及对温度的敏感性，力一伸长曲线可有多种形式。 不同的材料或同一材料在不同条件下可有不同形式的力一伸长曲线。 这主要是由材料的键合方式、化学成分和组织状态等多种因素共同决定的
4、。,9,将图1-1所示的力-伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积A0和原始标距长度L0相除，则得到与力-伸长曲线形状相似的应力(FA0)一应变( =l/L0）曲线(图1-3)。这样的应力应变曲线称为工程应力-应变曲线。,10,工程应力应变曲线对材料在工程中的应用是非常重要的，根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的力学性能指标，如图l-3中的比例极限p、弹性极限e、屈服点s、抗拉强度b等，可提供给工程设计或选材应用时参考。,11,实际上，在拉伸过程中，试样的截面积和长度随着拉伸力的增大是不断变化的，工程应力一应变曲线并不能反映试验过程中的真实情况。 如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸
5、力F，则可得到瞬时的真应力S(S=F/A)。同样，当拉伸力F有一增量dF时，试样在瞬时长度L的基础上变为L+dL，于是应变的微分增量应是dedL+L，则试件自Lo伸长至L后，总的应变量为:,12,式中的e为真应变。于是，真应变和工程应变之间的关系为,显然，e总是小于 ，且变形量越大，二者的差距越大。,13,当材料的拉仲变形是等体积变化过程时，真应力S和工程应力之间存在如下关系,这说明真应力大于工程应力。,S = (1 + ) (13),14,以真应力S和真应变e作为坐标绘制的应力-应变曲线称为真应力一真应变曲线(图l-4)。 与工程应力一应变曲线相比较，在弹性变形阶段，由于试样的伸长和截面收缩
6、都很小，两曲线基本重合，真实屈服应力和工程屈服应力在数值上非常接近。 在塑性变形阶段，两者出现了显著的差异。,15,在工程应用中，多数构件的变形量限制在弹性变形范围内，这时二者的差别可以忽略，同时工程应力、工程应变便于测量和计算。因此，工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据。但在材料科学研究中，真应力与真应变将具有重要意义。,16,1-2弹性形变及其性能指标,一、弹性形变的本质,弹性变形的定义： 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。弹性变形的可逆性特点： 对于金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物，在弹性变形范围内，应力和应变之间可以看成具有单值线性关系，且弹性变形量
7、都较小。 对于橡胶态的高分子聚合物，则在弹性变形范围内，应力和应变之间不呈线性关系，且变形量较大。,17,无论变形量大小和应力与应变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆变形。 材料产生弹性变形的本质，概括说来，都是构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。 金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。 橡胶类材料是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。,18,弹性形变的双原子模型 金属、陶瓷类材料弹性变形的微观过程可用双原子模型解释。 在正常状态下，晶格中的离子能保持在其平衡位置仅作微小的热振动，是受离子
8、之间的相互作用力控制的结果。 一般认为，这种作用力分为引力和斥力。引力是由正离子和自由电子间的库仑力所产生，而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致。,19,引力和斥力都是离子间距的函数，可表示为：,式中：r为两离子间的距离；m、n、a、b均为与材料有关的常数。离子间的相互作用力，即为引力F引和斥力F斥的合力F合，即：,20,图中N1、N2分别为两离子的平衡位置，曲线1为引力，曲线2为斥力，曲线3为合力，在离子的平衡位置合力为零。,21,当外力对离子作用时，合力曲线的零点位置改变，离子的位置亦随之作相应的调整，即产生位移，离子位移的总和在宏观上就表现为材料的变形。,22,当外力去除后，离子依靠
9、彼此间的作用力又回到原来的平衡位置，宏观的变形也随之消逝，从而表现了弹性变形的可逆性。,23,必须注意： 上述模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性位移的关系并非虎克定律所说的直线关系，而是抛物线关系。 合力曲线有最大值Fmax，如果外加拉应力略大于Fmax就意味着可以克服离子间的引力而使它们分离。 因此，Fmax也就是材料在弹性状态下的理论断裂抗力，此时相应的离子弹性变形量rm-ro可达25。,24,实际工程应用的材料中，不可避免地存在着各种缺陷、杂质、气孔或微裂纹，因而实际断裂抗力远远小于Fmax时，材料就发生了断裂或产生了塑性变形。实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起始阶段，因此虎克定
10、律所表示的外力一位移线性关系是近似正确的。,25,在弹性变形的应力和应变间有一个具有重要意义的关系常数弹性模数(或弹性系数、弹性模量)。 拉伸时 =E,剪切时 G，式中E和G分别为拉伸时的杨氏模数和切变模数。当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应力，即弹性模数是产生100弹性变形所需的应力。,胡克定律,26,在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同压力下产生的弹性变形就越小。 在机械零件或建筑结构设计时为了保证不产生过大的弹性变形，都要考虑所选用材料的弹性模数。因此弹性模数是结构材料的最重要力学性能之一。,27,28,三、影响弹性模数的因素,材料的弹
11、性模数是构成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志。因此，凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模数，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载方式和速度等。,29,1.键合方式一般来说，在构成材料聚集状态的4种键合方式中，共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数，分子键弹性模数低。 无机非金属材料大多由共价键或离子键以及两种键合方式共同作用而成，因而有较高的弹性模数。 金属及其合金为金属键结合，也有较高的弹性模数。 高分子聚合物的分子之间为分子键结合，因而高分子聚合物的弹性模数亦较低。,30,金属元素弹性模数的大小与元素在周期表中的位置有关，变化规律如图1-6所示。 这种变化的实质
12、还与元素的原子结构和原子半径有密切关系 原子半径越大，E值越小，反之亦然。 过渡族元素都有较高的弹性模数，这是由于原子半径较小，且d层电子引起较大的原子间结合力所致。,2、原子结构,31,3. 晶体结构,单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上呈各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。 多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但这种各向同性称为伪各向同性。 非晶态材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性模量是各向同性的。,32,4.化学成分,材料化学成分的变化可引起原子间距或键合方式的变化，因此也能影响材料的弹性模数。 与纯金属相比，合金的弹性模数将随组成元素的质量分
13、数()、晶体结构和组织状态的变化而变化。 固溶体合金的弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构。随着溶质元素质量分数的增加，虽然固溶体的弹性模数发生改变，但在溶解度较小的情况下一般变化不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过5。,33,在两相合金中，弹性模数的变化比较复杂，它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及分布状态有关例如在铝中加入Ni(15)、Si(13)，形成具有较高弹性模数的金属间化合物，使弹性模数由纯铝的约6.5104 MPa增高到9.38l04 MPa。,34,5.微观组织,金属材料刚度代表的弹性模数，是一个组织不敏感的力学性能指标。工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷的相的种
14、类、粒度、分布、比例及气孔串有关。,35,气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致可用下式表示：,式中：E0为无气孔时的弹性模数；p为气孔率。 可见：随着气孔率的增加，陶瓷的E值下降。,36,高分子聚合物的弹性模数可以通过添加增强填料而提高！图1-7所示为热裂炭黑填科对天然橡胶弹性模数的影响。,37,复合材料是特殊的多相材料。对于增强相为粒状的复合材料，其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大。对于单向纤维增强复合材料，其弹性模数一般用宏观模量表示，分别为纵向弹性模量E1、横向弹性模量E2:,38,式中：Ef、Em分别为纤维和基体的弹性模数；vf、vm分别为纤维和基体的体积分数。显然：无论是纵向弹性模数
15、还是横向弹性模数，均与构成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。,39,6. 温度,一般说来，随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模数降低。例如，碳钢加热时，温度每升高100 ，E值下降35。另外，随着温度的变化，材料发生固态相变时，弹性模数将发生显著变化。,40,图1-8为几种材料的弹性模数随着温度(温度与熔点之比)的变化情况。,41,高分子聚合物的物理性质与温度和时间有密切关系。随着温度的变化，在一些特定的温度区间，某些力学性质会发生突然改变，这种变化称为高聚物的力学状态转变。 例如，由玻璃态向橡胶态转变、由橡胶态向粘流态的转变。 随着高聚
16、物力学状态的转变，其弹性模数也相应产生很大变化，如图1-9所示。,42,43,此外，橡胶的弹性模数随温度的升高略有增加。 这一点与其他材料不同，其原因是温度升高时，高分子链的分子运动加剧，力图恢复到卷曲的平衡状态的能力增强所致。,注意：绝大多数材料在温度升高时弹性模数是下降的！,44,7.加载条件和负载持续时间,加载方式(多向应力)、加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷类材料的弹性模数几乎没有影响。 因为这类材料的弹性变形速度与声速相间，远超过常见的加载速率，负荷持续时间的长短也不会影响到原子之间的结合力。 陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数，这一点与金属材料不同。,45,高分子聚合物材料的弹性模数与时间的关系与其对温度的关系相似，随着负荷时间的延长，E值逐渐下降。 在此情况下把高聚物的弹性模数称为松弛模数。 在动态应力下，高应变速率对应于玻璃态E值较高，低应变速率对应于橡胶态E值较低，中应变速率对应于转变区，材料具有粘弹性性质。,
