工程材料力学基础第一章ppt课件

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式* 1第一章 金属在单向静拉伸载 荷下的力学性能 第一节 金属拉伸试验第二节 力伸长曲线和应力应变曲线第三节单向静拉伸载荷下的力学性能指标第四节 真实应力 应变曲线第五节 弹性变形第六节 弹性不完整性第七节 塑性变形第八节 金属的断裂第一节 金属拉伸试验一、试验标准金属拉伸试验方法 老标准 GB228-76 新标准 GB228-87二、 拉伸试样金属拉伸试验试样标准： GB6397-86以光滑园柱试样为例，可分为：1、比例标距试样短试样： K=5.65 或 L0=5d0长试样： K=11.3 或 L0=10d0延伸率分别用 5、 10来来表示，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 S0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。 三、试样的加工和测量四、拉伸试验设备 拉伸试样第二节 力伸长曲线和应力应变曲线 应力应变曲线 屈 服 极 限屈服现象是金属材料开始产生宏观塑性变形时的标志。微量金属材料屈服失效抗力的力学性能指标屈服强度就是用应力表示的屈服点或下屈服点。采用下屈服点的理由：上屈服点 su波动性很大，对试验条件的变化很敏感而下屈服点 sl再现性较好。4、 规定微量塑性伸长应力指标为什么要采用规定微量塑性伸长应力指标 ?上述三个力学性能指标虽有明确的物理意义，但对于多晶体金属材料来说，由于晶粒具有各向异性，以及各晶粒在外力作用下开始产生塑性变形的不同时性，用工程方法很难测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值。许多金属材料在拉伸试验时看不到明显的屈服现象。因此上述指标一般用试样产生规定的微量塑性伸长时的应力来表征。从这个定义来说，这三个指标都表示材料对微量塑性变形的抗力。 规定微量塑性伸长应力指标 （ 1）规定非比例伸长应力 p试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。这种应力是在试样受力的条件下测定的。（ 2）规定残余伸长应力 r试样卸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。（ 3）规定总伸长应力 t试样标距部分的总伸长达到规定原始标距百分比时的应力。5、 抗拉强度 b b Fb/A0 b的实际意义：1）标志塑性金属材料的实际承载能力，但仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件；2）某些场合， b可作为设计依据；3） b与硬度、疲劳强度之间有一定的经验关系。 二、塑性指标1、 断后伸长率 试样拉断后，标距的伸长与原始标矩的百分比。2、 断面收缩率 缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。3、 最大力下的总伸长率 gt指试样拉至最大力时，标距的总伸长与原始标距的百分比。 4、屈服点伸长率 s试样从开始屈服至屈服阶段结束（加工硬化开始）之间标距的伸长与原始标距的百分比。5、最大力下的非比例伸长率 g试样拉至最大试验力时，标距的非比例伸长与原始标距的百分比。 第四节 真实应力 应变曲线 一、条件应力与真实应力 条件应力 (工程应力 ) 试样的原始截面积 A0除载荷 F =F/A 0真实应力 S 试样的瞬时截面积 A除载荷 F S=F/AA 0 A S 同样可推得在均匀塑性变形阶段： S=(1+) 二、条件应变与真实应变 1、条件相对伸长 和条件相对截面缩 根据均匀塑性变形前后金属体积不变的近似假定，可以推导均匀塑性变形阶段时相对伸长与相对断面收缩间的关系。1、条件相对伸长 和条件相对截面缩 产生颈缩后， =L/L 0只能代表试样全长的平均条件相对伸长，而不能代表缩颈处实际的条件相对伸长。后者比前者大得多。根据= / （ 1 ）计算出缩颈处实际的条件相对缩长，这个条件相对伸长叫做全伸长，相当于整个试样都拉伸到缩颈处那样细时的条件相对伸长。2、 真实相对伸长和真实相对断面收缩 条件相对伸长不能代表实际的相对伸长，实际相对伸长应该是瞬时伸长 dl与瞬时长度 L之比的积分值。即：e 真实相对伸长 (真实应变 )，断裂时的真实相对伸长 ek叫真实伸长率。同理：真实的相对断面收缩 e为：在均匀塑性变形阶段， e与 e之间的关系由体积不变的假定求得：三、真实应力 应变曲线 1、 形变强化模数 D PB曲线的斜率 D ds/de称材料的形变强化模数，将 PBK曲线直线部分向两端延长，简化为虚线所示直线，就可用 D=tg 来代表材料的形变强化能力。 2、 应变硬化指数 n 大多数金属材料的 PB部分符合 Hollomn关系式：n 应变硬化指数 表征均匀变形阶段金属的形变强化能力。k 硬化系数 3、 真实断裂强度 Sk4、 静力韧度 4、 静力韧度 （ 1）韧性与韧度韧性材料的力学性能：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。韧度度量材料韧性的力学性能指标，又分为静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。（ 2）静力韧度的定义静拉伸的应力应变曲线下包围的面积减去试样断裂前吸收的弹性能。4、 静力韧度（ 3）静力韧度的表达式金属材料 近似的应力应变曲线 方程为：S=0.2 etg=0.2+De故静力韧度与 Sk、 0.2、 D三个量有关，是派生的力学性能指标。但静力韧度与 Sk、 0.2的关系比塑性和它们的关系更密切，故在改变材料组织状态或外界因素时，韧度比塑性的变化更急剧 。金属材料近似的应力应变曲线 第五节 弹性变形l 概念：1. 变形：外力作用下，材料发生的尺寸和形状变化。2. 弹性变形与塑性变形：外力去除后，随之消失的 变形为弹性变形；残留的（即永久性的）变形为塑 性变形。一、弹性变形的特点1、可逆性2、单值性3、变形量很小，一般不超过 0.5 1。 二、弹性变形的物理实质 原子间相互作用力： Fmax 金属材料在弹性状态下的理论断裂载荷 (断裂抗力 )。此时，相应的理论弹性变形量 rm r0可达 25。但实际上他们都是理论值。 Hooke定律l Hooke定律：在弹性状态下应力与应变之间的线性关系。 =El 对弹性定律，一般认为它是由英国科学家胡克 （ R Hooke， 1635-1703）于 1678年首先提出来的。l 但我国的东汉经学家郑玄（ 127-200）在考弓 记 弓人中就论述了测试弓力时，有 “量其力，有三 钧 ”的说法，即 “假令弓力胜三石，引之中三尺，弛 其弦，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺。 ” 的线 弹性变形规律，比胡克提出弹性定律早 1500年。l 于是在有的教科书中，将此弹性定律称作 “郑玄 - 胡克定律 ”。 Hooke定律l 上式表达的是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。l 而在加载方向上的变形（伸长），必然导致与加 载方向垂直的方向上的收缩。l 对于复杂应力状态以及各向异性体上的弹性变 形，需要用广义 Hooke定律描述。l 对各向同性体，广义的 Hooke定律公式：l 在单向拉伸条件下，可简化为：l 可见，即使在单向加载条件下，材料不仅在受 拉方向有伸长形变，而且在垂直于拉伸方向上有收 缩变形。 三、弹性模量 1、弹性模量的理论定义 弹性变形阶段，大多数金属的应力与应变之间符合虎克定律：拉伸时： =E E 拉伸杨氏模量剪切时： =Gr G 切变模量故弹性模量是当应变为一个单位时的弹性应力，即产生 100%弹性变形所需的应力2、材料的刚度 E工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值的大小反映金属弹性变形的难易程度。3、构件的刚度 AE机器零件或构件的刚度与材料的刚度不同，反映构件产生弹性变形的难易程度。 4、 弹性模量的影响因素 弹性模量的影响因素 1） 键合方式和原子结构2）晶体结构单晶体 -弹性各向异性 ;多晶体 -弹性伪各向同性 ;非晶态各向同性。 3）化学成分材料化学成分变化将引起原子间距和键合方式的变化，因此也将影响材料的弹性模数。但对一般的固溶体合金，在溶解度较小的情况下一般影响不大。如对于常用钢铁材料，合金元素对弹性模量影响不大。 4）微观组织对于金属材料，在合金成分不变的情况下，微观组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小对 E值无影响。故热处理对弹性模量的影响不大。 5） 温度温度升高， E值降低。但在室温附近， E值变化不大 6） 冷塑性变形 -使 E值稍有降低 7） 加载条件和负荷持续时间 -对 E值影响不大 键合方式和原子结构对弹性模量的影响 共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数；分子键结合力较弱，弹性模数较低。对于金属元素，其弹性模量的大小还与元素在周期表中的位置有关。一般原