金属材料弹性变形与塑性变形

1、金属材料弹性变形与塑性变形应力应变曲线应力应变曲线( (F F0 0不变）不变）弹性变形弹性变形 屈服变形屈服变形 均匀塑性变形均匀塑性变形 局部塑性变形局部塑性变形 真应力真应力- -应变曲线（应变曲线（-代表）代表）p:p:比例极限比例极限 E E: :弹性极限弹性极限 LYLY: :屈服强度（下）屈服强度（下）UYUY：屈服强度（上）屈服强度（上）B B：强度极限强度极限 b b: : 抗拉强度抗拉强度 p p: : 应力与应变成正比关系的最大应力。应力与应变成正比关系的最大应力。 p p=F=FP P/F/F0 0E E : :由弹性变形过渡到弹由弹性变形过渡到弹- -塑性变形时的应力

2、。塑性变形时的应力。 E E =F =FE E /F/F0 0不同材料，其应力应变曲线不同，如：机械设计中，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴机械设计中，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核。的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核。不同类型的材料，其弹性模量差别很大。不同类型的材料，其弹性模量差别很大。材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，可结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，可以说它是一个对组织不敏感的性能指标（对金属材以说它是一个对组织不敏感的性能指标（对金

3、属材料），而对高分子和陶瓷料），而对高分子和陶瓷E E对结构和组织敏感。对结构和组织敏感。熔点高，熔点高，E EE E W W =2E=2EFeFe E EFeFe=3E=3EAlAl零件的刚度与材料的刚度不同，它除了决定于材料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，以及截面积的刚度外还与零件的截面尺寸与形状，以及截面积作用的方式有关。作用的方式有关。理想的弹簧材料：应有高的弹性应有高的弹性极限和低的弹性模量。极限和低的弹性模量。 成分与热处理对弹性极限影响大，对弹性极限影响大，对弹性模量影响不大。对弹性模量影响不大。仪表弹簧因要求无磁性，铍青铜，因要求无

4、磁性，铍青铜，磷青铜等软弹簧材料。磷青铜等软弹簧材料。eEa e 弹性滞后环弹性滞后环(链接链接)包辛格效应示意图包辛格效应示意图(有有链接链接) 屈服标准屈服标准 S定义定义: 材料开始塑性变形的应力材料开始塑性变形的应力.工程上常用的屈服标准有三种工程上常用的屈服标准有三种比例极限比例极限P: 应力应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力应变曲线上符合线性关系的最高应力.SP 弹性极限弹性极限el: 材料能够完全弹性恢复的最高应力材料能够完全弹性恢复的最高应力. elP工程上用途不同区别工程上用途不同区别,枪炮材料要求高的比例极限枪炮材料要求高的比例极限,弹簧材料要求高的弹弹簧材料要求高的弹

5、性极限性极限 屈服强度屈服强度0. 2或或ys : 以规定发生一定的残留变形为标准以规定发生一定的残留变形为标准,通常为通常为0.2%残留变形的应力作为屈服强度残留变形的应力作为屈服强度.比例极限比例极限P P, ,弹性极限弹性极限elel, ,屈服强度屈服强度0. 20. 2或或ysys 这三种标准在测量上实际上都是以残留变形为依据这三种标准在测量上实际上都是以残留变形为依据, ,只不过规定的残留变形量不同只不过规定的残留变形量不同, ,所以国家规定三种所以国家规定三种规范规范. .规定非比例伸长应力规定非比例伸长应力( (P P) ) 0.010.01或或0.050.05规定残留伸长应力规

6、定残留伸长应力( () ) r r0.20.2规定总伸长应力规定总伸长应力( (t t) ) t t0.50.5 内在因素内在因素: :结合键结合键, ,组织组织, ,结构结构, ,原子本性原子本性000lnlnln(1)l llll 真应力真应力-应变曲线应变曲线(流变曲线流变曲线) 真应力真应力S=F/A 真实应变真实应变 00lnlldllll2.真应力-应变关系理想弹性体：理想弹性体：n n1 1 ；理想塑性体：n0n的取值范围：01一般金属：n0.10.5注意：加工硬化速率注意：加工硬化速率ds/d ds/d 与加工硬与加工硬化指数化指数n n并不等同并不等同 n=dlnS/dln=

7、ds/Sd n=dlnS/dln=ds/Sd 即即ds/d=nS/ ds/d=nS/ 在相同变形时在相同变形时的情况下，的情况下，n ds/d n ds/d 对有些金属材料对有些金属材料: :象双相钢，一些铝合金和不锈象双相钢，一些铝合金和不锈钢钢 不能用不能用S=KS=Kn n方程描述。在方程描述。在lnS-lnlnS-ln图中会得图中会得到两段不同的斜率的直线，称为双到两段不同的斜率的直线，称为双n n行为，它使得行为，它使得n n的意义模糊和复杂化，要寻求其他方程形式来表征的意义模糊和复杂化，要寻求其他方程形式来表征真应力真应力- -应变关系。应变关系。图图1-9 复相钢的应力应变曲线复

8、相钢的应力应变曲线普通碳钢，控制轧制的普通碳钢，控制轧制的SAE950 x和和980低合低合金高强度刚（屈服点分别为金高强度刚（屈服点分别为345和和550MN/m2)以及临界区淬火以及临界区淬火SAE980 x图图1-10 贝氏体贝氏体-奥氏体钢的应力应奥氏体钢的应力应变曲线变曲线（a) 低奥氏体含量低奥氏体含量（b)最佳奥氏含量最佳奥氏含量（c)高奥氏体含量高奥氏体含量在工程上：对冷加工成型的低碳钢，其加工的硬化指数在工程上：对冷加工成型的低碳钢，其加工的硬化指数n可通过屈服强度可通过屈服强度ys 估算：估算： ys M Pa=70/n n ys与与b差值越大，即差值越大，即S/B 颈缩条

9、件颈缩条件：应力-应变曲线上的应力达到最大值时，即开始出现颈缩，颈颈缩前是均匀变形，缩前是均匀变形，颈缩后是不均匀变颈缩后是不均匀变形，即局部变形形，即局部变形颈缩条件：ds/d=S 当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。 0UfTsd（a）(b)：断口齐平，垂直于最大拉应力方向，断口齐平，垂直于最大拉应力方向， ，只有少量均匀变形，铸铁，淬火只有少量均匀变形，铸铁，淬火+ + 低回火高碳钢。低回火高碳钢。 （e）： 塑性很好，试样断面可减细到近于一尖塑性很好，试样断面可减细到近于一尖 刀，然后沿最大切应力方向断开。刀，然后沿最大切应力方向断开。 如纯如纯Au、Al。 (c) (d) ：

10、 都出现颈缩，只是程度不同，试样中心都出现颈缩，只是程度不同，试样中心 先开裂，然后向外延伸，接近表面时沿最先开裂，然后向外延伸，接近表面时沿最 大切应力方向斜面断开，断口形状如杯口状大切应力方向斜面断开，断口形状如杯口状。但是，正断不一定就是脆断，也可以有明显的塑性变形。 切断是韧断，但反之不一定成立，韧断不一定是切断，韧断与切断并非是同义词 无缺口拉伸试样,断口和三个断裂区示意图冲击试样和三个断裂区示意图由于应力状态或加载方式的不同，韧窝可由于应力状态或加载方式的不同，韧窝可有三种类型有三种类型 拉伸型的等轴状韧窝拉伸型的等轴状韧窝剪切型的伸长韧窝剪切型的伸长韧窝 拉伸撕裂的伸长韧窝拉伸撕裂的伸长韧窝韧窝的形状取决于应力状态，而韧窝的大小和深韧窝的形状取决于应力状态，而韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力，韧窝大而深，塑性好，大而浅，加工硬化能力，韧窝大而深，塑性好，大而浅，加工硬化能力强。能力强。解理阶解理阶解理羽毛解理羽毛准解理准解理maxmax13123/()/2S max13max123()/2