Chapter-1-金属在单向静拉伸载荷下的力课件.ppt
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1、第一章第一章 金属在单向静拉伸载荷金属在单向静拉伸载荷下的力学性能下的力学性能 本章目的:本章目的: (1) (1) 揭示金属变形和断裂的基本规律;揭示金属变形和断裂的基本规律; (2) (2) 阐述静载荷下各种力学性能指标的本质、意阐述静载荷下各种力学性能指标的本质、意义、相互关系及变化规律;义、相互关系及变化规律; (3) (3) 静拉伸试验方法。静拉伸试验方法。主要内容主要内容 (1) (1) 测试的是材料的测试的是材料的“短期短期”( (与时与时间无关间无关) )力学行为;力学行为;(2) (2) 采用的是光滑试样;采用的是光滑试样;(3) (3) 常温、大气介质,单调、单向拉常温、大
2、气介质,单调、单向拉伸载荷;伸载荷;(4) (4) 可以测得材料的弹性、强度和塑可以测得材料的弹性、强度和塑性性能。性性能。引言引言: 单向静拉伸试验的特点单向静拉伸试验的特点1.1 应力应力-应变曲线应变曲线一、拉伸力一、拉伸力-伸长曲线伸长曲线图1-1 退火低碳钢的拉伸力-伸长曲线0FA00llll 拉伸曲线拉伸曲线l 弹性变形弹性变形oeoeE E = = EEe e l 均匀塑性变形(强化)均匀塑性变形(强化)sbsb b bl 不均匀集中塑性变形不均匀集中塑性变形bzbz “ “缩颈缩颈”现象现象低碳钢单向静拉伸曲线低碳钢单向静拉伸曲线l 不均匀屈服变形不均匀屈服变形eses s s
3、、 0. 20. 2l z z点:试样发生断裂点:试样发生断裂s s、 0. 20. 2及及b b是设计和选材的是设计和选材的主要依据主要依据 拉伸曲线拉伸曲线 在静拉伸作用的力-伸长曲线可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形和断裂几个阶段。 图1-2 几种典型材料的拉伸力-伸长曲线1-高碳钢(淬火+高温回火);2-低合金结构钢;3-黄铜;4-陶瓷、玻璃;5-橡胶;6-工程塑料应力:应力:材料受外加载荷作用时单位截面面积上的内力即为应力;应变:应变:单位长度(或面积)上的伸长(或收缩)称为应变。工程应力和工程应变:工程应力和工程应变:基于试样初始截面和初始长度定义
4、的应力、应变。又称条件应力和条件应变。二、工程应力二、工程应力-工程应变曲线工程应变曲线工程应力:工程应变(以长度表示)工程应变(以面积表示)0FA图1-3 低碳钢的工程应力工程应变曲线按拉伸时试样的真实断面A和真实长度L,可得到真实应力-应变曲线。 三、真实应力三、真实应力-真实应变曲线真实应变曲线 真实应力:用载荷F除以某一变形瞬间的截面积A,称为真应力S。真实应变:在拉伸过程中,在某一瞬间,当载荷增加dF时伸长dL,则瞬时真应变为de=dL/L,则e即为真应变。面积表示真实应变e :长度表示的真实应变e:真实应力S:AFS 00lnLLdLLedeLL00lnAeAdAAAA图1-4 真
5、实应力一应变曲线 1、弹性变形的定义 定义:当外力去除后,能恢复到原来形状或尺寸的变形,叫弹性变形。 2、弹性变形的特点 (1)可逆; (2)在弹性变形范围内,应力和应变之间呈单值线性关系,符合胡克定律,且弹性变形量都较小。 (0.51.0%)。1.2 弹性变形弹性变形 3、胡克定律EGEG2 1()单向拉伸剪切扭转相互关系图1-5 弹性变形的双原子模型 5、弹性模量 产生100%弹性变形所需要的应力称为弹性弹性模量模量。 (1) 物理意义:工程上亦称为材料的刚度,表征材料对弹性变形的抗力。 (2) 用途:工程上是度量零件或构件刚度的系数,是重要的力学性能指标之一。 构件的刚度构件的刚度:构件
6、产生单位弹性变形所需载荷的大小。1FEE A FEA 提高构件刚度进而减少弹性变形的途径:选择高弹性模量材料;加大构件截面积。 (3) 构件刚度的意义 是构件抵抗弹性变形的能力。刚度小易于弹性变形,过量的弹性变形导致构件失稳。 小结小结 (1) 弹性模量主要决定于原子或分子本性和晶格类型。 (2) 合金化、热处理(获得不同的显微组织)、冷塑性变形对弹性模量的影响较小。(3) 金属的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。 温度、加载速率等外在因素对其影响也不大。弹性比功:弹性比功:表示金属材料吸收弹性变形功的能力。 几何意义:几何意义:应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。弹性极限:弹性极限:在
7、应力-应变曲线中,试件卸载后能恢复原状的最大应力。 6、弹性比功、弹性比功(弹性比能、应变比能弹性比能、应变比能) Eaeeee222弹性不完整性:弹性不完整性:金属的弹性变形与载荷方向和加载时间有关而表现出的非弹性性质。 金属在弹性变形中存在滞弹性(弹性后效)和包申格效应等弹性不完整现象。1.3 弹性不完整性弹性不完整性图1-8 滞弹性示意图一、滞弹性(弹性后效)定义:定义:在弹性范围内快速加载或卸载后,随时间的延长而产生的附加弹性应变,即应变落后于应力的现象。影响因素:影响因素:材料成分、组织均匀性 组织越不均匀,弹性后效越显著。可以采用长时间回火处理,增加组织均匀性,降低弹性后效效果。
8、2、滞弹性产生的原因 金属产生滞弹性的原因可能与晶体中点缺陷的移动有关。图1-9 碳在-Fe中的迁移 (1) 弹性滞后环:弹性滞后环:金属在弹性区内单向或交变快速加载,紧接着快速卸载时,由于应变落后于应力,使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线,封闭回线称为弹性滞后环。 (2) 内耗:内耗:弹性滞后环的存在,说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属放出的变形功,有一部分变形功为金属所吸收,这部分功称之为内耗。 3、弹性滞后环和循环韧性、弹性滞后环和循环韧性 弹性滞后环:弹性滞后环:由于具有滞弹性,金属在弹性区快速加由于具有滞弹性,金属在弹性区快速加载卸载时,应变落后于应力,使加载线与卸载线不
9、重载卸载时,应变落后于应力,使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线(图合而形成一封闭回线(图a a)。)。 e e ,图,图b b 。 e e ,图,图c c 。图1-10 滞后环的类型 (a) 单向加载弹性滞后环-(吸收的功称为内耗);(b) 交变加载弹性滞后环-(吸收的功称为内耗) ;(c)交变加载塑性滞后环-(吸收的功称为循环韧性) (3) 循环韧性:金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力,叫做循环韧性,也称为内耗。 循环韧性与内耗的区别循环韧性与内耗的区别 循环韧性指金属在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。 内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。意义意义: :
10、力学性能之一; 循环韧性越高,机件的消振能力越好。1 1、定义、定义 材料经预先加载并产生少量塑性变形(残余应变为1%4%),卸载后,再同向加载,规定残余伸长应力增加,反向加载规定残余伸长应力降低的现象,称为包申格效应。二、包申格效应二、包申格效应图1-11 包申格效应 初始拉伸初始拉伸初始压缩初始压缩初始压缩后卸载,再进行初始压缩后卸载,再进行第二次压缩第二次压缩初始压缩后卸载,第初始压缩后卸载,第二次进行拉伸二次进行拉伸初始拉伸后卸载,初始拉伸后卸载,再进行第二次拉伸再进行第二次拉伸 2、 包申格效应产生的原因包申格效应产生的原因 图1-12 包申格效应的林位错理论预塑性变形,位错增预塑性
11、变形,位错增殖、运动、缠结。同殖、运动、缠结。同向加载,位错运动受向加载,位错运动受阻,阻,r r增加;反向加增加;反向加载,位错被迫作反向载,位错被迫作反向运动,运动容易运动,运动容易r r降降低。低。弊弊:交变载荷情况下,显示循环软化,从而使强度极限下降。利利:薄板反向弯曲成形、拉拔的钢棒经过轧辊压制变直,可以降低成形或压制应力。 4、消除方法、消除方法 (1) 预先进行较大的塑性变形; (2) 第二次受力前先在引起回复或再结晶的温度下退火。 3、包申格效应的弊与利、包申格效应的弊与利1.3 1.3 塑性变形与应变硬化塑性变形与应变硬化一、塑性变形的主要方式:一、塑性变形的主要方式:滑移,
12、孪生滑移,孪生1、滑移滑移:滑移:指的是金属在切应力作用下沿一定晶面(滑移面)和一定晶向(滑移方向)进行的切变过程。滑移系:滑移系:滑移面和滑移方向的组合。2 2、孪生(低温或快速形变时)、孪生(低温或快速形变时) 孪生:孪生:指的是金属在切应力作用下,在金属晶体内部局部区域内,沿特定晶面和特定晶向进行的一个均匀切变过程。 孪生提供的直接变形很小,一般不超过10%,但其间接贡献却很大。二、多晶体塑性变形的特点二、多晶体塑性变形的特点 1、各晶粒变形的不同时性和不均匀性; 2、变形的相互协调性。三、屈服现象三、屈服现象 (一一) 屈服现象屈服现象 屈服:屈服:是指达到一定的变形应力之后,金属开始
13、从弹性变形过渡到稳定的塑性变形,它标志着宏观塑性变形的开始。 根据应力-应变曲线的特征,可将屈服分为非均匀屈服(不连续屈服)、均匀屈服和连续屈服三种。 图1-13 拉伸曲线中的三种典型屈服现象(a) 非均匀屈服(不连续屈服);(b) 均匀屈服;(c) 连续屈服( (二二) ) 非均匀屈服非均匀屈服1、非均匀屈服曲线的特点、非均匀屈服曲线的特点 具有上、下屈服点上、下屈服点和屈服平台屈服平台。图1-14 低碳钢的非均匀(不连续)屈服 2 2、非均匀屈服的解释、非均匀屈服的解释 (1) 非均匀屈服的柯氏气团钉扎理论非均匀屈服的柯氏气团钉扎理论 -Fe中,C、N原子与位错交互作用形成柯氏气团,钉扎位
14、错,使位错运动受阻存在上屈服点。 位错从柯氏气团摆脱钉扎后,可在低应力下进行运动存在下屈服点。 实际上被强烈钉扎的位错不容易脱钉。 也无法解释非-Fe这类含有间隙原子金属或合金的屈服现象。 (2) 非均匀屈服的位错塞积群理论非均匀屈服的位错塞积群理论 少量位错同向运动受阻,形成塞积群,导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力(上屈服点);一旦障碍被冲破,继续发生塑性变形所需的外应力下降(下屈服点)。( (三三) ) 均匀屈服均匀屈服 1、均匀屈服曲线的特点、均匀屈服曲线的特点 有上、下屈服点,没有屈服平台没有屈服平台。 2、均匀屈服的解释、均匀屈服的解释 低密度可动位错理论。0()mb vOr
15、owan equationvMoving rate of dislocation ( (三三) ) 连续屈服连续屈服 1、连续屈服曲线的特点、连续屈服曲线的特点 没有没有明显的屈服点屈服点,没有屈服平台没有屈服平台。 2、连续屈服的解释、连续屈服的解释 连续屈服可用位错运动受阻进行解释(Ref.2)。( (四四) ) 孪生孪生+ +连续屈服连续屈服 此外,当金属在低温、高应变速率下进行拉伸试验时,有时试件的应力-应变曲线在正常的弹性段之后,有一系列锯齿叠加于连续屈服的抛物线型曲线上。图1-15 第四种类型的应力-应变曲线此时变形方式以孪生为主,由于孪生的萌生需要较大的应力,但随后的长大所需要的
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