材料单向静拉伸能PPT课件.ppt

1 材料性能学 材料与冶金学院主讲人 宋义全教授 2 序言一 关于本课程和教材 材料性能学 课程原名 金属机械性能 在我校已开设多年课程性质 必修科学时 30h 56h主要参考书 1 材料性能学 王从曾主编 2002年 北京工业大学出版社2 金属机械性能 修订本 金属机械性能编写组编1982年 机械工业出版社 绿皮 3 二 本课程的学习目的1 材料性能是评定材料质量优劣的重要依据你如何知道那种材料好与差 不能依靠组织成分 而应以性能来说话 2 是科研和生产的主要手段和工具科研 开发新材料或研究新工艺 要不断地测试各种性能指标 生产 生产中往往依靠性能选材来生产机械零件3 进一步掌握材料各种主要性能的基本概念 物理本质 变化规律以及性能指标的工程意义 了解影响材料性能的主要因素及材料性能与其化学成分 组织结构之间的关系 4 三 本课程学习内容1 材料在力的作用下所表现出的力学性能及力学性能指标2 材料的断裂特征及断裂指标3 材料的疲劳性能4 材料的磨损性能5 材料的高温及热学性能6 材料的特殊性能及指标包括材料的磁学性能 电学性能 光学性能 腐蚀性能 压电性能及老化与稳定性能等 5 四 本课程的学习方法以宏观研究分析为主 由于是涉及面较广 而学时又不很充足 因而只是简单介绍基本概念 基本原理 基本方法及一些较常用的性能指标及其简单的测试方法 考试以课堂讲授的内容为主 6 第一章材料单向静拉伸的力学性能概述材料力学性能研究的重要任务 就是研究材料在受载过程中变形和断裂的规律 作为一种重要手段 单向静拉伸试验是工业生产和材料科学研究中应用最广泛的材料力学性能试验方法 通过拉伸试验可以揭示材料在静载作用下的应力应变关系及常见的3种失效形式 弹性变形 塑性变形和断裂 的特点和基本规律 还可以评定出材料的基本力学性能指标 如屈服强度 抗拉强度 伸长率和断面收缩率等 这些性能指标既是材料的工程应用 构件设计和科学研究等方面的计算依据 也是材料的评定和选用以及加工工艺选择的主要依据 本章将介绍这些性能指标的物理概念和工程意义 讨论材料弹性变形 塑性变形及断裂行为的基本规律性 7 第一节力 伸长曲线和应力一应变曲线一 力 伸长曲线 拉伸图 材料的单向静拉伸试验通常是在室温下按常规的试验标准 采用光滑圆柱试样在缓慢加载和低的变形速率下进行的 试验方法和试样尺寸在试验标准中有明确规定 在拉伸过程中 随着载荷的不断增加 可由试验机上安装的自动绘图机构连续描绘出拉伸力F和绝对伸长量 L的关系曲线 直至试样断裂 如图1 1所示 8 9 拉伸开始后 试样的绝对伸长量随力F的增加而增大 1 弹性变形 在P点以下拉伸力F和伸长量 L呈直线关系 当拉伸力超过Fp后 力一伸长曲线开始偏离直线 拉伸力小于Fe时 试样的变形在卸除拉伸力后可以完全恢复 因此e点以内的变形为弹性变形 2 塑性变形 当拉伸力达到FA后 试样便产生不可恢复的永久变形 即出现塑性变形 3 屈服现象 塑性变形开始后 力一伸长曲线上出现平台式锯齿 直至C点结束 4 均匀变形 弹 塑性变形 变形随着外力的增大而均匀地增加5 不均匀变形 颈缩阶段 及断裂阶段因此 在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形 塑性变形及断裂三各基本阶段 10 6 拉伸图的种类 11 曲线1为淬火 高温回火后的高碳钢的力 伸长曲线 只有弹性变形少量的均匀塑性变形 曲线2为低合金结构钢 如16Mn 的力 伸长曲线 其特征与低碳钢的曲线类似 曲线3为黄铜的力 伸长曲线 有弹性变形 均匀塑性变形和不均匀塑性变形 曲线4为陶瓷 玻璃类材料的力 伸长曲线 只有弹性变形而没有明显的塑性变形 曲线5为橡胶类材料的力 伸长曲线 其特点是弹性变形量很大 可高达1000 且只有弹性变形而不产生或产生很微小的塑性变形 曲线6为工程塑料的力 伸长曲线 也有弹性变形 均匀塑性变形和不均匀变形 注意 对于高分子聚合物材料 由于其在结构上的力学状态差异及对温度的敏感性 力 伸长曲线可有多种形式 不同的材料或同一材料在不同条件下可有不同形式的力一伸长曲线 这主要是由材料的键合方式 化学成分和组织状态等因素决定的 12 二 应力一应变曲线1 条件 应力与 条件 应变应力 应变 2 应力 应变曲线 工程应力 应变曲线 工程应力一应变曲线对材料在工程中的应用是非常重要的 根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的力学性能指标 如图1 3中的比例极限 p 弹性极限 e 屈服点 s 抗拉强度 b等 可提供给工程设计或选材应用时参考 13 各种性能指标 1 强度指标 弹性极限 e Fe S0 比例极限 p Fp S0 屈服极限 s Fs S0 屈服强度 0 2 F0 2 S0 强度极限 b Fb S0 断裂强度 Sk Fk Sk 2 塑性指标 延伸率 k L0 L0X100 断面收缩率 k S0 Sk S0X100 根据试样的大小 可将延伸率分为 种 一种是 5 标准短试样 0 d0 5 另一种是 10 标准长试样 0 d0 14 真应力 真应变曲线 S e曲线 实际上 在拉伸过程中 试棒的截面积和长度随着拉伸力的增大是不断变化的 工程应力一应变曲线并不能反映试验过程中的真实情况 如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力F 则可得到瞬时的真应力S 同样 当拉伸力F有一增量dF时 试样在瞬时长度L的基础上变为L dL 于是应变的微分增量应是de dL L 则试棒自L 伸长至L后 总的应变量为 真应力 其中 F 瞬时载荷 A 瞬时面积真应变 则 又 15 则或因1 0 则有S 说明真应力S永远大于工程应力 16 两曲线比较阶段变形性质 曲线表现S e曲线表现OP段弹性变形直线关系曲线关系PB段弾 塑性变形曲线关系曲线关系BK段集中变形及颈缩曲线关系直线加曲线真应力S和真应变e作为坐标绘制的应力一应变曲线称为真应力一真应变曲线 图1 4 与工程应力一应变曲线相比较 可以看出 在弹性变形阶段 由于试棒的伸长和截面收缩都很小 两曲线基本重合 真实屈服应力和工程屈服应力在数值上非常接近 但在塑性变形阶段 两者之间就出现了显著的差异 在工程应用中 多数构件的变形量限制在弹性变形范围内 二者的差别可以忽略 同时工程应力 工程应变便于测量和计算 因此 工程设计和材料选用中一般以工程应力 工程应变为依据 但在材料科学研究中 真应力与真应变将具有重要意义 17 第二节弹性变形及其实质一 弹性变形的特点前已叙及 在单向拉伸过程中 绝大部分固体材料都首先产生弹性变形 外力去除后 变形消失而恢复原状 对于金属 陶瓷或结晶态的高分子聚合物在弹性变形范围内 应力和应变之间可以看成具有1 可逆性 2 单值线性关系 3 弹性变形量较小 0 5 1 对于橡胶态的高分子聚合物 则在弹性变形范围内 应力和应变之间不呈线性关系 且变形量较大 无论变形量大小和应力与应变是否呈线性关系 凡弹性变形都是可逆变形 材料弹性变形的本质 概括说来 都是构成材料的原子 离子 或分子自平衡位置产生可逆位移的反映 金属 陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移 橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展 18 二 金属 陶瓷类材料弹性变形的微观过程的双原子模型解释 在正常状态下 晶格中的离子能保持在其平衡位置仅作微小的热振动 是受离子之间的相互作用力控制的结果 一般认为 这种作用力分为引力和斥力 引力是由正离子和自由电子间的库仑力所产生 而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致 引力和斥力都是离子间距的函数 图1 5即为离子互相作用时的受力模型 图冲N1 N2分别为两离子的平衡位置 曲线1为引力 曲线2为斥力 曲线3为合力 19 在离子的平衡位置时合力为零 当外力对离子作用时 合力曲线的零点位置改变 离子的位置亦随之作相应的调整 即产生位移 离子位移的总和在宏观上就表现为材料的变形 当外力去除后 离子依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置 宏观的变形也随之消逝 从而表现了弹性变形的可逆性 需要说明的是 根据上述模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性位移的关系并非虎克定律所说的直线关系 而是抛物线关系 其合力的最大值为Fmax 如果外加拉应力大于Fmax 就意味着可以克服离子间的引力而使它们分离 因此 Fmax就是材料在弹性状态下的理论断裂抗力 此时相应的离子弹性变形量 max可达25 实际上 因为在工程应用的材料中 不可避免地存在着各种缺陷 杂质 气孔或微裂纹 因而实际断裂抗力远远小于Fmax 材料就发生了断裂或产生了塑性变形 实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起始阶段 因此虎克定律所表示的外力和位移的线性关系是近似正确的 且变形量很小 0 5 1 20 三 弹性模数 弹性模量 正弹性模量 E 弹性模量切弹性模量 G 即 弹性模量的物理意义 在工程上 表征材料对弹性变形的抗力 即材料的刚度 其值越大 表示在相同的应力作用下 材料的弹性变形量越小 使机械零件和工程构建不易发生塑性变形 具体内容自看 第三节弹性的不完整性与内耗通常 人们把材料受载后产生一定的变形 而卸载后这部分变形消逝 材料恢复到原来的状态的性质称为材料的弹性 根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点 弹性可以分为理想弹性 完全弹性 和非理想弹性 弹性不完整性 两类 21 对于理想弹性材料在外力作用下 应力和应变服从虎克定律 并同时满足3个条件 即 应变对于应力是线性关系 应力和应变同相位 同时性 应变是应力的单值函数 单值性 实际上 绝大多数固体材料的弹性行为很难满足上述条件 一般都表现出非理想弹性性质 非理想弹性行为大致可以分为滞弹性 粘弹性 伪弹性及包申格效应等几种类型 22 一 滞弹性 弹性后效 23 一 滞弹性 弹性后效 1 正弹性后效滞弹性的材料其应力一应变曲线与时间的关系如图1 11所示 当突然施加一应力于拉伸试样时 试样立即沿OA线产生瞬时应变Oa 而应变aH是在 0长期保持下逐渐产生的 这种加载时应变落后于应力而与时间有关的滞弹性也称为正弹性后效或弹性蠕变 所谓蠕变 是指变形随时间的延长而变化的现象 2 反弹性后效 卸载时 则当应力下降为零时 只有应变eH部分立即消逝掉 而应变eo是在卸载后随着时间逐渐去除的 我们把卸载时应变落后于应力的现象也称为反弹性后效 滞弹性在金属材料和高分子材料中表现得比较明显 其弹性后效速率和滞弹性应变量与材料成分 组织有关 也与试验条件有关 材料组织越不均匀 滞弹性越明显 钢经淬火或塑性变形后 由于增加了组织不均匀性 滞弹性倾向加大 此外 温度升高和切应力分量增大 滞弹性越强烈 而在没有切应力的多向压应力作用下 完全看不到滞弹性 24 3 产生原因金属产生滞弹性的原因可能与晶体中点缺陷的移动有关 例如 Fe中的C原子处于八面体空隙及等效位置上 施加Z向拉应力后 x y轴上的碳原子就会向Z轴方向扩散迁移 使Z轴方向继续伸长变形 于是就产生了附加弹性变形 因扩散移动需要时间 故附加应变为滞弹性应变 卸载后 轴多余的碳原子又会扩散回到原来的X必轴上 使滞弹性应变消逝 危害材料的滞弹性对仪器仪表和精密机械中的重要传感元件的测量精度有很大影响 因此选用材料时需要考虑滞弹性问题 如长期受载的测力弹簧 薄膜传感器等 所选用材料的滞弹性较明显时 会使仪表精度不足 甚至无法使用 25 二 粘弹性1 粘弹性 是指材料在外力作用下 弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为 其特征是应变对应力的响应 或反之 不是瞬时完成的 需要通过一个弛豫过程 但卸载后 应变恢复到初始值 不留下残余变形 2 种类 恒应变下的应力松弛 图1 13 a 恒应力下的蠕变 图1 13 b 26 三 伪弹性伪弹性 是指在一定的温度条件下 当应力达到一定水平后金属或合金将产生应力诱发马氏体相变 伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象 伪弹性变形的量级大约在60 左右 大大超过正常弹性变形 图1 15为伪弹性材料的应力一应变曲线示意图 27 图中AB段为常规弹性变形阶段 为应力诱发马氏体相变开始的应力 C点处马氏体相变结束 CD段为马氏体的弹性应变阶段 在CD段卸载 马氏体作弹性恢复 表示开始逆向相变的应力 马氏体相变回原来的组织 到G点完全恢复初始组织 GH为初始组织的弹性恢复阶段 恢复到初始组织状态 没有任何残留变形 形状记忆合金就是利用了这一原理 28 四 包申格效应包申格 Bauschinger 效应 是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形 残余应变小于4 而后再同向加载规定残余伸长应力 或弹性极限 增加 反向加载 规定残余伸长应力 或弹性极限 降低的现象 原始 e1 同向加载 e2 反向加载 e3 0 其中 e2 e1 e3 拉 原始 得 e1 拉 再拉 得 e2 拉 再压 得 e3 29 30 原因 包申格 Bauschinger 效应可能与第二类内应力有关 危害 包申格 Bauschinger 效应可弱化材料 因而应予以消除 消除办法 因包申格效应是一种材料微观组织结构变化的结果 所以可以通过热处理加以消除 具体方法 对材料进行较大的塑性变形或对微量塑变形的材料进行再结晶退火 31 五 内耗内耗 在非理想弹性的情况下 由于应力和应变不同步 使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线 这个封闭回线称为弹性滞后环 存在弹性滞后环的现象说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功 有一部分加载变形功被材料所吸收 这部分被吸收的功称为材料的内耗 其大小可用回线面积度量 32 内耗是材料的一种重要的力学和物理性能 在力学性能上 内耗也称为材料的循环韧性 表示材料在交变载荷 振动 下吸收不可逆变形功的能力 故又称为消振性 材料循环韧性越高 则自身的消振能力就越好 例如铸铁因含有石墨不易传递机械振动 故具有很高的消振性 因此 高的循环韧性对降低机械噪声 抑制高速机械的振动具有很重要的意义 汽轮机叶片用ICr13钢制造 其中原因之一就是因为它有高的循环韧性 反之 对于仪表传感元件选用循环韧性低的材料 可以提高其灵敏度乐器所用材料的循环韧性越低 则音质越好 在物理性能方面 可以利用材料内耗与其成分 组织结构及物理性能变化间的关系 进行材料科学研究 33 第五节断裂断裂 固体材料在力的作用下分成若于部分的现象称为断裂 材料的断裂是力对材料作用的最终结果 它意味着材料的彻底失效 因材料断裂与其他失效方式 如磨损 腐蚀等 相比危害性最大 可能出现灾难性的后果 因此 研究材料断裂的宏观与微观特征 断裂机理 断裂的力学条件 以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义 而且也有很大的实用价值 34 一 断裂的类型及断口特征 一 分类1 按照断裂性态分 断裂分为脆性断裂与韧性断裂 2 按照裂纹扩展途径分 穿晶断裂和沿晶 晶界 断裂 3 按照微观断裂机理分 解理断裂和剪切断裂 断口分析法 材料的断裂表面称为断口 用肉眼 放大镜或电子显微镜等手段对材料断口进行宏观及微观的观察分析 以了解材料发生断裂的原因 条件 断裂机理以及与断裂有关的各种信息的方法 称为断口分析法 断口分析法在调查机件断裂失效的原因及材料科学研究中是十分重要的 35 二 关于各种断裂1 韧性断裂与脆性断裂韧性断裂 是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程 韧性断裂的特点 1 韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢 而且要消耗大量塑性变形能 2 韧性断裂的断口用肉眼或放大镜观察时 往往呈暗灰色 纤维状 3 不易造成重大事故 易被人察觉一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征 36 脆性断裂 是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形 没有明显预兆 往往表现为突然发生的快速断裂过程脆性断裂的特点 1 具有很大的危险性 因为没有明显的预兆 2 脆性断裂的断口 与正应力垂直 宏观上比较齐平光亮 常呈放射状或结晶状 3 裂纹扩展速度大 往往受到的应力低于设计要求的许用应力一般淬火钢 灰铸铁 陶瓷 玻璃等脆性材料的断裂过程的断口常具有上述特征 37 2 穿晶断裂与沿晶断裂 38 穿晶断裂可以是韧性断裂 也可以是脆性断裂 而沿晶断裂则多数为脆性断裂 沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续的脆性第二相 夹杂物等破坏了材料的连续性造成的 是晶界结合力较弱的一种表现 例如共价键陶瓷晶界较弱 断裂方式主要是晶界断裂 离子键晶体的断裂往往具有以穿晶解理为主的特征 沿晶 晶界 断裂的断口形貌一般呈结晶状 3 剪切断裂与解理断裂剪切断裂与解理断裂按不同的微观断裂方式 是材料断裂的两种重要微观机理 1 剪切断裂 剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂 单晶楔形 某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切断裂 其断口呈锋利的楔形 如低碳钢拉伸断口上的剪切唇 微孔聚集型断裂 剪切断裂的另一种形式为微孔聚集型断裂 其断口在宏观上常呈现暗灰色 纤维状 微观断口特征花样则是断口上分布大量 韧窝 39 40 2 解理断裂 在正应力作用下 由于原子间结合键的破坏而引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂一般为解理断裂 这种晶面称为解理面解理裂纹的扩展往往是沿着晶面指数相同的一族相互平行 但位于 不同高度 的晶面进行的 不同高度的解理面之间存在台阶 众多台阶的汇合便形成河流花样 41 3 准解理断裂准解理断裂常见于淬火回火钢和贝氏体钢中 宏观上属脆性断裂 准解理断裂 由于回火后碳化物质点的作用 当裂纹在晶内扩展时 难以严格地沿一定晶面扩展 其微观形态特征 似解理河流但又非真正解理 故称为准解理 准解理与解理的不同点是 准解理小平面不是晶体学解理面 真正解理裂纹常源于晶界 而准解理裂纹则常源于晶内硬质点 形成从晶内某点发源的放射状河流花样 准解理不是一种独立的断裂机理 而是解理断裂的变种 4 高分子材料的断裂高分子材料的断裂从宏观上考虑与金属材料相同 也可分为脆性断裂和韧性断裂两大类 1 当温度小于玻璃态聚合物在玻璃转变温度T Tg时 主要表现为脆性断裂 2 当T Tg时 玻璃态聚合物以及通常使用的半晶态聚合物断裂时伴随有较大塑性变形 属于韧性断裂 42 宏观断口 用肉眼或放大镜观察到的断口形貌5 断口分析微观断口 借助于扫描电镜或其它分析手段来研究的断口形貌 43 三 裂纹形核位错模型 1 Zenner Stroh 位错塞积理论 书P30 图1 35 在切应力的作用下 刃型位错在障碍物前受阻而堆积 当应力集中达一定的值后 将破坏堆积附近原子的结合力 造成解理断裂 位错塞积理论的局限性 大的切应力的应力集中将导致相邻晶粒开动位错源 不易形成裂纹 2 Cottrell理论 位错反应理论 书P31图1 363 Smith理论 脆性第二相开裂理论 书P31图1 37 44 四 断裂强度 1 理论断裂强度 1 概念 将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论断裂强度 2 模型 理论断裂强度可简单估算如下 设被mn解理面分开的两半晶体 其解理面间距为a 沿拉力方向发生相对位移x 当位移很大时 位移和作用力的关系并不是线性关系 45 46 理论断裂强度和实际强度说明 原因 理想晶体无缺陷 实际晶体有各种缺陷 产生裂纹导致过早的断裂 47 2 断裂强度的裂纹理论 格里菲斯裂纹理论 Griffith强度理论 1 Griffith强度理论 为了解释玻璃 陶瓷等脆性材料断裂强度的理论值与实际值的巨大差异 格里菲斯 Griffith 在1921年提出 实际材料中已经存在裂纹 当平均应力还很低时 裂纹尖端的应力集中已达到很高值 m 从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂 Griffith认为 根据能量平衡原理计算出裂纹自动扩展时的应力值 即含裂纹体的强度 能量平衡原理指出 由于裂纹的存在 系统弹性能降低 若要保持系统总能量不变 必然要与因存在裂纹而增加的表面能平衡 如果弹性能的降低足以满足表面能增加的需要 则裂纹的扩展就成为系统能量降低的