《工程材料物理性能（第2版）》 第01章 金属在单向静拉伸载荷下的力学.ppt

金属力学性能 许晓嫦讲授 绪论 n一 材料的性能（使用性能） n1.物理性能 n2.化学性能 n3.工艺性能 n4.力学性能- n-金属在力的作用下所显示与弹性和非弹 性反应相关或涉及应力-应变关系的性能 （GB10623-89 金属力学性能试验术语） n二 失效现象 n如：过量弹性变形；过量塑性变形；断裂和磨 损等。 n因此金属材料的力学性能可以简单地理解为： 金属抵抗外加载荷（外力）引起的变形和断裂 的能力或金属材料的失效抗力。 n由于机件的承载条件一般用各种力学参量（如 应力、应变、应力场强度因子）表示，因此人 们将表征金属材料力学行为的力学参量的临界 值或规定值称为金属力学性能指标或判据（如 强度指标、塑性指标、韧性指标等）。 n金属力学性能指标具体值的高低，表示 金属抵抗变形的断裂能力的大小，是评 定金属材料质量的主要依据，也是金属 机件设计时选材时和进行强度计算时的 主要依据。 n各种力学性能指标需通过实验来测定。 n本课程的主要内容： n1.金属力学性能指标的本质、物理概念 、实用意义，以及各种力学性能指标间 的相互关系。 n2.影响金属力学性能的因素，提高金属 力学性能的方向和途径。 n3.金属力学性能指标的测试技术。 n第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学 n 性能 n试验方法的特点：温度、应力状态、和加载速 率是确定的，并常用标准的光滑圆柱体试样进 行试验。 n第一节 力伸长曲线和应力应变曲线 n力伸长曲线是拉伸试验中记录的拉伸力对伸 长的关系曲线 n如退火低碳钢拉伸力伸长曲线 n将力伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸 试样的原始截面积和原始标距长度去除 ，则得到应力应变曲线。（称工程应 力应变曲线。可建立金属材料在静拉 伸条件下的力学性能指标。 n说明：符号已变更。 n第二节 弹性变形 n一 弹性变形及其实质 n一种可逆性变形。在加载和卸载期内，应力与 应变之间都保持单值线性关系。（一般不超过 0.5%-1.0%）。 n二 弹性模量 n在弹性变形阶段，大多数金属的应力-应变之间 符合虎克定律，如拉伸时=E，剪切时 = (E和分别为拉伸模量和切变模量）由此可 知，当应变为一个单位时，弹性模量等于弹性 应力，即弹性模量是产生100%弹性变形所需 的应力。工程上弹性模量被称为材料的刚度， 表征材料对弹性变形的抗力。其值愈大，则在 相同应力下产生的弹性变形愈小。 n三 比例极限 nP， -新RP nP 新RP是应力与应变成正比关系的最 大应力 n即在拉伸应力-应变曲线上开始偏离直 线 n时的应力。 四 弹性极限e新Re e 新Re是材料由弹性变形过渡到弹 塑性变形时的应力。 RP ，Re的实际意义：对于要求在服役时其 应力-应变关系维持严格直线关系的机件 ，如测力计弹簧是依靠弹性变形的应力 正比于应变的关系显示载荷大小的，则 材料选择时以比例极限为依据。服役条 件是不允许产生微量塑性变形的机件， 则材料选择时以弹性极限为依据。 n第三节 塑性变形 n一、 塑性变形方式及特点 n1.方式：滑移与孪生 n2.特点： n（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性 n（2）各晶粒变形时的相互协调性 n二、屈服现象和屈服点（屈服强度） n1.现象：外力不增加（或保持恒定、增 至某一值后突然下降）试样仍能继续伸 长。 n2.屈服点：旧s，新 （不标） n（1）上屈服点: 旧su，新ReH n（2）下屈服点: 旧sL，新ReL n（3）屈服伸长：旧，新A n（4）屈服平台: n（5）吕德斯带（或屈服线） n外力从上屈服点下降到下屈服点时， 在试样局部区域开始形成与拉伸轴约 成45度的条带。 n三、屈服强度 n（1）规定非比例伸长应力RP0.01、 RP0.05、 R0.02 n（2）规定残余伸长应力Rp0.2 n一般将R0.01 （0.01）称为条件比例 极限， 0.2称为屈服强度(Rp0.2) n四、缩颈现象 n五、抗拉强度b, 新Rm n 标志塑性金属材料的实际承载 能力。（与硬度、疲劳强度等之间有 一定的经验关系）。 六、塑性 塑性是指金属材料断裂前发生塑性变形的能 力。（均匀塑性变形+集中塑性变形） 塑性指标： 1.断后伸长率： 为了使同一材料制成的不同尺寸拉伸试样得到相 同的值，要求00=K（常数）通常K为 5.65，11.3（特殊情况下可取2.82，4.52， 9.04），对于圆柱形试样，相应的尺寸为 0=5d0或0=10d0 （比例试样的短试样和长试样 5 10 ） 新A,5 ,新A11.3, 10 n(新A）=1-0 0100% n2.断后收缩率： n（新Z) =A0-A1 A0 100% n如果 ，金属拉伸形成缩颈，且差值 越大，缩颈越严重。 =或 则金 属材料不形成缩颈。 n3、塑性的意义： n（1）塑性指标是安全力学性能指标。 n（2）冷热加工及机器装配、修复需要。 n（3）可评定材料质量。 n第四节 金属的断裂 n一、断裂的类型 n变形、磨损、腐蚀和断裂是机件的主要 失效形式。 n1.韧性断裂与脆性断裂： n 韧性断裂前有明显的塑性宏观变形（ 有一个缓慢的撕裂过程，在此过程中不 断消耗能量。其断裂面一般平行于最大 切应力并与主应力成45角。断口呈纤维 状，灰暗色）。 n脆性断裂前无明显的塑性宏观变形。 n2.断口特征三要素：纤维区、放射区与 剪切唇。 n3.穿晶断裂与沿晶断裂： n穿晶断裂的裂纹穿过晶内，沿晶断裂的 裂纹沿晶界扩展。从宏观上看穿晶断裂 可以是韧性断裂（如室温