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1、1,第一章、材料在单向静拉伸载荷下的力学性能,主讲人：刘桂武江苏大学材料学院,Email: 电话：15952898923,材料力学性能,2,1、拉伸过程中的弹性变形 2、拉伸过程中的塑性变形 3、相应的力学性能指标,第一章(二) 知识要点,3,一、基本概念,（1）弹性（elasticity）：是指物体（材料）本身的一种特性，发生形变后可以恢复原来的状态的一种性质。（2）弹性变形（elastic deformation）：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形。（3）弹性模量（ elastic modulus，modulus of elasticity
2、）：是表征材料弹性的物理参数，是指材料在弹性变形范围内，应力和对应的应变的比值E=/，也是材料内部原子之间结合力强弱的直接量度。,4,一、基本概念,（4）刚度（ stiffness）：指物体（固体）在外力作用下抵抗变形的能力，可用使产生单位形变所需的外力值来量度。刚度越高，物体表现越硬。（5）弹性比功（elastic specific work）： 表示材料吸收弹性变形功的能力，弹性比能、应变比能，决定于弹性模量和弹性极限（即材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力）。（6）滞弹性（anelasticity）：在弹性范围内加快加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。,5,一、基本概念,
3、（7）循环弹性（cyclic elasticity）：在交变载荷（振动）下材料吸收不可逆变形功的能力。（8）包申格效应（Bauschingers effect，Bauschinger effect）:简单地说，就是经过预先加载产生少量塑性变形后的金属材料，再次进行同向或反向加载，会产生残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加或降低的现象。其基本定量指标是包申格应变，与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。（9）塑性变形（plastic deformation）：材料在外力作用下产生的永久不可恢复的变形。方式：滑移和孪生。,8,一、基本概念,（12）韧度/韧性：韧度（ tenacity/tough
4、ness ）: 是度量材料韧性的力学性能指标，其中又分为静力、冲击和断裂韧度（static 、impact、fracture toughness ）。韧性（ toughness ）：是材料的力学性能，它是材料断裂前吸收塑性功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。静力韧度值：材料在静拉伸时单位体积断裂前所吸收的功，是强度和塑性的综合指标,9,二、知识点,10,弹性变形,弹性变形及其实质,（1）弹性（概念？）变形表现：可逆性变形。不论是在加载期还是卸载期内，应力与应变之间都保持单值线性关系且弹性变形量比较小，金属一般不超过0.5%1%，陶瓷一般低于0.1%（0.01%），高分子材料一般在20
5、0% （1001000%）以上。（2）实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。（3）解释：双原子模型,当原子间相互平衡因受力而受到破坏时，原子的位置必须作相应的调整，即产生位移，而原子的位移总和在宏观上就表现为变形。,11,弹性变形,胡克定律：用来表征材料或微小单元应力-应变之间关系的规律，包括单向拉伸、剪切和扭曲、广义。,（1）简单应力状态的胡克定律,（a）单向拉伸:,（b）剪切:,（c）扭转:,12,弹性变形,胡克定律,（2）广义的胡克定律,实际上机件的受力状态都比较复杂，应力往往是两向或三向的。在复杂应力状态下，用广义胡克定律描述应力与应变的关系：,式中 1、 2、 3 主应力；1
6、、 2、 3 主应变主应力中有压应力时，则为负。 应变为正表示伸长，为负表示缩短。,弹性变形,弹性模量,（1） 是表征材料弹性的物理参数，材料在弹性变形范围内，应力和对应的应变的比值（ E=/ ），也是材料内部原子之间结合力强弱的直接量度。（2）弹性模量的大小反应了材料抵抗外力的能力（3）工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形越小。单晶表现出弹性各向异性，多晶各向同性（伪各向异性）。弹性模量与原子间作用力（主要）和原子间距有关。原子间作用力取决于材料原子本性和晶格类型，故弹性模量主要取决于材料的原子本性和晶格类型。（4）合金化、热处理、
7、冷塑性变形对弹性模量的影响不大，材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，外在因素的变化对它的影响也比较小。,弹性变形,弹性比功,（1）弹性比功表示材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比能、应变比能。（2）一般用材料开始塑性变形前体积吸收的最大弹性变形功表示。材料拉伸时的弹性比功用应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积表示，即,分别为弹性比功ae，弹性极限e，和最大弹性应变e，所以材料的弹性比功取决于弹性模量和弹性极限（材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力）。e是表征材料弹性的重要参量，e值越高，材料的弹性越好，越不容易产生塑性变形。,弹性变形,滞弹性（弹性后效）,（1）在弹性范围内快速
8、加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。（2）弹性/塑性滞后环（在塑性区/弹性区的加载和卸载线不重合，形成以封闭曲线）（3）循环韧性（内耗）：材料在塑性区/弹性区交变载荷（振动）下吸收的不可逆变形的能力,单向拉伸滞弹性,弹性变形,包申格(Bauschinger)效应,（1）材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变为14%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加（的现象），或反向加载，规定残余伸长应力降低（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象。（2）原因：包申格效应与材料中位错运动所受的阻力变化有关。,预先拉伸（应变2)，屈服强度约为380MPa；再反
9、向压缩加载，压缩屈服 强度仅为100MPa左右,弹性变形,包申格(Bauschinger)效应,（3）度量包申格效应的基本定量指标是包申格应变，它是指在给定应力下，正向加载与反向加载两应力应变曲线之间的应变差。（4）消除金属材料包申格效应的方法: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。,（5）包申格效应的意义： （a）包申格效应对于承受应变疲劳载荷作用的机件在应变疲劳过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑性变形抗力(规定残余伸长应力)降低，显示循环软化现象。 （b）对于预先经受冷塑性变形的材料，如服役时受反向力作用，就要考虑微量塑性
10、变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况。 （c）利用包申格效应，如薄板反向弯曲成型。拉拨的钢棒经过轧辊压制变直等。,塑性变形,塑性变形的方式及特点,材料宏观塑性变形来源于微观上大量位错运动的结果。（原子位移总和表现变形）金属（陶瓷？）材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生（材料科学基础）。滑移是材料在切应力作用下沿滑移面（原子最密排面）和滑移方向（原子最密排方向）进行的切变过程。孪生也是材料在切应力作用下的沿特定晶面和特定晶向进行的一种塑性变形方式。滑移系越多，材料的塑性越好。陶瓷材料（超塑性，温度和加载速率密切相关）由于多晶体材料存在着晶界，各晶粒的取向也不相同，多
11、晶体材料的塑性变形特点： （1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性 （2）各晶粒变形的相互协调性,塑性变形,屈服现象和屈服点（屈服强度）,（1）金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志。（2）屈服现象表现：在试验过程中，外力不增加（保持恒定）试样仍然继续伸长（此时应力为屈服点s）；或外力增加到一定数值时突然下降，随后不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形。（3）用应力表示的屈服点或下屈服点就是表征材料对微量塑性变形的抗力，即屈服强度。屈服强度是金属材料重要的力学性能指标，它是工程上从静强度角度选择韧性材料的基本判据。,上下屈服点 屈服伸长 屈服平台/齿,塑性变形,屈服
12、现象和屈服点（屈服强度）,（4）屈服现象有关因素 材料在变形前可动位错密度很小(或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质点所订扎)； 随塑性变形发生，位错能快速增殖； 位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。（5）讨论影响屈服强度因素时，必须注意： 屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错增殖和运动的各种因素必然要影响屈服强度； 实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果，因此，要考虑晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分以及第二相的影响； 各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。,塑性变形,屈服现象和屈服点（屈服强度）,（6）影响屈服强度的因素内在因素： 晶体本性及
13、晶格类型； 晶粒大小和亚结构：减小晶粒尺寸，就增加晶界的影响，将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高（细晶强化）。霍尔-派奇（Hall-Petch）公式： 溶质元素：固溶强化 第二相：弥散强化、沉淀强化，其效果与其尺寸、形状、数量以及与基体之间的晶体学匹配和界面能等有关外在因素： 温度：一般温度升高，屈服强度降低（温度效应） 应变速率：应变速率硬化现象 应力状态：切应力分量越大，有利于塑性变形，屈服强度越低,应变硬化,（1）应变硬化性能：金属材料有一种阻止继续变形的能力。（2）应变硬化是位错增殖、运动受阻所致。（2）应变硬化指数n反映了金属材料抵 抗继续塑性变形的
14、能力，是表征金属 材料应变硬化的性能指标 。,Hollomon公式：,应变硬化,应变硬化的工程意义, 应变硬化可使金属机件具有一定的抗偶然过载的能力，保证机件安全。 应变硬化和塑性变形适当配合可使金属进行均匀塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。 应变硬化是强化金属的重要工艺手段之一。这种方法可以单独使用，也可以和其它强化方法联合使用 。 应变硬化还可以降低塑性，改善低碳钢（软、粘刀）的切削加工性能,缩颈现象和抗拉强度,（1）缩颈现象的意义 （2） 缩颈判据 （3）确定缩颈点及颈部应力的修正 （4）抗拉强度韧性金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度。,抗拉强度b的实际意义: b标志塑
15、性金属材料的实际承载能力，但这种承载能力也仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件，且韧性材料的不能作为设计参数（屈服强度）。 b就是脆性材料的断裂强度，用于产品设计，其许用应力便以b为判据。 b的高低决定于屈服强度和应变硬化指数。 b与布氏硬度HB、疲劳极限-1等之间有一定经验关系。,塑性与塑性指标,（1）塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久 变形（塑性变形）的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和（不均匀）集中塑性变形两部分构成。（低碳钢还有不均匀屈服塑性变形）（2）金属材料常用的塑性指标为断后伸长率（）和断面收缩率（）。（3）塑性的意义和影响因素 虽然金属的塑性指标通常并不能直接用
16、于机件的设计，但塑性大小能反映材料冶金质量的好坏，故可用以评定材料质量。金属材料的塑性常与其强度性能有关（既矛盾、又统一）。,断后伸长率:断后伸长率是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，用表示式中 L0试样原始标距长度 ; L1试样断裂后的标距长度。断面收缩率:断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号表示式中 A0试样原始横截面积;A1 缩颈处最小横截面积,静力韧度,（1）韧度是度量材料韧性的力学性能指标，其中又分静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。（2）金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功定义为静力韧度，它是强度和塑性的综合指标。测出材料真实应力-应变曲线下包围的面积，可以精确获得静力韧度值。但工程上用近似计算方法，如对韧性材料，静力韧度 为或 静力韧度对于按屈服强度设计，而在服役中有可能遇到偶然过载的机件如链条、起重吊钩等，是必须考虑的重要指标。,
