金屬材料彈性變形與塑性變形

1、金屬材料彈性變形與塑性變形應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線( (F F0 0不變）不變）彈性變形彈性變形 屈服變形屈服變形 均勻塑性變形均勻塑性變形 局部塑性變形局部塑性變形 真應(yīng)力真應(yīng)力- -應(yīng)變曲線（應(yīng)變曲線（-代表）代表）p:p:比例極限比例極限 E E: :彈性極限彈性極限 LYLY: :屈服強(qiáng)度（下）屈服強(qiáng)度（下）UYUY：屈服強(qiáng)度（上）屈服強(qiáng)度（上）B B：強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限 b b: : 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 p p: : 應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力。應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力。 p p=F=FP P/F/F0 0E E : :由彈性變形過渡到彈由彈性變形過渡到彈- -塑性變形時(shí)的應(yīng)力

2、。塑性變形時(shí)的應(yīng)力。 E E =F =FE E /F/F0 0不同材料，其應(yīng)力應(yīng)變曲線不同，如：機(jī)械設(shè)計(jì)中，剛度是第一位的，它保證精度，曲軸機(jī)械設(shè)計(jì)中，剛度是第一位的，它保證精度，曲軸的結(jié)構(gòu)和尺寸常常由剛度決定，然后強(qiáng)度校核。的結(jié)構(gòu)和尺寸常常由剛度決定，然后強(qiáng)度校核。不同類型的材料，其彈性模量差別很大。不同類型的材料，其彈性模量差別很大。材料彈性模量主要取決于結(jié)合鍵的本性和原子間的材料彈性模量主要取決于結(jié)合鍵的本性和原子間的結(jié)合力，而材料的成分和組織對它的影響不大，可結(jié)合力，而材料的成分和組織對它的影響不大，可以說它是一個(gè)對組織不敏感的性能指標(biāo)（對金屬材以說它是一個(gè)對組織不敏感的性能指標(biāo)（對金

3、屬材料），而對高分子和陶瓷料），而對高分子和陶瓷E E對結(jié)構(gòu)和組織敏感。對結(jié)構(gòu)和組織敏感。熔點(diǎn)高，熔點(diǎn)高，E EE E W W =2E=2EFeFe E EFeFe=3E=3EAlAl零件的剛度與材料的剛度不同，它除了決定于材料零件的剛度與材料的剛度不同，它除了決定于材料的剛度外還與零件的截面尺寸與形狀，以及截面積的剛度外還與零件的截面尺寸與形狀，以及截面積作用的方式有關(guān)。作用的方式有關(guān)。理想的彈簧材料：應(yīng)有高的彈性應(yīng)有高的彈性極限和低的彈性模量。極限和低的彈性模量。 成分與熱處理對彈性極限影響大，對彈性極限影響大，對彈性模量影響不大。對彈性模量影響不大。儀表彈簧因要求無磁性，鈹青銅，因要求無

4、磁性，鈹青銅，磷青銅等軟彈簧材料。磷青銅等軟彈簧材料。eEa e 彈性滯后環(huán)彈性滯后環(huán)(鏈接鏈接)包辛格效應(yīng)示意圖包辛格效應(yīng)示意圖(有有鏈接鏈接) 屈服標(biāo)準(zhǔn)屈服標(biāo)準(zhǔn) S定義定義: 材料開始塑性變形的應(yīng)力材料開始塑性變形的應(yīng)力.工程上常用的屈服標(biāo)準(zhǔn)有三種工程上常用的屈服標(biāo)準(zhǔn)有三種比例極限比例極限P: 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力.SP 彈性極限彈性極限el: 材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力. elP工程上用途不同區(qū)別工程上用途不同區(qū)別,槍炮材料要求高的比例極限槍炮材料要求高的比例極限,彈簧材料要求高的彈彈簧材料要求高的彈

5、性極限性極限 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度0. 2或或ys : 以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn),通常為通常為0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度.比例極限比例極限P P, ,彈性極限彈性極限elel, ,屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度0. 20. 2或或ysys 這三種標(biāo)準(zhǔn)在測量上實(shí)際上都是以殘留變形為依據(jù)這三種標(biāo)準(zhǔn)在測量上實(shí)際上都是以殘留變形為依據(jù), ,只不過規(guī)定的殘留變形量不同只不過規(guī)定的殘留變形量不同, ,所以國家規(guī)定三種所以國家規(guī)定三種規(guī)范規(guī)范. .規(guī)定非比例伸長應(yīng)力規(guī)定非比例伸長應(yīng)力( (P P) ) 0.010.01或或0.050.05規(guī)定殘留伸長應(yīng)力規(guī)

6、定殘留伸長應(yīng)力( () ) r r0.20.2規(guī)定總伸長應(yīng)力規(guī)定總伸長應(yīng)力( (t t) ) t t0.50.5 內(nèi)在因素內(nèi)在因素: :結(jié)合鍵結(jié)合鍵, ,組織組織, ,結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), ,原子本性原子本性000lnlnln(1)l llll 真應(yīng)力真應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線(流變曲線流變曲線) 真應(yīng)力真應(yīng)力S=F/A 真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變 00lnlldllll2.真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系理想彈性體：理想彈性體：n n1 1 ；理想塑性體：n0n的取值范圍：01一般金屬：n0.10.5注意：加工硬化速率注意：加工硬化速率ds/d ds/d 與加工硬與加工硬化指數(shù)化指數(shù)n n并不等同并不等同 n=dlnS/dln=

7、ds/Sd n=dlnS/dln=ds/Sd 即即ds/d=nS/ ds/d=nS/ 在相同變形時(shí)在相同變形時(shí)的情況下，的情況下，n ds/d n ds/d 對有些金屬材料對有些金屬材料: :象雙相鋼，一些鋁合金和不銹象雙相鋼，一些鋁合金和不銹鋼鋼 不能用不能用S=KS=Kn n方程描述。在方程描述。在lnS-lnlnS-ln圖中會(huì)得圖中會(huì)得到兩段不同的斜率的直線，稱為雙到兩段不同的斜率的直線，稱為雙n n行為，它使得行為，它使得n n的意義模糊和復(fù)雜化，要尋求其他方程形式來表征的意義模糊和復(fù)雜化，要尋求其他方程形式來表征真應(yīng)力真應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系。應(yīng)變關(guān)系。圖圖1-9 復(fù)相鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線復(fù)

8、相鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線普通碳鋼，控制軋制的普通碳鋼，控制軋制的SAE950 x和和980低合低合金高強(qiáng)度剛（屈服點(diǎn)分別為金高強(qiáng)度剛（屈服點(diǎn)分別為345和和550MN/m2)以及臨界區(qū)淬火以及臨界區(qū)淬火SAE980 x圖圖1-10 貝氏體貝氏體-奧氏體鋼的應(yīng)力應(yīng)奧氏體鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線變曲線（a) 低奧氏體含量低奧氏體含量（b)最佳奧氏含量最佳奧氏含量（c)高奧氏體含量高奧氏體含量在工程上：對冷加工成型的低碳鋼，其加工的硬化指數(shù)在工程上：對冷加工成型的低碳鋼，其加工的硬化指數(shù)n可通過屈服強(qiáng)度可通過屈服強(qiáng)度ys 估算：估算： ys M Pa=70/n n ys與與b差值越大，即差值越大，即S/B 頸縮條

9、件頸縮條件：應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，即開始出現(xiàn)頸縮，頸頸縮前是均勻變形，縮前是均勻變形，頸縮后是不均勻變頸縮后是不均勻變形，即局部變形形，即局部變形頸縮條件：ds/d=S 當(dāng)加工硬化速率等于該處的真應(yīng)力時(shí)就開始頸縮。 0UfTsd（a）(b)：斷口齊平，垂直于最大拉應(yīng)力方向，斷口齊平，垂直于最大拉應(yīng)力方向， ，只有少量均勻變形，鑄鐵，淬火只有少量均勻變形，鑄鐵，淬火+ + 低回火高碳鋼。低回火高碳鋼。 （e）： 塑性很好，試樣斷面可減細(xì)到近于一尖塑性很好，試樣斷面可減細(xì)到近于一尖 刀，然后沿最大切應(yīng)力方向斷開。刀，然后沿最大切應(yīng)力方向斷開。 如純?nèi)缂傾u、Al。 (c) (d) ：

10、 都出現(xiàn)頸縮，只是程度不同，試樣中心都出現(xiàn)頸縮，只是程度不同，試樣中心 先開裂，然后向外延伸，接近表面時(shí)沿最先開裂，然后向外延伸，接近表面時(shí)沿最 大切應(yīng)力方向斜面斷開，斷口形狀如杯口狀大切應(yīng)力方向斜面斷開，斷口形狀如杯口狀。但是，正斷不一定就是脆斷，也可以有明顯的塑性變形。 切斷是韌斷，但反之不一定成立，韌斷不一定是切斷，韌斷與切斷并非是同義詞 無缺口拉伸試樣,斷口和三個(gè)斷裂區(qū)示意圖沖擊試樣和三個(gè)斷裂區(qū)示意圖由于應(yīng)力狀態(tài)或加載方式的不同，韌窩可由于應(yīng)力狀態(tài)或加載方式的不同，韌窩可有三種類型有三種類型 拉伸型的等軸狀韌窩拉伸型的等軸狀韌窩剪切型的伸長韌窩剪切型的伸長韌窩 拉伸撕裂的伸長韌窩拉伸撕裂的伸長韌窩韌窩的形狀取決于應(yīng)力狀態(tài)，而韌窩的大小和深韌窩的形狀取決于應(yīng)力狀態(tài)，而韌窩的大小和深淺取決于第二相的數(shù)量分布以及基體的塑性變形淺取決于第二相的數(shù)量分布以及基體的塑性變形能力，韌窩大而深，塑性好，大而淺，加工硬化能力，韌窩大而深，塑性好，大而淺，加工硬化能力強(qiáng)。能力強(qiáng)。解理階解理階解理羽毛解理羽毛準(zhǔn)解理準(zhǔn)解理maxmax13123/()/2S max13max123()/2