单向静载力学性能.pptx
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1、 第一章第一章材料的单向静载拉伸力学性能材料的单向静载拉伸力学性能主讲教师 朱协彬目录1.1 静载拉伸试验静载拉伸试验1.2 弹性变形弹性变形1.3 塑性变形塑性变形1.4 材料的断裂材料的断裂 1.1 静载拉伸试验静载拉伸试验静载拉伸试验是最基本的、应用最广泛的力学性能试验方法:*由静载拉伸试验测定的力学性能指标,可以作为工程设计、评定材料和优选工艺的依据,具有重要的工程实际意义。*静载拉伸试验可以揭示材料的基本力学行为规律,并且得到材料弹性、强度、塑性和韧性等许多重 要的力学性能指标。1.1.1 应力应变曲线应力应变曲线*静载拉伸试样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
2、试样,试样工作长度(标长)l0=5d0 或l0=10d0,d0 为原始直径。图1-1 光滑圆柱试样*试验装置和过程:试验通常在室温、轴向和缓慢加载(10-4-10-2/s)条件下进行的,并以自 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,这种曲线通常称为拉伸图。图1-2 万能材料试验机*典型曲线典型曲线图1-3 退火低碳钢拉伸力-伸长曲线*评价指标评价指标工程应力=P/A0 (1-1)工程应变=l/l0 (1-2)式中为载荷,l为试样伸长量,l=l-l0,l0 为试样原始标长,l为与相对应的标长部分的长度,A0 为原始截面积。脆性材料的应力应变曲线图1-4 脆性材料退
3、火低碳钢应力-应变曲线*典型材料:玻璃、多种陶瓷、岩石,低温下的金属材料、淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等。*曲线特征:在拉伸断裂前,只发生弹性变形,不发生塑性变形,在最高载荷点处断裂,如图1-4所示。*断口特征:平断口,断口平面与拉力轴线垂直。*描述参数:弹性模量E 应力-应变曲线与横轴夹角的大小表示材料对弹性变形的抗力,E=tan (1-3)虎克(Hooke)定律在弹性变形阶段,应力与应变成正比,=E (1-4)塑性材料的应力-应变曲线图1-5 塑性材料的应力-应变曲线(1)最常见的金属材料应力-应变曲线:Oa为弹性变形阶段,ab为形变强化阶段,bk为缩颈阶段,在k点发生断裂,如图1-5(a
4、)。典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。(2)具有明显屈服点的应力-应变曲线:曲线有明显的屈服点aa,屈服点呈屈服平台或呈齿状,相应的应变量在1%3%范围,图1-5(b)。典型材料:退火低碳钢和某些有色金属。(3)不出现颈缩的应力-应变曲线:只有弹性变形oa和均匀塑性变形ak阶段,图1-5(c)。典型材料:铝青铜和高锰钢。(4)不稳定型材料的应力-应变曲线:在形变强化过程中出现多次局部失稳,原因是孪生变形机制的参与,当孪生应变速率超过试验机夹头运 动速度时,导致局部应力松弛,从而出现齿形特征,如图1-5(d)。典型材料:低溶质固溶体铝合金和含杂质铁合金。1.1.2 拉伸性能指标拉伸性能指标材料的性
5、能指标,可分为强度(反映材料对塑性变形和断裂的抗力)和塑性(反映材料的塑性变形能 力)两类指标。(1)屈服强度屈服强度原则上,材料的屈服强度应理解为开始塑性变形时的应力值。但实际上,对于连续屈服的材料,这很难 作为判定材料屈服的准则,因为工程中的多晶体材 料,其各晶粒的位向不同,不可能同时开始塑性变 形,只有当较多晶粒发生塑性变形时,才能造成宏观 塑性变形的效果。工程上采用规定一定的残留变形量的方法,确定屈服强度,主要有以下三种。(1)比例极限:应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力值,用p表示,超过p时,即认为材料开始屈服。(2)弹性极限:材料能够完全弹性恢复的最高应力值,用e 表示,超过e
6、时,即认为材料开始屈服。一般情况下,材料弹性极限稍高于比例极限。工程上有些设计,如火炮筒材料,要求有高的比例极限;而弹簧材料要求有高的弹性极限。屈服强度的表示以规定发生一定的残留变形为标准,如以0.2%残留变形的应力作为屈服强度,用0.2 或ys 表示。1.规定非比例伸长应力(p):加载过程中标距长度内的非比例伸长量达到规定值(以%表示)的应力,如p0.01,p0.05 等。2.规定残余伸长应力(r):卸载后,其标距部分的残余伸长达到规定比例时的应力,常用的为r0.2,即规定残余伸长率为0.2%时的应力值。3.规定总伸长应力(t):试样标距部分的总伸长(弹性伸长与塑性伸长之和)达到规定比例时的
7、应力。应用较多的规定 总伸长率为0.5%、0.6%、0.7%,相应地,规定总伸长应力分别记为t0.5,t0.6 和t0.7。4.对具有明显屈服点的材料,屈服平台对应的应力值就是屈服强度,记作ys,按下式计算:ys=Py/A0式中,Py 为物理屈服时的载荷或下屈服点对应的载荷。屈服强度是工程技术上最为重要的力学性能指标之一。许多应力的设计为,ys/n,n=1.2 1.7。(2)抗拉强度抗拉强度抗拉强度表示材料的极限承载能力。在拉伸应力-应变曲线上,与最高载荷Pb 对应的应力值b 即为抗拉强度b=Pb/A0对于脆性材料和不形成颈缩的塑性材料,其拉伸最高载荷就是断裂载荷,因此抗拉强度就代表断裂抗力;
8、如钢丝绳的设计。对于形成颈缩的塑性材料,其抗拉强度代表产生最大均匀变形的抗力,也表示材料在静拉伸条件下的极限承载能力。另外,抗拉强度与材料的硬度有一定的关系。(3)实际断裂强度实际断裂强度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:SK=PK/AK注意:在这里采用的是试样断裂时的真实截面积,是真实应力,其意义是表征材料对断裂的抗力。1.1.3 塑性指标及其意义塑性指标及其意义(1)延伸率延伸率k拉伸试验之前测定试件标距l0;拉伸断裂后测得标距为lk,然后按下式计算出延伸率:对形成颈缩的材料,塑性变形=均匀塑性变形+集中塑性变形,于是有:式中、为常数。为了使同一材料制成的不同尺寸试样
9、,及不同材料试样间得到相同的k值,要求对于圆形截面拉伸试样,通常取K=11.3 或5.65,即l0=10d0 和l0=5d0(分别称为10倍和5倍试样)。相应地,延伸率分别用10 和5 表示。可见,5 10。(2)断面收缩率断面收缩率K拉伸时试样的截面积减小。试样拉断后,断口处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比,为断面收缩率:式中,Ak为试样断口处的最小截面积。与延伸率一样,断面收缩率k由两部分组成,均匀变形阶段的断面收缩率和集中变形阶段的 断面收缩率,但与延伸率不同的是,断面收缩率与试样尺寸无关,只决定于材料性质。(3)与与间的关系间的关系颈缩前,根据变形前后体积不变的条件于是得条件
10、塑性指标间的关系:上式表明在均匀变形阶段,恒大于恒大于。(4)真应变真应变在拉伸过程中每一时刻的真应变d为:d=dl/l,试样从l0拉伸至l时,完成的真应变为:于是真应变与条件应变的关系为在颈缩开始以后,条件塑性指标之间已不存在上述关系。但真实塑性应变与条件断面收缩率之间尚有如下关系:试样断裂后,可通过测量断面收缩率,求真实极限塑性f:(5)颈缩形成的判断颈缩形成的判断如,材料不形成颈缩。高锰钢的延伸率为55%,断面收缩率为35%,不形成颈缩(图1-5c)。如,形成颈缩,与相差越大,颈缩越严重。12CrNi钢经淬火回火的延伸率为26%,断面收缩率为65%,形成颈缩。(6)塑性指标的选用塑性指标
11、的选用*长形零件,可用,因颈缩的变形量较小。*非长形零件,要用,比对组织变化更敏感。(7)塑性指标的意义塑性指标的意义*延伸率和断面收缩率是工程材料的重要性能指标。*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。可避免断裂,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)。1.2 弹性变形弹性变形 概念:变形:外力作用下,材料发生的尺寸和形状变化。弹性变形与塑性变形:外力去除后,随之消失的变形为弹性变形;残留的(即永久性的)变形为塑 性变形。弹性变形是可逆的,取决于原子间的结合力。1.2.1 弹性变形及其物理本质物理机制:原子系统在外力作用下离开其平衡位置达到新的平衡状
12、态的过程。原子间的结合力模型:假定有两个原子,原子之间存在长程的吸引力和短程的排斥力,作用力P随原子间距的变化关系如下:式中,A和B分别为与原子特性和晶格类型有关的常数。式中第一项为引力,第二项为斥力。原子间的作用力与原子间距的关系为抛物线,并不是线性关系,如图1-6所示。图1-6 原子间的作用力与原子间距的关系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,位移消失,弹性变形消失,从而表现了弹性变形的可逆性。当原子间距与平衡位置r0 的偏离很小时,由数学处理(级数展开)可得到:说明小变形条件下,说明小变形条件下,P与与r成线性比例关系(虎克定律),成线性比例
13、关系(虎克定律),E为常数。为常数。弹性性能与特征是原子间结合力的宏观体现,本质上决定于晶体的电子结构,而不依赖于显微组织,因此,弹性模量是 对组织不敏感的性能指标。当r=rm(2B/A)1/2时,原子间作用力的合力表现为引力,出现极大值Pmax(A2/2B=E/4)。如果外力达到Pmax,就可以克服原子间的引力而将它们拉开。这就是晶体在弹性状态下的 断裂强度,即理论正断强度,相应的弹性变形量也是理论值(41%),r0=(B/A)1/2,=(rm-r0)/r0。实际上,由于晶体中含有缺陷如位错,在弹性变形量尚小时的应力足以激活位错运动,而代之以塑性变形,所以可实现的弹性变形量不会很大。对于脆性
14、材料,由于对应力集中敏感,应力稍大时,缺陷处的集中应力即可导致裂纹的产生与扩展,使晶体在弹性状态下断裂。1.2.2 HOOKE定律Hooke定律:在弹性状态下应力与应变之间的线性关系。上式表达的是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。而在加载方向上的变形(伸长),必然导致与加载方向垂直的方向上的收缩。对于复杂应力状态以及各向异性体上的弹性变形,需要用广义Hooke定律描述。对各向同性体,在单向拉伸条件下,广义的Hooke定律为:可见,即使在单向加载条件下,材料不仅在受拉方向有伸长形变,而且在垂直于拉伸方向上有收缩变形。1.2.3 常用弹性常数及其意义(1)弹性模量E,在单向受力状
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