导图社区 力学性能知识导图
材料力学性能中整理的单向静拉伸下的力学表现,包括弹性过程,屈服阶段,塑性表现,断裂强度等,内容丰富全面且思路清晰,适用于考试复习!
编辑于2021-10-19 19:03:31材料力学性能1 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
第一节拉伸力-伸长曲线和应力应变曲线
子主题
oe退火低碳钢的变形过程:弹性变形,ec不均匀屈服塑性变形, cb不均匀集中塑性变形,bk不均匀塑性变形,k断裂
将F-L曲线除以截面积S,原始长度L得到δ-ε应力/应变工程条件曲线
真实应力曲线,是将应力应变曲线中的S替换成真实的截面积和的对应载荷
子主题
归纳的相关力学性能和条件
对组织不敏感
弹性模量,刚度,表明金属材料对弹性变形的抗力。 其取决于原子间作用力和原子间距的关系
对组织敏感
弹性极限,屈服强度,表明材料对微量塑性变形的抗力
弹性比功,比应变能,表明金属材料吸收弹性变形功的能力
通常用提高材料弹性极限强度来提高弹性比功
加入合金元素,淬火加中温回火得到拖氏体,及冷变形强化提高弹性极限。
滞弹性,表明弹性变形不仅是载荷大小的函数,还是时间的函数
应变落后于应力
钢经淬火,塑性变形是组织不均匀使滞弹性增大
因为滞弹性产生弹性滞后环 滞后环大小表征金属吸收弹性变形功的大小
内耗:金属在塑性变形区加载时吸收的不可逆变形功
循环韧性:金属在弹性变形区加载时吸收的不可逆变形功
循环韧性大:减震性能好利好精密仪器等 循环韧性小:回弹性能好利好乐器
第二节
包申格效应Bauschinger
金属预加载产生少量塑性变形1-4左右,卸载后同向加载,残余延伸强度/屈服强度增强; 反向加载残余延伸强度减小。
子主题
包申格应变的产生和金属材料中位错的运动受到的阻力的变化有关 和林位错的位置相关
包申格效应 β大的,疲劳寿命低;β小的,疲劳寿命高
也可以利用包申格应变进行材料加工
利用包申格应变β=bc表征包申格效应产生的大小
包申格效应发生在断裂强度之前
第三节塑性变形
塑性变形的方式及特点
滑移:是金属材料在切应力作用下使位错沿滑移面 和滑移方向运动的切变过程
滑移系越多,塑性越好 滑移面受温度的,金属 成分,预先塑形变形的 影响
滑移面,滑移方向就是密排面和密排方向
密排面间的原子相距最近,故在传递应力应变时响应的速度最快
孪生:金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式
同样会沿特定的晶向和晶面进行 塑性变形的量:会比滑移小很多 一般在温度较低时发生,仅有7.4 的变形量,而滑移则高达300
多晶体的塑性变形特点
1各晶粒变形的不均匀性和不同时性
不均匀性和不同时性相互联系
金属塑性变形的不同时性实际反映了塑性变形的局部性,即变形量的不均匀性
2各晶粒变形的协调性
多晶体作为一个协调的整体,不允许各个晶粒在任意滑移系中自由变形 ,否则必将造成晶界开裂,就要求各晶粒之间能协调变形
屈服现象和屈服强度 屈服现象是金属开始宏观 塑性变形的一种标志
上屈服强度:试样发生屈服首次下降前的最大应力
下屈服强度:在屈服期间不计瞬时效应时的最小应力
规定延伸强度:人为规定试样拉伸引申计标距部分产生一定量的微量塑性延伸率时的应力
Rp规定塑性延伸强度:塑性延伸率等于规定的引伸计部分产生一定的塑性延伸率时的应力
Rr规定残余延伸率强度
Rt规定总延伸强度
屈服判据实际上就是机件开始塑性变形的强度设计准则
ε=εs/n
n为安全系数≥2
屈服平台产生的原因:柯氏气团,杂质原子,第二相质点的钉扎作用。 产生钉扎作用的对象如同路障,阻碍了位错的运动,致使产生屈服所 需的应力发生不均匀的变化。idea。Ky为钉扎系数。钉扎作用的发生是能量作用的结果
影响屈服现象的因素
材料变形前可动位错密度小
随塑性变形发生,位错能快速增殖
ε=bρv
m`的值越大为使位错运动平均运动速率变化所需的应力变化越大,屈服现象就越明显
位错运动速率与外加应力有强烈依存关系
屈服现象的不均匀会使低碳钢冲压件表面产生褶皱现象
可先预变形1-2来消除屈服现象
和包申格效应之间有很大的联系
与包申格现象不同,宏观上是通过预变形的变形量,使应变直接超过屈服平台所在的应变区间
影响屈服强度的因素 1.屈服变形是位错运 动和增殖 2.实际金属的力学行 为是由许多晶粒综合 作用的结果 3.各种外界因素通过 影响位错运动而影响 屈服强度
影响屈服强度的内在因素
金属本性及晶格类型
晶格阻力即派纳力
位错交互产生的阻力
平行位错交互的作用力
运动位错和林位错交互作用产生的阻力
晶粒大小和亚结构
hall-petch公式 屈服强度和晶粒大小之间的关系
溶质原子
溶质原子周围产生的晶格畸变力场与位错应力场交互作用使位错运动受阻,提高屈服强度
第二相
可变形的
位错切过,提高屈服强度
不可变形的
位错绕过形成位错环,提高屈服强度
强化的作用取决于第二相质点之间的距离
影响屈服强度的外在因素
一般,升高温度,金属材料的屈服强度降低
一般认为是温度影响了τp-n短程力
应变速率增大,金属材料的强度增加,屈服强度随应变速率的变化比抗拉强度的变化明显的多
应力状态也会影响屈服强度,切应力分量越大,越有利于塑性变形,屈服强度则越低,但三向不等拉伸下的屈服强度最高
为啥应力状态会影响屈服强度
说明屈服强度是一个对组织结构敏感的力学性能 也就还是不同的应力状态产生了不同的组织形态
材料在不同条件下表现的力学性能不一样的力学行为
应变硬化
位错增殖,运动受阻所致屈服强度增大
应变硬化指数n反映金属抵抗均匀塑性变形的能力,表征金属应变硬化行为的性能指标
n值与层错能的大小正相关
材料n值较大,承受过载的能力较强,可以阻止某些薄弱部分塑性变形,保证安全服役
n值随材料的晶粒变粗而提高
可对材料局部进行应变硬化处理,如喷丸,表面滚压 可有效提高强度和疲劳强度
缩颈现象和抗拉强度
缩颈现象是应变硬化和截面减小共同作用的结果
缩颈的判据是df=0
抗拉强度:韧性金属材料在拉断过程中相应最大力F的应力大小
Rm标志韧性金属材料的实际承载能力
Rm就是脆性材料的断裂强度
Rm高低取决于屈服强度和应变硬化指数
屈服强度一定时,应变硬化指数越大,Rm也就越高
塑性 是指金属材料在断裂前 发生塑性变形(不可逆) 的能力
塑性与塑性指标
缩颈前的称为均匀塑性变形 缩颈时的称为集中塑性变形
均匀塑性变形量一般不超过集中塑性变形量的50% 许多钢材的比例达到了5%~10%,铝在18%~20% 黄铜在35%~45%
塑性指标
断后伸长率A
式中L0/√S0=K为一常数 通常取K=5.65或11.3
选用原则
单一拉伸条件的长形零件,用A来衡量
非长形零件且拉伸时出现颈缩,用Z衡量
断面收缩率Z
A和Z的相对大小可以判断金属拉伸是否形成颈缩
Z>A,则两者之差越大颈缩越严重
A≥Z,则金属材料不形成颈缩
A和Z越大塑性会越好
塑性变形的意义
塑性变形可以缓和应力集中的作用
对于有裂纹的机件,塑性可以松弛裂纹尖端的局部应力,阻止裂纹扩展
对于金属成形加工十分重要
有了塑性才能进行金属冷加工
才能更好的完成机器的装配和修复
还能反映冶金质量的优劣
屈强比 金属材料屈服强度和抗拉的比值
比值的大小反映材料均匀塑性变形的能力和应变硬化性能
屈强比大均匀塑性变形的能力差而屈服强度高
大跨度结构钢板的屈强比应较低,避免应力集中部位的脆性断裂
弹簧的屈强比较大但也要求有一定的韧性
屈强比小,表明材料均匀塑性变形的能力强,塑性好,材料易冷成形
静力韧度/强塑积 金属材料在静拉伸时单位体积 材料在断裂前所吸收的功。 是强度和塑性的综合指标
材料在真实应力应变曲线下所包围的面积即可得出静力韧度
高强度,高塑性即要求有较大的静力韧度
高的强塑积也可以提高构件抗冲击能力
第四节 金属的断裂
断裂的类型
磨损,腐蚀,断裂三种材料的主要失效形式
大多断裂过程包括裂纹形成和扩展两个过程
判断是脆性断裂还是韧性断裂,一般认为断面收缩率小于5%的为脆性断裂
宏观上是脆性断裂,但是在局部还是会有韧性断裂的特征
韧性断裂 金属材料在断裂前 产生明显塑性变形 的断裂
宏观断口呈锥状,有纤维区,放射区和剪切唇组成
在中心三向应力作用下塑性变形难以进行,致使中心部分的夹杂物或第二相本身断裂 实夹杂物等质点和基体脱离形成微孔,微孔不断长大和聚合形成显微裂纹,进而形成 纤维区
纤维区中裂纹扩展很慢,达到临界尺寸时扩展为放射区
杯锥成形示意图
一般来说材料强度提高,塑性降低,放射区比例增大; 试样的尺寸加大,放射区明显增大,纤维区无明显变化。
脆性断裂 是突然发生的断裂 断裂应力很低,低于 材料的屈服强度,无 塑性变形发生,没有 明显征兆
穿晶断裂
穿过了晶粒内部
可以是韧性断裂 韧脆转化温度以上的穿晶断裂
可以是塑性断裂 低温下的穿晶解理断裂
沿晶断裂
大多为脆性断裂由于晶界上一 薄层连续或不连续的第二相夹 杂物破坏了晶界的连续性
大多为脆性断裂
应力腐蚀
氢脆
回火脆性
淬火裂纹
磨削裂纹
纯剪切断裂
是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离断裂
单晶体金属常发生
微孔聚集形断裂
通过微孔形核,长大,聚合而导致材料分离
实际材料中常发生
解理断裂
金属在一定条件下,外加正应力达到一定数值后 ,以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂
解理面一般是低指数晶面 或表面能最低的晶面
裂纹形成与位错运动有关
G.ZENER
滑移面上的切应力作用下, 刃形位错在晶界前受阻并 互相靠近形成位错塞积,当 切应力达到一定值时,塞积 头处形成楔形裂纹
塞积头处的最大应力能够等于理论断裂强度形成裂纹 塞积头处拉应力在与滑移面呈θ=75度时达最大值。
断裂强度
决定材料强度的最基本因素是原子间结合力
两原子面做相对刚性位移所需的理论切应力为理论切变强度
将两原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力即理论断裂强度
晶体脆性断裂时所消耗的功会用来供给两个新表面所需的表面能
断裂强度的裂纹理论,对脆性断裂的解释
实际材料中早已存在裂纹,局部应力集中已经达到很高的数值。 由于能量平衡,系统中存在裂纹使弹性能降低,相应的会与裂纹 增加的表面能相平衡。弹性能降低难以满足表面能增加时会导致 裂纹失稳扩展,带来脆性破坏。
格雷菲斯裂纹模型 作为脆性断裂的断 裂判据
裂纹失稳扩展的临界应力 即格雷菲斯公式
尺寸公式
裂纹扩展尺寸与能量变化的关系 格雷菲斯公式即总能量的最高点 的特殊情况
满足格雷菲斯能量条件也会同时满足 应力判据所规定的判据的充分条件。
裂纹扩展的充分条件是其尖 端应力大于理论断裂强度
奥罗万和欧文修正格雷菲斯公式使之使用于 工程金属材料得到格雷菲斯-奥罗万-欧文公式
断裂理论的意义
根据裂纹扩展的临界力学条件讨论了影响材料韧性,脆性的内因和外因 指明了韧化材料的方向。同时清楚了,材料的所谓韧性和塑性是金属材 料在不同条件下表现的力学行为和力学状态,两者可相互转化