材料力學(xué)第一章二拉伸過(guò)程中的變形及力學(xué)性能指標(biāo)2一、基本概念(1)彈性(elasticity):就是指物體(材料)本身得一種特性,發(fā)生形變后可以恢復(fù)原來(lái)得狀態(tài)得一種性質(zhì)。(2)彈性變形(elasticdeformation):材料在外力作用下產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來(lái)形狀,這種隨外力消失而消失得變形。(3)彈性模量(

elasticmodulus,modulus

of

elasticity):就是表征材料彈性得物理參數(shù),就是指材料在彈性變形范圍內(nèi),應(yīng)力和對(duì)應(yīng)得應(yīng)變得比值E=σ/ε,也就是材料內(nèi)部原子之間結(jié)合力強(qiáng)弱得直接量度。3一、基本概念(4)剛度(

stiffness):指物體(固體)在外力作用下抵抗變形得能力,可用使產(chǎn)生單位形變所需得外力值來(lái)量度。剛度越高,物體表現(xiàn)越硬。(5)彈性比功(elasticspecificwork):表示材料吸收彈性變形功得能力,彈性比能、應(yīng)變比能,決定于彈性模量和彈性極限(即材料由彈性變形過(guò)渡到彈-塑性變形時(shí)得應(yīng)力)。(6)滯彈性(anelasticity):在彈性范圍內(nèi)加快加載或卸載后,隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變得現(xiàn)象。4一、基本概念(7)循環(huán)彈性(cyclicelasticity):在交變載荷(振動(dòng))下材料吸收不可逆變形功得能力。(8)包申格效應(yīng)(Bauschinger′s

effect,Bauschingereffect):

簡(jiǎn)單地說(shuō),就就是經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形后得金屬材料,再次進(jìn)行同向或反向加載,會(huì)產(chǎn)生殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力(彈性極限或屈服極限)增加或降低得現(xiàn)象。其基本定量指標(biāo)就是包申格應(yīng)變,與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受得阻力變化有關(guān)。(9)塑性變形(plastic

deformation):材料在外力作用下產(chǎn)生得永久不可恢復(fù)得變形。方式:滑移和孿生。5一、基本概念

(10)屈服現(xiàn)象和屈服點(diǎn)/屈服極限(yield

point/yieldlimit):

屈服現(xiàn)象:拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,外力不增加(恒定)試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng),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波動(dòng)情況下,試驗(yàn)繼續(xù)伸長(zhǎng)變形得現(xiàn)象

屈服點(diǎn)/屈服極限:呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象得金屬材料拉伸時(shí),試樣在外力不增加(保持恒定)仍然能繼續(xù)伸長(zhǎng)得應(yīng)力。(11)應(yīng)變硬化/形變強(qiáng)化(strainhardening,strain

strengthening):在材料得拉伸/壓縮實(shí)驗(yàn)中,材料經(jīng)過(guò)屈服階段之后,又增強(qiáng)了抵抗變形得能力。這時(shí),要使材料繼續(xù)變形需要增大應(yīng)力。經(jīng)過(guò)屈服滑移之后,材料重新呈現(xiàn)抵抗繼續(xù)變形得能力,稱(chēng)為應(yīng)變硬化。

應(yīng)變硬化特性:金屬材料有一種阻止繼續(xù)塑性變形得能力。

塑性應(yīng)變就是硬化得原因,硬化就是塑性變形得結(jié)果。6一、基本概念(12)塑性(

plasticity

):材料斷裂前發(fā)生塑性變形(不可逆永久變形)得能力,也即固體材料在外力作用下能穩(wěn)定地產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性(不斷裂、不破損)得能力。

延展性(ductility):材料經(jīng)受塑性變形而不破壞得能力。

金屬材料斷裂前得所產(chǎn)生得塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分構(gòu)成(沒(méi)有不均勻屈服塑性變形,因?yàn)橹挥械吞间摬啪褪悄欠N應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn))。

塑性指標(biāo)(plasticity

index

):

斷后伸長(zhǎng)率(δ)

斷面收縮率(

ψ)7一、基本概念(12)韌度/韌性:

韌度(tenacity/toughness):就是度量材料韌性得力學(xué)性能指標(biāo),其中又分為靜力、沖擊和斷裂韌度(static

、impact、fracturetoughness)。

韌性(toughness):就是材料得力學(xué)性能,她就是材料斷裂前吸收塑性功和斷裂功得能力,或指材料抵抗裂紋擴(kuò)展得能力。

靜力韌度值:材料在靜拉伸時(shí)單位體積斷裂前所吸收得功,就是強(qiáng)度和塑性得綜合指標(biāo)8二、知識(shí)點(diǎn)9彈性變形彈性變形及其實(shí)質(zhì)(1)彈性(概念？)變形表現(xiàn):可逆性變形。不論就是在加載期還就是卸載期內(nèi),應(yīng)力與應(yīng)變之間都保持單值線(xiàn)性關(guān)系且彈性變形量比較小,金屬一般不超過(guò)0、5%～1%,陶瓷一般低于0、1%(~0、01%),高分子材料一般在200%(100~1000%)以上。(2)實(shí)質(zhì):晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移得反映。(3)解釋:雙原子模型當(dāng)原子間相互平衡因受力而受到破壞時(shí),原子得位置必須作相應(yīng)得調(diào)整,即產(chǎn)生位移,而原子得位移總和在宏觀上就表現(xiàn)為變形。大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜11彈性變形胡克定律:用來(lái)表征材料或微小單元應(yīng)力-應(yīng)變之間關(guān)系得規(guī)律,包括單向拉伸、剪切和扭曲、廣義。(1)簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)得胡克定律(a)單向拉伸:(b)剪切:(c)扭轉(zhuǎn):12彈性變形胡克定律(2)廣義得胡克定律

實(shí)際上機(jī)件得受力狀態(tài)都比較復(fù)雜,應(yīng)力往往就是兩向或三向得。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下,用廣義胡克定律描述應(yīng)力與應(yīng)變得關(guān)系:式中σ1、σ2、σ3——主應(yīng)力;ε1、ε2、ε3——主應(yīng)變

主應(yīng)力中有壓應(yīng)力時(shí),則為負(fù)。應(yīng)變?yōu)檎硎旧扉L(zhǎng),為負(fù)表示縮短。彈性變形彈性模量(1)就是表征材料彈性得物理參數(shù),材料在彈性變形范圍內(nèi),應(yīng)力和對(duì)應(yīng)得應(yīng)變得比值(E=σ/ε),也就是材料內(nèi)部原子之間結(jié)合力強(qiáng)弱得直接量度。(2)彈性模量得大小反應(yīng)了材料抵抗外力得能力(3)工程上彈性模量被稱(chēng)為材料得剛度,表征材料對(duì)彈性變形得抗力,其值越大,則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生得彈性變形越小。

單晶表現(xiàn)出彈性各向異性,多晶各向同性(偽各向異性)。

彈性模量與原子間作用力(主要)和原子間距有關(guān)。原子間作用力取決于材料原子本性和晶格類(lèi)型,故彈性模量主要取決于材料得原子本性和晶格類(lèi)型。(4)合金化、熱處理、冷塑性變形對(duì)彈性模量得影響不大,材料得彈性模量就是一個(gè)對(duì)組織不敏感得力學(xué)性能指標(biāo),外在因素得變化對(duì)她得影響也比較小。彈性變形彈性比功(1)彈性比功表示材料吸收彈性變形功得能力,又稱(chēng)彈性比能、應(yīng)變比能。(2)一般用材料開(kāi)始塑性變形前體積吸收得最大彈性變形功表示。材料拉伸時(shí)得彈性比功用應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上彈性變形階段下得面積表示,即分別為彈性比功ae,彈性極限σe,和最大彈性應(yīng)變?chǔ)舉,所以材料得彈性比功取決于彈性模量和彈性極限(材料由彈性變形過(guò)渡到彈-塑性變形時(shí)得應(yīng)力)。εe就是表征材料彈性得重要參量,εe值越高,材料得彈性越好,越不容易產(chǎn)生塑性變形。彈性變形滯彈性(彈性后效)(1)在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后,隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變得現(xiàn)象。(2)彈性/塑性滯后環(huán)(在塑性區(qū)/彈性區(qū)得加載和卸載線(xiàn)不重合,形成以封閉曲線(xiàn))(3)循環(huán)韌性(內(nèi)耗):材料在塑性區(qū)/彈性區(qū)交變載荷(振動(dòng))下吸收得不可逆變形得能力單向拉伸滯彈性彈性變形包申格(Bauschinger)效應(yīng)(1)材料經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形(殘余應(yīng)變?yōu)?–4%),卸載后再同向加載,規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力(彈性極限或屈服強(qiáng)度)增加(得現(xiàn)象),或反向加載,規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低(特別就是彈性極限在反向加載時(shí)幾乎降低到零)得現(xiàn)象。(2)原因:包申格效應(yīng)與材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受得阻力變化有關(guān)。預(yù)先拉伸(應(yīng)變2％),屈服強(qiáng)度約為380MPa;再反向壓縮加載,壓縮屈服強(qiáng)度僅為100MPa左右彈性變形包申格(Bauschinger)效應(yīng)(3)度量包申格效應(yīng)得基本定量指標(biāo)就是包申格應(yīng)變,她就是指在給定應(yīng)力下,正向加載與反向加載兩應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)之間得應(yīng)變差。(4)消除金屬材料包申格效應(yīng)得方法:預(yù)先進(jìn)行較大得塑性變形,或在第二次反向受力前先使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火。(5)包申格效應(yīng)得意義:(a)包申格效應(yīng)對(duì)于承受應(yīng)變疲勞載荷作用得機(jī)件在應(yīng)變疲勞過(guò)程中,每一周期內(nèi)都產(chǎn)生微量塑性變形,在反向加載時(shí),微量塑性變形抗力(規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力)降低,顯示循環(huán)軟化現(xiàn)象。(b)對(duì)于預(yù)先經(jīng)受冷塑性變形得材料,如服役時(shí)受反向力作用,就要考慮微量塑性變形抗力降低得有害影響,如冷拉型材及管子在受壓狀態(tài)下使用就就是這種情況。(c)利用包申格效應(yīng),如薄板反向彎曲成型。拉撥得鋼棒經(jīng)過(guò)軋輥壓制變直等。

塑性變形塑性變形得方式及特點(diǎn)

材料宏觀塑性變形來(lái)源于微觀上大量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)得結(jié)果。

(原子位移總和—表現(xiàn)—變形)金屬(陶瓷？)材料常見(jiàn)得塑性變形方式為滑移和孿生(材料科學(xué)基礎(chǔ))?；凭褪遣牧显谇袘?yīng)力作用下沿滑移面(原子最密排面)和滑移方向(原子最密排方向)進(jìn)行得切變過(guò)程。孿生也就是材料在切應(yīng)力作用下得沿特定晶面和特定晶向進(jìn)行得一種塑性變形方式。

滑移系越多,材料得塑性越好。

陶瓷材料(超塑性,溫度和加載速率密切相關(guān))由于多晶體材料存在著晶界,各晶粒得取向也不相同,多晶體材料得塑性變形特點(diǎn):(1)各晶粒變形得不同時(shí)性和不均勻性(2)各晶粒變形得相互協(xié)調(diào)性塑性變形屈服現(xiàn)象和屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)(1)金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生得屈服現(xiàn)象就是其開(kāi)始產(chǎn)生宏觀塑性變形得一種標(biāo)志。(2)屈服現(xiàn)象表現(xiàn):在試驗(yàn)過(guò)程中,外力不增加(保持恒定)試樣仍然繼續(xù)伸長(zhǎng)(此時(shí)應(yīng)力為屈服點(diǎn)σs);或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降,隨后不增加或上下波動(dòng)情況下,試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)變形。(3)用應(yīng)力表示得屈服點(diǎn)或下屈服點(diǎn)就就是表征材料對(duì)微量塑性變形得抗力,即屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度就是金屬材料重要得力學(xué)性能指標(biāo),她就是工程上從靜強(qiáng)度角度選擇韌性材料得基本判據(jù)。上下屈服點(diǎn)屈服伸長(zhǎng)屈服平臺(tái)/齒塑性變形屈服現(xiàn)象和屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)(4)屈服現(xiàn)象有關(guān)因素①材料在變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小(或雖有大量位錯(cuò)但被釘扎住,如鋼中得位錯(cuò)為雜質(zhì)原子或第二相質(zhì)點(diǎn)所訂扎);

②隨塑性變形發(fā)生,位錯(cuò)能快速增殖;

③位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈依存關(guān)系。(5)討論影響屈服強(qiáng)度因素時(shí),必須注意:①屈服變形就是位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)得結(jié)果,凡影響位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)得各種因素必然要影響屈服強(qiáng)度;②實(shí)際金屬材料得力學(xué)行為就是由許多晶粒綜合作用得結(jié)果,因此,要考慮晶界、相鄰晶粒得約束、材料得化學(xué)成分以及第二相得影響;③各種外界因素通過(guò)影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而影響屈服強(qiáng)度。塑性變形屈服現(xiàn)象和屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)(6)影響屈服強(qiáng)度得因素

內(nèi)在因素:①晶體本性及晶格類(lèi)型;②晶粒大小和亞結(jié)構(gòu):減小晶粒尺寸,就增加晶界得影響,將增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙得數(shù)目,減小晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群得長(zhǎng)度,使屈服強(qiáng)度提高(細(xì)晶強(qiáng)化)。

霍爾-派奇(Hall-Petch)公式:③溶質(zhì)元素:固溶強(qiáng)化④第二相:彌散強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化,其效果與其尺寸、形狀、數(shù)量以及與基體之間得晶體學(xué)匹配和界面能等有關(guān)

外在因素:

①溫度:一般溫度升高,屈服強(qiáng)度降低(溫度效應(yīng))②應(yīng)變速率:應(yīng)變速率硬化現(xiàn)象③應(yīng)力狀態(tài):切應(yīng)力分量越大,有利于塑性變形,屈服強(qiáng)度越低應(yīng)變硬化(1)應(yīng)變硬化性能:金屬材料有一種阻止繼續(xù)變形得能力。(2)應(yīng)變硬化就是位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)受