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1、第一章 金属在单向静拉伸载 荷下的力学性能,第一节 金属拉伸试验 第二节 力伸长曲线和应力应变曲线 第三节单向静拉伸载荷下的力学性能指标 第四节 真实应力应变曲线 第五节 弹性变形 第六节 弹性不完整性 第七节 塑性变形 第八节 金属的断裂,第一节 金属拉伸试验,一、试验标准 金属拉伸试验方法 老标准GB228-76 新标准GB228-87 二、拉伸试样 金属拉伸试验试样标准： GB6397-86 以光滑园柱试样为例，可分为： 1、比例标距试样 短试样：K=5.65 或 L0=5d0 长试样：K=11.3 或 L0=10d0 延伸率分别用5、10来来表示，一般建议采用短试样。 2、定标距试样：
2、试样的原始标距L0与原始截面积S0或直径d0之间不存在比例关系。例如L0=100mm或200mm，则延伸率表示为100mm或200mm。 三、试样的加工和测量 四、拉伸试验设备,拉伸试样,第二节 力伸长曲线和应力应变曲线,应力应变曲线,屈 服 极 限,屈服现象是金属材料开始产生宏观塑性变形时的标志。微量金属材料屈服失效抗力的力学性能指标屈服强度就是用应力表示的屈服点或下屈服点。采用下屈服点的理由：上屈服点su波动性很大，对试验条件的变化很敏感而下屈服点sl再现性较好。,4、 规定微量塑性伸长应力指标,为什么要采用规定微量塑性伸长应力指标?上述三个力学性能指标虽有明确的物理意义，但对于多晶体金属
3、材料来说，由于晶粒具有各向异性，以及各晶粒在外力作用下开始产生塑性变形的不同时性，用工程方法很难测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值。许多金属材料在拉伸试验时看不到明显的屈服现象。因此上述指标一般用试样产生规定的微量塑性伸长时的应力来表征。从这个定义来说，这三个指标都表示材料对微量塑性变形的抗力。,规定微量塑性伸长应力指标,（1）规定非比例伸长应力p试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。这种应力是在试样受力的条件下测定的。 （2）规定残余伸长应力r试样卸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。 （3）规定总伸长应力t试样标距部分的总伸长达到规定原始标距
4、百分比时的应力。,5、 抗拉强度b,bFb/A0 b的实际意义： 1）标志塑性金属材料的实际承载能力，但仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件； 2）某些场合，b可作为设计依据； 3）b与硬度、疲劳强度之间有一定的经验关系。,二、塑性指标,1、 断后伸长率试样拉断后，标距的伸长与原始标矩的百分比。 2、 断面收缩率缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 3、 最大力下的总伸长率gt指试样拉至最大力时，标距的总伸长与原始标距的百分比。 4、屈服点伸长率s试样从开始屈服至屈服阶段结束（加工硬化开始）之间标距的伸长与原始标距的百分比。 5、最大力下的非比例伸长率g试样拉至最大试验力时，标距的非
5、比例伸长与原始标距的百分比。,第四节 真实应力应变曲线,一、条件应力与真实应力 条件应力(工程应力)试样的原始截面积A0除载荷F =F/A0 真实应力S试样的瞬时截面积A除载荷F S=F/A A0A S同样可推得在均匀塑性变形阶段：S=(1+),二、条件应变与真实应变,1、条件相对伸长和条件相对截面缩 根据均匀塑性变形前后金属体积不变的近似假定，可以推导均匀塑性变形阶段时相对伸长与相对断面收缩间的关系。,1、条件相对伸长和条件相对截面缩,产生颈缩后，=L/L0只能代表试样全长的平均条件相对伸长，而不能代表缩颈处实际的条件相对伸长。后者比前者大得多。根据= /（1）计算出缩颈处实际的条件相对缩长
6、，这个条件相对伸长叫做全伸长，相当于整个试样都拉伸到缩颈处那样细时的条件相对伸长。,2、 真实相对伸长和真实相对断面收缩,条件相对伸长不能代表实际的相对伸长，实际相对伸长应该是瞬时伸长dl与瞬时长度L之比的积分值。即：e真实相对伸长(真实应变)，断裂时的真实相对伸长ek叫真实伸长率。同理：真实的相对断面收缩e为：在均匀塑性变形阶段，e与e之间的关系由体积不变的假定求得：,三、真实应力应变曲线,1、 形变强化模数D PB曲线的斜率Dds/de称材料的形变强化模数，将PBK曲线直线部分向两端延长，简化为虚线所示直线，就可用D=tg 来代表材料的形变强化能力。 2、 应变硬化指数n 大多数金属材料的
7、PB部分符合Hollomn关系式：n应变硬化指数表征均匀变形阶段金属的形变强化能力。k硬化系数 3、 真实断裂强度Sk 4、 静力韧度,4、 静力韧度,（1）韧性与韧度 韧性材料的力学性能：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。 韧度度量材料韧性的力学性能指标，又分为静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。 （2）静力韧度的定义 静拉伸的应力应变曲线下包围的面积减去试样断裂前吸收的弹性能。,4、 静力韧度,（3）静力韧度的表达式金属材料近似的应力应变曲线方程为： S=0.2etg=0.2+De故静力韧度与Sk、0.2、D三个量有关，是派生的力学性能指标。但静力韧度与S
8、k、0.2的关系比塑性和它们的关系更密切，故在改变材料组织状态或外界因素时，韧度比塑性的变化更急剧。,金属材料近似的应力应变曲线,第五节 弹性变形,概念： 1. 变形：外力作用下，材料发生的尺寸和形状变化。2. 弹性变形与塑性变形：外力去除后，随之消失的 变形为弹性变形；残留的（即永久性的）变形为塑 性变形。 。,一、弹性变形的特点1、可逆性2、单值性3、变形量很小，一般不超过0.51。,二、弹性变形的物理实质,原子间相互作用力： Fmax金属材料在弹性状态下的理论断裂载荷(断裂抗力)。此时，相应的理论弹性变形量rmr0可达25。但实际上他们都是理论值。,Hooke定律,Hooke定律：在弹性
9、状态下应力与应变之间的线性关系。 =E 对弹性定律，一般认为它是由英国科学家胡克 （R Hooke，1635-1703）于1678年首先提出来的。但我国的东汉经学家郑玄（127-200）在考弓 记弓人中就论述了测试弓力时，有“量其力，有三 钧”的说法，即“假令弓力胜三石，引之中三尺，弛 其弦，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺。” 的线 弹性变形规律，比胡克提出弹性定律早1500年。 于是在有的教科书中，将此弹性定律称作“郑玄- 胡克定律”。,Hooke定律,上式表达的是各向同性体在单轴加载方向上的应 力与弹性应变间的关系。 而在加载方向上的变形（伸长），必然导致与加 载方向垂直的方向上的收缩。
10、 对于复杂应力状态以及各向异性体上的弹性变 形，需要用广义Hooke定律描述。 对各向同性体，广义的Hooke定律公式：,在单向拉伸条件下，可简化为：可见，即使在单向加载条件下，材料不仅在受 拉方向有伸长形变，而且在垂直于拉伸方向上有收 缩变形。,三、弹性模量,1、弹性模量的理论定义 弹性变形阶段，大多数金属的应力与应变之间符合虎克定律： 拉伸时：=E E拉伸杨氏模量 剪切时：=Gr G切变模量故弹性模量是当应变为一个单位时的弹性应力，即产生100%弹性变形所需的应力 2、材料的刚度E工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值的大小反映金属弹性变形的难易程度。 3、构件
11、的刚度AE机器零件或构件的刚度与材料的刚度不同，反映构件产生弹性变形的难易程度。 4、弹性模量的影响因素,弹性模量的影响因素,1）键合方式和原子结构 2）晶体结构 单晶体-弹性各向异性;多晶体-弹性伪各向同性;非晶态各向同性。 3）化学成分材料化学成分变化将引起原子间距和键合方式的变化，因此也将影响材料的弹性模数。但对一般的固溶体合金，在溶解度较小的情况下一般影响不大。如对于常用钢铁材料，合金元素对弹性模量影响不大。 4）微观组织对于金属材料，在合金成分不变的情况下，微观组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小对E值无影响。故热处理对弹性模量的影响不大。 5） 温度温度升高，E值降低。但在室温附近，
12、E值变化不大 6） 冷塑性变形-使E值稍有降低 7） 加载条件和负荷持续时间 -对E值影响不大,键合方式和原子结构对弹性模量的影响,共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数；分子键结合力较弱，弹性模数较低。对于金属元素，其弹性模量的大小还与元素在周期表中的位置有关。一般原子半径越大，E值越小。一般过渡族金属的弹性模量较高，Fe、Ni、Mo、W、Mn、Co等。,四、弹性比功（弹性比能）,弹性比功材料吸收弹性变形功的能力。一般可用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。材料拉伸时的弹性比功可用图示应力应变曲线的下影线面积表示。由上式知：金属材料的弹性比功决定于其弹性模量和弹性极限。而且
13、弹性极限对弹性比功的作用更显著。,几种常见金属材料的弹性比功,第六节 弹性不完整性（imperfectly elastic）,在应力的作用下产生的应变，与应力间存在三个 关系：线性、瞬时和唯一性。而在实际情况下，三种关系往往不能同时满足，称为弹性的不完整性。,一、滞弹性,1、滞弹性定义：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。 2、滞弹性应变 anelastic strain 在快速加载或卸载后，随时间延长而产生的附加弹性应变叫滞弹性应变。 3、滞弹性的影响因素 （1）材料的成分、组织 材料组织越不均匀，弹性后效越明显。（2）试验条件：a) 温度T 弹性后效速率和滞弹性
14、应变b) 切应力愈大，弹性后效越明显。 4、消除办法采用长期回火 回火的作用是使间隙原子到位错空位和晶界去自身变得比较稳定。,滞弹性示意图,5、弹性滞后与弹性滞后环金属在弹性区内加载卸载时，由于应变落后应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，即弹性滞后，封闭回线即弹性滞后环。6、交变载荷下的弹性滞后环与塑性滞后环交变载荷中最大应力低于宏观弹性极限弹性滞后环交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限塑性滞后环7、金属的内耗 internal Friction加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属放出的变形功，因而有一部分变形功为金属所吸收，这部分吸收的功就称为金属的内耗。 8、金属的循环韧性 fr
15、ictional damping交变载荷下滞后环的面积表示金属在一个应力循环中消耗的不可逆变形功。金属材料在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的内耗，亦称消振性。,循环韧性,循环韧性也是金属材料的力学性能。通常用振动试样中自由振动振幅衰减的自然对数值来表示循环韧性的大小 ：其实循环韧性与内耗是有区别的：循环韧性用塑性滞后环面积来度量，在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。内耗用弹性滞后环面积来度量，在弹性区内加载吸收不可逆变形功的能力。,循环韧性,一些常见金属材料的循环韧性,循环韧性的意义是：材料循环韧性愈高，则机件依靠材料自身的消振能力愈好。,* 循环韧
16、性的应用：消振性： Cr13系列钢和灰铸铁的循环韧性大，是很 好的消振材料，所以常用作飞机的螺旋桨和汽轮机 叶片、机床和动力机器的底座、支架以达到机器稳 定运转的目的。乐 器：对追求音响效果的元件音叉、簧片、钟等， 希望声音持久不衰，即振动的延续时间长久，则必 须使循环韧性尽可能小。,二、包申格（Bauschinger）效应 1、定义金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于14%），而后再同向加载，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。2、包申格应变指在给定应力下，拉伸卸载后第二次再拉伸与拉伸卸载后第二次压缩两曲线之间的应变差。它是度量包申格效应的基本定量指标，b = bc,
