金屬材料力學(xué)性能第一章-單向靜拉伸ppt課件

1、第一章材料的拉伸性能,第一節(jié) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線,圖1-1 拉伸試樣,圖1-2 低碳鋼的拉伸圖,一、力-伸長曲線（F-L曲線,Distance L/mm,圖1-3 低碳鋼的工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線,二、工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線,彈性變形階段 塑性變形階段 斷裂階段,彈性變形 不均勻屈服塑性變形 均勻塑性變形 不均勻集中塑性變形,工程應(yīng)力載荷除以試件的原始截面積即得工程應(yīng)力，=FA0 工程應(yīng)變伸長量除以原始標(biāo)距長度即得工程應(yīng)變，=LL0 真應(yīng)力載荷除以試件的瞬時(shí)截面積即得真應(yīng)力，S=FA 真應(yīng)變瞬時(shí)伸長量除以瞬時(shí)標(biāo)距長度即得真應(yīng)變e，de=dLL,三、真應(yīng)力與真應(yīng)變,三、真應(yīng)力、真應(yīng)變與工程應(yīng)力、工程應(yīng)變之間的

2、關(guān)系,三、 典型的拉伸曲線 1、材料分類： 脆性材料：在拉伸斷裂前不產(chǎn)生塑性變形, 只發(fā)生彈性變形 塑性材料：在拉伸斷裂前會(huì)發(fā)生不可逆塑性變形,2、典型的拉伸曲線,一 概念及實(shí)質(zhì)： 1 .概念：金屬在外力作用下的可逆性變形。即金屬在一定外力作用下，產(chǎn)生變形，這種變形在外力去除時(shí)隨即消失而恢復(fù)原狀。 2. 特性： 1） 可逆性：外力去除時(shí)，變形消失，恢復(fù)原狀。 2） 單值線性關(guān)系：應(yīng)力與應(yīng)變呈單值線性關(guān)系。（OE段） 3） 彈性變形量比較小，一般小于1%。 3. 實(shí)質(zhì)： 金屬材料彈性變形是其晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映,第二節(jié) 彈性變形,彈性變形涉及構(gòu)件剛度構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。與兩

3、個(gè)因素相關(guān)： 構(gòu)件的幾何尺寸 材料彈性模量 塑性變形的不同工程要求： 加工過程中降低塑變抗力 服役過程中提高塑變抗力,1、固體中一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),正應(yīng)力： x 、 y 、 z 正應(yīng)變： x 、 y 、 z 切應(yīng)力：x y 、 y z 、 z x 切應(yīng)變：x y 、 y z 、 z x,二、受力分析,2 廣義虎克定律,單向拉伸時(shí),x = x / E ， y = z = - / E,1 彈性模量E: 單純彈性變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的比值,三、力學(xué)性能指標(biāo),2 彈性極限,1）條件比例極限 p ： 規(guī)定非比例伸長應(yīng)力,2）條件彈性極限 e ： 規(guī)定殘余伸長應(yīng)力,3、彈性比功 We（彈性應(yīng)變能密度,材料

4、開始塑性變形前單位體積所能吸收的彈性變形功,We = e e / 2 = e2 / (2E,制造彈簧的材料要求高的彈性比功：（ e 大 ，E 小,1、滯彈性 (彈性滯后,在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后,隨時(shí)間延長產(chǎn)生附加彈永生應(yīng)變的現(xiàn)象,四 彈性不完整性,加載和卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線不重合形成一封閉回線 - 彈性滯后環(huán),3、內(nèi)耗 Q-1,彈性滯后使加載時(shí)材料吸收的彈性變形能大于卸載時(shí)所釋放的彈性變形能，即部分能量被材料吸收。 （彈性滯后環(huán)的面積,工程上對材料內(nèi)耗應(yīng)加以考慮,4、包申格效應(yīng)（概念、機(jī)理、應(yīng)用、消除措施,金屬材料經(jīng)過預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余應(yīng)變約為1%4%），卸載后再同向加載則規(guī)

5、定殘余伸長應(yīng)力增加，反向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低的現(xiàn)象,第三節(jié) 塑性變形,1、單晶體塑性變形的主要方式,滑移和孿生,2、多晶體塑性變形的特征,1）塑性變形的非同時(shí)性和非均勻性,材料表面優(yōu)先,與切應(yīng)力取向最佳的滑移系優(yōu)先,一、方式及特點(diǎn),2）各晶粒塑性變形的相互制約與協(xié)調(diào),晶粒間塑性變形的相互制約,晶粒間塑性變形的相互協(xié)調(diào),晶粒內(nèi)不同滑移系滑移的相互協(xié)調(diào),二 屈服現(xiàn)象 與屈服強(qiáng)度,屈服現(xiàn)象：金屬材料在拉伸試驗(yàn)過程中，外力不增加試樣仍能繼續(xù)伸長；或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動(dòng)情況下，試樣繼續(xù)伸長變形的現(xiàn)象,屈服強(qiáng)度s： 對于拉伸曲線上有明顯的屈服平臺(tái)的材料，塑性變形

6、硬化不連續(xù)，屈服平臺(tái)所對應(yīng)的應(yīng)力即為屈服強(qiáng)度，記為s s = Fs / A0,對于拉伸曲線上沒有屈服平臺(tái)的材料，塑性變形硬化過程是連續(xù)的，此時(shí)將屈服強(qiáng)度定義為產(chǎn)生0.2% 殘余伸長時(shí)的應(yīng)力，記為0.2 s = 0.2 = F0.2 / A0,抗拉強(qiáng)度b： 定義為試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力，以前稱為強(qiáng)度極限。取拉伸圖上的最大載荷，即對應(yīng)于b點(diǎn)的載荷除以試件的原始截面積，即得抗拉強(qiáng)度之值，記為b b = PmaxA0,延伸率： 材料的塑性常用延伸率表示。測定方法如下：拉伸試驗(yàn)前測定試件的標(biāo)距L0，拉伸斷裂后測得標(biāo)距為Lk，然而按下式算出延伸率,斷面收縮率： 斷面收縮率是評定材料塑性的主要指標(biāo)

7、,2、屈服現(xiàn)象的解釋,溶質(zhì)原子、雜質(zhì)、位錯(cuò)和外力的交互作用,3、屈服強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度,s = sL 0.2 0.01 0.001 0.5,4、影響屈服強(qiáng)度的因素s,金屬的屈服強(qiáng)度與使位錯(cuò)開動(dòng)的臨界分切應(yīng)力相關(guān)，其值由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的所受的各種阻力決定,A、點(diǎn)陣阻力 ： 派納力,1）內(nèi)因,B、位錯(cuò)交互作用阻力,劇烈冷變形位錯(cuò)密度增加4-5個(gè)數(shù)量級 -形變強(qiáng)化,C、晶界阻力-HallPetch公式,D、固溶強(qiáng)化,溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的： 彈性交互作用 電化學(xué)作用 化學(xué)作用 幾何作用,間隙固溶體的強(qiáng)化效果比置換固溶體的大,E、第二項(xiàng)強(qiáng)化,聚合型：局部塑性約束導(dǎo)強(qiáng)化,彌散型：質(zhì)點(diǎn)周圍形成應(yīng)力場對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙

8、-位錯(cuò)彎曲,2）外因,A、溫度： 一般，升高溫度，降低屈服強(qiáng)度,A、溫度： 一般，升高溫度，降低屈服強(qiáng)度,B、應(yīng)變速率： 加大應(yīng)變速率，等同降低溫度,C、應(yīng)力狀態(tài)： 切應(yīng)力分量越大，越有利于發(fā)生塑性變形，屈服強(qiáng)度越低,三 應(yīng)變硬化（形變強(qiáng)化,1、形變強(qiáng)化指數(shù)： n,Hollomon方程： S = K en,描述了產(chǎn)生塑性變形后的真應(yīng)力應(yīng)變曲線,材料的 n值與屈服強(qiáng)度近似成反比,如低碳鋼和低合金高強(qiáng)度鋼：n =70/s,2、形變強(qiáng)化容量： eb,3、形變強(qiáng)化技術(shù)意義,變形均勻化,抗偶然過載能力,生產(chǎn)上強(qiáng)化材料的重要手段,四、縮頸現(xiàn)象 概念：縮頸是韌性金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)

9、象，是應(yīng)變硬化和截面減小共同作用的結(jié)果。 B點(diǎn)：最大力點(diǎn)局部塑性變形開始點(diǎn)拉伸失穩(wěn)點(diǎn)塑性失穩(wěn)點(diǎn),縮頸判據(jù) dF=0 1) dF=Ads+SdA=0 所以dA/A=-dS/S AdS0，應(yīng)變硬化使承載能力增加， SdA0，截面收縮使承載能力下降。 2）塑性變形體積不變 dV=0 dA/A=-dL/L S=dS/de,五、塑性 1 概念：金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力 2 塑性指標(biāo)： 1）斷后伸長率：試樣拉斷后標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比,2）斷面收縮率： 斷面收縮率是評定材料塑性的主要指標(biāo),3）斷后伸長率與斷面收縮率之間關(guān)系,單一拉伸條件下工作的長形零件，選用評定材料塑性； 非長形件，且發(fā)生縮

10、頸，選用評定材料塑性,例題： 光滑圓柱形拉伸試樣，直徑為10mm，標(biāo)距長30mm，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)斷裂時(shí)標(biāo)距長37mm，求下列兩種情況下的延伸率和截面收縮率。 1）沒有發(fā)生頸縮； 2）發(fā)生頸縮，斷面直徑為8mm,3 塑性意義： *安全性能指標(biāo) *金屬壓力加工重要影響因素 *評定材料質(zhì)量,4）最大力下總伸長率,4 脆性材料的拉伸力學(xué)行為 脆性材料在拉伸載荷下的力學(xué)行為可用虎克定律來描述。在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即 =Ee 無機(jī)玻璃、陶瓷以及一些處于低溫下的脆性金屬材料，在拉伸斷裂前只發(fā)生彈性變形，而不發(fā)生塑性變形，其拉伸曲線如圖1-3(a)所示,在拉伸時(shí)，試件發(fā)生軸向伸長，也同時(shí)發(fā)生橫向收

11、縮。將縱向應(yīng)變el 與橫(徑)向應(yīng)變er之負(fù)比值表示為，即=-er/el，稱為波桑比(Poissons ratio), 它也是材料的彈性常數(shù)。 脆性材料在拉伸載荷下的力學(xué)性能可用兩個(gè)力學(xué)參數(shù)表征：即彈性模量和脆性斷裂強(qiáng)度,5 塑性材料的拉伸力學(xué)行為 當(dāng)塑性材料所受的應(yīng)力低于彈性極限，其力學(xué)行為可近似地用虎克定律加以表述。當(dāng)材料所受的應(yīng)力高于彈性極限，虎克定律不再適用。此時(shí)，材料的變形既有彈性變形又有塑性變形，進(jìn)入彈塑性變形階段，其力學(xué)行為需要用彈-塑性變形階段的數(shù)學(xué)表達(dá)式，或稱本構(gòu)方程加以表述,六、靜力韌度： 1 分類： 靜力韌度 沖擊韌度 斷裂韌度 2 概念： 韌性：金屬材料斷裂前吸收塑性變

12、形功和斷裂功的能力； 韌度：度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)。 靜力韌度：靜拉伸時(shí)試樣斷裂前單位體積材料所吸收的功。為S-e曲線下所包圍的面積,4.1 前言 斷裂是機(jī)械和工程構(gòu)件失效的主要形式之一。 失效形式：如彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等。 斷裂是材料的一種十分復(fù)雜的行為，在不同的力學(xué)、物理和化學(xué)環(huán)境下，會(huì)有不同的斷裂形式。 研究斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證構(gòu)件在服役過程中的安全,第四節(jié) 金屬的斷裂,斷裂分類： 塑性變形量韌性斷裂（ductile fracture） 脆性斷裂 (brittle fracture) 裂紋擴(kuò)展路線穿晶斷裂 沿晶斷裂 斷裂的微觀機(jī)制解理斷裂 微孔聚合型的延性斷裂 純剪切

13、斷裂 引發(fā)斷裂的緣因 正斷 和斷裂面的取向 切斷,正斷是由正應(yīng)力引起的，斷裂面與最大主應(yīng)力方向垂直； 切斷是由切應(yīng)力引起的，斷裂面在最大切應(yīng)力作用面內(nèi)，而與最大主應(yīng)力方向呈450,本章討論在室溫、單向加載時(shí)的金屬的斷裂，按脆性斷裂和延性斷裂分別進(jìn)行論述，包括斷裂過程與微觀機(jī)制，斷裂的基本理論以及韌脆轉(zhuǎn)化,4.2 韌性斷裂與脆性斷裂 1 韌性（延性）斷裂,斷口特征三要素： 纖維區(qū)：裂紋首先在該區(qū)域形成，該區(qū)顏色灰暗，表面有較大的起伏，如山脊?fàn)?，這表明裂紋在該區(qū)擴(kuò)展時(shí)伴有較大的塑性變形，裂紋擴(kuò)展也較慢；放射區(qū)：表面較光亮平坦，有較細(xì)的放射狀條紋，裂紋在該區(qū)擴(kuò)展較快；剪切唇：接近試樣邊緣時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)

14、改變了（平面應(yīng)力狀態(tài)），最后沿著與拉力軸向成40-50剪切斷裂，表面粗糙發(fā)深灰色,2 脆性斷裂 脆性斷裂的宏觀特征，理論上講，是斷裂前不發(fā)生塑性變形，而裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，接近音速。 脆性斷裂前無明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發(fā)生的，因而往往引起嚴(yán)重的后果。因此，防止脆斷,斷裂呈“人”字形花樣，“人”字的尖端指向裂紋源,脆性斷口,韌性斷口,4.3 穿晶、沿晶斷裂 穿晶斷裂：多晶體金屬斷裂時(shí)裂紋穿過晶內(nèi)的斷裂。 可為韌性斷裂、也可為脆性斷裂 沿晶斷裂：多晶體金屬斷裂時(shí)裂紋沿晶界的斷裂。 多為脆性斷裂。 斷品形貌：冰糖狀、晶粒狀,圖5-9 沿晶斷裂的斷口形貌,沿晶斷裂原因： 晶界存在連續(xù)分布的脆

15、性第二相；微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚；由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷。 鋼的高溫回火脆性：微量元素晶界偏聚：P,Sb,As,Sn等,純剪切斷裂：應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)低產(chǎn)生剪切裂開。原因：這是因?yàn)閼?yīng)變強(qiáng)化阻礙已滑移區(qū)的進(jìn)一步滑移，使滑移均勻，不易產(chǎn)生局部的剪切變形。此外,多向拉應(yīng)力促使材料處于脆性狀態(tài)，也容易產(chǎn)生剪切斷開,4.4 斷裂機(jī)理：純剪切、微孔聚集型、解理,4.4.1 解理斷裂,1. 概念：金屬材料在一定條件下，當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，以極快速率沿一定的晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。 * 解理面：解理斷裂中產(chǎn)生穿晶斷裂的一定晶體學(xué)平面。一般是

16、表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面,解理斷口的宏觀形貌是較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面。 解理斷口的微觀形貌似應(yīng)為一個(gè)平坦完整的晶面。但實(shí)際晶體總是有缺陷存在，如位錯(cuò)、第二相粒子等等。 解理斷裂實(shí)際上不是沿單一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面(均為解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之間形成了所謂的解理臺(tái)階。在電子顯微鏡下，解理斷口的特征是河流狀花樣，如圖5-1所示。河流狀花樣是由解理臺(tái)階的側(cè)面匯合而形成的,解理臺(tái)階可認(rèn)為是通過解理裂紋與螺旋位錯(cuò)交割而形成，見圖5-2；也可認(rèn)為通過二次解理或撕裂而形成. 解理斷裂的另一個(gè)微觀特征是舌狀花樣，見圖5-5；它類似于伸出來的小舌頭，是解理

17、裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺(tái)成凹坑,4.4.2 準(zhǔn)解理斷裂 準(zhǔn)解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn)?；鼗甬a(chǎn)物中細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。 準(zhǔn)解理斷裂時(shí)，其解理面除(001)面外，還有(110)、(112)等晶面。 解理小平面間有明顯的撕裂棱。河流花樣已不十分明顯。撕裂棱的形成過程是由一些單獨(dú)形核的裂紋相互連接而形成的,準(zhǔn)解理的細(xì)節(jié)尚待研究，但已知它和解理斷裂有如下的不同： 準(zhǔn)解理裂紋常起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，向四周放射狀地?cái)U(kuò)展，而解理裂紋則自晶界一側(cè)向另一側(cè)延伸； 準(zhǔn)解理斷口有許多撕裂棱； 準(zhǔn)解理斷口上局部區(qū)域出現(xiàn)韌窩，是解理與微孔聚合的混合型斷裂。 準(zhǔn)解理斷裂的主要機(jī)制仍是解理，其宏觀表

18、現(xiàn)是脆性的。所以，常將準(zhǔn)解理斷裂歸入脆性斷裂,斷裂機(jī)理（裂紋形成與擴(kuò)展） 裂紋形成的位錯(cuò)理論 1）甄納-斯特羅位錯(cuò)塞積理論 2）柯垂耳位錯(cuò)反應(yīng)理論,微孔長大：微孔在縱向與橫向均長大；微孔不斷長大并發(fā)生聯(lián)接而形成大的中心空腔,二） 微孔聚集型斷裂,延性斷裂的過程是：“微孔形核微孔長大微孔聚合”三部曲,微孔形核：頸縮區(qū)，三向拉應(yīng)力狀態(tài)。試樣心部的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)破裂，或者夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)與基體界面脫離結(jié)合而形成微孔,微孔形核-長大模型,延性斷裂的微觀特征是韌窩形貌,a)等軸韌窩 b) 拉長韌窩 c)撕裂韌窩,等軸韌窩,拉長韌窩,5.3 理論斷裂強(qiáng)度和脆斷強(qiáng)度理論,5.3.1 理論斷裂強(qiáng)度,原子

19、間作用力與原子間位移關(guān)系曲線,msin(2x/ ) （5-1） =m(2x/ ) （5-2） =E=Ex/a0 (5-3) m=E/2a0 (5-4,另一方面，晶體脆性斷裂時(shí)，形成兩個(gè)新的表面，需要表面形成功2，其值應(yīng)等于釋放出的彈性應(yīng)變能，可用圖5-10中曲線下所包圍的面積來計(jì)算得: m=（E/a0）1/2 (56) 這就是理想晶體解理斷裂的理論斷裂強(qiáng)度?？梢?，在E，a0一定時(shí)，m與表面能有關(guān)，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解,如用實(shí)際晶體的E，a。，值代入式(5-6)計(jì)算，例如鐵，E=2105 MPa,a0=2.510-10 m，=2 J/m2, 則m4104 MPaE/5。 高強(qiáng)度鋼，其強(qiáng)度只相當(dāng)于E/100，相差20倍。 在實(shí)際晶體中必有某種缺陷,使其斷裂強(qiáng)度降低,5.3.2Griffith理論,Griffith在1921年提出了