《向静拉伸力学性能》PPT课件.ppt

1,第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能,引 言 1.1 应力-应变曲线 1.2 弹性变形 1.3 塑性变形 1.4 金属的断裂,2,引言：单向静拉伸试验及其特点 1.拉伸实验 2.拉伸试验特点 （1）最广泛使用的力学性能检测手段; （2）试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定（方法：GB/T228-2002；试样：GB/T6397-1986）。 （3）最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）； （4）可测力学性能指标：强度（）、塑性 （、f）等。 拉伸试验机介绍:,3,1.1 应力-应变曲线,一、拉伸力伸长曲线,4,变形过程中拉伸试样的变化,变形前的拉伸试样,均匀变形后（包括弹性变形、均匀塑性变形）的拉伸试样,发生缩颈后的拉伸试样,拉断后的拉伸试样,5,二、应力-应变曲线 1.工程应力-应变曲线（应力=F/A，应变=L/L）,6,2.真实应力-应变曲线 如果按拉伸时试样的真实断面A和真实长度L，则可得到真实应力-应变曲线：,7,三、几种常见材料的应力-应变曲线,8,1.2 弹性变形,一、弹性变形及其实质 1.弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形 状或尺寸的变形。 特点：单调、可逆、变形量小(0.51.0%) 2.弹性的物理本质 金属的弹性性质是金属 原子间结合力抵抗外力的 宏观表现。,9,二、虎克定律 (一) 简单应力状态的虎克定律 1单向拉伸 （1-1） 2剪切和扭转 （1-2） 3E、G和的关系 （1-3）,10,(二) 广义虎克定律,实际上机件的受力状态都比较复杂，应力往往是两向或三向的。在复杂应力状态下，用广义虎克定律描述应力与应变的关系：,式中 、 、 主应力； 、 、 主应变。,主应力中拉为正，压为负；求得的应变正号为伸长，负号为缩短。,11,三、弹性模量 1.弹性模量的物理意义和作用 物理意义：表征金属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就愈小。 当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生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。 用途：工程上亦称为刚度；计算梁或其他构件挠度时必须用之，是重要的力学性能之一。,12,表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量,13,2.影响弹性模量的因素 金属原子的种类和晶体学特性； 非过渡族：原子半径、E； 过渡族：原子半径、E，且E一般都较大。 原子密排向的E大。 溶质原子及其强化； 晶格畸变能增大，E；,14,对于钢铁材料来说，由于合金原子对晶格常数改变不大，因此，金属的合金化对弹性模量E的改变不大，在只要求增加抗变形刚度的场合，没有必要选择合金钢，这就是为何在结构材料中只用碳钢即可以满足要求； 热处理对于弹性模量E的影响也不大。晶粒大小对于弹性模量E无影响；第二相大小和分布对于弹性模量E的影响也很小；淬火后弹性模量E略升，但回火后又会恢复退火状态；铸铁例外，弹性模量E与其中的石墨形状有直接关系； 冷加工塑性变形后E值略降(4%6%)，大变形所产生的变形织构将引起弹性模量E的各向异性，沿变形方向E值最大；,显微组织(合金化、热处理、冷塑性变形)；,15,温度升高使得原子间距增加，E值下降；碳钢温度每升高100，E值下降3%5%，但是在-5050范围内变化不大。, 温度、加载速率等外界因素；一般影响不大。,16,四、弹性比功（弹性比能、应变比能） 物理意义：吸收弹性变形功的能力,一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。,式中, 弹性比功； 弹性极限； 最大弹性应变。,用途：制造弹簧的材料，要求弹性比功大,17,五、滞弹性（弹性后效） 1.滞弹性及其影响因素,纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方向和加载时间无关。但对于实际金属材料，弹性变形不仅是应力的函数，而且还是时间的函数。, 定义: 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。 产生原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。 影响因素： （a）晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。 （b）切应力越大，影响越大。 （c）温度升高，变形量增加。 (4) 危害：长期承载的传感器，影响精度。,18,2、循环韧性 弹性滞后环 由于应变滞后于应力，使加载曲线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。,图1-6 滞后环的类型 （a）单向加载弹性滞后环 （b）交变加载弹性滞后环 （c）交变加载塑性滞后环（交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限）,19,物理意义： 加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。或者说，回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。这部分被金属吸收的功，称为内耗。 循环韧性 金属材料在交变载荷下塑性区内吸收不可逆变形功的能力，叫循环韧性，又称为消振性。 循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性的大小。 循环韧性的应用 减振材料（机床床身、缸体等）要求循环韧性高；乐器要求循环韧性小。,20,六、包申格效应 1、定义 材料经过预先加载并产生少量塑性变形(1%4%)，卸载后，再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包 申格效应。,图1-7为20号钢包申格效应的拉伸、压缩应力-应变曲线，压缩应力应变曲线和拉伸曲线画在同一象限内。由图可见，室稳下预先拉伸（应变2)，屈服强度约为380MPa；再反向压缩加载，压缩屈服 强度仅为100MPa左右。,21,2、度量指标 度量包申格效应的基本定量指标是包申格应变，它是指在给定应力下，正向加载与反向加载两应力应变曲线之间的应变差(图1-8)。,在图1-8中，b点为拉伸应力应变曲线上给定的流变应力， c点为压缩应力-应变曲线上给定的同样流变应力， bc即为包申格应变。,22,3. 解释,（1）表现：对某些钢和钛合金，因包申格效应可使规定残余伸长应力降低15%20%，所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包申格效应，因此，包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象。 （2）原因：与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。 预塑性变形，位错增殖、运动、缠结； 同向加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加； 反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易残余伸长应力降低。,23,4. 意义,如果金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重新分布，则在随后反向加载时，包申格应变等于零。 用处： （1）包申格效应对于承受应变疲劳载荷作用的机件在应变疲劳过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑性变形抗力(规定残余伸长应力)降低，显示循环软化现象。 （2）对于预先经受冷塑性变形的材料，如服役时受反向力作用，就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况。 （3）利用包申格效应，如薄板反向弯曲成型，拉拨的钢棒经过轧辊压制变直等。,24,5、包申格效应的危害及防止方法 危害：交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降） 防止：预先进行较大的塑性变形，或在第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火。如钢在400500以上，铜合金在250270以上退火。,25,1.3 塑性变形,定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形。 塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形 而不发生断裂的性质。“” 伸长率，“”断面收缩 率。%100%，常称为超塑性。 一、塑性变形的方式及特点 1、塑性变形的方式 滑移：最主要的变形机制。 孪生：重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形 变时。,26,（1）滑移 滑移面：原子最密排面； 滑移向：原子最密排方向。 滑移系：滑移面和滑移向的组合。 滑移系越多，材料的塑性越好。 晶体结构的影响较大，fccbcchcp 滑移的临界分切应力： =(P/A)coscos 外应力与滑移面法线的夹角； 外应力与滑移向的夹角； = coscos 称为取向因子。,27,（2）孪生 孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的晶体；内 部原子排列呈镜面对称于结合面。 孪晶可分为 自然孪晶和形变孪晶。 孪生的特点：比滑移困难；时间很短；变形量很小；孪晶层在 试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样。,（3）两种变形机制的比较 滑移：相邻部分滑动，变形前后晶体内部原子的 排列不发生变化。 孪生：变形部分相对未变形部分发生了取向变化。,孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展。,28,2、塑性变形的特点 （1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性,各晶粒的取向不同,即 coscos不同 对于具体材料，还存在: 相和第二相的种类、数量、尺寸、 形态、分布的影响。,29,（2）各晶粒变形的相互协调性 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。 五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。,位错在晶界处塞积示意图,晶粒转动示意图,30,二、屈服与屈服强度 1、屈服 在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的现象，称为屈服。 上屈服点Fsu，下屈服点Fsl 2、屈服机理（外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程） （1）柯氏气团 位错与溶质原子交互作用，位错被钉扎。溶质原子聚集在位错线的周围，形成柯氏气团。 提高外应力，位错才能运动；一旦运动，继续发生塑性变形所需的外应力降低。,31,（2）位错塞积群 n个位错同向运动受阻，形成塞积群，导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力；一旦障碍被冲破，继续发生塑性变形所需的外应力降下。 （3）应变速率与位错密度、位错运动速率的关系 金属材料塑性变形的应变速率与位错密度、位错运 动速率及柏氏矢量成正比，即：=b. 位错增值， 提高外应力, , 晶体结构变化，b, ,32,3、屈服强度 用应力表示的屈服点或下屈服点，表征材料对微量塑性变形的抗力。 s=Fs/A0, sl=Fsl/A0 许多具有连续屈服特征的金属材料，拉伸时看不到屈服现象，用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力。,规定微量塑性伸长应力：人为规定拉伸试样标距部分产生 一定的微量塑性伸长率时的应力。,根据测定方法不同，分为三种：,33,（1）规定非比例伸长应力（ p）:试样在加载过程中，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，如p0.01、p0.05、p0.2等。 （2）规定残余伸长应力（ r ）：试样卸除拉伸力后，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。常用的r0.2表示规定残余伸长率为 0.2%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 规定的原始标距百分比时的应力，常用的t0.5表 示规定总伸长率为0.5%时的应力。 如果不考虑测定方法，则用s或0.2 表示屈服强度。,34,三、影响屈服强度的因素,屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据。提高屈服强度，机件不易产生塑性变形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力重新分布，容易引起脆性断裂。,金属材料一般是多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响屈服强度的因素，必须注意以下三点： 屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错增殖和运动的各种因素必然要影响屈服强度； 实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果，因此，要考虑晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分以及第二相的影响； 各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。,35,1.内因 （1）金属本性及晶格类型（位错运动的阻力） 晶格阻力：在理想晶体中仅存在一个位错运动时所需克服的阻力。 fcc 位错宽度大，位错易运动；bcc 反之。,a：滑移面面间距：位错宽度 b：柏氏矢量,：位错密度 ：比例系数（与晶体本性、位错结构及分布有关）,平行位错间交互作用产生的阻力,运动位错与林位错交互作用产生的阻力,位错交互作用产生的阻力,36,（3）晶粒大小和亚结构 晶界是位错运动的障碍，要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。 霍尔配奇关系式 s=i+Kyd-1/2 因此，细化晶粒可提高材料的强度。,（2）溶质元素 形成晶格畸变，增大位错运动的阻力,不可变形的第二相，位错只能绕过它运动，形成位错环； 可变形的第二相，位错可以切过，使之与基体一起产生变形。 第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。,（4）第二相,位错运动的总阻力,钉扎常数,37,温度：温度升高，位错运动容易，s，但不同材料的 变化趋势不一样。,低碳钢,几种金属的屈服强度与温度的关系,（二）外因（温度、应变速率、应力状态）,38,应变速率：应变速率增大，s。（应变速率强化）,铝合金的流变应力与应变速度的关系,应力状态：切应力，越有利于塑性变形，s。,39,四、应变强化（形变强化，加工硬化）,（1）应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性变形。 （2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。 （3）强化金属，提高力学性能。 （4）提高低碳钢的切削加工性能。,1、意义,2、应变硬化机理,（1）三种单晶体金属的应力应变曲线,40,a）易滑移阶段：单系滑移 hcp金属（Mg、Zn）不能产生 多系滑移，故易滑移段长。 b）线性硬化阶段：多系滑移 位借交互作用，形成割阶、 面角位错、胞状结构等；位错 运动的阻力增大。 c）抛物线硬化阶段：交滑移，或双 交滑移刃型位错不能产生交滑移。 多晶体，一开动便是多系滑移，不易滑移阶段。,（2）应变硬化机理,41,3、应变硬化指数 真实应力-应变曲线上，均匀塑性变形阶段，应力与应变之间符合Hollomon关系式： S=ken n应变硬化指数；k硬化系数 应变硬化指数：反映金属材料抵抗继续塑性变形的能力。 n=1，理想弹性体; n=0，材料无硬化能力。 层错能低的材料应变硬化程度大;高Mn钢(Mn13)的层错能力低 n大 应变硬化指数，常用直线作图法求得（图1-14）,将S=ken两边求导，得：lgS=lgk+nlge（线性关系）,做出lgSlge曲线，直线的斜率就是硬化指数n,真应力,真应变,42,五、缩颈现象和抗拉强度,缩颈现象：韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象，它是应变硬化(物理因素)与截面减小(几何因素)共同作用的结果。,1、缩颈现象和意义,（1） 缩颈现象：,43,在金属试样拉伸力-伸长曲线极大值B点之前，塑性变形是均匀的，因为材料应变硬化使试样承载能力增加，可以补偿因试样截面减小使其承载力的下降。在B点之后，由于应变硬化跟不上塑性变形发展，使变形集中于试样局部区域产生缩颈。,在B点之前，dF0；B点后，dF0。B点是最大力点，也是局部塑性变形开始点，亦称拉伸失稳点或塑性失稳点。,由于B点后试样的断裂是瞬间发生的，所以找出拉伸失稳的临界 条件，即缩颈判据，对于机件设计无疑是有益的。,44,拉伸失稳或缩颈的判据应为dF=0。在任一瞬间，拉伸力F为真实应力S与试样瞬时横截面积A之积，即F=SA。对F全微分，并令其等于零，即： dF=AdS+SdA=0,（2）缩颈判据,所以：,(1-20),在塑性变形过程中，因材料应变硬化，故dS恒大于0；dA因试样截面减小则恒小于0。所以，式(1-20)中第一项为正值，表示材料应变硬化使试样承载能力增加，第二项为负值，表示试样截面收缩使其承载能力下降。,45,根据塑性变形时体积不变条件，即dV=0 因 V=AL， 故 AdL+LdA=0 亦即：,（1-21）,联立式(1-20)和(1-21)：,缩颈判据,（1-22） 或 （1-23）,解得:,46,缩颈一旦产生，拉伸试样的单向应力状态就被破坏，在缩颈区出现三向应力状态。在三向应力状态下，材料的塑性变形较困难。为了继续变形，就必须提高轴向应力，因此缩颈处的真实应力高于单向受力下的轴向真实应力，并且随着颈部进一步变细，真实应力还要不断增加。,为了补偿颈部径向应力、切向应力对轴向应力的影响，求得仍然是均匀轴向应力状态下的真实应力，以得到真实的应力-应变曲线，必须对颈部应力进行修正。,修正公式：,（3）缩颈颈部应力修正,47,2、抗拉强度（b ）,（1）定义：韧性金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。,（2）意义：,标志塑性金属材料的实际承载能力，但这种承载能力也仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件，且韧性材料的不能作为设计参数。 就是脆性材料的断裂强度，用于产品设计，其许用应力便以b为判据。 的高低取决于屈服强度和应变硬化指数。 与布氏硬度HB、疲劳极限 等之间有一定经验关系。 如： b=1/3HBW, b=2-1,48,六、塑性 1、塑性与塑性指标 塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。(、) (1)断后伸长率()：试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。 式中, 试样原始标距长度 ; 试样断裂后的标距长度。 比例试样： L0=5d0（短）或 L0=10d0（长） 由于大多数材料的集中塑性变形量大于均匀变形量，故510 。 最大力下的总伸长与原始标距的百分比 gt，实际上是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形（工程应变量） eB=ln(1+gt) gt对于评定冲压用板材的成型能力非常有用（根据eB可求出硬化指数n ),49,根据与的相对大小，可以判断是否存在缩颈现象： 金属拉伸时产生缩颈；反之，不产生,(2) 断面收缩率():试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减 量与原始横截面积的百分比。 式中, 试样原始横截面积; 缩颈处最小横截面积。,塑性指标的选用原则： 单一拉伸条件下工作的长形零件：用或gt，因为产生缩颈 时局部区域的塑变量对总伸长无影响。 非长形零件：用，因为反映了材料断裂前的最大塑性变形 量，而则不能显示材料的最大塑性变形。,50,2、塑性的意义和影响因素 意义： a）安全，防止产生突然破坏； b）缓和应力集中； c）轧制、挤压等冷热加工变形； 影响因素： （a）细化晶粒，塑性； （b）软的第二相塑性； （c）温度提高，塑性； （d）固溶、硬的第二相等，塑性。 3、塑性的综合性能指标 s/b （屈强比） s/b ，材料的塑性。 b/V （体积比强度）b/V，减轻构件的重量。,51,七、静力韧度 韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或材料抵抗裂纹扩展的能力。 J/m2 静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂前所吸收的功。J/m3 静力韧度对按屈服强度设计，有可能偶然过载的机件必须考虑。,或,计算公式：,52,1.4 金属的断裂,断裂：材料完全破断为两个部分以上的现象。（断裂使材料失去完整性，是机件三大失效形式之一。） 断裂不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低应力和无明显塑性变形条件下。 一、断裂的基本类型 1、根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧性断裂 2、根据断裂面的取向分类： 正断；切断 3、根据裂纹扩展的途径分类： 穿晶断裂；沿晶断裂 4、根据断裂机理分类： 解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂,53,54,二、断裂及断口特征 （一）韧性断裂与脆性断裂（宏观） 1. 韧性断裂 （1）断裂特点：断裂前产生明显 宏观塑性变形，过程缓慢； 断裂面一般平行于最大切应力， 并与主应力成45o角。 （2）断口特征 断口呈纤维状，灰暗色。 断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇 纤维区：裂纹快速扩展。 放射区：裂纹快速低能量撕裂，撕裂时塑性变形量大，放射线粗。 剪切唇：切断。 （3）危害，不及脆性断裂，断裂前机件已变形失效。,55,2、脆性断裂 （1）断裂特点 断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆； 断口与正应力垂直。 （2）断口特征 平齐光亮，常呈放射状或结晶状； 人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。 材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。 例如：T、脆性。一般是变形75%为韧性断裂。,56,（二）穿晶断裂与沿晶断裂（微观） 穿晶断裂：裂纹穿过晶界，可以是韧性或脆性断 裂，两者有时可混合发生。 沿晶断裂，裂纹沿晶扩展，多数是脆性断裂。,57,（三）纯剪切断裂、微孔聚集型断裂和解理断裂(机理) （1）纯剪切断裂：金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而 造成的分离断裂。 （2）微孔聚集型断裂：微孔形核、长大、聚合导致材料分离。 （3）解理断裂：金属材料在一定条件下，当外加正应力达到 一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面 产生的穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面 或表面能量低的晶面。（表1-6，P24） fcc金属一般不发生解理断裂。 解理断裂总是脆性断裂。,58,三、解理断裂机理和微观断口特征 （一）解理裂纹的形成和扩展（裂纹的萌生与扩展） 材料断裂前总会产生一定的塑性变形，而塑性变形与位错运动有关。 1、位错塞积理论 位错塞积头处应力集中，超过材料的理论断裂强度而形成裂纹。,59,柯垂耳用能量分析法导出裂纹扩展的临界条件为： nb=2s （1-34）（详细内容，见第四章） 晶粒细化，材料的脆性减小。 第二相质点的平均自由程越小，材料的强度。,2、位错反应理论（解释晶内解离） 位错反应，形成新的位错，能量降低，故有利于裂纹形核。,60,（二）解理断裂的微观断口特征电镜观察,（1）河流状（图1-25）：解离台阶的标志。 解理台阶：不同高度的解离面。沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成。汇合台阶高度足够大时形成河流状花样。 解离台阶的方式：解理裂纹与螺 位错相交形成；通过二次解理 成撕裂形成。,解理断裂：沿特定界面发生的脆性穿晶断裂。,61,晶界对解理断口的影响： （a）小角度倾斜晶界 裂纹能越过晶界，“河流”可延续到相邻晶粒内。 （b）扭转晶界（位向差大） 裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。 裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩展，形成新的“河流”。,（2）舌状花样 解理裂纹沿孪晶界扩展 留下的舌状凹坑或凸台。,62,（3）准解理 由于晶体内存在弥散硬 质点，解理裂纹起源于晶 内硬质处点，形成从晶内 某点发源的放射状河流花 样。 准解理不是独立的