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1、加工硬化和真应力一真应变曲线工程应力工程应变曲线的形状是不变的，并且对试样卸载和重新加载时，应力也没有区别（必须保证卸载和 重新加载之间的时间足够短）.然而，如果用真应力和真应变来绘制曲线的话就会有区别，例如真应变的定义是长度的增量除以标距瞬时长 度,然而工程应变是长度的增量除以原始标距的长度.比较这两种绘制曲线的方法，会发现随着应变的增加, 应力应变的数据会发生越来越显著的差.一会儿会给出一些例子.加工硬化率总是从真应力真应变数据中测量得到的.绝大多数应力应变曲线都遵循一个简单的能量表达式,称之为Holloman方程,如下：B =的当n为硬化比率或者硬化系数的时候，这个方程对中断的测试同样适
2、用（但仅适用于立刻重新加载的测试， 在室温下被延迟了几个小时后再加载就不适用了）.由少量塑性应变，比如1%,引起的应力增加会很显著,在拉伸试验中可以测量出来，从而估计少量塑性应变 后屈服强度的增加.对于给定应变，应力增量越大,冷加工屈服强度越大.这个有用的参数被称做加工硬化指数，可以通过绘制如 下曲线得到：ln o = ln K + n.ln 当塑性应变增加时,真应变和工程应变之间的差别也越来越大.一个可以选择的能精确测量n值的方法是 在给定的应变处，测出真应力应变曲线的斜率：do / d = n K n-iT为了取代n我们有：-do / d = n oT / t或者n = do / d.T
3、/ oT这里OT和t是测量的do/dE处的真应力和真应变.第1章材料在静载下的力学行为（力学性能）1.1材料在静拉伸时的力学行为概述静拉伸是材料力学性能试验中最基本的试验方法。用静拉伸试验得到的 应力一应变曲线，可以求出许多重要性能指标。如弹性模量E,主要用于零件的 刚度设计中；材料的屈服强度o和抗拉强度 气则主要用于零件的强度设计中， 特别是抗拉强度和弯曲疲劳强度有一定的比例关系，这就进一步为零件在交变载 荷下使用提供参考；而材料的塑性，断裂前的应变量，主要是为材料在冷热变形 时的工艺性能作参考。吏b 200Te 300100图1-lb铝含金（5454【134）10。一1()ffil-la低
4、碳钢1三3叶图1-1几种典型材料在温室下的应力一应变曲线图1 -1表示不同类型材料的几种典型的拉伸应力一应变曲线。可见，它们的差别是很大的。对退火的低碳钢，在拉伸的应力-应变曲线上，出现平台， 即在应力不增加的情况下材料可继续变形，这一平台称为屈服平台，平台的延伸 长度随钢的含碳量增加而减少，当含碳量增至0.6%以上，平台消失，这种类型 见图1-1a；对多数塑性金属材料，其拉伸应力-应变曲线如图1-1b所示，该图 所绘的虽是一铝镁合金，但铜合金，中碳合金结构钢（经淬火及中高温回火处理） 也是如此，与图1-1a不同的是，材料由弹性变形连续过渡到塑性变形，塑性变 形时没有锯齿形平台，而变形时总伴随
5、着加工硬化；对高分子材料，象聚氯乙烯， 在拉伸开始时应力和应变不成直线关系，见图1-1c，即不服从虎克定律，而且 变形表现为粘弹性。图1-1d为苏打石灰玻璃的应力-应变曲线，只显示弹性变形， 没有塑性变形立即断裂，这是完全脆断的情形。工程结构陶瓷材料象AO3, SiC 等均属这种情况，淬火态的高碳钢、普通灰铸铁也属这种情况。1.2金属材料的弹性变形1.2.1广义虎克定律已知在单向应力状态下应力和应变的关系为： cr = Ee r = Gy一般应力状态下各向同性材料的广义虎克定律为：耳=!冬村（勺+冬几岸=务 % = # b, - *0 + 四=唔 弓=气ww%=若2（1 + 日 其中：如用主应
6、力状态表示广义虎克定律，则有SUMlJl-丑 1 百1.2.2弹性模量的技术意义工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹 性变形的能力。在机械设计中，有时刚度是第一位的。精密机床的主轴如果不具 有足够的刚度，就不能保证零件的加工精度。若汽车拖拉机中的曲轴弯曲刚度不 足，就会影响活塞、连杆及轴承等重要零件的正常工作；若扭转刚度不足，则可 能会产生强烈的扭转振动。曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后作强度校核。 通常由刚度决定的尺寸远大于按强度计算的尺寸。所以，曲轴只有在个别情况下， 才从轴颈到曲柄的过渡园角处发生断裂，这一般是制造工艺不当所致。不同类型的材料，其弹性模量可
7、以差别很大，因而在给定载荷下，产生 的弹性挠曲变形也就会相差悬殊。材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原 子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不 敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点（金属的弹性模量是一个结 构不敏感的性能指标，而高分子和陶瓷材料的弹性模量则对结构与组织很敏感）。 改变材料的成分和组织会对材料的强度（如屈服强度、抗拉强度）有显著影响，但 对材料的刚度影响不大。从大的范围说，材料的弹性模量首先决定于结合键。共 价键结合的材料弹性模量最高，所以象SiC，Si3N4陶瓷材料和碳纤维的复合材料 有很高的弹性模量。而主要依靠分子键结合的高分子，
8、由于键力弱其弹性模量最 低。金属键有较强的键力，材料容易塑性变形，其弹性模量适中，但由于各种金 属原子结合力的不同，也会有很大的差别，例如铁（钢）的弹性模量为210GPa, 是铝（铝合金）的三倍（EAi70GPa），而钨的弹性模量又是铁的两倍（Ew70GPa）o 弹性模量是和材料的熔点成正比的，越是难熔的材料弹性模量也越高。1.2.3弹性比功对于弹簧零件来说，不管弹簧的形状如何（是螺旋弹簧还是板弹簧）， 也不管弹簧的受力方式如何（是拉压还是弯扭），都要求其在弹性范围内（弹性 极限以下）有尽可能高的弹性比功。弹性比功为应力一应变曲线下弹性范围内所 吸收的变形功，即：弹性比功2 E式中七为材料的弹
9、性极限，它表示材料发生弹性变性的极限抗力。理论上弹性 极限的测定应该是通过不断加载与卸载，直到能使变形完全恢复的极限载荷。实 际上在测定弹性极限时是以规定某一少量的残留变形（如0.01%）为标准，对应此 残留变形的应力即为弹性极限。弹性模量是材料的刚度性能，材料的成分与热处理对它影响不大；而弹 性极限是材料的强度性能，改变材料的成分与热处理能显著提高材料的弹性极 限。这里附带说明，材料的弹性极限规定的残留变形量比一般的屈服强度更小，应力-应变曲线上的相应值，卸载时也立即恢复原状，图上的加载与卸载应在同 一直线上，也就是说应变与应力始终保持同步。但是，在实际材料中有应变落后 于应力现象，这种现象
10、叫做滞弹性（如图1 -2）。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 格不锈钢则有明显的滞弹性。例如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（参见图1-2），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，试样储存的弹 性能为ABCDA，即图中阴影线面积。这个滞后环面积虽然很小，但在工程上对一 些产生振动的零件却很重要，它可以减小振动，使振动幅度很快地衰减下来，正 是因为铸铁有此特性
11、，故常被用来制作机床床身和内燃机的支座。滞弹性也有不 好的一面，如在精密仪表中的弹簧、油压表或气压表的测力弹簧，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，因此不允许材料有显著的滞弹 性。对于高分子材料，滞弹性表现为粘弹性并成为材料的普遍特性，这时高分子 的力学性能都与时间有关了，其应变不再是应力的单值函数也与时间有关。高分 子材料的粘弹性主要是由于大的分子量使应变对应力的响应较慢所致。图包辛格效应示意图包辛格效应就是指原先经过变形然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象，如图13所示。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。包辛格效应在理
12、论上和实际上都有其重要意义。在理论上1.2.5包辛格效应及其使用意义+。由于它是金属变形时长程内应力的度量（长 程内应力的大小可用X光方法测量），包辛 格效应可用来研究材料加工硬化的机制。在工程应用上，首先是材料加工成型工 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。1.3金属材料的塑性变形1.3.1屈服强度及其影响因素1. 屈服标准工程上常用的屈服标准有三种：（1）比例极限应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力，国际上常采用op表示，超过op时即认为材料开始屈服。（2）弹性极限 试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准， 材料能够完全弹性恢复的最高应力。国际上通常以。e
13、i表示。应力超过。ei时即 认为材料开始屈服。（3）屈服强度以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为。02或。ys。2. 影响屈服强度的因素影响屈服强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。如将金 属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。从组织 结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：（1） 固溶强化；（2）形变强化；（3 ）沉淀强化和弥散强化；（4 ）晶界和亚晶强化。沉淀 强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。在这几种强化 机制中，前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性
14、，只有细化晶粒和亚 晶，既能提高强度又能增加塑性。影响屈服强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。随着温度的 降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应 变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。虽然屈服 强度是反映材料的内在性能的一个本质指标，但应力状态不同，屈服强度值也不 同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。3,屈服强度的工程意义传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力 。二。/n，安全系数n一般取2或更大，对脆性材料，以抗拉强度为标准，规ys定许用应力o=ob/n，安全系数n一般取6。需
15、要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的 高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，材料的 脆断危险性增加了。屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的某些力学行为和 工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料 屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度是材料性能 中不可缺少的重要指标。1.3.2加工硬化和真应力一应变曲线1.真实应力应变曲线材料开始屈服以后，继续变形将产生加工硬化。但材料的加工硬化行为，不能用条件的应力-应变曲线来描述。因为条件应力。二F/A，条件应变血 应力的变化是以不变的原始截面积来计量，而应变是以初始的试样标距长度来 度量。但实际上在变形过程的每一瞬时试样的截面积和长度都在变化，这样，自 然不能真实反映变形过程中的应力和应变的变化，而必须采用真实应力-应变曲 线。真实应力-应变曲线也叫流变曲线。真实应力S=F/A，真实应变=ln 其实应力-应变曲线一，条件应变往往不能真实反映或度量由图1一4可以看出，真实应
