第1章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能优秀课件

1 工程材料力学性能MechanicalPropertiesofEngineeringMaterials 梁顺星60962022218303339862liangshx 2 材料科学研究的主要目的是使材料能够发挥自身最大的潜力并安全使用 因此我们在不同场合就要求选用具有不同性能的材料 在机械设计中 材料的选择是按结构材料的力学性能来进行选择的 材料的力学性能即材料抵抗外力的能力 其主要表现为 在静载荷下 动载荷下 特殊状态载荷下的各种力学行为和力学性能指标 3 第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 单向静拉伸试验 在特定温度 加载方式 加载速度条件下的拉伸试验 目的 揭示力学行为 弹性变形 塑性变形及断裂等测定力学性能指标 屈服强度 抗拉强度 断后延伸率及断面收缩率等 4 静载拉伸试样一般为光滑圆柱试样或板状试样 若采用光滑圆柱试样 试样工作长度 标长 l0 5d0或l0 10d0 d0为原始直径 光滑圆柱试样 5 第一节拉伸力 伸长曲线和应力 应变曲线 第二节弹性变形 第三节塑性变形 第四节金属的断裂 6 第一节拉伸力 伸长曲线和应力 应变曲线一 拉伸力 伸长曲线 定义 试验过程中拉伸力F和试样伸长量 L的关系 Oe 弹性变形AC 不均匀屈服塑性变形 屈服 CB 均匀塑性变形 明显塑性变形 Bk 不均匀集中塑性变形k 断裂 7 8 二 工程应力 应变曲线应力 材料受外力加载荷作用时单位截面面积上的内力即为应力应变 单位长度 或面积 上的伸长 或收缩 称为应变工程应力和工程应变 基于式样初始截面和初始长度定义的应力 应变 又称条件应力和条件应变 9 F A0 L L0 和F L曲线相似变形时的力学行为力学性能指标 强度和塑性两大类 视屏 10 三 真实应力 应变曲线 真实应力 载荷除以试件某一变形瞬间的截面积 S F A真实应变 在拉伸过程中 某一瞬间当拉伸力增加dF时 式样延长dL 则瞬时真应变为de dL L e即为真应变 11 主要力学性能指标强度指标屈服强度 开始塑性变形时的应力值抗拉强度 b 材料的极限承载能力 实际断裂强度 SK 拉伸断裂时的载荷除以断口处的真实截面积所得的应力值 塑性指标延伸率 k 断裂后试样标距的延长量与原始标距比值的百分数 断面收缩率 k 拉伸时试样的截面积减小率 12 材料的分类 脆性材料 拉伸断裂前只发生弹性变形 塑性材料 拉伸断裂前发生塑性变形 高塑性材料 拉伸断裂前不仅产生均匀的伸长 而且发生颈缩现象 且塑性变形量大 低塑性材料 拉伸断裂前只发生均匀伸长 不发生颈缩 且塑性变形量较小 13 一 弹性变形及其实质定义 当外力去除后 能恢复到原来形状和尺寸的变形 特点 单调 可逆 变形量很小 0 5 1 0 Zr BMG物理本质 金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现 第二节弹性变形 14 引力项 斥力项 A B分别为与原子特性和晶格类型有关的常数 15 二 胡克定律 1 简单应力状态的胡克定律 1 单向拉伸 2 剪切和扭转 3 E G和 的关系 在弹性状态下应力与应变之间的线性关系 加载方向上的伸长 必然导致与加载方向垂直的方向上的收缩 16 2 广义胡克定律 复杂应力状态 17 三 弹性模量 1 物理意义 材料对弹性变形的抗力 工程上E称做材料的刚度 其值越大 则在相同应力下产生的弹性变形越小 零件的刚度与材料的刚度不同 它除了决定于材料的刚度外 还与零件的截面尺寸与形状 以及载荷作用方式有关 单晶体的不同晶体学方向表现出不同的弹性模量即弹性各向异性 但是多晶体材料的各个晶体方向是随机的 因此表现出了为各向同性 2 用途 计算梁或其他构件挠度时必须用之 重要的力学性能之一 18 3 影响因素 主要取决于金属原子本性和晶格类型 金属的弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标 合金化 热处理 显微组织 冷塑性变形对E值影响不大 大部分材料的弹性模量可以简单的认为和材料的熔点有递增关系 表2 4 但这不是绝对的 19 20 21 四 弹性比功ae 又称弹性比能 应变比能 是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 ae e E 22 弹性极限 e理论上 弹性极限的测定应该是通过不断加载与卸载 直到能使变形完全恢复的极限载荷 实际上 弹性极限的测定是以规定某一少量的残留变形 如0 01 为标准 对应此残留变形的应力即为弹性极限 弹性极限是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 实际意义 弹簧零件要求其在弹性范围内 弹性极限以下 有尽可能高的弹性比功 理想的弹簧材料 应有高的 e和低的E 成分和热处理对 e影响大 对E影响不大 仪表弹簧因要求无磁性 铍青铜 磷青铜等软弹簧材料 其 e较高 E较低 ae较高 23 五 滞弹性 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 即应变落后于应力现象 产生原因 可能与金属中点缺陷的运动有关 因此 材料组织越不均匀 滞弹性倾向越大 24 弹性滞后环 加载和卸载的开始阶段 应变落后于应力 使得加载线和卸载线不重合 从而形成一个闭合的滞后回线 这个回线称为弹性滞后环 滞后环的面积表示被金属吸收的变形功的大小被称为金属的内耗或循环韧性 25 金属的循环韧性 定义 金属材料在交变载荷 或振动 下吸收不可逆变形功的能力 也称为金属的内耗或消振性 意义 循环韧性越高 机件依靠自身的消振能力越好 所以高循环韧性对于降低机器的噪声 抑制高速机械的振动 防止共振导致疲劳断裂意义重大 对仪表和精密机械 选用重要传感元件的材料时 要求循环韧性低 以保证仪表有足够的精度和灵敏度 乐器 簧片 琴弦等 所用金属材料的循环韧性越小 音质越好 26 六 包申格效应 材料经过预先加载并产生少量塑性变形 残余应变为1 4 卸载后再同向加载 屈服强度增加 反向加载 屈服强度降低的现象 包申格应变在给定应力下 正向加载与反向加载两应力 应变曲线之间的应变差 度量包申格效应的指标 27 微观本质 预塑性变形 位错增殖 运动 缠结 同向加载 位错运动受阻 屈服强度增加 反向加载 位错被迫作反向运动 运动容易屈服强度降低 意义 对于承受疲劳载荷作用的机件寿命很重要 工程上通过加工成型工艺制造的构件需要考虑包申格效应 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 预防 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 28 第三节塑性变形 塑性变形是指外力移去后不能恢复的变形 塑性是指材料经受此种变形而不破坏的能力 塑性变形和形变强化是金属材料区别于其它工业材料的重要特征 29 一 金属材料的塑性变形机制与特点 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 晶界滑动和扩散性蠕变 只在高温时才起作用 形变带 滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用 30 滑移是晶体在切应力作用下沿一定的晶面和晶向进行切变的过程 如面心立方结构的 111 面 101 方向等 一般的滑移系统越多 材料的塑性越大 但还受其他因素的影响 视屏 31 孪生是发生在金属晶体内局部区域的一个沿一定的晶面和晶向进行切变过程 切变区域宽度较小 切变后形成的变形区的晶体取向与未变形区成镜面对称关系 点阵类型相同 孪生可以提供的变形量是有限的 如镉孪生变形只提供约7 4 的变形量 而滑移变形量可达300 但是 孪生可以改变晶体取向 以便启动新的滑移系统 或者使难于滑移的取向变为易于滑移的取向 32 各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性多晶合金中的晶粒不是统一发生滑移变形的 而是有的晶粒先发生有的后发生滑移变形 原因 多晶合金中各晶粒的取向不同 有的取向有利于滑移的启动 优先发生滑移变形 在继续增加外力时滑移变形才能传播到相邻的晶粒使得各晶粒各晶粒塑性变形的相互协调性为保证材料整体的统一 变形要求各晶粒变形时相互协调 各晶粒进行多滑移 Hcp的独立滑移系只有3个少于5个 因此hcp结构材料的塑性较差 如Mg Ti等 多晶体金属塑性变形的特点 33 二 屈服现象和屈服点 屈服强度 屈服现象定义 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 上下屈服点 屈服延伸 吕德斯带扩展 34 吕德斯带 定义 拉伸试样上与外力成一定角度 45 的变形条纹 危害 拉伸和深冲过程中工件表面不平整 解决 1 应用应变时效原理将薄板在冲压前进行一道微量冷轧工序 2 钢中加入少量的Ti Al等与C N形成化合物 以消除屈服点 随后冷压成型 35 屈服机理 外应力作用下 晶体中位错萌生 增殖和运动过程 启动 小 要求 大 要求 大变形 升高 要降低 使 减小 表现出屈服 36 屈服强度 不连续屈服 s Fs A0 su sl 连续屈服 以规定发生一定的残留变形为标准 通常为0 2 残留变形的应力作为屈服强度 0 2 37 38 屈服强度 不连续屈服 s Fs A0 su sl 连续屈服 以规定发生一定的残留变形为标准 通常为0 2 残留变形的应力作为屈服强度 0 2 屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据 39 单向载荷 许用 s 2复杂受力 屈雷斯加最大应力判据 米塞斯畸变能判据 40 屈服强度 不连续屈服 s Fs A0 su sl 连续屈服 以规定发生一定的残留变形为标准 通常为0 2 残留变形的应力作为屈服强度 0 2 屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据 希望有高屈服强度 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 41 三 影响屈服强度的因素 1 影响屈服强度的内在因素 1 金属本性及晶格类型位错运动的阻力 晶格阻力 P N力 位错交互作用产生的阻力 平行位错间交互作用 运动位错与林位错交互作用 42 2 晶粒大小和亚结构 晶粒大小 晶界的数量晶界是位错运动的障碍 位错不能通过晶界 只能使相邻晶粒中的位错源开动 必须加大外应力 Hall Petch公式 细化晶粒 可以提高材料的强度 亚结构的实质就是小角度晶界 因此它对位错的运动的作用与晶界相似 43 44 3 溶质元素 形成晶格畸变 塑性变形抗力增大 固溶强化间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体 置换固溶 Fleischer固溶强化理论溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小 固溶强化越明显 45 4 第二相 第二相的存在影响位错的运动 第二相强化不可变形的第二相 位错绕过机制 可变形的第二相 位错切过机制 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 46 2 影响屈服强度的外在因素 温度提高 位错运动容易 s 各种材料的温度敏感性不同 bcc中派 纳力高且为主要阻力 短程力对温度敏感 应变速率提高 s 应变速率硬化应力状态 分切应力 s 扭转 拉伸 弯曲 只是表现的力学行为不同 材料本质没有变 47 四 应变硬化 形变强化 1 基本概念定义 随变形量的增加 金属的强度 硬度上升 塑性 韧性下降的现象 或称形变硬化 加工硬化 原因 位错增殖 缠结 运动受阻 位错运动困难 48 2 意义 形变强化可使金属零件具有抵抗偶然过载的能力 保证安全 形变强化是工程上强化材料的重要手段 18 8型不锈钢的 s 196MPa 经冷轧后 s 800MPa以上形变强化性能可以保证某些冷成形工艺的顺利进行 冷拔线材 利用塑性变形 没有形变强化 屈服时断裂深冲加工 利用塑性变形 如果没有 深冲后都将称为碎片 49 3 应变硬化指数 式中k是常数 n 应变硬化指数 n的大小反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力 n 1 理想弹性体 n 0 S为常数 材料无硬化能力 应变硬化指数 常用直线作图法求得 均匀塑性变形阶段 Hollomon关系式 也可以用待定系数法求n 取两点的值代入H关系式 50 4 影响应变硬化的因素 晶体结构对应变硬化有较大的影响 51 另外 属于hcp结构的Zr Ti及其合金的加工硬化指数不到0 1fcc bcc hcp 52 4 影响应变硬化的因素 晶体结构对应变硬化有较大的影响 层错能对材料应变硬化的影响 53 层错能低的材料 在塑性变形过程中 其位错不易产生交滑移应力集中水平较高 因此应变硬化能力强 54 4 影响应变硬化的因素 晶体结构对应变硬化有较大的影响 层错能对材料应变硬化的影响 冷热变形 合金元素以及微观组织低碳钢在500回火 n 0 1 700回火 n 0 19 55 五 缩颈现象和抗拉强度 1 缩颈现象和意义现象 试样局部截面积减小的现象 意义 寻找失稳的临界条件 有利于机件设计 应变硬化 物理因素 和截面减小 几何因素 共同作用的结果 56 2 缩颈判据 缩颈判据 57 58 2 缩颈判据 缩颈判据 缩颈判据 59 60 2 缩颈判据 缩颈判据 缩颈判据 缩颈判据 61 3 缩颈颈部应力修正 发生缩颈后 材料的单向拉伸应力状态被破坏 试验真应力与材料本身的真实应力有差别 Bridgmen关系式 修正 62 4 抗拉强度 意义 韧性材料不能作为设计参数 但可以用作产品规格说明或质量控制指标 脆性材料可以作为设计参数 抗拉强度 屈服强度 s b对材料成型加工非常重要 反映了加工硬化情况 对成型加工 冲压成型 有影响 可以初略计算布氏硬度和疲劳极限 定义 韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力 工程应力 63 六 塑性 1 塑性与塑性指标塑性 金属材料断裂前发生不可逆永久 塑性 变形的能力 塑性指标 衡量塑性好坏的参数 断后延伸率和断面收缩率 64 断面收缩率 断后伸长率 断裂前最大塑变 冶金因素的影响 缩颈 不缩颈 65 塑性指标的选用 单一应力条件下的长形零件 选择 对于非长形工件 在拉伸时有缩颈的用 影响因素 合金成分 固溶元素减低塑性微观组织 晶粒尺寸 形状以及分布方式第二相的添加 硬脆相降低塑性 软相增加塑性双相钢的塑性随着马氏体的分数增加而降低温度 升高温度增加塑性 晶条锆 40 Zr 2 5Nb 20 等轴晶粒一般大于板条状晶粒 30 等轴晶TC4 15 板条TC4 5 66 2 塑性的意义 材料的设计中 不仅要求材料的强度 而且对材料的塑性也有要求 缓和应力集中以避免突然断裂 保证安全 塑性是制定压力加工和成型工艺的基础 成形能力 反映冶金质量的好坏 67 韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 韧度是度量材料韧性的力学性能指标 对静力拉伸来说 静力韧度可以理解为应力 应变曲线下的面积 因此 只有在强度和塑性有较好的配合时 才能获得较好的韧性 七 静力韧度 68 工程上采用近似计算方法 对韧性材料 静力韧度 静力韧度对于按屈服强度设计 而在服役中有可能遇到偶尔过载的机件 如链条 起重吊钩等是必须考虑的重要指标 69 70 第四节金属的断裂 一 断裂的类型不完全断裂 材料内部产生裂纹但是还没有完全分开的现象完全断裂 材料完全破断分开为两个部分以上的现象 断裂不仅出现在高应力和高应变条件下 也可能发生在低应力和无明显塑性变形条件下 断裂的基本过程 裂纹的形成和扩展 71 1 韧性断裂和脆性断裂 宏观 1 韧性断裂断裂特点 断裂前产生明显宏观变形 过程缓慢 断裂面一般平行于最大切应力 并与主应力约成45 断口特征 纤维状 灰暗色 72 韧性断裂过程 韧性断裂断口分区 纤维区 裂纹形成和缓慢扩展 颜色灰暗 如山脊 放射区 裂纹快速扩展 表面光亮平坦 细放射条纹 剪切唇 试样边缘 剪切断裂 表面光滑 一般试样的强度提高 塑性降低时 断口中放射区的比列增大 73 2 脆性断裂 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 74 实际上 金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限 一般脆性断裂前也会产生微量塑性变形 因此 一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5 者为脆性断裂 大于5 者为韧性断裂 由此可见金属的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来决定的 75 2 穿晶断裂与沿晶断裂 微观 沿晶断裂是由于晶界分布第二相或夹杂物破坏界面的连续性 或者元素偏聚到界面引起的 多数是脆性断裂 穿晶断裂可以是韧性或脆性断裂 两者有时可混合发生 76 3 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂 解理断裂 机理 剪切断裂 材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂 滑断 微孔聚集型断裂 纯金属及单晶体 纯剪切断裂普通常用金属 微孔聚集型断裂解理断裂在正应力作用下 由于原于间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性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 bcc的Fe 001 hcp的Mg 0001 或fcc金属一般不发生解理断裂 解理断裂总是脆性断裂 77 二 解理断裂 1 解理裂纹的形成和扩展裂纹的萌生 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 因此首先从位错入手提出解理断裂的理论机制 78 1 甄纳 斯特罗位错塞积理论位错塞积头处 应力集中 超过材料的强度极限 裂纹形成 79 应用位错塞积引起的渐进应力场理论 可知 最大应力发生在 70 5 处 且有 80 2 Cottrell位错反应理论 位错反应 形成新的位错 能量降低 有利于裂纹形核 81 裂纹的穿晶扩展 82 屈服时产生解理断裂的判据 晶粒尺寸 断裂应力晶粒尺寸较大时 c s 材料屈服后断裂对于有第二相存在的合金 式中d表示的是质点之间的距离 83 2 解理断裂的微观断口特征 1 解理断口河流花样舌状花样 84 河流花样的形成过程 85 舌状花样的形成过程 86 特点 似河流但有不是真正的河流原因 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 准解理不是独立的断裂机制 是解理断裂的变种 2 准解理断口 87 三 微孔聚集型断裂 1 微孔形核和长大 1 微孔形核位错环使界面分离 形成微孔 2 微孔长大位错向微孔运动 使其长大 3 微孔聚合长大成裂纹并与新微孔连接 向前推进 88 2 微孔聚集断裂的微观断口特征 韧窝 微孔聚集断裂的断口特征韧窝形状 等轴韧窝 正应力 微孔的平面 形成等轴韧窝 拉长韧窝 扭转 或双向不等应力状态 切应力 形成拉长韧窝 撕裂韧窝 拉 弯应力状态 89 影响韧窝大小因素基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数 应变硬化指数越大 内缩颈困难 韧窝小第二相质点的大小和密度 微孔始于第二相指点 质点间的距离越小韧窝越小外加应力的大小和形式 静水压作用 易于内缩颈 韧窝较深多向拉应力 韧窝较浅注意 微观上出现韧窝 宏观上不一定是韧性断裂 90 四 断裂强度 1 理论断裂强度在外加正应力作用下 将晶体中的两个