弹性变形与塑性变形.ppt
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1、工程材料力学性能工程材料力学性能第二章第二章 弹弹性性变变形与塑性形与塑性变变形形工程材料力学性能工程材料力学性能材料受力造成:弹弹性性变变形形弹弹塑性塑性变变形形断裂断裂 工程材料力学性能工程材料力学性能2.1 2.1 引言引言 弹弹性性变变形涉及构件形涉及构件刚刚度度构件抵抗构件抵抗弹弹性性变变形形 的能力。的能力。与两个因素相关:与两个因素相关:构件的几何尺寸构件的几何尺寸材料材料弹弹性模量性模量 塑性塑性变变形的不同工程要求:形的不同工程要求:加工加工过过程中降低塑程中降低塑变变抗力抗力服役服役过过程中提高塑程中提高塑变变抗力抗力工程材料力学性能工程材料力学性能 弹弹性与塑性在工程上的
2、性与塑性在工程上的应应用准用准则则:服役服役中构件的中构件的应应力不能超力不能超过弹过弹性极限或屈服性极限或屈服强强度度加工加工中的材料中的材料应应降低降低弹弹性极限或屈服性极限或屈服强强度度2.1 2.1 引言引言工程材料力学性能工程材料力学性能2.2 2.2 弹弹性性变变形形1、弹性变形的物理本质外力外力(F)(F)与原子与原子间间引力引力(a/r(a/r m m)、斥力、斥力(b/r(b/r n n)的平衡的平衡过过程。程。工程材料力学性能工程材料力学性能2.2 2.2 弹弹性性变变形形1、弹性变形的物理本质外力引起的原子间距的变化,即位移,在宏观上就是所谓弹性变形。外力去除后,原子复位
3、,位移消失,弹性变形消失,从而表现了弹性变形的可逆性。工程材料力学性能工程材料力学性能2、固体中一点的应力应变状态xyzz zz yz xx zx xx yy zy xy y正应力:x、y、z正应变:x、y、z切应力:x y、y z、z x切应变:x y、y z、z x2.2 2.2 弹弹性性变变形形工程材料力学性能工程材料力学性能3、虎克定律2.2 2.2 弹弹性性变变形形HookeHooke定律:在定律:在弹弹性状性状态态下下应应力与力与应变应变之之间间的的线线性关系性关系。(各向同性体在单轴加载方向上的应力与弹性应变间的关系)工程材料力学性能工程材料力学性能谁谁是是“弹弹性定律性定律”的
4、提出者?的提出者?由于弹性材料的长期使用,人们开始注意到材料形变的规律。最早对此进行总结的是齐国人,在考工记弓人中有“量其力,有三钧”的说法。工程材料力学性能工程材料力学性能谁谁是是“弹弹性定律性定律”的提出者?的提出者?东汉的郑玄(公元127-200)对此进行了注释,他写道:“假令弓力胜三石,引之中三尺,弛其弦,以绳缓擐之,每加物一 石,则张一尺。”(周礼注疏)工程材料力学性能工程材料力学性能谁谁是是“弹弹性定律性定律”的提出者?的提出者?唐初,贾公彦对郑玄的注疏又作了进一步的注释。他指出:“郑又云假令弓力胜三石,引之中三尺者,此即三石力弓也。必知弓力三石者,当弛其弦,经绳缓擐之者,谓不张之
5、,别以一条绳系两箫,乃加物一石张一尺,二石张二尺,三石张三尺。”从考工记的记述来看,当时制作的弓大多为三石(即90斤)拉力的弓,这可能是当时较为标准的弓。工程材料力学性能工程材料力学性能谁谁是是“弹弹性定律性定律”的提出者?的提出者?1676年,英国物理学家胡克(R.Hooke,1635-1703)以字谜的形式发表了关于弹性力的定律,即ceiiinosssttuv。1678年,他公布了谜底,即Ut tensiosie vis,中文的意思是“有多大的伸长就有多大的力”。胡克和郑玄一样,他们都没有说明定律适用的范围。由于郑玄的研究贡献,以胡克名字命名的定律名称是否应更名为“郑玄定律”或“郑玄-胡克
6、定律”。若是这样,弹性定律的建立不是在17世纪,而是在2世纪了。工程材料力学性能工程材料力学性能4、广义虎克定律 x =x-(y+z)/E y =y-(z+x)/E z =z-(x+y)/E x y =x y /G y z =y z /G z x =z x /G单向拉伸时:x=x/E ,y=z=-/E2.2 2.2 弹弹性性变变形形工程材料力学性能工程材料力学性能5、常用弹性常数及其意义2.2 2.2 弹弹性性变变形形1)弹性模量E,在单向受力状态下:E 表征材料抵抗正应变的能力。2)切变弹性模量G,在纯剪切应力状态下:G 表征材料抵抗剪切变形的能力。3)泊松比,在单向受力状态下:表示材料受力
7、后横向正应变与受力方向上正应变之比。工程材料力学性能工程材料力学性能5、常用弹性常数及其意义2.2 2.2 弹弹性性变变形形刚刚度度:概念:概念:在弹性变形范围内,构件抵抗变形的能力称为刚度。意意义义:构件刚度不足,会造成过量弹性变形而失效。定定义义:要增加零(构)件的刚度,要么选用正弹性模量E 高的材料,要么增大零(构)件的截面积A。工程材料力学性能工程材料力学性能5、常用弹性常数及其意义2.2 2.2 弹弹性性变变形形空间受严格限制的场合:既要求刚度高,又要求质量轻。因加大截面积不可取,只有选用高弹性模量的材料才可以提高其刚度,即比比弹弹性模量性模量(弹弹性模量性模量/密度密度)要高。工程
8、材料力学性能工程材料力学性能5、常用弹性常数及其意义2.2 2.2 弹弹性性变变形形工程材料力学性能工程材料力学性能5、常用弹性常数及其意义2.2 2.2 弹弹性性变变形形工程材料力学性能工程材料力学性能5、常用弹性常数及其意义2.2 2.2 弹弹性性变变形形弹弹性性能与特征是原子性性能与特征是原子间结间结合力的宏合力的宏观观体体现现,本本质质上决定于晶体的上决定于晶体的电电子子结结构,而不依构,而不依赖赖于于显显微微组织组织,弹弹性模量是性模量是对组织对组织不敏感的性能指不敏感的性能指标标。工程材料力学性能工程材料力学性能6、影响弹性模量的因素1)纯纯金属的金属的E E(原子半径):E=k/
9、r m(m1)2.2 2.2 弹弹性性变变形形工程材料力学性能工程材料力学性能2)合金元素和第二相合金元素和第二相2.2 2.2 弹弹性性变变形形6、影响弹性模量的因素对于金属材料,合金成分对晶格常数的改变不大,因此其合金化对E改变不大。在只要求增加抗变形刚度的场合,没必要选择合金,因此,结构材料只用碳碳钢钢即可满足要求。合金中形成高熔点高弹性模量的第二相质点,可提高弹性模量工程材料力学性能工程材料力学性能2.2 2.2 弹弹性性变变形形6、影响弹性模量的因素3)温度温度一般结构件:50的工作温度范围内,E变化很小,视为常数。精密件:E随T的微小变化造成较大使用误差。工程材料力学性能工程材料力
10、学性能4)加加载载速率速率弹性变形速度远超一般加载速率2.2 2.2 弹弹性性变变形形6、影响弹性模量的因素工程材料力学性能工程材料力学性能5)冷冷变变形形冷加工塑性变形后,E值略降低(4%-6%)。大变形产生的变形织构将引起E的各向异性,沿变形方向E值最大。2.2 2.2 弹弹性性变变形形6、影响弹性模量的因素工程材料力学性能工程材料力学性能2.3 2.3 弹弹性极限与性极限与弹弹性比功性比功1、比例极限 p 工程材料力学性能工程材料力学性能2.3 2.3 弹弹性极限与性极限与弹弹性比功性比功2、弹性极限 e 表示材料发生弹性变性的极限抗力 工程材料力学性能工程材料力学性能2、弹性比功 We
11、(弹性应变能密度)材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功。2.3 2.3 弹弹性极限与性极限与弹弹性比功性比功e0e ee 制造弹簧的材料要求高的弹性比功:(e 大,E 小)We=e e e/2=e2/(2E)通过适当热处理使材料具有高的e 工程材料力学性能工程材料力学性能2、弹性比功 We(弹性应变能密度)2.3 2.3 弹弹性极限与性极限与弹弹性比功性比功工程材料力学性能工程材料力学性能2.4 2.4 弹弹性不完整性性不完整性在应力的作用下产生的应变,与应力间存在三个关系:线性、瞬时和唯一性。在实际情况下,三种关系往往不能同时满足,称为弹性的不完整性。工程材料力学性能工程材料力学性
12、能2.4 2.4 弹弹性不完整性性不完整性1 1、弹弹性后效性后效瞬间加载-正弹性后效瞬间卸载-负弹性后效把一定大小的应力骤然加到多晶体试样上,试样立即产生的弹性应变仅是该应力所应该引起的总应变(OH)中的一部分(OC),其余部分的应变(CH)是在保持该应力大小不变的条件下逐渐产生。当外力骤然去除后,弹性应变消失,但也不是全部应变同时消失,而只先消失一部分(DH),其余部分(OD)是逐渐消失的。工程材料力学性能工程材料力学性能2.4 2.4 弹弹性不完整性性不完整性1 1、弹弹性后效性后效应力作用下应变应变不断随不断随时间时间而而发发展展的行为应力去除后应变应变逐逐渐渐恢复恢复的现象影响因素影
13、响因素:组织的不均匀性;温度(升高);应力状态(切应力成分大时)。危害:危害:仪表的准确性;制造业中构件的形状稳定性(校直的工 件会发生弯曲)。工程材料力学性能工程材料力学性能2.4 2.4 弹弹性不完整性性不完整性1 1、弹弹性后效性后效弹弹性后效性后效实实例例工程材料力学性能工程材料力学性能2 2、弹弹性滞后(滞性滞后(滞弹弹性)性)0e2.4 2.4 弹弹性不完整性性不完整性理想的弹性体其弹性变形速度很快,相当于声音在弹性体中的传播速度。在加载时可认为变形立即达到应力-应变曲线上的相应值,卸载时也立即恢复原状,即加载与卸载应在同一直线上,应变与应力始终保持同步。工程材料力学性能工程材料力
14、学性能加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回线 弹性滞后环0e2.4 2.4 弹弹性不完整性性不完整性在实际材料中有应变落后于应力现象,这种现象叫做滞滞弹弹性性(非瞬间加载条件下的弹性后效)2 2、弹弹性滞后(滞性滞后(滞弹弹性)性)工程材料力学性能工程材料力学性能2 2、弹弹性滞后(滞性滞后(滞弹弹性)性)2.4 2.4 弹弹性不完整性性不完整性对于多数金属材料,如果不是在微应变范围内精密测量,其滞弹性不是十分明显;而有少数金属特别象铸铁、高铬不锈钢则有明显的滞弹性。例:普通灰铸铁在拉伸时,其在弹性变形范围内应力和应变并不遵循直线AC关系,而是加载时沿着直线ABC,在卸载时不是沿着原途
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