mechanical properties-2

1、2 2、材料的变形、材料的变形 任何材料在外力作用下都会或多或少地发生变形，但是由于各任何材料在外力作用下都会或多或少地发生变形，但是由于各种材料的本性不同、材料所受外力的性质和大小不同，材料工作种材料的本性不同、材料所受外力的性质和大小不同，材料工作时所处的环境不同，变形的性质和程度也就不同。根据外力去除时所处的环境不同，变形的性质和程度也就不同。根据外力去除后材料的变形能否恢复，可分为弹性变形和塑性变形两种：能恢后材料的变形能否恢复，可分为弹性变形和塑性变形两种：能恢复的变形称为弹性变形，不能恢复的变形称为塑性变形。本章将复的变形称为弹性变形，不能恢复的变形称为塑性变形。本章将集中研究材料

2、的弹性变形和塑性变形的基本规律及原理。集中研究材料的弹性变形和塑性变形的基本规律及原理。 USTLUSTL2.12.1材料的弹性变形材料的弹性变形 弹性变形的基本特点弹性变形的基本特点 材料的弹性变形是指材料在外力作用下发生一材料的弹性变形是指材料在外力作用下发生一定量的变形，当外力去除后，材料能够恢复原来形定量的变形，当外力去除后，材料能够恢复原来形状的变形。状的变形。 可逆性可逆性 单值性单值性 正正弹性应变弹性应变- -由正应力引起；由正应力引起； 切弹性应变切弹性应变- -由切应力引起由切应力引起 变形量小：变形量小：0.5%-1%0.5%-1% USTLUSTL2.12.1材料的弹性

3、变形材料的弹性变形 弹性变形的物理本质弹性变形的物理本质起源于晶体点阵中原子间的相互作用起源于晶体点阵中原子间的相互作用 USTLUSTL2.12.1材料的弹性变形材料的弹性变形 胡克定律胡克定律简单应力状态下的胡克定律简单应力状态下的胡克定律yyEyxzE G2(1)EG单向拉伸单向拉伸E, G,之间关系之间关系剪切和扭转剪切和扭转 USTLUSTL2.12.1材料的弹性变形材料的弹性变形 胡克定律胡克定律广义胡克定律广义胡克定律1()xxyzE xyxyG1()yyzxE 1()zzxyE yzyzGzxzxG USTLUSTL 弹性模量的意义弹性模量的意义表明材料抵抗弹性变形的能力表明材

4、料抵抗弹性变形的能力- -刚度；刚度；单晶体材料单晶体材料- -各向异性；多晶体材料各向异性；多晶体材料- -（基本上）各向同性。（基本上）各向同性。对于按照刚度要求设计的构件，应选用弹性模量值高的材料。因为用弹性模量高对于按照刚度要求设计的构件，应选用弹性模量值高的材料。因为用弹性模量高的材料制成的构件受到外力作用时，保持其固有尺寸和形状的能力强，即构件的的材料制成的构件受到外力作用时，保持其固有尺寸和形状的能力强，即构件的刚度高。刚度高。2.2 2.2 弹性模量及其影响因素弹性模量及其影响因素 USTLUSTL2.2 2.2 弹性模量及其影响因素弹性模量及其影响因素厚度减到 11.5mm

5、最大弹性变形 0.0299mm 原有厚度：13.5mm 最大弹性变形 0.0245mm 对车轮减重进行了对车轮减重进行了FEM模拟计算，确认减薄、减重的可行性模拟计算，确认减薄、减重的可行性模拟计算结果：最大弹性变形相差模拟计算结果：最大弹性变形相差0.005mm，满足要求，满足要求 USTLUSTL2.2 2.2 弹性模量及其影响因素弹性模量及其影响因素 弹性模量的影响因素弹性模量的影响因素 与晶格类型和原子间距密切相关；与晶格类型和原子间距密切相关； 化学成分化学成分：合金中固溶溶质元素虽然可以合金中固溶溶质元素虽然可以改变合金的晶格常数，但对于常用钢铁合金来改变合金的晶格常数，但对于常用

6、钢铁合金来说，合金化对其晶格常数改变不大，因而对弹说，合金化对其晶格常数改变不大，因而对弹性模量影响很小。性模量影响很小。 热处理改变组织的强化工艺，但对弹性模热处理改变组织的强化工艺，但对弹性模量值影响不大。量值影响不大。 冷塑性变形使冷塑性变形使E值稍有降低，一般降低值稍有降低，一般降低4%6%，但当变形量很大时，因形变织构而，但当变形量很大时，因形变织构而使其出现各向异性，沿变形方向使其出现各向异性，沿变形方向 E 值最大。值最大。 对于钢铁材料来说，每加热对于钢铁材料来说，每加热100，其弹性，其弹性模量模量E值就下降值就下降3%5%。但在。但在-5050范围范围内，钢的内，钢的E值变

7、化不大，可以不考虑温度的影值变化不大，可以不考虑温度的影响。响。加载速度对弹性模量也没有大的影响加载速度对弹性模量也没有大的影响。 USTLUSTL弹性比功弹性比功又被称为弹性应变能密度，又被称为弹性应变能密度，指材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力。指材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力。 弹性：材料弹性变形的能力；弹性：材料弹性变形的能力；刚度：材料弹性变形抗力刚度：材料弹性变形抗力2122eeeWE 一种是汽车没有满载，弹簧变形已达到最大，卸载后，弹簧完全恢复到原来的状态，这是由于弹簧刚度不足造成的。由于弹性模量是对成分、组织不敏感的性能，因此，解决这一问题，要从加大弹簧尺寸和改进弹

8、簧结构着手。另一种情况是弹簧使用一段时间后，发现弹簧的弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是弹簧的弹性不足，是由于材料的弹性极限低造成的。可以利用改变材料、对材料进行热处理等手段，从而提高钢的弹性极限的办法来解决。2.2 2.2 弹性模量及其影响因素弹性模量及其影响因素 USTLUSTL 包辛格（包辛格（Bauschinger）效应）效应材料经过预先加载产生微量塑性变形，材料经过预先加载产生微量塑性变形，同向加载弹性极限升高，同向加载弹性极限升高，反向加载弹性极限降低。反向加载弹性极限降低。 320240160 80 080320240160240MPa176MPa287MPa85MPa初始拉伸

9、初始压缩初始压缩后，二次压缩初始压缩后，二次拉伸2.3 2.3 弹性变形的不完整性弹性变形的不完整性 USTLUSTL产生原因：产生原因：与位错运动阻力变化有关。与位错运动阻力变化有关。运动着的位错遇林位错而使其弯运动着的位错遇林位错而使其弯曲，所以位错前方林位错密度增曲，所以位错前方林位错密度增加，形成位错缠结等。卸载后同加，形成位错缠结等。卸载后同向加载，位错不能做明显运动；向加载，位错不能做明显运动；反向加载，位错运动障碍较少，反向加载，位错运动障碍较少，位错可以在较低应力下移动较大位错可以在较低应力下移动较大距离。距离。122.3 2.3 弹性变形的不完整性弹性变形的不完整性 USTL

10、USTL包辛格应变：包辛格应变： 给定应力下拉伸卸载给定应力下拉伸卸载后第二次再拉伸与拉伸卸后第二次再拉伸与拉伸卸载后压缩两曲线之间的应载后压缩两曲线之间的应变差。变差。重复拉伸卸载后压缩b对于承受应变疲劳机件很重要；对于承受应变疲劳机件很重要；冷拉型材及管子用于受压状态；冷拉型材及管子用于受压状态；有时可以加以利用：有时可以加以利用： 如薄板的反向成型等。如薄板的反向成型等。2.3 2.3 弹性变形的不完整性弹性变形的不完整性 USTLUSTL 弹性后效弹性后效 实际金属材料在外力作用下开始产生实际金属材料在外力作用下开始产生弹性变形时，沿弹性变形时，沿OA变化，产生瞬时弹性变化，产生瞬时弹

11、性应变应变Oa之后，在载荷不变的条件下，随之后，在载荷不变的条件下，随时间延长，变形慢慢增加，产生附加的弹时间延长，变形慢慢增加，产生附加的弹性应变性应变aH。这一现象叫做。这一现象叫做正弹性后效或正弹性后效或弹性蠕变。弹性蠕变。 卸载时，立即沿卸载时，立即沿Bc变化，部分弹性变化，部分弹性应变应变Hc消失，之后，随时间延长，变形消失，之后，随时间延长，变形才缓慢消失至零。这一现象称为才缓慢消失至零。这一现象称为反弹性后反弹性后效。效。 这种弹性应变落后于外加应力，并和这种弹性应变落后于外加应力，并和时间有关的弹性变形称为弹性后效或滞弹时间有关的弹性变形称为弹性后效或滞弹性。随时间延长而产生的

12、附加弹性应变称性。随时间延长而产生的附加弹性应变称为滞弹性应变。为滞弹性应变。 2.3 2.3 弹性变形的不完整性弹性变形的不完整性 USTLUSTL 弹性滞后环弹性滞后环2.3 2.3 弹性变形的不完整性弹性变形的不完整性在弹性变形范围内，材料变形时，因应变滞后于外加应力，使加载线和卸载线不重合而形成的回线，称为弹性滞后环。这个滞后环的出现，说明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料所放出的变形功，因此，在材料内部消耗了一部分功。这部分功称为内耗，其大小可用回线面积表示。交变循环载荷，加载速度比较慢，来得及表现弹性后效 加载速度比较快，来不及表现弹性后效。其回线面积表示在一个应力循环中材料的

13、内耗，也可称为循环韧性。 USTLUSTL循环韧性是材料的一个性能指标：循环韧性是材料的一个性能指标： 一般用振动试样中自由振动振幅的衰减来表示循环韧性的大小。一般用振动试样中自由振动振幅的衰减来表示循环韧性的大小。 表示材料的消震能力，表示材料的消震能力，循环韧性大的材料的消震能力强。循环韧性大的材料的消震能力强。 汽轮机叶片，越大越好；汽轮机叶片，越大越好； 传感器、乐器等希望循环韧性越小越好。传感器、乐器等希望循环韧性越小越好。自由振动衰减曲线 2.3 2.3 弹性变形的不完整性弹性变形的不完整性 USTLUSTL 塑性变形的一般特点塑性变形的一般特点2.4 2.4 材料的塑性变形材料的

14、塑性变形变形不可逆；变形不可逆；主要有切应力引起；主要有切应力引起；指标指标延伸率，断面收缩率；延伸率，断面收缩率；形变程度大；形变程度大；塑性变形能力和抗力受多种因素影响；塑性变形能力和抗力受多种因素影响；变形过程会产生回复、再结晶、应力松弛等；变形过程会产生回复、再结晶、应力松弛等；伴随有弹性变形和加工硬化，伴随有弹性变形和加工硬化，变形曲线非线性。变形曲线非线性。 USTLUSTL 塑性变形的物理过程塑性变形的物理过程塑性变形的方式：滑移、孪生、晶界滑移、扩散型蠕变塑性变形的方式：滑移、孪生、晶界滑移、扩散型蠕变（1）滑移变形）滑移变形材料在切应力作用下，沿一定的晶面和一定的晶向进行的切

15、变过程材料在切应力作用下，沿一定的晶面和一定的晶向进行的切变过程（2）孪生变形）孪生变形高应变速率下发生；高应变速率下发生；孪生产生变形量小；孪生产生变形量小；具有一定的可逆性。具有一定的可逆性。（3）晶界滑移和扩散型蠕变）晶界滑移和扩散型蠕变高温下进行高温下进行2.4 2.4 材料的塑性变形材料的塑性变形 USTLUSTL 单晶体和多晶体材料塑性变形的特点单晶体和多晶体材料塑性变形的特点（1）单晶体塑性变形的特点）单晶体塑性变形的特点 滑移面上分切应力必须大于临界分切应力；滑移面上分切应力必须大于临界分切应力； 晶体的临界分切应力是各向异性的；晶体的临界分切应力是各向异性的； 对于制备好后却

16、从未受过任何形变的晶体，其最易滑移面和最易对于制备好后却从未受过任何形变的晶体，其最易滑移面和最易滑移方向上的临界分切应力都很小。随着塑性形变的发展，紧跟着滑移方向上的临界分切应力都很小。随着塑性形变的发展，紧跟着就迅速就迅速“硬化硬化” ； 形变硬化并不是绝对稳固的特性形变硬化并不是绝对稳固的特性 ； 单晶体的塑性变形将由一连串的破坏过程和一连串的单晶体的塑性变形将由一连串的破坏过程和一连串的“回复回复”过过程组成。程组成。 2.4 2.4 材料的塑性变形材料的塑性变形 USTLUSTL 单晶体和多晶体材料塑性变形的特点单晶体和多晶体材料塑性变形的特点（2）多晶体塑性变形的特点多晶体塑性变形

17、的特点 形变的不均一性形变的不均一性 ； 各晶粒变形的不同时性；各晶粒变形的不同时性； 多晶体的形变抗力通常较单晶体高；多晶体的形变抗力通常较单晶体高； 在较低温度下，晶界具有比晶粒内部大的形变阻力；而在较高温度在较低温度下，晶界具有比晶粒内部大的形变阻力；而在较高温度时，塑性变形可表现为沿着晶粒间分界面相对滑移，即晶界的形变阻时，塑性变形可表现为沿着晶粒间分界面相对滑移，即晶界的形变阻力此时并不比晶粒内部大。力此时并不比晶粒内部大。 多晶体塑性变形在性质上所表现的特点和单晶体比较有重大差别，多晶体塑性变形在性质上所表现的特点和单晶体比较有重大差别，这些差别的根源在于多晶体各晶粒本身空间取向的

18、不一致和晶界的存这些差别的根源在于多晶体各晶粒本身空间取向的不一致和晶界的存在在 。 2.4 2.4 材料的塑性变形材料的塑性变形 USTLUSTL 单晶体和多晶体材料塑性变形的特点单晶体和多晶体材料塑性变形的特点（3）形变织构和各向异性形变织构和各向异性 随着塑性变形程度的增加，各个晶粒的滑移方向逐渐向随着塑性变形程度的增加，各个晶粒的滑移方向逐渐向主形变方向转动，使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒主形变方向转动，使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空间取向逐渐趋向一致，这一现象称为在空间取向逐渐趋向一致，这一现象称为择优取向择优取向；材料变；材料变形过程中的这种组织状态称为形过程中的这

19、种组织状态称为形变织构形变织构。 2.4 2.4 材料的塑性变形材料的塑性变形 USTLUSTL 屈服现象屈服现象在拉伸试验中，当外力不增加在拉伸试验中，当外力不增加(保持恒定保持恒定)时试样仍然能够伸长或外力增加时试样仍然能够伸长或外力增加到一定数值时突然下降，然后在外力不增加或上下波动时试样继续伸长变到一定数值时突然下降，然后在外力不增加或上下波动时试样继续伸长变形，这种现象叫屈服。形，这种现象叫屈服。 吕德斯带吕德斯带 屈服强度屈服强度对单晶体来说，对单晶体来说，它是第一条滑移线开始出现的抗力。如它是第一条滑移线开始出现的抗力。如用切应力表示，即滑移临界切应力用切应力表示，即滑移临界切应

20、力c。对于多晶体来说，对于多晶体来说，用产生微量塑性变形的应力定义为屈服强度。用产生微量塑性变形的应力定义为屈服强度。对于拉伸时出现屈服平台的材料，对于拉伸时出现屈服平台的材料，由于下屈服点再现性较好，由于下屈服点再现性较好，故以下屈服应力作为材料的屈服强度。故以下屈服应力作为材料的屈服强度。 2.5 2.5 材料的屈服材料的屈服 USTLUSTL 影响屈服强度的因素影响屈服强度的因素2.5 2.5 材料的屈服材料的屈服(1) 影响屈服强度的内在因素 金属本质及晶格类型 一般地，多相合金的塑性变形主要在基体相中进行，这表明位错主要分布在基体相中。位错的运动首先决定于基体相的各种阻力。而金属临界

21、切应力都与其切变弹性模量G有关。G值越高，其临界切应力越大。过渡族金属Fe，Ni等，G值较高，其临界切应力也高，因而屈服强度也高。 同时，临界切应力还与晶体类型有关。金属滑移方向的原子间距b(柏氏矢量)越大，临界切应力越大；反之，则临界切应力越小。如密排面心立方金属Cu，Al和六方金属Mg，Zn等，因为b小，其临界切应力都很低；而体心立方金属Fe，Cr等，其临界切应力因b大都较高。 晶粒大小和亚结构 许多金属与合金的屈服强度和晶粒大小的关系符合HallPetch关系 120syk d USTLUSTL2.5 2.5 材料的屈服材料的屈服 溶质元素溶质元素 固溶合金的屈服强度高于纯金属，其流变曲线也高于纯金属。这表明，固溶合金的屈服强度高于纯金属，其流变曲线也高于纯金属。这表明，溶质原子不仅提高了位错在晶格中运动的摩擦阻力，而且增强了对位溶质原子不仅提高了位错在晶格中运动的摩擦阻力，而且增强了对位错的钉扎作用。错的钉扎作用。 第二相第二相 根据位错理论，位错线只能绕过不可变形的第二相质点，为此，必须根据位错理论，位错线只能绕过不可变形的第二相质点，为此，必须克服弯曲位错的线张力。弯曲位错的线张力与相邻质点的间距有关，克服弯曲位错的线张力。弯曲位错的线张力与相邻质点的间距有关，故含有不可变形第二相质点的金属材料，其屈服强度与流变应