第一章 材料的拉伸性能

1、第一章 材料的拉伸性能 1.1 前言 1、拉伸性能: 通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延性、应变硬化 和韧度等重要的力学性能指标，它是材料的基本力学性 能。 2、拉伸性能的作用、用途： a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依 据之一。 b.提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、断 裂性能。 （研究新材料，或合理使用现有材料和改善其力学性能 时，都要测定材料的拉伸性能） 3、本章内容 实验条件： 光滑试件室温大气介质 单向单调拉伸 载荷 研究内容： 测定不同变形和硬化特性的材料的应力 -应变曲线和拉伸性能参数。了解不同材 料的性质 1. 实验样件 (b)(b)矩形截面标准试件

2、矩形截面标准试件( (截面积为截面积为A A）：）： AlAl65. 5,3 .11 00 标距l0 (a)(a)圆截面标准试件：圆截面标准试件： l0=10d0 ， l0=5d0 标距l0 d0 压缩试件常采用圆形截面或方形截面的短试压缩试件常采用圆形截面或方形截面的短试 件。试件高度与截面尺寸的比例关系为件。试件高度与截面尺寸的比例关系为 圆形截面试件：圆形截面试件：l0 /d0 =1.5 3 ； 方形截面试件：方形截面试件：l0 /b =1 3 。 目录 1.2 1.2 拉伸试验拉伸试验 试验仪器：万能材料试验机，可变量程万能材料试验机 拉伸试验 电子拉伸试验机 0 L 0 d 标准试件

3、 试件断口 2.拉伸实验中注意的问题 a. 拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。 严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为 有效，由不同的实验室和工作人员测定的拉伸 性能数据才可以互相比较。 b. 拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或 绘制试件所受的载荷P和伸长量l之间的关系曲 线; sMPadtd/101/ 图图1-2 1-2 低碳钢的拉伸图低碳钢的拉伸图 0.00.51.01.52.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 PbPm b Ps Pp Pe Load / KN Distance/ mm 图图1-2 1-2 低碳钢的工程应力一工程应变曲线低碳钢的工程应力一工程应变曲线 0.

4、00.51.01.52.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 true strain-stress line PbPm Stress / MPa Strain 拉伸图拉伸图 拉伸曲线拉伸曲线 拉伸图-加载后标距间的长度变化量l 载荷P关系曲线 拉伸曲线-应力应变曲线 工程应力载荷除以试件的原始截面积 即得工程应力，=PA0 工程应变伸长量除以原始标距长度即 得工程应变e，e=ll0 低碳钢拉伸破坏断面低碳钢拉伸破坏断面 13 典型的拉伸曲线 1、材料分类： 按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将 材料分为脆性材料和塑性材料两大类。脆性 材料在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹 性变形；

5、塑性材料在拉伸断裂前会发生不可 逆塑性变形。 高塑性材料在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。 低塑性材料在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。 2、典型的拉伸曲线 s= 0.2 s b e e e ee e 脆断:淬火高碳 钢 弹性变形和均 匀塑性变形、 颈缩:有色金属 塑性屈服:低碳 钢 弹性变形和均 匀塑性变形： 高锰钢，铝青 铜 弹性变形、颈 缩:冷拔钢丝 非均匀弹性变 形和均匀塑性 变形、颈缩： 纯铜 其他金属材料在拉伸时的力学性能 锰钢没有屈服和局部变形阶 段 强铝、退火球墨铸铁没有明 显屈服阶段 共同点： d 5%，属塑性材料

6、由于锻压失败而报废的曲拐毛坯由于锻压失败而报废的曲拐毛坯 日本JCFC公司锻造的214吨、14.270米长的半组合式曲轴 JCFC 曲轴曲轴 目前国外能够生产大型 船用低速柴油机主机曲轴的 国家主要有日本、韩国、捷 克、西班牙、俄罗斯等少数 几个国家。近年来全球曲轴 产量在每年600根左右，其中 日、韩两国的产品约占80， 国内的上海船用曲轴有限公 司于2005年初制造了第一根 真正意义上的国产化半组合 式曲轴。 以现有的造船扩张能力看， 2010年中国需要300根曲轴， 2015年需要420根曲轴，市场 缺口很大。60机曲轴价格在 600万元左右。 国内外船用曲轴的生产及需求情况国内外船用曲

7、轴的生产及需求情况 HYUNDAI 韩国现代重工生韩国现代重工生 产的船用柴油机曲产的船用柴油机曲 轴目前在国际市场轴目前在国际市场 上占有份额为上占有份额为35%， 年产量为年产量为200多根曲多根曲 轴。现代重工于轴。现代重工于 1985年涉足于曲轴年涉足于曲轴 生产领域，现在可生产领域，现在可 以生产用于以生产用于l万万TEU 级集装箱船柴油主级集装箱船柴油主 机的大型曲轴机的大型曲轴 半组合式曲轴的制造工艺过程半组合式曲轴的制造工艺过程： 浇铸钢锭浇铸钢锭顶锻镦粗顶锻镦粗 开坯成型开坯成型 弯锻曲拐弯锻曲拐压扁精整压扁精整 热处理热处理 机加工机加工 加热红套加热红套精加工精加工 拔拔

8、 长长曲拐的制造曲拐的制造 轴颈的制造轴颈的制造浇铸钢锭浇铸钢锭开坯成型开坯成型 锻造锻造 机加工机加工主轴毛坯主轴毛坯 曲拐毛坯曲拐毛坯 曲拐的组合曲拐的组合 曲拐毛坯曲拐毛坯 主轴毛坯主轴毛坯 曲拐形状复杂，曲拐形状复杂， 尺寸大，是生产曲轴尺寸大，是生产曲轴 的关键，实际上，半的关键，实际上，半 组合曲轴毛坯的制造组合曲轴毛坯的制造 关键就是曲拐毛坯的关键就是曲拐毛坯的 锻造成形技术。锻造成形技术。 曲轴锻造的核心技术曲轴锻造的核心技术 曲拐弯锻模拟的研究手段及步骤曲拐弯锻模拟的研究手段及步骤 4.4.确定与工艺过程对应的模拟步骤，以及各步骤之确定与工艺过程对应的模拟步骤，以及各步骤之

9、间的关系间的关系 1.1.测试材料测试材料S34MnV在高温不同应变速率下的应力应在高温不同应变速率下的应力应 变曲线，建立材料的本构关系模型变曲线，建立材料的本构关系模型 2.2.建立实体模型，选取合适的单元类型对实体进行建立实体模型，选取合适的单元类型对实体进行 网格剖分，网格剖分， 3.3.确定模具与工件之间的接触传热及摩擦边界条件，确定模具与工件之间的接触传热及摩擦边界条件， 对模具及工件施加载荷对模具及工件施加载荷 5.5.开始计算，并将计算结果可视化，分析弯锻后曲开始计算，并将计算结果可视化，分析弯锻后曲 拐的塑性流动机制及各场量演化情况拐的塑性流动机制及各场量演化情况 对对S34

10、MnV进行的力学性能实验：建立本构关系进行的力学性能实验：建立本构关系 2220.5 0 () () 1 exp() ssssp n ssssdspp e k 30.179 92.9arcsinh(2.81 10) ss Z 40.208 92.9arcsinh(9.14 10) ds Z 0.1954 103exp( 2.021 10 /)RT 0.09143 1.123exp(9.138 10 /)nRT 0.1174 2.797exp(3.714 10 /)kRT 30.126 2.77 10 p Z Predicted Data Experimental Data S34MnV钢在钢在

11、1100不同应变速率下的应不同应变速率下的应 力应变曲线力应变曲线(实验值与预测值比较实验值与预测值比较) Strain Stress (MPa) 第一种工艺方案第一种工艺方案 方案一采用的模具和坯料方案一采用的模具和坯料 曲拐的弯锻与精整过程的模拟曲拐的弯锻与精整过程的模拟 曲拐弯锻过程模拟结果曲拐弯锻过程模拟结果 14 拉伸性能 弹性模量E: 单纯弹性变形过程中应力与应变的比值。 eE 屈服强度s： 对于拉伸曲线上有明显的屈服平台的材料，塑性变形 硬化不连续，屈服平台所对应的应力即为屈服强度，记 为s s = Ps / A0 对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形 硬化过程是连续的，此

12、时将屈服强度定义为产生0.2% 残余伸长时的应力，记为0.2 s = 0.2 = P0.2 / A0 2. 塑性 1）断后伸长率 （L1-L0）/L0100% 注意：和5的区别。 一般 5（1.251.5） 2）断面收缩率 ( (S0 0S1 1)/)/S0 0100%100% 和5的区别 抗拉强度b： 定义为试件断裂前所能承受的最大工程应力，以前称 为强度极限。取拉伸图上的最大载荷，即对应于b点的载 荷除以试件的原始截面积，即得抗拉强度之值，记为b b = PmaxA0 延伸率： 材料的塑性常用延伸率表示。测定方法如下：拉伸试 验前测定试件的标距L0，拉伸断裂后测得标距为Lk，然 而按下式算

13、出延伸率 %100 0 0 L LLK 断面收缩率： 断面收缩率是评定材料塑性的主要指标。 %100 0 0 A AAK 金属材料的金属材料的和和数值越大，表示数值越大，表示 材料的塑性越好材料的塑性越好。塑性好的金属适用于。塑性好的金属适用于 压力加工、焊接加工等方法制成形状复压力加工、焊接加工等方法制成形状复 杂的零件。杂的零件。 工业纯铁的工业纯铁的可达可达5050，可达可达8080， 可拉成细丝、轧成薄板等。可拉成细丝、轧成薄板等。 白口铸铁的白口铸铁的、几乎为零，不能进几乎为零，不能进 行塑性变形加工。只能铸造成型。行塑性变形加工。只能铸造成型。 MPa240 s MPa390 b

14、Q235钢的主要强度指标： Q235钢的塑性指标：钢的塑性指标： %30%20 %60 Q235钢的弹性指标：钢的弹性指标： GPa210200E 通常 的材料称为塑性材料； %5 的材料称为脆性材料。%5 15 脆性材料的拉伸力学行为 脆性材料在拉伸载荷下的力学行为可用虎克 定律来描述。在弹性变形阶段，应力与应变成 正比，即 =Ee 无机玻璃、陶瓷以及一些处于低温下的脆性 金属材料，在拉伸断裂前只发生弹性变形，而 不发生塑性变形，其拉伸曲线如图1-3(a)所示。 在拉伸时，试件发生轴向伸长，也 同时发生横向收缩。将纵向应变el 与横 (径)向应变e r之负比值表示为，即 =-er/el，称为

15、波桑比(Poissons ratio), 它也是材料的弹性常数。 脆性材料在拉伸载荷下的力学性能 可用两个力学参数表征：即弹性模量 和脆性断裂强度。 灰口铸铁轴向拉伸试验 灰口铸铁在拉伸时的灰口铸铁在拉伸时的-e 曲线曲线 特点：特点： 1 1、 -e 曲线从很低应力水平开曲线从很低应力水平开 始就是曲线；采用割线弹性模量始就是曲线；采用割线弹性模量 2 2、没有屈服、强化、局部变形、没有屈服、强化、局部变形 阶段，只有唯一拉伸强度指标阶段，只有唯一拉伸强度指标sb 3 3、伸长率非常小，拉伸强度、伸长率非常小，拉伸强度sb基基 本上就是试件拉断时横截面上的本上就是试件拉断时横截面上的 真实应

16、力。真实应力。 典型的脆性材料 16 塑性材料的拉伸力学行为 当塑性材料所受的应力低于弹性极限，其 力学行为可近似地用虎克定律加以表述。当 材料所受的应力高于弹性极限，虎克定律不 再适用。此时，材料的变形既有弹性变形又 有塑性变形，进入弹塑性变形阶段，其力学 行为需要用弹-塑性变形阶段的数学表达式， 或称本构方程加以表述。 真应力真应变的定义： 1A A A P A P S o o 设L0=100，L=110，则 %10%100 100 100110 e 真应力： 真应变： ) 1 1 ln()1ln(ln 0 e L L L dL o L 若设L0=100，L0101，L0102， L10=

17、110， 则e1=1%, e2=0.99%, e3=0.98%, e10=0.917% e1+ e2+ e3 e10 10% 在弹-塑性变形阶段，只有真应力-真 应变曲线才能描述材料的力学形为。 绝大多数金属材料在室温下屈服后， 要使塑性变形继续进行，必须不断增 大应力，所以在真应力-真应变曲线上 表现为流变应力不断上升。这种现象 称为形变强化。 真实应力真实应力- -对数应变曲线与工程应力对数应变曲线与工程应力- -对数应变对数应变 曲线的比较曲线的比较 均匀变形 存在颈缩 ,Y o 真实应力-对数应变曲线 工程工程称应力-对数应变曲线 注意比较 Hollomon方程： 金属材料的真应力-真应变曲线可用不 同的方程表示，但常用的是下列方程 S = Kpn 上式也称为Hollomon方程。式中p为真应 变的塑性分量，