材料力學(xué)性能1

第一章

材料的拉伸性能1.1前言

1、拉伸性能:

單向靜拉伸試驗(yàn)是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法之一,通過拉伸試驗(yàn)可測材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率等重要的力學(xué)性能指標(biāo)，這些指標(biāo)是材料在其它載荷和環(huán)境條件下力學(xué)響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。2、拉伸性能的作用、用途：

a.在工程應(yīng)用中，拉伸性能是結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一。

b.提供預(yù)測材料的其它力學(xué)性能的參量，如抗疲勞、斷裂性能。本章內(nèi)容實(shí)驗(yàn)條件：光滑試件室溫大氣介質(zhì)單向單調(diào)拉伸載荷研究內(nèi)容：測定不同變形和硬化特性的材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸性能參數(shù)。了解不同材料的性質(zhì)3.拉伸試驗(yàn)1）

拉伸試件的形狀和尺寸常用的拉伸試件:為了比較不同尺寸試樣所測得的延性,要求試樣的幾何相似，L0／A01/2要為一常數(shù)。其中A0為試件的初始橫截面積。具體標(biāo)準(zhǔn)：GB6397－86(a)圓截面標(biāo)準(zhǔn)試件：l0=10d0

，

l0=5d0標(biāo)距l(xiāng)0d0標(biāo)距l(xiāng)0(b)矩形截面標(biāo)準(zhǔn)試件(截面積為A0）：l0=5.65A01/2或11.3A0

1/2；l0=10d0l0=5d04.單向靜拉伸的特點(diǎn)特點(diǎn)：溫度應(yīng)力加載速率第一節(jié)力伸長曲線及應(yīng)力應(yīng)變曲線退火低碳鋼的力伸長曲線b均勻變形階段典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

s=0.2

s

beeeeee圖典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（a）（b）（c）（d）（e）（f）純銅、純鋁冷拔鋼絲、受強(qiáng)烈硬化的材料高錳鋼、鋁青銅、錳青銅淬火高碳鋼、玻璃、陶瓷有色金屬、經(jīng)冷變形的鋼、經(jīng)低中溫回火的結(jié)構(gòu)鋼正火、調(diào)質(zhì)退火的碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼工程應(yīng)力應(yīng)變曲線Kbse真應(yīng)力真應(yīng)變曲線圖1-4真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線§2.彈性變形一、彈性變形的物理本質(zhì)

1.彈性變形的特點(diǎn)：

彈性變形彈塑性變形斷裂

ε可逆性單值性變形量小不超過0.5~1%2.變形實(shí)質(zhì)雙原子模型引力斥力合力1）當(dāng)原子處于平衡位置

F=02）受外力：原子偏離平衡位置外力去除位移消失3）原子間的力與原子間距r為拋物線關(guān)系4）合力最大值為Fmax，當(dāng)F≥Fmax斷裂此時(shí)相應(yīng)的彈性變形量為rm-r0可以計(jì)算彈性變形最大23%實(shí)際：材料中有缺陷不可能達(dá)到Fmax，就已產(chǎn)生塑變二、彈性模量1.胡克定律

1）單向拉伸

2）剪切扭轉(zhuǎn)τ=Gγ2.廣義虎克定律

x=[x-(y+z)]/E

y=[y-(z+x)]/E

z=[z-(x+y)]/E

xy=xy/G

yz=yz/G

zx=zx/G3.彈性模量1）彈性模量的意義由σ=Eε當(dāng)ε=1σ=當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐粋€(gè)單位時(shí)，彈性模量即等于彈性應(yīng)力即彈性模量是產(chǎn)生100%彈性變形所需的應(yīng)力。這個(gè)定義對合同而言是沒有任何意義的，因?yàn)榻饘俨牧纤墚a(chǎn)生的彈性變形量是很小的?E2）不同材料彈性模量Al2O33.99×105MPa3）剛度工程上彈性模量被稱為材料的剛度，表征金屬材料對彈性變形的抗力

其值越大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就越小機(jī)器零件或構(gòu)件的剛度AE

與材料剛度及截面形狀和尺寸以及載荷作用的方式有關(guān)剛度是金屬相料重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一3）影響彈性模量的因素（1）鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)離子鍵、共價(jià)鍵彈性模數(shù)高

金屬鍵

原子半徑

(2)晶體結(jié)構(gòu)單晶

原子半徑↑E↓過渡族小E高不同方向呈各項(xiàng)異性多晶偽各向同性（3）化學(xué)成分材料化學(xué)成分變化，將引起原子間距或鍵合方式的變化可影響E溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化晶體結(jié)構(gòu)變化固溶體材料如鋼合金元素對晶格影響不大，E變化不大相差＜5%（4）微觀組織金屬材料合（金成分不變）組織影響較小晶粒大小無影響淬火后E↓回火后恢復(fù)第二相分布影響小最近研究表明：當(dāng)E較高時(shí)，第二相可使基體E升高5）溫度：溫度升高影響原子間距溫度升高100℃，E下降3~5%-50~50℃變化不明顯6）冷變形：E值略降低。三彈性極限1、比例極限

p

：2、彈性極限

e

：

0.005

0.01

0.05應(yīng)力與應(yīng)變保持正比關(guān)系的最大應(yīng)力。在拉伸試驗(yàn)過程中，材料不產(chǎn)生塑性變形時(shí)的最大應(yīng)力，用符號σe表示四、彈性比功（彈性應(yīng)變能密度）材料開始塑性變形前單位體積所能吸收的彈性變形功。

e0e

eεae=

eε

e/2=

e2/(2E)制造彈簧的材料要求高的彈性比功：（

e

大，E

小）含碳量為0.5%~0.7%的硅錳鋼在退火后有一定塑性，使彈簧的加工成型不至過于困難，經(jīng)淬火加中溫回火可得到回火屈氏體組織，使鋼彈性極限大大提高。（儀表中彈簧件常用磷青銅和鈹青銅制造）§3

彈性不完善性1、彈性后效瞬間加載---正彈性后效瞬間卸載---彈性后效

彈性不完善性⑴定義

在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象。⑵危害：長期承載的傳感器，影響精度。彈性后效影響因素及消除辦法1.材料的成分與組織2.晶格類型3.熱處理與加工工藝4.溫度5.應(yīng)力狀態(tài)減小彈性后效的方法長時(shí)間回火處理:鋼:300~450℃,銅合金:150~200℃2、彈性滯后----非瞬間加載條件下的彈性后效。加載和卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線不重合形成一封閉回線------彈性滯后環(huán)

0e加載時(shí)消耗的變形功大于卸載時(shí)釋放的變形功?；?，回線面積為一個(gè)循環(huán)所消耗的不可逆功。這部分被金屬吸收的功，稱為內(nèi)耗。⑵循環(huán)韌性若交變載荷中的最大應(yīng)力超過金屬的彈性極限，則可得到塑性滯后環(huán)。金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，叫循環(huán)韌性。循環(huán)韌性又稱為消振性。循環(huán)韌性不好測量，常用振動(dòng)振幅衰減的自然對數(shù)來表示循環(huán)韌性的大小。⑶循環(huán)韌性的應(yīng)用減振材料（機(jī)床床身、缸體等）；樂器要求循環(huán)韌性小。物理意義內(nèi)耗Q-1---彈性滯后使加載時(shí)材料吸收的彈性變形能大于卸載時(shí)所釋放的彈性變形能，即部分能量被材料吸收。（彈性滯后環(huán)的面積）Q-1=工程上對材料內(nèi)耗應(yīng)加以考慮4、包申格效應(yīng)328.7

0ε124.02′30.1217.848.5金屬材料經(jīng)過頂先加載產(chǎn)生少量塑性變形(殘余應(yīng)變約為1％-4％)．卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力(彈性極限或屈服強(qiáng)度，下同)增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低(特別是彈件極限在反向加載時(shí)幾乎降低到零)的現(xiàn)象，稱為包申格效應(yīng)。(退火或高溫回火的低碳低合金鋼表現(xiàn)顯著)

圖1-7為顯示20號鋼包申格效應(yīng)的拉伸、壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸曲線畫在同一象限內(nèi)。由圖可見，室溫下預(yù)先拉伸(應(yīng)變2%)，屈服強(qiáng)度約為300MPa；再反向壓縮加載，壓縮屈服強(qiáng)度僅為100MPa左右2）、微觀本質(zhì)預(yù)塑性變形，位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)、纏結(jié)；同向加載，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，彈性極限與屈服強(qiáng)度增加；反向加載，位錯(cuò)被迫作反向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易,彈性極限與屈服強(qiáng)度降低。

度量包申格效應(yīng)的基本定量指標(biāo)是包申格應(yīng)變，它是指在給定應(yīng)力下。正向加載與反向加載兩應(yīng)力應(yīng)變曲線之間的應(yīng)變差(圖1-8)。在圖1-8中，b點(diǎn)為拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上給定的流變應(yīng)力，β=bc為包申格應(yīng)變。3）包申格應(yīng)變4）包申格效應(yīng)的危害及防止方法交變載荷情況下，顯示循環(huán)軟化（強(qiáng)度極限下降）

預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，可不產(chǎn)生包申格效應(yīng)。

第二次反向受力前，先使金屬材料回復(fù)或再結(jié)晶退火?！?.塑性變形1、塑性變形的定義

金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發(fā)生變形，去除外力后，永遠(yuǎn)殘留的那部分變形叫塑性變形。各種加工方法2、單晶體塑性變形的主要方式滑移和孿生1）滑移滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。(1)滑移的晶體學(xué)

滑移面（密排面（1）幾何要素

滑移方向（密排方向）

滑移系滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)進(jìn)行，這是由于密排面之間的間距最大，結(jié)合力最弱。因此滑移面為該晶體的密排面，滑移方向?yàn)樵撁嫔系拿芘欧较?密排方向上柏氏矢量b最小。一個(gè)滑移面與其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好?；品较?qū)扑鸬淖饔帽然泼娲螅悦嫘牧⒎骄Ц窠饘俦润w心立方晶格金屬的塑性更好。(2)滑移系

滑移系：一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向的組合。滑移系的個(gè)數(shù):(滑移面?zhèn)€數(shù)）×（每個(gè)面上所具有的滑移方向的個(gè)數(shù)）

(3)滑移的同時(shí)必然伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，這是因?yàn)槠叫杏诨泼娴淖畲笄袘?yīng)力往往與滑移方向不一致，于是形成二力合成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分力（如圖）。轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，使滑移面趨向與拉伸軸平行。(4)發(fā)生了滑移的金屬試樣表面狀態(tài)如下圖所示（1）定義：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對稱關(guān)系。

2)孿生（2）孿生的表面形貌（3）孿生變形的特點(diǎn)

滑移孿生相同點(diǎn)1切變；2沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；3不改變結(jié)構(gòu)。不同點(diǎn)

晶體位向不改變。改變，形成鏡面對稱關(guān)系位移量滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應(yīng)力有一定的臨界分切應(yīng)力所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時(shí)發(fā)生變形機(jī)制全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果2多晶體的塑性變形1)晶粒之間變形的傳播位錯(cuò)在晶界塞積應(yīng)力集中相鄰晶粒位錯(cuò)源開動(dòng)相鄰晶粒變形塑變

①塑性變形的不同時(shí)性和不均勻性2多晶體塑性變形的特征材料表面優(yōu)先與切應(yīng)力取向最佳的滑移系優(yōu)先在多晶體中，各個(gè)晶粒內(nèi)原子排列的位向卻不一致，這樣不同晶粒的滑移系的取向就會(huì)不同。當(dāng)對多晶體施以拉伸時(shí)，作用在不同晶?；葡瞪系姆智袘?yīng)力會(huì)有差別，分切應(yīng)力最大的那些晶粒最先開始滑移，有些晶粒所受到的分切應(yīng)力最小，最難發(fā)生滑移。

由此可見，多晶體金屬的塑性變形將會(huì)在不同晶粒中逐批發(fā)生，是個(gè)不均勻的塑性變形過程。②各晶粒塑性變形的相互制約與協(xié)調(diào)原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo)致晶體分裂）條件：獨(dú)立滑移系

5個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變化）（1）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）（2）類型板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向。（軋制時(shí)形成）3形變織構(gòu)和各向異性拉絲方向軋制方向3形變織構(gòu)和各向異性形變晶面轉(zhuǎn)動(dòng)形變織構(gòu)各向異性（軋制方向有較高的強(qiáng)度和塑性）無織構(gòu)有織構(gòu)二屈服點(diǎn)屈服強(qiáng)度ACDFPL0BE應(yīng)變時(shí)效1、物理屈服現(xiàn)象（非連續(xù)形變強(qiáng)化）

這類材料—低碳鋼、低合金鋼等從彈性變形→向塑性變形過渡明顯，表現(xiàn)在試驗(yàn)過程中，外力不增加（保持恒定），試樣仍能繼續(xù)伸長；或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降、隨后，在外力不增加或上下被動(dòng)情況下，試樣繼續(xù)伸長變形(圖1-9曲線1)，這即是屈服現(xiàn)象。1）屈服現(xiàn)象

呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料拉伸時(shí)，試樣在外力不增加(保持恒定)仍能繼續(xù)伸長時(shí)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，記為σs；2）屈服點(diǎn)

試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應(yīng)力稱為上屈服點(diǎn)，記為3）上屈服點(diǎn)4）下屈服點(diǎn)

當(dāng)不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)（指在屈服過程中試驗(yàn)力第一次發(fā)生下降）時(shí)屈服階段中的最小應(yīng)力稱為下屈服點(diǎn)，記為σsl

屈服伸長：在屈服過程中產(chǎn)生的伸長外力從上屈服點(diǎn)下降到下屈服點(diǎn)時(shí)，在試樣局部區(qū)域外始形成與拉伸軸約成45°。的所謂呂德斯帶或屈服線，隨后再沿試樣長度方向逐漸擴(kuò)展，當(dāng)屈服線布滿整個(gè)試樣長度時(shí)，屈服伸長結(jié)束，試樣開始進(jìn)入均勻塑性變形階段。2、屈服現(xiàn)象的解釋位錯(cuò)增值理論：柯氏氣團(tuán)概念：圍繞位錯(cuò)而形成的溶質(zhì)原子的聚集物,稱為“柯氏氣團(tuán)”。?=b

=(/0)m材料塑性應(yīng)變速率?、可動(dòng)位錯(cuò)密度

、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率

、柏氏矢量b、滑移面上切應(yīng)力

、位錯(cuò)產(chǎn)生單位滑移速度所需應(yīng)力

0、應(yīng)力敏感系數(shù)m屈服條件原始可動(dòng)位錯(cuò)密度小應(yīng)力敏感系數(shù)m′小位錯(cuò)能迅速增殖3、屈服強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度1）有明顯屈服2）無明顯屈服(1)規(guī)定非比例伸長應(yīng)力σp試樣在加載過程中，標(biāo)距部分的非比例伸長達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。例如σp0.02

、σp0.01等。(2)規(guī)定殘余伸長應(yīng)力（σr）：試樣卸