材料单向静拉伸的力学性能.pptx
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1、第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能1材料力学性能的研究任务材料力学性能的研究任务材料力学性能研究的重要任务,就是材料力学性能研究的重要任务,就是研究材料在受载研究材料在受载过程中变形和断裂的规律。过程中变形和断裂的规律。单向静拉伸试验单向静拉伸试验是工业生产和材料科学研究中应用最是工业生产和材料科学研究中应用最广泛的材料力学性能试验方法。通过拉伸试验可以揭示广泛的材料力学性能试验方法。通过拉伸试验可以揭示材料在静载作用下的材料在静载作用下的应力应变关系应力应变关系及常见的及常见的3 3种失效形种失效形式式(过量弹性变形、塑性变形和断裂过量弹性变形、塑性变形和断裂)的
2、特点和基本规律,的特点和基本规律,还可以评定出还可以评定出材料的基本力学性能指标材料的基本力学性能指标,如,如屈服强度、屈服强度、拉拉伸伸强度、伸长率和断面收缩率强度、伸长率和断面收缩率等。等。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能2这些性能指标既是这些性能指标既是材料的工程应用、构件设计和科学材料的工程应用、构件设计和科学研究研究等方面的计算依据,也是等方面的计算依据,也是材料的评定和选用以及加材料的评定和选用以及加工工艺选择工工艺选择的主要依据。的主要依据。本章介绍这些本章介绍这些性能指标的物理概念和工程意义性能指标的物理概念和工程意义,讨论,讨论材料材料弹性变形、
3、塑性变形及断裂行为弹性变形、塑性变形及断裂行为的基本规律及其与的基本规律及其与材料组织结构的关系,在此基础上探讨材料组织结构的关系,在此基础上探讨提高材料性能指提高材料性能指标的途径和方向标的途径和方向。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能3 1-1力力伸长曲线和应力伸长曲线和应力应变曲线应变曲线一、拉伸力一、拉伸力-伸长曲线伸长曲线在整个拉伸过程中在整个拉伸过程中的变形可分为的变形可分为弹性变弹性变形、屈服变形、均匀形、屈服变形、均匀塑性变形塑性变形(强化强化)及不及不均匀集中塑性变形均匀集中塑性变形(局部变形局部变形)4 4个阶段。个阶段。第一章第一章 材料单向静
4、拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能4退火低碳钢的力一伸长曲线是一种最典型的曲线,除退火低碳钢的力一伸长曲线是一种最典型的曲线,除低碳钢外,正火、退火或调质的各种碳素结构钢和一低碳钢外,正火、退火或调质的各种碳素结构钢和一般的合金结构钢都有类似的力一伸长曲线,只是力的般的合金结构钢都有类似的力一伸长曲线,只是力的大小和变形量的多少不同而已。大小和变形量的多少不同而已。并非所有的材料或同一材料在不同条件下都具有相同并非所有的材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸曲线。类型的拉伸曲线。一、拉伸力一、拉伸力-伸长曲线伸长曲线 1-1力力伸长曲线和应力伸长曲线和应力应变曲线应变曲线第一章第一
5、章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能5一、拉伸力一、拉伸力-伸长曲线伸长曲线 1-1力力伸长曲线和应力伸长曲线和应力应变曲线应变曲线1 1 1 1、淬火高碳钢淬火高碳钢淬火高碳钢淬火高碳钢弹性形变、弹性形变、弹性形变、弹性形变、少量均匀塑性形变少量均匀塑性形变少量均匀塑性形变少量均匀塑性形变2 2 2 2、低合金结构钢低合金结构钢低合金结构钢低合金结构钢弹性形弹性形弹性形弹性形变、大量均匀塑性形变。变、大量均匀塑性形变。变、大量均匀塑性形变。变、大量均匀塑性形变。3 3 3 3、黄铜黄铜黄铜黄铜弹性形变、均匀弹性形变、均匀弹性形变、均匀弹性形变、均匀和不均匀塑性形变。和不均匀塑
6、性形变。和不均匀塑性形变。和不均匀塑性形变。4 4 4 4、陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃只有弹性只有弹性只有弹性只有弹性形变。形变。形变。形变。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能6一、拉伸力一、拉伸力-伸长曲线伸长曲线 1-1力力伸长曲线和应力伸长曲线和应力应变曲线应变曲线5 5 5 5、橡胶橡胶橡胶橡胶只有弹性形变,只有弹性形变,只有弹性形变,只有弹性形变,少量或没有塑性形变。少量或没有塑性形变。少量或没有塑性形变。少量或没有塑性形变。6 6 6 6、工程塑料工程塑料工程塑料工程塑料弹性形变、弹性形变、弹性形变、弹性形变、均匀和不均匀塑性形变。均匀和不
7、均匀塑性形变。均匀和不均匀塑性形变。均匀和不均匀塑性形变。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能7注意:注意:对于对于高分子聚合物材料高分子聚合物材料来说:来说:由于其在结构上的力学状态差异及对温度的敏感性,由于其在结构上的力学状态差异及对温度的敏感性,力一伸长曲线可有多种形式。力一伸长曲线可有多种形式。不同的材料或同一材料在不同条件下可有不同形式不同的材料或同一材料在不同条件下可有不同形式的力一伸长曲线。的力一伸长曲线。这主要是由材料的这主要是由材料的键合方式、化学成分和组织状态键合方式、化学成分和组织状态等多种因素共同决定的。等多种因素共同决定的。第一章第一章 材料
8、单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能8将图将图1-1所示的力所示的力-伸长曲线的纵、横坐伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积A0和原始标距长度和原始标距长度L0相除,则得到与力相除,则得到与力-伸伸长曲线形状相似的应力长曲线形状相似的应力(FA0)一应变一应变(=l/L0)曲线)曲线(图图1-3)。这样的应力。这样的应力应应变曲线称为变曲线称为工程应力工程应力-应变曲线应变曲线。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能9工程应力工程应力应变曲线对材料应变曲线对材料在工程中的应用是非常重要的,在工程中的应用是非常
9、重要的,根据该曲线可获得材料静拉伸根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的力学性能指标,如图条件下的力学性能指标,如图l-3l-3中的中的比例极限比例极限p、弹性极、弹性极限限e、屈服点、屈服点s、抗拉强度、抗拉强度b等,可提供给工程设计或选材等,可提供给工程设计或选材应用时参考。应用时参考。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能10实际上,在拉伸过程中,试样的截面积和长度实际上,在拉伸过程中,试样的截面积和长度随着拉伸力的增大是不断变化的,工程应力一应随着拉伸力的增大是不断变化的,工程应力一应变曲线并不能反映试验过程中的真实情况。变曲线并不能反映试验过程中的真实情况。如果以
10、瞬时截面积如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力除其相应的拉伸力F,则可,则可得到得到瞬时的真应力瞬时的真应力S(S=F/A)。同样,当拉伸力同样,当拉伸力F有有一增量一增量dF时,试样在瞬时长度时,试样在瞬时长度L的基础上变为的基础上变为L+dL,于是应变的微分增量应是,于是应变的微分增量应是dedL+L,则试,则试件自件自Lo伸长至伸长至L后,总的应变量为后,总的应变量为:第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能11式中的式中的e e为为真应变真应变。于是,真应变和工程应变之间。于是,真应变和工程应变之间的关系为的关系为显然,显然,e总是小于总是小于,且变形量越大,二者的
11、差距,且变形量越大,二者的差距越大。越大。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能12当材料的拉仲变形是等体积变化过程时,真应力当材料的拉仲变形是等体积变化过程时,真应力S和工程应力和工程应力之间存在如下关系之间存在如下关系这说明这说明真应力真应力大于工程应力大于工程应力。S=(1+)(13)第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能13以真应力以真应力S和真应变和真应变e作为坐作为坐标绘制的应力标绘制的应力-应变曲线称为应变曲线称为真应力一真应变曲线真应力一真应变曲线(图图l-4)l-4)。与工程应力一应变曲线相比与工程应力一应变曲线相比较,较,在弹
12、性变形阶段,在弹性变形阶段,由于试由于试样的伸长和截面收缩都很小,样的伸长和截面收缩都很小,两曲线基本重合,两曲线基本重合,真实屈服应真实屈服应力和工程屈服应力在数值上非力和工程屈服应力在数值上非常接近常接近。在在塑性变形阶段塑性变形阶段,两者出现,两者出现了了显著的差异显著的差异。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能14在在工程应用中,多数构件的变形量限制在弹性变工程应用中,多数构件的变形量限制在弹性变形范围内,形范围内,这时二者的差别可以忽略,同时工程这时二者的差别可以忽略,同时工程应力、工程应变便于测量和计算。应力、工程应变便于测量和计算。因此,工程设计和材料选
13、用中一般以工程应力、因此,工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据。但在材料科学研究中,真应力工程应变为依据。但在材料科学研究中,真应力与真应变将具有重要意义。与真应变将具有重要意义。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能151-21-2弹性形变及其性能指标弹性形变及其性能指标一、弹性形变的本质一、弹性形变的本质弹性变形的定义:弹性变形的定义:当外力去除后,能恢复到原来形状或尺寸的变形,叫当外力去除后,能恢复到原来形状或尺寸的变形,叫弹性变形弹性变形。弹性变形的可逆性特点:弹性变形的可逆性特点:对于对于金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物金属、陶瓷或结晶态的高分子
14、聚合物,在弹性,在弹性变形范围内,应力和应变之间可以看成具有单值线变形范围内,应力和应变之间可以看成具有单值线性关系,且弹性变形量都较小。性关系,且弹性变形量都较小。对于对于橡胶态的高分子聚合物橡胶态的高分子聚合物,则在弹性变形范围内,则在弹性变形范围内,应力和应变之间不呈线性关系,且变形量较大。应力和应变之间不呈线性关系,且变形量较大。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能16无论变形量大小和应力与应变是否呈线性关无论变形量大小和应力与应变是否呈线性关系,系,凡弹性形变都是可逆变形凡弹性形变都是可逆变形。材料产生材料产生弹性变形的本质弹性变形的本质,概括说来,都是,概
15、括说来,都是构成材料的原子构成材料的原子(离子离子)或分子从平衡位置产或分子从平衡位置产生可逆位移的反映生可逆位移的反映。金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。近产生的微小位移。橡胶类材料是呈卷曲状的分子链在力的作用橡胶类材料是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能17弹性形变的双原子模型弹性形变的双原子模型 金属、陶瓷类材料弹性变形的微观
16、过程可用金属、陶瓷类材料弹性变形的微观过程可用双原子模型双原子模型解释。解释。在正常状态下,晶格中的离子能保持在其平在正常状态下,晶格中的离子能保持在其平衡位置仅作微小的热振动,是受离子之间的衡位置仅作微小的热振动,是受离子之间的相互作用力控制的结果。相互作用力控制的结果。一般认为,这种作用力分为引力和斥力。引一般认为,这种作用力分为引力和斥力。引力是由正离子和自由电子间的库仑力所产生,力是由正离子和自由电子间的库仑力所产生,而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致。致。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能18引力和斥力都是离子间
17、距的函数,可表示为:引力和斥力都是离子间距的函数,可表示为:式中:式中:r为两离子间的距离;为两离子间的距离;m、n、a、b均为与均为与材料有关的常数。材料有关的常数。离子间的相互作用力,即为引离子间的相互作用力,即为引力力F引引和斥力和斥力F斥斥的合力的合力F合合,即:,即:第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能19图中图中N1、N2分别为分别为两离子的平衡位置,两离子的平衡位置,曲线曲线1为引力,曲线为引力,曲线2为斥力,曲线为斥力,曲线3为合力,为合力,在离子的平衡位置合在离子的平衡位置合力为零。力为零。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性
18、能20当外力对离子作用时,当外力对离子作用时,合力曲线的零点位置改合力曲线的零点位置改变,离子的位置亦随之变,离子的位置亦随之作相应的调整,即产生作相应的调整,即产生位移,位移,离子位移的总和离子位移的总和在宏观上就表现为材料在宏观上就表现为材料的变形的变形。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能21当外力去除后,离子当外力去除后,离子依靠彼此间的作用力又依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置,回到原来的平衡位置,宏观的变形也随之消逝,宏观的变形也随之消逝,从而表现了弹性变形的从而表现了弹性变形的可逆性可逆性。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性
19、能22必须注意:必须注意:上述模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性上述模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性位移的关系并非虎克定律所说的直线关系,而是位移的关系并非虎克定律所说的直线关系,而是抛抛物线关系物线关系。合力曲线有最大值合力曲线有最大值Fmax,如果外加拉应力略大于,如果外加拉应力略大于Fmax就意味着可以克服离子间的引力而使它们分离。就意味着可以克服离子间的引力而使它们分离。因此,因此,Fmax也就是材料在弹性状态下的也就是材料在弹性状态下的理论断裂理论断裂抗力抗力,此时相应的离子弹性变形量,此时相应的离子弹性变形量rm-ro可达可达25。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材
20、料单向静拉伸的力学性能23实际工程应用的材料中,不可避免地存在着实际工程应用的材料中,不可避免地存在着各种缺陷、杂质、气孔或微裂纹,因而各种缺陷、杂质、气孔或微裂纹,因而实际实际断裂抗力断裂抗力远远小于远远小于Fmax时,材料就发生了断时,材料就发生了断裂或产生了塑性变形。裂或产生了塑性变形。实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起始阶段,因此虎克定律所表示的外力一位移始阶段,因此虎克定律所表示的外力一位移线性关系是近似正确的。线性关系是近似正确的。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能24在弹性变形的应力和应变间有一个具有重要意义的
21、关在弹性变形的应力和应变间有一个具有重要意义的关系常数系常数弹性模数弹性模数(或弹性系数、弹性模量或弹性系数、弹性模量)。拉伸时拉伸时 =E,剪切时剪切时 G,式中式中E和和G分别为拉伸时的分别为拉伸时的杨氏模数和切变模数杨氏模数和切变模数。当应变为一个单位时,弹性模数在数值上等于弹性应当应变为一个单位时,弹性模数在数值上等于弹性应力,即弹性模数是产生力,即弹性模数是产生100弹性变形所需的应力。弹性变形所需的应力。胡克定律胡克定律第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能25在工程中弹性模数是表征材料对弹性变在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力,即形的抗力,即材料的
22、材料的刚度刚度,其值越大,则,其值越大,则在相同压力下产生的弹性变形就越小在相同压力下产生的弹性变形就越小。在机械零件或建筑结构设计时为了保证在机械零件或建筑结构设计时为了保证不产生过大的弹性变形,都要考虑所选用不产生过大的弹性变形,都要考虑所选用材料的弹性模数。因此材料的弹性模数。因此弹性模数是结构材弹性模数是结构材料的最重要力学性能之一。料的最重要力学性能之一。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能26第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能27三、影响弹性模数的因素三、影响弹性模数的因素材料的弹性模数是构成材料的离子或分子之材料的弹性模数是构
23、成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志。间键合强度的主要标志。因此,凡影响键合强度的因素均能影响材料因此,凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模数,如的弹性模数,如键合方式、晶体结构、化学成键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载方式和速度分、微观组织、温度、加载方式和速度等。等。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能281.1.键合方式键合方式一般来说,在构成材料聚集状态的一般来说,在构成材料聚集状态的4 4种键合方式中,种键合方式中,共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数,分共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数,分子键弹性模数低。子键弹性模数低。
24、无机非金属材料无机非金属材料大多由共价键或离子键以及两种键大多由共价键或离子键以及两种键合方式共同作用而成,因而有合方式共同作用而成,因而有较高的弹性模数较高的弹性模数。金属及其合金金属及其合金为金属键结合,也有为金属键结合,也有较高的弹性模数较高的弹性模数。高分子聚合物高分子聚合物的分子之间为分子键结合,因而高分的分子之间为分子键结合,因而高分子聚合物的子聚合物的弹性模数亦较低弹性模数亦较低。第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能29金属元素弹性模数的大小与金属元素弹性模数的大小与元素在周期表中的位置有关,元素在周期表中的位置有关,变化规律如图变化规律如图1-6所示。
25、所示。这种变化的实质还与元素的这种变化的实质还与元素的原子结构和原子半径有密切原子结构和原子半径有密切关系关系 原子半径越大,原子半径越大,E值越值越小,反之亦然小,反之亦然。过渡族元素都有较高的弹性过渡族元素都有较高的弹性模数,这是由于原子半径较模数,这是由于原子半径较小,且小,且d层电子引起较大的原层电子引起较大的原子间结合力所致。子间结合力所致。2 2、原子结构、原子结构第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能303.3.晶体结构晶体结构 单晶体材料单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上的弹性模数在不同晶体学方向上呈呈各向异性各向异性,即沿原子排列最密的晶向上弹性,
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