《《弹性变形》PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《弹性变形》PPT课件（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、商洛学院 常亮亮金属的应力应变曲线(F0不变）（拉伸试验） 金属在外力作用下一般经历弹性变形（elastic deformation）、塑性变形（plastic deformation）和断裂（fracture）三个阶段。 弹性变形 屈服变形 均匀塑性变形 局部塑性变形 概述概述变形：材料受外力作用发生尺寸和形状的变化。弹性变形：材料受外力作用发生尺寸和形状的变化，当外力去除后，随之消失的变形。（原子系统在外力作用下离开其平衡位置达到新的平衡状态的过程） 弹性变形涉及构件刚度构件抵抗弹性变形的能力。 与两个因素相关： 构件的几何尺寸；材料弹性模量。塑性变形的不同工程要求：加工过程中降低塑变抗力
2、；服役过程中提高塑变抗力弹性与塑性在工程上的应用准则：服役中构件的应力不能超过弹性极限或屈服强度加工中的材料应降低弹性极限或屈服强度谁是“弹性定律”的提出者？由于弹性材料的长期使用，人们开始注意到材料形变的规律。最早对此进行总结的是齐国人，在考工记弓人中有“量其力，有三钧”的说法。东汉的郑玄（公元127-200）对此进行了注释，他写道：“假令弓力胜三石，引之中三尺，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺。”（周礼注疏）唐初，贾公彦对郑玄的注疏又作了进一步的注释。他指出：“郑又云假令弓力胜三石，引之中三尺者，此即三石力弓也。必知弓力三石者，当弛其弦，经绳缓擐之者，谓不张之，别以一条绳系两箫，乃加物一石
3、张一尺，二石张二尺，三石张三尺。”从考工记的记述来看，当时制作的弓大多为三石（即90斤）拉力的弓，这可能是当时较为标准的弓。 1676年，英国物理学家胡克（R. Hooke，1635-1703）以字谜的形式发表了关于弹性力的定律，即ceiiinosssttuv。1678年，他公布了谜底，即Ut tensiosie vis，中文的意思是“有多大的伸长就有多大的力”。胡克和郑玄一样，他们都没有说明定律适用的范围。由于郑玄的研究贡献，以胡克名字命名的定律名称是否应更名为“郑玄定律”或“郑玄-胡克定律”。若是这样，弹性定律的建立不是在17世纪，而是在2世纪了。2.1 弹性变形及其物理本质2.1.1 弹
4、性变形过程外力(F)与原子间引力(a / r m)、斥力(b / r n)的平衡过程。外力引起的原子间距的变化，即位移，在宏观上就是所谓弹性变形。外力去除后，原子复位，位移消失，弹性变形消失，从而表现了弹性变形的可逆性。2.1.2 Hooke 2.1.2 Hooke 定理定理Hooke定律：在弹性状态下应力与应变之间的线性关系。(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)固体中一点的应力应变状态可用其单元体上的9个分量表示，如下图：xyzz z y zx x zx x y y z y xy 正应力： x 、 y 、 z正应变： x 、 y 、 z切应力：x y 、 y z 、 z x
5、、 y x 、 z y 、 xz切应变：x y 、 y z 、 z x广义虎克定律： x = x - ( y + z ) / E y = y - ( z + x ) / E z = z - ( x + y ) / E x y = x y / G y z = y z / G z x = z x / G单向拉伸时： x = x / E ， y = z = - x / E2.1.3 2.1.3 常用弹性常数及其意义1、弹性模量E，在单向受力状态下 ：E 表征材料抵抗正应变的能力。2、切变弹性模量G，在纯剪切应力状态下 ：G 表征材料抵抗剪切变形的能力。3、泊松比，在单向受力状态下： 表示材料受力后横
6、向正应变与受力方向上正应变之比。4、体积弹性模量K，表示物体在三向压缩（流体静压力）下，压强与体积变化率之间的线性比例关系：2.2 2.2 弹性性能的工程意义弹性性能的工程意义刚度：刚度：概念：概念：在弹性变形范围内，构件抵抗变形的能力称为刚度。意义：意义：构件刚度不足，会造成过量弹性变形而失效。定义：定义：要增加零要增加零( (构构) )件的刚度，要么选用正弹性模量件的刚度，要么选用正弹性模量E E 高的材料，高的材料，要么增大零要么增大零( (构构) )件的截面积件的截面积A A。刚度刚度空间受严格限制的场合：既要求刚度高，又要求质量轻。因加大截面积不可取，只有选用高弹性模量的材料才可以提
7、高其刚度，即比弹性模量比弹性模量( (弹性模量弹性模量/ /密度密度) )要高。弹弹性性性性能能与与特特征征是是原原子子间间结结合合力力的的宏宏观观体体现现，本本质质上上决决定定于于晶晶体体的的电电子子结结构构，而而不不依依赖赖于于显显微微组组织织，弹弹性性模模量量是对组织不敏感的性能指标是对组织不敏感的性能指标。 6 6、影响弹性模量的因素、影响弹性模量的因素1 1）纯金属的）纯金属的E E与原子半径与原子半径E = k / r m （m1）（2）合金元素和第二相合金元素和第二相对于金属材料，合金成分对晶格常数的改变不大，因此其合金化对E改变不大。在只要求增加抗变形刚度的场合，没必要选择合金
8、，因此，结构材料只用碳钢碳钢即可满足要求。合金中形成高高熔熔点点高高弹弹性性模模量量的的第第二二相相质质点点，可提高弹性模量。（3）温度温度一般结构件：50的工作温度范围内，E变化很小，视为常数。精密件：E随T的微小变化造成较大使用误差。（4）加载速率加载速率 弹性变形速度远超一般加载速率（5）冷冷变变形形冷加工塑性变形后，E值略降低（4%-6%）。大变形产生的变形织构将引起E的各向异性，沿变形方向E值最大。1、弹性比功 We（弹性应变能密度）材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功。如图：弹性比功 弹性比功弹性比功= = e e e e / 2 = / 2 = e e2 2 / (2E
9、)/ (2E)。弹性比功弹性比功e0 e e 制造弹簧的材料要求高的弹性比功：（ e 大 ，E 小）通过适当热处理使材料具有高的e 2、比例极限 p 3、弹性极限 e 表示材料发生弹性变性的极限抗力 弹性不完整性弹性不完整性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。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。弹性后效弹性后效瞬间加载-正弹性后效 瞬间卸载-反弹性后效把一定大小的应力骤然加到多晶体试样上，试样立即产生的弹性应变仅是该应力所应该引起的总应变(OH)中的一部分(OC),其余部分的应变(CH) 是在保持该应力大小不变的条件下逐渐产生，此现象称为
10、正弹性后效。当外力骤然去除后，弹性应变消失，但也不是全部应变同时消失，而只先消失一部分(DH)，其余部分(OD)是逐渐消失的。此现象称为反弹性后效。弹性后效：应力作用下应应变变不不断断随随时时间间而而发发展展的行为，以及应力去除后应变逐渐恢复应变逐渐恢复的现象。影影响响因因素素：组织的不均匀性；温度（升高）； 应力状态（切应力成分大时）。危危害害：仪表的准确性； 制造业中构件的形状稳定性（校直的工件会发生弯曲）。弹性后效实例弹性后效实例弹性滞后环（滞弹性）弹性滞后环（滞弹性）0e理想的弹性体其弹性变形速度很快，相当于声音在弹性体中的传播速度。在加载时可认为变形立即达到应力-应变曲线上的相应值，
11、卸载时也立即恢复原状，即加载与卸载应在同一直线上，应变与应力始终保持同步。 加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回线 弹性滞后环0e在实际材料中有应变落后于应力现象，这种现象叫做滞弹性滞弹性（非瞬间加载条件下的弹性后效） 对于多数金属材料，如果不是在微应变范围内精密测量，其滞弹性不是十分明显；而有少数金属特别象铸铁、高铬不锈钢则有明显的滞弹性。例: 普通灰铸铁在拉伸时，其在弹性变形范围内应力和应变并不遵循直线AC关系，而是加载时沿着直线ABC，在卸载时不是沿着原途径，而是沿着CDA恢复原状。 加载时试样储存的变形功为ABCE，卸载时释放的弹性变形能为ADCE，这样在加载与卸载的循环中，试
12、样储存的弹性能为ABCDA，即图中阴影线面积。弹性弹性滞后环面积滞后环面积: : 表示被金属不可逆方式吸收的能量表示被金属不可逆方式吸收的能量 （即内耗）大小（即内耗）大小滞后环的应用滞后环的应用消消振振： Cr13系列钢和灰铸铁的内耗大，是很好的消振材料，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。乐乐器器：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，则必须使内耗尽可能小。精精密密仪仪表表中中的的弹弹簧簧、油油压压表表或或气气压压表表的的测测力力弹弹簧簧，要求弹簧薄膜的弹性变形能灵敏地反映出油压或气压的变化，因此不允许
13、材料有显著的滞弹性。 包辛格（包辛格（包辛格（包辛格（BaushingerBaushingerBaushingerBaushinger）效应效应效应效应弹性不完整性弹性不完整性弹性不完整性弹性不完整性定义：指原先经过少量预变形，然后反向加载时弹性极限(e)或屈服强度(S)降低的现象。实际材料T10钢的包辛格效应条件：T10钢淬火350回火拉伸时，曲线1 0.2=1130MPa。 曲线2事先经过预压压变形再拉伸时,0.2 =880M Pa包辛格效应的重要意义。理论上：由于它是金属变形时长程内应力（常称反向应力）的度量（长程内应力的大小可用X光方法测量），可用来研究材料加工硬化的机制。工程应用上：
14、首先：材料加工工艺需要考虑包辛格效应。 其次：包辛格效应大的材料，内应力较大。 消除方法(1) 预先进行较大的塑性变形；(2) 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，如钢在400-500，铜合金在250-270退火。第一节 力伸长曲线和应力应变曲线拉伸试样拉伸试样一、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； 3.揭示金属材料常见的力学行为（弹性变形、塑性变 形、断裂）； 4.可测最基本力学性能指标：强度（）、塑性（、）、应变硬化、韧性等。三、拉伸试样1、金属拉伸试验试样标准：GB6397-862、与拉伸
15、试样相关的几个概念：标距：测量伸长用的试样圆柱和棱柱部分的长度；原始标距 l0：施力前的试样标距； 断后标距：试样断裂后的标距。平行长度l：试样两头部或两夹持部分之间平行部分的长度；伸长：试验期间任一时刻原始标距的增量。拉伸试样一般为经机加工的试样和不经机加工的全截面试样,其横截面通常为圆形、矩形、异形以及不经加工的全截面形状。二、试验标准金属拉伸试验方法 老标准GB228-76 、GB228-87金属材料室温拉伸试验方法 新标准GB/T228-2002；试验是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定相应的力学性能。除非另有规定，试验一般在室温1035范围内进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为2
16、35。拉伸试样1) 圆形试样 l0d02) 矩形试样l0tb3）异型试样 3、拉伸试样的尺寸以光滑圆柱试样为例，可分为：1）比例标距试样短试样：或 L0=5d0长试样：或 L0=10d0延伸率分别用5、10来表示，一般建议采用短试样。2）定标距试样：试样的原始标距L0与原始截面积A0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。 拉伸试样的形状尺寸,一般随金属产品的品种、规格及试验目的之不同而分为圆形，矩形及异型三类。 如无特殊要求,应按该表规定选用。 4、试样的加工和测量应按照相关产品标准或GB/T2975的要求切取样坯和制备试样；试样原始截面积测定的方法和准确度应符合标准附录A-D的规定。选用合适的量具或测量装置，应根据测量的试样原始尺寸计算原始横截面积，并至少保留四位有效数字。 四、拉伸试验设备1.2 1.2 力伸长曲线和工程应力应变力伸长曲线和工程应力应变曲线曲线弹性变形不均匀屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀集中塑性变形 断裂应力应变应力应变曲线曲线 1.3 1.3 强度指标及其测定强度指标及其测定1 1、比例极限、比例极限
