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金属材料力学性能第一章单向静拉伸资料

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第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1. 解释下列名词：(1) 弹性比功(2) 滞弹性(3) 循环韧性(4) 包申格效应(5) 解理面(6) 解理台阶(7) 穿晶断裂(8) 沿晶断裂(9) 刚度(10) 强度(11) 塑性(12) 韧性(13) 形变强化2. 说明下列力学性能指标的意义：(1) E (2) σr、σ、σs(3) σb(4) n (5) δ、δgt、ψ3. 对拉伸试件有什么基本要求为什么4. 为什么拉伸试验又称为静拉伸试验拉伸试验可以测定哪些力学性能5. 试件的尺寸对测定材料的断面收缩率是否有影响为什么6. 试画出示意图说明：脆性材料与塑性材料的应力-应变曲线有何区别高塑性与低塑性材料的应力-应变曲线又有何区别7. 工程应力-应变曲线上b点的物理意思说明b点前后试样变形和强化特点8. 脆性材料的力学性能用哪两个指标表征脆性材料在工程中的使用原则是什么9. 何谓材料的弹性、强度、塑性和韧性10. 试画出连续塑性变形强化和非连续塑性变形强化材料的应力-应变曲线两种情况下如何根据应力-应变曲线确定材料的屈服强度11. 何谓工程应力和工程应变何谓真应力与真应变两者之间有什么定量关系12. 拉伸图、工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线有什么区别13. 颈缩发生后如何计算真应力和真应变如何根据材料的拉伸性能估算材料的断裂强度14. 现有d0=10mm的圆棒长试样和短试样各一根，测得其延伸率δ10与δ5均为25%，问长试件和短试件的塑性是否一样15. 金属的弹性模量主要取决于什么因素为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标16. 今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作机床床身为什么17. 试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc金属及其合金与fcc 金属及其合金屈服行为不同的原因18. 试述断面收缩率和断后延伸率两种塑性指标评定金属材料塑性的优缺点19. 试述韧性断裂和脆性断裂的区别为什么韧性断裂最危险20. 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同21. 在什么条件下易出现沿晶断裂怎么样才能减小沿晶断裂的倾向22. 何谓拉伸断口特征三要素影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些23. 试证明，滑移面相交产生微裂纹的柯垂耳机理对fcc金属而言在能量是不利的。

金属材料力学性能第一章 单向静拉伸解析

金属材料力学性能第一章 单向静拉伸解析

一封闭回线 ------ 弹性滞后环
0
ε0
ε
3、内耗 Q-1
-----弹性滞后使加载时材料吸收 的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性 变形能，即部分能量被材料吸收。 （弹性滞后环的面积）
工程上对材料内耗应加以考虑
4、包申格效应（概念、机理、、应用、消除措施）
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形 （残余应变约为1%~4%），卸载后再同向加载则 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。
切应力：x y 、 y z 、 z x 切应变：x y 、 y z 、 z x
y y
xy yx
x x
y
x
2 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
SF F A A0 (1 ) 1
e
dL L
ln
L L0
ln(1 )
三、 典型的拉伸曲线
1、材料分类：
脆性材料：在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹性变形 塑性材料：在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形。
2、典型的拉伸曲线
s=
0.2
s
ε
ε
ε
b
ε
ε
ε
第二节 弹性变形
一 概念及实质： 1 .概念：金属在外力作用下的可逆性变形。即金属在一定
二 屈服现象 与屈服强度
屈服现象：金属材料在 拉伸试验过程中，外力 不增加试样仍能继续伸 长；或外力增加到一定 数值时突然下降，随后， 在外力不增加或上下波 动情况下，试样继续伸 长变形的现象。

第01章 单向静拉伸力学性能-1

第01章 单向静拉伸力学性能-1

第一章
23
2、循环韧性
（1）弹性滞后环 由于应变滞后于应力，使加载曲线与卸载曲线不重 合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。
第一章
24
物理含义： 加载时消耗的弹性变形功大于卸载时释放的弹性变形功。 回线面积为一个循环后被金属吸收的不可逆功，称为内耗 （弹性区）。
（2）循环韧性 若交变载荷中的最大应力超过金属的弹 性极限，则可得到塑性滞后环。 金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫 循环韧性（塑性区）。 循环韧性又称为消振性。 循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来 表示循环韧性的大小。 （3）循环韧性的应用 减振材料（机床床身、缸体、叶片等）循环韧性高；乐 器、精密仪表仪器则要求循环韧性小。
第一章
34
上、下屈服点，吕德斯带或屈服线
3、屈服强度
σs=Fs/A

不连续屈服
s
连续屈服
σ0.2
0
0.2%

由于金属材料存在上下屈服点，或者屈服点不明确， 一般将σ0.2定义为屈服强度。 屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据。 提高屈服强度，机件不易产生塑性变形；但过高，又不 利于某些应力集中部位的应力重新分布，容易引起脆性 断裂。
y
υ υ υ
下一页
υ——泊松比
第一章
16
广义虎克定律物理方程
第一章
17
3. 狭义虎克定律 （单轴向，各向同性）
y y , x z y E P G , K V0 V
其中E为弹性模量； 为泊松比，一般工程材料在弹 性范围内在1/6～1/3，超出弹性范围后趋近于1/2；G 为切变模量；K为体积模量，倒数为压缩率，∆P为静 水压力。

第01章-单向静拉伸力学性能

第01章-单向静拉伸力学性能
实际上机件旳受力状态都比较复杂，应力往往是两向 或三向旳。在复杂应力状态下，用广义虎克定律描述应 力与应变旳关系：
1
1 E
[
1
( 2
3 )]
2
1 E
[
2
( 3
1 )]
3
1 E
[
3
( 1
2 )]
式中
1
、 2
、 3
——主应力；
主应力中拉为正，压为负；求得
1
、 2
、 3
——主应变。 旳应变正号为伸长，负号为缩短。
10
三、弹性模量
1.弹性模量旳物理意义和作用
⑴ 物理意义：表征金属材料对弹性变形旳抗力，其值愈大， 则在相同应力下产生旳弹性变形就愈小。
当应变为一种单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模 量是产生100％弹性变形所需旳应力。这个定义对金属而言是 没有任何意义旳，因为金属材料所能产生旳弹性变形量是很小 旳。
14
⑷ 温度、加载速率等外界原因；一般影响不大。 温度升高使得原子间距增长，E值下降；碳钢温度每升
高100℃，E值下降3%~5%，但是在-50~50℃范围内变化不大。
15
四、弹性比功（弹性比能、应变比能）
物理意义：吸收弹性变形功旳能力,一般用金属开始塑性变 形前单位体积吸收旳最大弹性变形功表达。
（3）应变速率与位错密度、位错运动速率旳关系 金属材料塑性变形旳应变速率与位错密度、位错运
动速率及柏氏矢量成正比，即：ε=bρυ. 位错增值，ρ↑，ε↑ 提升外应力τ, υ↑, ε↑ 晶体构造变化，b↑, ε↑
31
3、屈服强度
用应力表达旳屈服点或下屈服点，表征材料对微量塑性 变形旳抗力。
σs=Fs/A0, σsl=Fsl/A0 许多具有连续屈服特征旳金属材料，拉伸时看不到屈服 现象，用要求微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形旳 抗力。 要求微量塑性伸长应力：人为要求拉伸试样标距部分产生

金属材料在静拉伸载荷下的力学性能

金属材料在静拉伸载荷下的力学性能

表征材料对弹性变形的抗力
E
相同的σ下:E↑
ε↓
表1-1几种金属材料在常温下的弹性模量
金属材料 铁 铜 铝 铁及低碳钢 铸铁 低合金钢 奥氏体不锈钢
E/105MPa 2.17 1.25 0.72 2.0 1.7-1.9 2.0-2.1 1.9-2.0
合金化（加入某种金属）对E影响很小
E = σ /ε 应力和应变的关系实质是 原子间作用力和原力间距的关系.
E
拉伸杨氏模量： E = σ /ε
切变模量G =τ/γ
G E 2(1 v)
泊松比：υ= —εX/εZ
对金属υ值约为0.33（或1/3）
广义胡克定律
1
1 E
[1
v( 2
3 )]
2
1 E
[ 2
v( 3
1)]
3
1 E
[ 3
v(1
2 )]
物理意义： 产生单位应变所需的应力
技术意义： E，G称为材料的刚度
弥散型（沉淀和弥散强化） τ=Gb/l
相的性质、数量、大小、形状、分布
外在因素：
温度、应变速率、应力状态
1、温度因素 T ↑ ，屈服强度↓
2、应变速率
ε. ↑ ，屈服强度↑
. σε 、t=C1εm . ε-应变速率 m-应变速率敏感指数
3、应力状态的影响 •切应力分量大， σs小， 如扭转比拉伸小
材料的弹性模量与原子间结合力和原子间距有 关.
首先决定于结合键： 共价键结合的材料弹性模量最高
SiC，Si3N4陶瓷材料有很高的弹性模量。
金属键有较强的键力
其弹性模量适中
金属的原子间作用力取决于原子本性和晶格类型
弹性模量取决于原子本性和晶格类型

第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

7/3/2010
安徽工业大学 材料科学与工程学院
8
四,弹性比功
又称弹性比能,应变比能, 又称弹性比能,应变比能,表示材料吸收弹性变形 功的能力. 功的能力.
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安徽工业大学 材料科学与工程学院
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五,滞弹性
在弹性范围内快速加 载或卸载后, 载或卸载后,随着时 间延长产生的附加弹 性应变的现象, 性应变的现象,称为 滞弹性. 滞弹性.
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二,虎克定律
(一)简单应力状态的虎克定律
(二)广义虎克定律
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安徽工业大学 材料科学与工程学院
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三,弹性模量
定义:当应变为一个单位时,弹性模量即为弹性应力,即产生 定义:当应变为一个单位时,弹性模量即为弹性应力,即产生100%弹 弹 性变形时所需要的应力. 性变形时所需要的应力. 这个定义对金属来讲是没有任何意义的, 这个定义对金属来讲是没有任何意义的,这是因为金属材料所能产生 的弹性变形量是很小的. 的弹性变形量是很小的.
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六,包申格效应(Bauschinger) 包申格效应( )
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安徽工业大学 材料科学与工程学院
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包申格效应的定义: 包申格效应的定义:
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形, 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形,残余 应变约1-4%,卸载后再同向加载,规定残余伸长 应变约 ,卸载后再同向加载, 应力(弹性极限或屈服强度)增加; 应力(弹性极限或屈服强度)增加; 反向加载,规定残余伸长应力降低的现象. 反向加载,规定残余伸长应力降低的现象.
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第01章 单向静拉伸力学性能


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经典弹性理论：变形完全回复；单值对应；线性关系。
滞弹性体的应力与应变关系仍然是 线性的。它与非弹性体有明显区别。
38
弹性体与滞弹性体区别：
弹性体：每一 σ 值准确对应于一个 ε 值，即 σ 、ε 是 唯一的；
滞弹性体：每个 σ 值对应两个 ε 值，其中之一属加载， 另一则属卸载条件下的 ε 值。
真实应力-应变曲线：
定义式 ： σzh = F/S 定义式： εzh = ΔL/L
22
（1）在Ⅰ区，为直线，真应力与真应变成直线关系。 （2）在Ⅱ区，为均匀塑性变形阶段，是向下弯曲的曲线，
遵循Hollomon关系式: σzh ＝K(εzh)n
K，n均为材料常数；n为形变强化指数；K为硬化系数 一般金属材料，1>n>0 σ= Eε
⑴ 金属原子的种类(非过渡族、过渡族） ⑵ 晶体结构 （单晶体和多晶体） (3) 冷变形（织构） ⑷ 显微组织（热处理后） （5）温度 （6）加载速率 （7）相变
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四、弹性比功
1、比例极限 2、弹性极限 3、弹性比功（弹性比能、应变比能）
物理意义：吸收弹性变形功的能力。 几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的 面积。 计算式：ae =σeεe/2 =σe2/2E 用途：弹簧
σ 和 ε 的关系表现为一个椭圆。
3、滞弹性的内耗
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（1）金属的内耗—金属材料在交变载荷下吸收 不可逆变形功的能力。
在机械振动过程中由于滞弹性造成震动能量 损耗，机械能散发为热能。
滞弹性回线中所包围的 面积代表振动一周所产生的 能量损耗，回线面积越大， 则能量损耗也越大。
40 （2）产生内耗的原因：
（1）最广泛使用的力学性能检测手段。 （2）试验的应力状态、加载速率、温度等都是

第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能/min。

①静载是相对于交变载荷和高速载荷而言的，其变形速度<8％L②金属静载试验方法包括单向静拉伸试验、压缩、弯曲、扭转、剪切、硬度试验等，是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法。

③这些试验方法的特点是：温度、应力状态和加载速率是确定的，并且常用标准试样进行试验（硬度试验除外）。

④通过静载力学性能试验可以揭示金属材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹性变形、塑性变形和断裂。

⑤可以标定出金属材料的最基本的力学性能指标。

这些性能指标是机械设计、制造、选材、工艺评定以及内外贸易订货的主要依据。

本章将讨论性能指标的定义、测试方法以及试验方法的意义特点等。

第一节拉伸力－伸长曲线和应力应变曲线单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验之一，原因是其测得的性能指标比较稳定，具有广泛的可比性。

一、光滑拉伸试样光滑试样是相对于缺口试样和裂纹试样而言的。

1、采用光滑试样的目的：光滑试样可保证试验材料承受单向拉应力，而缺口试样或裂纹试样将导致缺口或裂纹周围处于两向或三向应力状态。

2、试样的种类：经常使用的光滑试样可分为：圆柱形试样、板状试样和管状试样。

详见国家标准（GB/T228-2002 金属材料室温拉伸试验方法）3、光滑试样的组成光滑拉伸试样由三部分组成：工作部分：是试样的中间部分，在取样和加工过程中应按照GB/T2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位臵及试样制备》、GB/T2649-1989《焊接接头机械性能试验取样方法》等相关标准执行，试样在原材料或机件中的取向、部位以及试样形状、精度、粗糙度和加工程序均按照标准执行。

过渡部分：是工作部分向外过渡的部分，为减少应力集中，采用圆弧过渡的形式。

处理不好会在此断裂，导致试验失败（尤其是脆性材料）。

夹持部分：这部分的作用是保持自身承载能力，不能断裂（其截面积大）；把载荷正确地传递到工作部分上去。

第一章 单向静拉伸载荷下的力学性能


2、弹性极限 、
由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。超过弹性极限，开 始发生塑性变形 σe=Fe / A0
实际意义？ σp、σe的实际意义？
对于要求在服役时其应力应变关系严格维持 直线关系的构件，如测力计弹簧，是依靠 变形的应力正比于应变的关系显示载荷大 小的，则选择这类构件的材料应以材料的 比例极限为依据； 若服役条件要求构件不允许产生微量塑性变 形，则应以弹性极限选材
------------------------------（1）
位错运动时，切应变速率与可动位错密度ρm及其运 动速率之间关系
------------------------------（2）
换算成拉伸应变速率
------------------------------（3）
位错总密度ρ随拉伸应变εp增加（ ρ0为塑性变形刚开 始时的总位错密度）
影响金属材料的力学性能的内在因素： 影响金属材料的力学性能的内在因素：材 料的化学成分、组织结构、冶金质量、 料的化学成分、组织结构、冶金质量、残 余应力及表面和内部缺陷等； 余应力及表面和内部缺陷等； 外因：载荷性质（静载荷、冲击载荷、 外因：载荷性质（静载荷、冲击载荷、交 变载荷）、载荷谱、应力状态（ ）、载荷谱 变载荷）、载荷谱、应力状态（拉、压、 弯曲、扭转、剪切、 弯曲、扭转、剪切、接触应力及各种复合 应力）、温度、环境介质等； ）、温度 应力）、温度、环境介质等； 金属力学性能的物理本质及宏观变化规律 与金属在变形和断裂过程中位错的运动、 与金属在变形和断裂过程中位错的运动、 增殖和交互作用（位错之间的交互作用、 增殖和交互作用（位错之间的交互作用、 位错与点缺陷的交互作用） 位错与点缺陷的交互作用）等微观过程有 关。
断面收缩率(ψ)：是拉伸试样断裂处截面的相对 收缩值，等于断裂处截面绝对收缩值(∆Ak=A0-Ak) 除以试样原始截面积(A0)，也用百分数表示： ψ=( A0-Ak)/ A0 ×100% A0 Ak 试样原始截面积 试样断裂后断裂处的最小截面积

金属材料力学性能第一章 单向静拉伸




真应力――载荷除以试件的瞬时截面 积即得真应力，S=F／A 真应变――瞬时伸长量除以瞬时标距 长度即得真应变e，de=dL／L

三、真应力、真应变与工程应力、工程应 变之间的关系：
A A A0 A A0 (1 ) A0 (1 ) A0
F F S A A0 (1 ) 1
1、形变强化指数： n Hollomon方程： S = K en
描述了产生塑性变形后的真应力~应变曲线
材料的 n值与屈服强度近似成反比 如低碳钢和低合金高强度钢：n =70/s
2、形变强化容量： eb 3、形变强化技术意义 变形均匀化 抗偶然过载能力
生产上强化材料的重要手段
四、缩颈现象
1. 概念：缩颈是韧性金属材料在拉伸试验时 变形集中于局部区域的特殊现象，是应变 硬化和截面减小共同作用的结果。 B点：最大力点 局部塑性变形开始点 拉伸失稳点 塑性失稳点。
2 13
B、位错交互作用阻力
Gb
2 15
剧烈冷变形位错密度增加4-5个数 量级 ----形变强化！
C、晶界阻力----Hall—Petch公式：
k s 0 d
2 16
细晶强化
D、固溶强化
溶质原子与位错的：
弹性交互作用 电化学作用 化学作用 几何作用 间隙固溶体的强化效果比置换固溶体的大！
断裂的微观机制 解理断裂
微孔聚合型的延性断裂 纯剪切断裂 引发断裂的缘因 和断裂面的取向 正断 切断
正断是由正应力引起的，断裂面与最大主应 力方向垂直； 切断是由切应力引起的，断裂面在最大切应 力作用面内，而与最大主应力方向呈450。
抗拉强度b：
定义为试件断裂前所能承受的最大工程 应力，以前称为强度极限。取拉伸图上的最大 载荷，即对应于b点的载荷除以试件的原始截 面积，即得抗拉强度之值，记为σb
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