材料力学性能-单智伟讲义-第3讲 材料的拉伸与压缩性能

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01 02 03, 04
强度楼 308 焊接所 204
强度楼 303 强度楼 307 强度楼 304
2 3
At T=300K, and taking Tg=~730 K , =0.36, E=82 Gpa, the ideal y of this MG is predicted to be
Cheng, Y. Q. & Ma, E. ACTA MATER. 59, 1800-1807, (2011).
测试条件：准静态（应变速率~10-3/S)，室温，大气环境下
高塑性材料的拉伸性能
应变硬化 颈缩
抗拉强度
断裂
屈服强度
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/84/Stress_Strain_Ductile_Material.png/450pxStress_Strain_Ductile_Material.png
工程应力应变曲线和真应力应变曲线
工程应变和真应变之间的关系
• 真可以叠加。 测试顺序 0 1 2 3 累计应变 工程应变 试样长度 （毫米） 5 6 7 8 1 1 1 1/5=0.2 1/6=0.167 1/7=0.143 0.51 工程应变总大于真应变 真应变 Ln6/5=0.182 Ln7/6=0.154 Ln8/7=0.134 0.47 试样长度变 化 工程应变 真应变
Experiment setup
Thickness Height Width
e-
Applying load Fine and sensing positioning 1D Transducer
Coarse positioning
Theoretical prediction of ideal elastic strain limit
Y C 0 C1 (T / Tg ) m C 0 =0.11 C1 =0.09 y Y / (1 n)
T y 0.081 0.066 Tg
>
应变硬化或加工硬化
是指材料的流变应力随应变的增加而增加的现象。
应变硬化 颈缩
抗拉强度 屈服强度
断裂
常数K依赖于材料结构并受到 材料工艺流程的影响。n 通常 在0.2~0.5之间。
加工硬化指数n在工程上的意义
n=1,理想弹性体 应力 n=0,理想塑性体 应变硬化指数n反映了材料开始屈服 后，继续变形时材料的应变硬化能 力。通常n愈大，其抵抗局部变形的 能力就越强，材料就越能发生均匀 变形。 对冷加工成型工艺非常重要！ 应变硬化可用来提高材料的强度。 如不锈钢，其n=0.5,冷变形可使其 强度成倍提高，但会损失塑性。 铁素体+~15%马氏体的双相钢可 通过形变同时提高其强度和塑性。 奥氏体含量 应变 物理意义不明：与位错芯结构和层 错能有关。层错能低，n 就大。
材料的屈服强度
1. 第一根位错的运动 2. 比例极限 3. 弹性极限 4. 平移处理的屈服强度
典型的非铁合金的应力应变曲线
材料的屈服强度
右图为铸铁拉伸的应力应变曲线。由图可以 看出，应力应变曲线中无直线部分，铸铁拉 伸时无屈服现象和颈缩现象，试件在断裂时 无明显的塑性变形，断开平齐，强度极限较 低。例如灰铸铁的强度极限约为205MPa。
0.5
铸铁拉伸应力应变曲线
影响材料屈服强度因素
原子价键 内在因素 金属键 共价键 离子键 范德瓦尔键 金属材料 陶瓷材料 半导体材料 高分子材料 中 强 弱
Margolin et al, IJPCP,1998
固溶强化
沉淀和弥散强化
组织结构
应变强化
压力容器钢
细晶强化
温度降低，强度上升 体心材料对应变速率尤其敏感 拉，压，弯曲，扭转等
颈缩后的应力分析
该图给出了有效应力与轴向应力 比值随a/R的变化趋势。
度量塑性的指标-断面收缩率和延伸率
颈缩区 均匀伸长区
度量塑性的指标-延伸率
断面延伸率和延伸率之间的关系
Hale Waihona Puke Baidu性的实际意义：
静力韧度
材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。
材料的压缩性能
郑修麟，材料的力学性能，第35页
应变
应力 低
最佳
高
应变强化指数的物理意义
物理意义不明：与位错芯结构和层错能有关。 层错能低，n 就大。
颈缩和抗拉强度
应变硬化 颈缩 抗拉强度：材料在拉伸条件下 均匀变形时所能经受的最大应 力，是材料在静拉伸条件下的 最大承载力。 断裂
抗拉强度 屈服强度
注意：出现颈缩后，材料的局部受力状态从单轴拉伸变成三向拉伸。
Greer, J. R. & Nix, W. D. PRB 73, 245410 2006
Jang, D. C. & Greer, J. R. NATURE MATERIALS 9, 215-219, (2010).
Tensile test not compressive test
Artifacts in Compression Test • Taper in the height direction of the pillar • Contact interface, friction possible shear band nucleation near the pillar top assisted by the
温度 外在因素 应变速率 应力状态
屈服强度的工程意义
工程应力与工程应变曲线
脆性材料：没问题 金属材料：低估材料的真应力， 尤其是当应变越来越大时。
真应力与真应变曲线
真应力定义为：
假定均匀变形的前提下： 颈缩
特点： •小应变条件下，工程和真二者差 别不大 •真可正确反映应变的变化趋势，尤其是 在压缩试验中。如原始长度为L0，拉伸至 2 L0或压缩至1/2 L0 ，其对应的真应变 均为ln2. 而工程应变则分别为100%和50%。 •真可以叠加。
关于每周作业：
请各班学习委员将作业收齐后，于每周三上课前统一交给助教老师。
姓名
单智伟 牛靖
韩卫忠 王章洁 宁晓辉
职称 办公室
教师 高工
教师 教师 教师
办公时间
F：16:00-17:00 W:16:00-17:00
M:16:00-17:00 W:16:00-17:00 M:16:00-17:00 W:16:00-17:00 M:16:00-17:00 W:16:00-17:00
http://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Bauschinger
第三讲作业：
•阅读：1.8 聚合物的静强度, 1.9 陶瓷材料的静强度 •什么是包申格效应？产生包申格效应的微观机制是什么？哪些金属材料中的 包申格效应比较显著？为什么？请列举一种测量包申格效应中背应力大小的方 法。（韩卫忠老师） •金属材料的屈服强度和抗拉强度是评价金属材料力学性能的重要指标。请分 别讲讲屈服强度和抗拉强度的定义及影响因素，并谈谈你对屈服强度和抗拉强 度之间关系的理解。（宁晓辉老师）
method to reveal fundamental deformation properties such as elasticity and ductility.
•Aiming at: •In-situ, high resolution: TEM •Quantitative: Precise strain •Standard sample: free standing, geometry •Modulus of Elasticity, Yield Strength, Ultimate Tensile Strength, Strain, Enlongation •……
包辛格(Baushinger)效应
材料经过预变形后，反向加载使 得屈服强度降低甚至到零的现象。
包辛格(Baushinger) Johann Bauschinger Born: 1834 in Nuremberg Dead: 1893 in Munich He was a mathematician, builder, and professor of Engineering Mechanics at Munich Polytechnic from 1868 until his death. 34-59 The Bauschinger effect in materials science is named after him. He was also the father of astronomer Julius Bauschinger(1860– 1934)
第三讲作业：
最新科研进展： 1
金 属 非 晶 弹 性 极 限
逼近金属玻璃的弹性极限
The superior Strength and elastic strain limit of MGs
Ceiling？
Telford , M . Th e case for bulk metallic glass . Mater. Today 7 , 36 – 43 ( 2004 ).
适用于测试脆性材料，如铸铁， 轴承合金，水泥和砖石等。
Dowling, Mechanical behavior of Materials, 3rd edition, page136-137
材料的压缩性能
郑修麟，材料的力学性能，第36页
郑修麟，材料的力学性能，第35页
材料的拉压不对称性
1．塑性材料在断裂时有明显的塑性变形；而脆性材料在断裂时变形很小。 2．塑性材料在拉伸和压缩时的弹性极限、屈服极限和弹性模量都相同，它 的抗拉和抗压强度相同。而脆性材料的抗压强度远高于抗拉强度。因此，脆 性材料通常用来制造受压零件。应当注意，把材料划分成塑性和脆性两类是 相对的，有条件的。随着温度、外力情况等条件的变化，材料的机械性能也 会发生变化。
温故而知新：
• 力，位移，刚度 • 应力，应变 • 杨氏模量，起源，影响因素 • 剪切模量，体弹性模量 • 弹性的定义，各种弹性
MATL3017: 材料力学性能
第 3章 : 材料的拉伸与压缩性能
主讲： 单智伟
3
本章要点：
通过本章的学习，你将掌握或了解以下内容： 2.1 材料的拉伸性能 •材料塑性的重要指标及其意义， 包括：屈服强度，抗拉强度， 延伸率，断面收缩率。 2.2 材料的压缩性能 •压缩测试的特性 •包辛格效应 •最新科研进展：逼近非晶的理论强度
材料的拉伸性能 拉伸实验是最简单也是最重要的力学性能实 验方法。 定义： 通过拉伸实验所测定的材料的性能 指标统称为拉伸性能。 应用：根据拉伸性能可预测材料的其它力学 性能，如抗疲劳、断裂性能等。在工程应用 中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据。
拉伸样品的制备及测试要求
L0
D0
http://en.wikipedia.org/wiki/Tensile_testing 截面形状 中国 10、5 美国 4.5 4.0 英国 5.65 5.0 德国 11.3 10.0
4.5%
We choose to examine 200-300nm samples
Deformation mechanism change in size range <100nm
Approaching the ideal strength in nanoscale gold pillars
Volkert, C. A., Donohue, A. & Spaepen, F. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103, 083539, (2008).
Jang, D., Gross, C. T. & Greer, J. R.. Int. J. Plasticity (2010)
frictional stress field.
Tensile test
is intrinsically a much more standard and informative