1、2020/8/4,中原工學(xué)院,1,第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能,2020/8/4,中原工學(xué)院,2,單向靜拉伸載荷,靜載：加載速度很小（1 10MPa/s） 大氣環(huán)境中 常壓 常溫,2020/8/4,中原工學(xué)院,3,1.1 材料在靜拉伸時(shí)的力學(xué)行為概述,1、拉伸性能: 靜拉伸是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)方法。 通過拉伸試驗(yàn)可測(cè)材料的彈性模量E、屈服強(qiáng)度s、抗拉強(qiáng)度b、斷裂強(qiáng)度k 、延伸率、斷面收縮率等重要的力學(xué)性能指標(biāo)，統(tǒng)稱拉伸性能，是材料的基本力學(xué)性能。,2020/8/4,中原工學(xué)院,4,彈性模量E，主要用于零件的剛度設(shè)計(jì)(EA)； 材料的屈服強(qiáng)度s和抗拉強(qiáng)度b則主要用于零件的

2、強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，特別是抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度有一定的比例關(guān)系，這就進(jìn)一步為材料在交變載荷下使用提供參考依據(jù)； 材料的塑性指標(biāo)，如延伸率、斷面收縮率等主要是為材料在冷熱變形時(shí)的工藝性能作參考。,2、拉伸性能指標(biāo)的作用、用途：,2020/8/4,中原工學(xué)院,5,拉伸試驗(yàn) 1. 拉伸試件的形狀和尺寸,常用的拉伸試件:為了能夠比較不同尺寸試樣所測(cè)得的延伸性能,要求試樣幾何相似，l0A01/2要為同一常數(shù)。其中l(wèi)0 為標(biāo)距，A0為試件的初始橫截面積。 光滑圓柱試件:試件的標(biāo)距長(zhǎng)度l0比直徑d0要大得多；通常，l0=5d0或l0=10d0 ，對(duì)應(yīng)l0=5.65A01/2或11.3A0 1/2 板狀試件:試件的

3、標(biāo)距長(zhǎng)度l0應(yīng)滿足下列關(guān)系式：l0=5.65A01/2或11.3A0 1/2 。 具體標(biāo)準(zhǔn)：GB639786,2020/8/4,中原工學(xué)院,6,2020/8/4,中原工學(xué)院,7,2.拉伸實(shí)驗(yàn)中注意的問題,a. 拉伸加載速率低。 嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 639786進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其結(jié)果方為有效，由不同的實(shí)驗(yàn)室和工作人員測(cè)定的拉伸性能數(shù)據(jù)才可以互相比較。 b. 拉伸試驗(yàn)機(jī)帶有自動(dòng)記錄或繪圖裝置，記錄或繪制試件所受的載荷P和伸長(zhǎng)量l之間的關(guān)系曲線;,2020/8/4,中原工學(xué)院,8,拉伸圖 與拉伸曲線,拉伸圖加載后標(biāo)距間的長(zhǎng)度變化量l 載荷P關(guān)系曲線 拉伸曲線工程應(yīng)力應(yīng)變曲線 工程應(yīng)力載荷除以試件的原

4、始截面積即得工程應(yīng)力，=PA0 工程應(yīng)變伸長(zhǎng)量除以原始標(biāo)距長(zhǎng)度即得工程應(yīng)變，=ll0,2020/8/4,中原工學(xué)院,9,3、典型的拉伸曲線,1）把材料按塑性分類： 按材料在拉伸斷裂前是否發(fā)生塑性變形，將材料分為脆性材料和塑性材料兩大類。脆性材料在拉伸斷裂前不產(chǎn)生塑性變形, 只發(fā)生彈性變形；塑性材料在拉伸斷裂前會(huì)發(fā)生塑性變形。 塑性材料又分為高塑性材料和低塑性材料。 高塑性材料在拉伸斷裂前不僅產(chǎn)生均勻的伸長(zhǎng)，而且發(fā)生頸縮現(xiàn)象，塑性變形量大。低塑性材料在拉伸斷裂前只發(fā)生均勻伸長(zhǎng)，不發(fā)生頸縮，塑性變形量較小。,2020/8/4,中原工學(xué)院,10,2）典型的拉伸曲線,2020/8/4,中原工學(xué)院,11

5、,4、拉伸性能,彈性模量E: 單純彈性變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的比值。 比例極限P 彈性極限e,2020/8/4,中原工學(xué)院,12,彈性極限的測(cè)定,理論上：彈性極限的測(cè)定應(yīng)該是通過不斷加載與卸載，直到測(cè)出能使變形完全恢復(fù)的極限載荷。 實(shí)際上：彈性極限的測(cè)定是規(guī)定某一少量的殘留變形（如0.01%）為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)此殘留變形的應(yīng)力即為彈性極限。,2020/8/4,中原工學(xué)院,13,對(duì)于拉伸曲線上有明顯的屈服平臺(tái)的材料，屈服平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為屈服強(qiáng)度 s = Ps / A0 Ps-首次下降的最低載荷,屈服強(qiáng)度s：,2020/8/4,中原工學(xué)院,14,對(duì)于拉伸曲線上沒有屈服平臺(tái)的材料，將屈服強(qiáng)度定義為產(chǎn)生0

6、.2% 殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，記為0.2 （也有0.1等 ） s = 0.2 = P0.2 / A0 工程上根據(jù)要求高低，P、 e、 s都可以作屈服強(qiáng)度使用（規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力）。,2020/8/4,中原工學(xué)院,15,試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力，以前稱為強(qiáng)度極限。取拉伸圖上的最大載荷，即對(duì)應(yīng)于b點(diǎn)的載荷除以試件的原始截面積，即得抗拉強(qiáng)度，記為b b = PmaxA0,抗拉強(qiáng)度b：,2020/8/4,中原工學(xué)院,16,延伸率：,材料的塑性常用延伸率表示。測(cè)定方法如下：拉伸試驗(yàn)前測(cè)定試件的標(biāo)距L0，拉伸斷裂后測(cè)得標(biāo)距為L(zhǎng)k，然后按下式算出延伸率,2020/8/4,中原工學(xué)院,17,拉斷后測(cè)量LK注

7、意事項(xiàng),2020/8/4,中原工學(xué)院,18,斷面收縮率K是評(píng)定材料塑性的主要指標(biāo)。,斷面收縮率：,2020/8/4,中原工學(xué)院,19,真應(yīng)力、真應(yīng)變的定義：,真應(yīng)力：,真應(yīng)變：,此處是截面收縮率,2020/8/4,中原工學(xué)院,20,拉伸斷裂時(shí)的真應(yīng)力稱為斷裂強(qiáng)度，記為K 。試驗(yàn)時(shí)測(cè)出斷裂點(diǎn)的截荷PK，試件的最小截面積AK，則 K = PK / AK 通常在拉伸試驗(yàn)中，不測(cè)定斷裂強(qiáng)度,可以根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式估算斷裂強(qiáng)度 K =b（1+K）,斷裂強(qiáng)度：,2020/8/4,中原工學(xué)院,21,拉伸斷裂時(shí)的真應(yīng)變稱為斷裂延性,記為 K ，或稱斷裂真應(yīng)變。 斷裂延性之值不能由實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定，但可下式求得 K

8、= ln(1 K) = ln(1/(1 K),斷裂延性：,2020/8/4,中原工學(xué)院,22,1.2 彈性變形,彈性變形原理（雙原子模型） 彈性變形三個(gè)特點(diǎn)： 1、可逆性； 2、單值性； 3、變形很小（計(jì)算25，實(shí)際0.51）。,2020/8/4,中原工學(xué)院,23,虎克定律,在單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系為： 一般應(yīng)力狀態(tài)下各向同性材料的廣義虎克定律為：,2020/8/4,中原工學(xué)院,24,如用主應(yīng)力狀態(tài)表示廣義虎克定律，則有,2020/8/4,中原工學(xué)院,25,彈性模量,工程上把彈性模量E、G稱做材料的剛度，它表示材料抵抗彈性變形的能力，也即對(duì)彈性變形的抗力。其值越大，相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性

9、變形越小。,2020/8/4,中原工學(xué)院,26,影響E的特征因素,不同類型的材料，其彈性模量差別很大。 1、與原子序數(shù)有周期性關(guān)系，原子半徑E。 2、彈性模量是和材料的熔點(diǎn)成正比的，越是難熔的材料彈性模量也越高。例如鐵(鋼)的彈性模量為210GPa，是鋁(鋁合金)的三倍(EAl70GPa)，而鎢的彈性模量又是鐵的兩倍(Ew420GPa)。,2020/8/4,中原工學(xué)院,27,3、溫度T： T， 原子結(jié)合力下降，E。 4、加載速度：對(duì)E 影響不顯著。 5、合金化（加入某種金屬）、熱處理對(duì)E影響不明顯，是一個(gè)對(duì)組織不敏感的性能指標(biāo)。,2020/8/4,中原工學(xué)院,28,零件的剛度與材料的剛度,零件

10、的剛度與材料的剛度不同，它除了決定于材料的剛度外還與零件的截面尺寸、截面形狀有關(guān)。 零件剛度EA,2020/8/4,中原工學(xué)院,29,在機(jī)械設(shè)計(jì)中，有時(shí)剛度是第一位的。精密機(jī)床的主軸如果不具有足夠的剛度，就不能保證零件的加工精度。若汽車拖拉機(jī)中的曲軸彎曲剛度不足，就會(huì)影響活塞、連桿及軸承等重要零件的正常工作；若扭轉(zhuǎn)剛度不足，則可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。曲軸的結(jié)構(gòu)和尺寸常常由剛度決定，然后作強(qiáng)度校核。通常由剛度決定的尺寸遠(yuǎn)大于按強(qiáng)度計(jì)算的尺寸。所以，曲軸只有在個(gè)別情況下才發(fā)生斷裂，這一般是制造工藝不當(dāng)所致。（另如鏜刀等）,2020/8/4,中原工學(xué)院,30,金屬的彈性和彈性比功,金屬的彈性是金屬

11、彈性變形的能力，可以用開始塑性變形前的最大彈性應(yīng)變表示。金屬拉伸時(shí)，其彈性可用彈性極限所對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變表示。,2020/8/4,中原工學(xué)院,31,彈性比功,彈性比功：代表金屬吸收彈性變形功的能力，又稱彈性比能，應(yīng)變比能。用金屬開始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功表示。 等于應(yīng)力應(yīng)變曲線下彈性范圍內(nèi)面積。 彈性比功=ee/2=e2/2E,2020/8/4,中原工學(xué)院,32,彈簧,對(duì)于彈簧零件來說，不管彈簧的形狀如何（是螺旋彈簧還是板彈簧），也不管彈簧的受力方式如何（是拉壓彎曲還是彎扭）都是用來減震和儲(chǔ)能的，都要求其在彈性范圍內(nèi)（彈性極限以下）有盡可能高的彈性和彈性比功。,2020/8/4,

12、中原工學(xué)院,33,提高彈性比功的措施,由上面兩個(gè)式子可知，彈性和彈性比功都取決于材料的彈性模量和彈性極限。彈性模量是材料的剛度性能，材料的成分與熱處理對(duì)它影響不大，很難改變；而彈性極限是材料的強(qiáng)度性能，改變材料的成分、熱處理及變形強(qiáng)化等都能顯著提高材料的彈性極限。只好用提高彈性極限的方法來提高材料的彈性和彈性比功。,彈性比功=2e /2E,2020/8/4,中原工學(xué)院,34,例如硅錳彈簧鋼加入Si、Mn、Cr、V以強(qiáng)化鐵素體基體，并經(jīng)淬火加中溫回火獲得回火屈氏體組織，這些都可以有效地提高彈性極限。對(duì)于較細(xì)的彈簧鋼絲常處理成索氏體并經(jīng)冷拔變形強(qiáng)化。儀表彈簧因要求無磁性，常采用鈹青銅或磷青銅制造。

13、這類材料E較低彈性極限較高，具有很好的彈性，而稱為軟彈簧材料。,2020/8/4,中原工學(xué)院,35,彈性與剛度的區(qū)別,彈性表征材料彈性變形的能力。 剛度表征材料彈性變形的抗力。 例：汽車彈簧可能出現(xiàn)這樣兩種情況：一種是汽車沒有滿載，彈簧變形已達(dá)到最大，卸載后，彈簧完全恢復(fù)到原來的狀態(tài)，這是由于彈簧的剛度（EA）不足所造成。由于彈性模數(shù)是對(duì)成分、組織不敏感的性能，因此，解決這一問題，要從加大彈簧尺寸和改進(jìn)彈簧結(jié)構(gòu)著手，或者換E大的材料。另一種情況是彈簧使用一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)彈簧的弓形愈來愈小，即產(chǎn)生了塑性變形，這是彈簧的彈性不足所造成?？梢杂酶淖冧摲N，熱處理等提高鋼的彈性極限進(jìn)而提高彈性（彈性比功

14、）的辦法來解決。,2020/8/4,中原工學(xué)院,36,2020/8/4,中原工學(xué)院,37,彈性的不完整性,完全的純彈性體的彈性應(yīng)變只于載荷大小有關(guān)，而與加載方式和加載時(shí)間無關(guān)。 實(shí)際上，由于金屬材料不是完全的純彈性體，內(nèi)部有各種缺陷，使得金屬的彈性應(yīng)變與加載時(shí)間有關(guān)，因而產(chǎn)生了滯彈性和包申格效應(yīng)等彈性的不完整性。,2020/8/4,中原工學(xué)院,38,滯彈性,理想的彈性體其彈性變形速度是很快的，相當(dāng)于聲音在彈性體中的傳播速度。因此，在加載時(shí)可認(rèn)為變形立即達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的相應(yīng)值，卸載時(shí)也立即恢復(fù)原狀，圖上的加載與卸載應(yīng)在同一直線上，也就是說應(yīng)變與應(yīng)力始終保持同步（單值性）。 實(shí)際材料中,在彈

15、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)變的現(xiàn)象，稱為滯彈性。,2020/8/4,中原工學(xué)院,39,滯彈性應(yīng)變量與材料成分、組織有關(guān)，也與試驗(yàn)條件有關(guān)。材料組織越不均勻，滯彈性越明顯。鋼經(jīng)淬火或塑性變形后，由于增加了組織不均勻性，故滯彈性傾向增大。加載速度越大，滯彈性應(yīng)變量越大。,2020/8/4,中原工學(xué)院,40,彈性滯后環(huán),由于實(shí)際金屬材料具有滯彈性，因此在彈性區(qū)內(nèi)單向快速加載、卸載時(shí)，加載線與卸載線不重合，形成一封閉回線，即彈性滯后環(huán)。,存在滯后環(huán)現(xiàn)象，說明加載時(shí)消耗于金屬的變形功大于卸載時(shí)金屬恢復(fù)變形放出的變形功，有一部分變形功為金屬所吸收，其大小用滯后環(huán)面積度量。,2020

16、/8/4,中原工學(xué)院,41,如果施加交變載荷，且最大應(yīng)力低于彈性極限，加載速率比較大，則也得到彈性滯后環(huán)(圖1-6b)。 若交變載荷中最大應(yīng)力超過彈性極限，則得到塑性滯后環(huán)(圖1-6c)。,2020/8/4,中原工學(xué)院,42,金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，稱為金屬的循環(huán)韌性，也叫金屬的內(nèi)耗。 循環(huán)韌性也是金屬材料的一個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)，因?yàn)樗硎静牧衔詹豢赡孀冃喂Φ哪芰Γ视址Q為消振性。目前尚無統(tǒng)一評(píng)定循環(huán)韌性的指標(biāo)。,2020/8/4,中原工學(xué)院,43,常見金屬材料的循環(huán)韌性值見表,2020/8/4,中原工學(xué)院,44,滯彈性的工程意義,彈性滯后環(huán)面積雖然很小，但在工程上對(duì)一些產(chǎn)生

17、振動(dòng)的零件卻很重要，它可以減小振動(dòng)，使振動(dòng)幅度很快地衰減下來?；诣T鐵因含有石墨，具有很高的循環(huán)韌性，不易傳送彈性機(jī)械振動(dòng)，故常被用來制作機(jī)床床身和內(nèi)燃機(jī)的支座。 滯彈性也有不好的一面，如在精密儀表中的彈簧、油壓表或氣壓表的測(cè)力彈簧，要求彈簧薄膜的彈性變形能靈敏地反映出油壓或氣壓的變化，因此不允許材料有顯著的滯彈性。 樂器(簧片、琴弦等)所用金屬材料的循環(huán)韌性越小，其音質(zhì)越佳。,2020/8/4,中原工學(xué)院,45,包申格（Baushinger）效應(yīng),金屬材料經(jīng)過預(yù)先加載（拉、壓扭）產(chǎn)生少量塑性變形（小于14），然后再同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加，反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低的現(xiàn)象。,退火軋制

18、黃銅的包申格（Baushinger）效應(yīng),2020/8/4,中原工學(xué)院,46,對(duì)某些鋼和鈦合金，因包申格效應(yīng)可使屈服強(qiáng)度降低1520。 所有退火狀態(tài)和高溫回火的金屬與合金都有包申格效應(yīng)，因此，包申格效應(yīng)是多晶體金屬所具有的普遍現(xiàn)象。,2020/8/4,中原工學(xué)院,47,T10鋼的包辛格效應(yīng),條件：T10鋼淬火350回火 曲線1 正常拉伸時(shí) 0.2=1130M Pa 曲線2 事先經(jīng)過預(yù)壓變形再拉伸時(shí), 0. 2 =880M Pa,2020/8/4,中原工學(xué)院,48,包辛格效應(yīng)產(chǎn)生原因,不同的書有不同解釋。 預(yù)先加載變形時(shí),位錯(cuò)源在滑移面上產(chǎn)生的位錯(cuò)遇到障礙,塞積，卸載后正向加載，位錯(cuò)難啟動(dòng),當(dāng)反向加載時(shí),位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向與原來方向相反,位錯(cuò)離開塞集運(yùn)動(dòng),塑性變形容易,屈服強(qiáng)度,另外,反向加載時(shí),滑移面上產(chǎn)生的位錯(cuò)與預(yù)變形的位錯(cuò)異號(hào),異號(hào)位錯(cuò)銷毀,引起材料軟化,S,2020/8/4,中原工學(xué)院,49,包辛格效應(yīng)的應(yīng)用,包申格效應(yīng)對(duì)于承受應(yīng)變疲勞載荷作用的機(jī)件是很重要的（塑性滯后環(huán)）。因?yàn)椴牧显趹?yīng)變疲勞過程中，每一周期內(nèi)都產(chǎn)生微量塑性變形，在反向加載時(shí)，塑性變形抗力(屈服強(qiáng)度)降低，