材料力学第一章—金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

江苏科技大学 材料科学与工 程学院金属单向静拉伸性能内容 1 拉伸应力 应变曲线 2 弹性变形胡克定律、弹 性模 量、弹性比功滞弹 性、包申格效应 3 塑性变形塑性变形方式、屈服应 变硬化 4 金属的断裂断裂类型断 裂强度21 拉伸应力 应变曲 线1.1 单向拉伸试验最常 用的金属力学性能试验方法。GB/T 228-2002 金属材料室温拉伸试验方法31.1 拉伸力 ( 绝对 )伸长曲线定义：记录拉伸实验中力与伸长量的关系曲线。ACBkeLFFe1、弹性变形阶段： e以下2、 A-C：屈服阶段，不均匀屈服塑性变形3、 C-B：均匀塑性变形阶段4、 B-k：颈缩阶段 (不均匀集中塑性变形阶段）A0L04 1.2 应 力 应变曲 线应 力 载荷除以试件的原始截面积即得工程应力， 应变 伸 长量除以原始标距长度即得工程应 变， ksbS s真应力 -应变曲线（工程应用） 应力 -应 变5 1.3 室温下 几种典 型的拉伸曲线 s= 0.2sb 玻璃陶瓷灰铸铁淬火高碳钢铜合金正火退 火碳素结构钢低合 金结构钢高锰钢高碳钢冷拔钢丝经 硬化的材料调质钢黄 铜、铝合金6ACBke 2 弹性变形 e1、弹性变形阶段： e以下2、 A-C：屈服阶段，不均匀屈服塑性变形3、 C-B：均匀塑性变形阶段4、 B-k：颈缩阶段 (不均匀集中塑性变形阶段）7（工程）应力 -应变曲线 2 弹性变 形 定义8材 料受外力作用发生尺寸和形状变化，称为变形。外 力去除后随之消失的变形为弹性变形 ，剩余的（久性的）变形为塑性变形。 2.1 弹性变 形理论 双原子模型假定有两个原子 ， N1与 N2，原 子之间存在 长程的吸引力 和短程的排斥力 ， 外力 F 作用下 原 子间 距 r 发生 变化，则原子间作用力也发变化。式中，式中第一项为引力 ，第 二项为斥力 。 A是 与 原子本 性或 晶体、晶格类型有关的常数。引 力斥力合力N2N1 r9金 属弹性变形理论物理机制：外 力 致 使处于平衡位置的原子位 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 ，宏观弹 性变形消 失。10 2.2 胡 克定律虎克定律 ： 材料 在 弹性变形时 ，应 变与应力成正 比。 (一 ) 简单应力状态的胡克定 律1单向拉 伸11胡克定律2. 剪切和扭转3. E、 G和 的 关 系m轴键齿轮12胡克定律（二）广义胡克定律实 际机件受力状态比较复杂，应力往往两向或者三向。xyz z z y z x x zx x y y z y xy式中 、 、 主应力；、 、 主应变。 如果主应力中有压应力时，其前方应冠以负号。求得的应变为正号时表示伸长，负号则为缩短。13 2.3 金属弹性变形特征实质 是外力作用下晶 格中原 子自平衡位置发生位 移的结 果加载卸载期内，应力与应变之间保持单值线性关系；弹性变 形是可逆的变形量小，不超过 0.5%1%变 形速度快14电子显微镜首次拍摄到的氢化钒 2.4 弹性模量 E金属在弹性变形时，应变与应力成正比，比例常数即为弹性模量， E。弹性模量是产生 100弹性变形所需的应力。这个定义对金属而言是没有任何意义的，因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。刚度表征 构件 对 弹性变形的抗 力。 其 值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小 。15弹性模量的特点（ 1） 弹性模量是一个表征晶体中原子间结合力强弱的物理量 。 因此，弹性模量也和其他的物理量如熔点、汽化热等一样，与原子键合方式、晶体结构关系密切。 除了过渡族金属外，一般地讲， 弹性模量 E随原子半径增大而减小 ，亦即随原子间距的增大而减小。 过渡族金属的弹性模量较大 ，。 （ 2）合金化、热处理、冷塑变形对弹性模量的影响较小，金属材料的弹性模量是一个 对组织不敏感 的力学性能指标。（ 3） 一般地，加载速率并不影响弹性性能 ，因为固体的弹性变形以介质中的声速传播。因此，金属的弹性变形速度很快，远远超过一般的加载速率。（ 4）单晶各向异性， 由 大量随机取向的晶粒组成的多晶体，其弹性性能却显示出各 向同性。16几种金属材料在常温下的弹性模 量金属材料 E/105MPa 结合键铁 2.17 金属铜 1.25 金属铝 0.72 金属低碳钢 2.0 金属铸铁 1.71.9 金属低合金钢 2.02.1 金属奥氏体不锈钢 1.92.0 金属金刚石 11.4 共价键聚乙烯 0.002 范德华力17 2.5 弹性比功指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，它标志着 单位体积材料所吸收的最大弹性变形功，是一个 韧性指标 。e0 e 式中 弹性比功； 弹性极限； 最大弹性应变。18弹性极限弹性极限由 弹性变形过渡到弹 -塑性变形时的应力。超过弹性极限，开始发生塑性变 形。 e=Fe / A0 定 义残余变形为 0.01% 时对应的应力为 规定弹性极限 e。此时的弹性极限表示材料对微量塑性变形的抗力，是对组织敏感的力学性能指标。19弹簧材料的弹性比功弹簧的分类：硬弹簧：弹簧钢制造，通过合金化、热处理和冷加工，提高其弹性极限的方法来增大弹性比功。软弹簧（仪表弹簧）：磷青铜或铍青铜制作，具有较高的弹性极限和较小的弹性模量，因而弹性比功也较大。20第 二种故障主要是材料的弹性极限 偏 低所致。改 进措施：（ 1）更换弹性极限高的材 料（ 2）对材料进行适当热处理。思考题某 汽车弹簧，在未装满载时已变形到最大位置，缺载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。第 一种故障主要是材料的刚度不足，抵抗弹性变形能力不够 。改 进措施：（ 1）更换弹性模 量 E 高 的材 料（ 2）改变材料的截面形状尺 寸 。比较弹性模量与弹性极限212.6 滞弹性 实际金属材料，即使在弹性变形范围内，应变与应力也 不呈严格 的即时对 应关系 。应变不仅与应力有关，还与时间有关，应变落后于应 力 。较 长时 间 保 持载荷突然加载这种在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象，称为 滞弹性 。22原因和危害 对于多晶体金属材料 ， 滞弹性 与 各晶粒中应变不均一性有关 。 经淬火或塑性变形的钢 材 料的成分和组织不均 匀 、 应力作用下 金属中点缺陷的 产生、 移 动 。 测试温度、载荷频率越高滞弹性越明显。 应 力状态 对 滞弹性 有 强烈的影 响 ： 切 应力分量愈大 ，愈 明 显危害仪 表和精密机械 仪 表精度不足甚至无法使用。制造业中构件的形状稳定 性（ 校直的工件会发生弯曲）。减少弹性后效的办法是长时间回火 。2324气压计工作原理示意图循环韧性 在弹性范围内对金 属快速加载，卸载时应 变落后于应力，引起弹性滞后。因此， 加载和卸载时的应力 应变线不重合，形成一封闭的回线 ，称为 弹性滞后环 。 由于弹性滞后，加载时金属所吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即有一部分变形能不可逆地为金属所吸收，其数值可用弹性滞后环的面积来量度。 这种在交变载荷下吸收不可逆变形工的能力，称为金属的循环韧性。25循环韧性的应用 循环韧 性 是 材 料靠自身来消除机械振动的能力 （即消振性的好坏），所以在生产上是一个重要的机械性能指标，具有很重要的意义。循 环韧性的 应用：（ 1）减振材料（机床床身、缸体等）， Cr13系列钢和灰铸铁的循环韧性大，是很好的消振材料 。（ 2）乐 器（音响效果元件音叉、簧片、钟等）， 希望声音持久不衰，即振动的延续时间长久，则必须使循环韧性尽可能小。262728与普通 AFM探针相比，新奈材料提供的碳纳米管 AFM探针具有分辨率高，使用寿命长以及可以提高垂直方向探测深度等优点这种悬臂大小在数十至数百 微米 ，通常由 硅 或者 氮化硅 构成，其上载有探针，探针之尖端的 曲率 半径则在 纳米 量级弹性系数为 0.06 - 0.58 N/m2.7 包申格效应定义：经过预先加载产生微 量塑性变 形（残余应变小于 4） ，然后再同