金属材料的弹性变形与塑性变形.pptx
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第一章 材料在静载下的力学性能
1.1 材料在静拉伸时的力学行为概述 静拉伸：是材料力学性能实验中最基本的
试验方法。 拉伸曲线：应力-应变曲线，可求出许多主
要性能指标。 如：弹性模量E：零件刚度设计。
屈 服 强 度 σs， 抗 拉 强 度 σb: 强 度 设 计，交变载荷
塑性δ，断裂前的应变量： 冷热变形时 的工艺性能。
比弹性模量= 弹性模量 /
只要已知E和υ，就可求出G和K ， 由于E易测，因此用的最多。
密度
1.2.2 弹性模量的技术意义
技术意义： E，G称为材料的刚度，它表示
材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力
影响E的特征因素：
与原子序数有周期性关系 E=K/γm K，m>1特征常数，γ原子半径
γ↑E↓ 温度T： T↑ 原子结合力下降，E↓ ε加载速度：对E 影响不明显 合金化（加入某种金属），热处理对E影响不
1.2.5 包辛格（Baushinger）效应 —弹性不完整性
定义：指原先经过变形， 然后反向加载时弹性极 限或屈服强度降低的现 象。 β值度量包辛格效应的 大小。
单循环或多循环后，都 有包辛格效应
包辛格效应示意图(有链接)
T10钢的包辛格效应
条 件 ： T10 钢 淬 火
350℃回火 拉伸时，曲线1 σ0.2=1130M Pa 曲线2事先经过预压变 形再拉伸时, σ0. 2 =880M Pa
明显。
机械设计中，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴 的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核。
不同类型的材料，其弹性模量差别很大。
材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的 结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，可 以说它是一个对组织不敏感的性能指标（对金属材 料），而对高分子和陶瓷E对结构和组织敏感。
屈服强度σ0. 2或σys : 以规定发生一定的残留变形为标准,通常为0.2%
残留变形的应力作为屈服强度.
比例极限σP,弹性极限σel,屈服强度σ0. 2或σys 这三种标准在测量上实际上都是以残留变形为依据,
熔点高，E↑ E W =2EFe EFe=3EAl
零件的刚度与材料的刚度不同，它除了决定于材料 的刚度外还与零件的截面尺寸与形状，以及截面积 作用的方式有关。
1.2.3 弹性比功
弹性比功：为应力-应变曲线下弹性范 围所吸收的变形功的能力,又称弹性 比能，应变比能。 即弹性比功=σe2/2E =σeεe/2 其中σe为材料的弹性极限，它表示 材料发生弹性变形的极限抗力
1.3 金属材料的塑性变形
塑性变形的方式和特点
常见的塑性变形方式为滑移和孪生 滑移是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑
移方向进行的切变过程. 滑移面ⅹ滑移方向=滑移系 滑移系越多,塑性 ↑
孪晶是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形
方式,孪晶变形可以调整滑移面的方向,使新的 滑移系开动,间接对塑性变形有贡献.(滑移受 阻→孪生,变形速度加快)
表示原子之间的结合力，它是组 弹性常数4个： E，G，υ，K
织不敏感元素
描写材料切应力：切变模
KΔ=-σ--m-/-Δ-单=位E/体3(积1变-2形υ)
量G = τXY / γXY 泊桑比：υ= —εXX /εXY 关系式：G = E/2（1+υ）
K——Biblioteka Baidu弹性模量
σm= (σx+σy+σz)/3
若υ=0.33，则K≈E
1.3.1 屈服强度及其影响因素
屈服标准
σS定义: 材料开始塑性变形的应力. 工程上常用的屈服标准有三种
比例极限σP: 应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力.σS≥σP 弹性极限σel: 材料能够完全弹性恢复的最高应力. σel≥σP
工程上用途不同区别,枪炮材料要求高的比例极限,弹簧材料要求高的弹 性极限
σE =FE /F0
不同材料，其应力－应变曲线不同，如：
1.2 金属材料的弹性变形
1.2.1 广义虎克定律
弹性模量 E
轴方向， 同轴
=
，
描σ写X
材/ε料正X
X 应
力条件
对完全各向同性材料 υ= 0.25 对金属υ值约为0.33（或1/3）
虎位应克力定（律单：向单应位力应）变,物产理生意的义单：当 当υ υ==00..2353时 时，，GG==00..437E5；E
应力应－力应变－曲应线变(F曲0不线变）
①弹性变形
②屈服变形
③均匀塑性变形
④局部塑性变形
真应力-应变曲线（-----代表）
σp:比例极限
σE:弹性极限 σLY:屈服强度（下） σUY：屈服强度（上） σB：强度极限 σb: 抗拉强度 σp: 应力与应变成正比关系的最大应力。
σp=FP/F0 σE :由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。
弹性比功
理论上：弹性极限的测 定应该是通过不断加 载与卸载，直到能使 变形完全恢复的极限 载荷。
实际上：弹性极限的测 定是以规定某一少量 的残留变形（如 0.01%）为标准，对 应此残留变形的应力 即为弹性极限。
理想的弹簧材料：应有高的弹性
极限和低的弹性模量。
成分与热处理对弹性极限影响大，
对弹性模量影响不大。
理论上:由于它是金属变形时长程内应力的度
量(可用X光方法测定) ,所以,包辛格效应可用 来研究材料加工硬化的机制.
工程上:
材料加工工艺时,需要注意或考虑包辛格效应. 输油管UOE工艺 包辛格效应大的材料，内应力较大。 包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系
清除包辛格效应的方法
预先进行较大的塑性变形,或 在第二次反向受力前先使金属材 料于回复或再结晶温度下退火,如 钢在400-500℃以上.
仪表弹簧因要求无磁性，铍青铜，
磷青铜等软弹簧材料。σe↑E↓→a e
1.2.4 滞弹性
— 应变落后于应力的现象，这种现象叫滞弹性。
弹性滞后环(链接)
优点：滞后环面积，它 可以减少振动，使振动 幅度很快衰减下来。
缺点：精密仪器不希望 有滞后现象
高分子滞弹性表现为粘 弹性并成为普遍特性， 高分子弹性与时间有关。
包辛格效应理论解释
原先加载变形时,位错源在滑移面上产生 的位错遇到障碍,塞积后产生了背应力, 当反向加载时,位错运动的方向与原来方 向相反,背应力帮助位错运动,塑性变形 容易,导致屈服强度↓,另外,反向加载时, 滑移面上产生的位错与预变形的位错异 号,异号位错抵销,引起材料软化,屈服强 度↓。
包辛格效应的应用
1.1 材料在静拉伸时的力学行为概述 静拉伸：是材料力学性能实验中最基本的
试验方法。 拉伸曲线：应力-应变曲线，可求出许多主
要性能指标。 如：弹性模量E：零件刚度设计。
屈 服 强 度 σs， 抗 拉 强 度 σb: 强 度 设 计，交变载荷
塑性δ，断裂前的应变量： 冷热变形时 的工艺性能。
比弹性模量= 弹性模量 /
只要已知E和υ，就可求出G和K ， 由于E易测，因此用的最多。
密度
1.2.2 弹性模量的技术意义
技术意义： E，G称为材料的刚度，它表示
材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力
影响E的特征因素：
与原子序数有周期性关系 E=K/γm K，m>1特征常数，γ原子半径
γ↑E↓ 温度T： T↑ 原子结合力下降，E↓ ε加载速度：对E 影响不明显 合金化（加入某种金属），热处理对E影响不
1.2.5 包辛格（Baushinger）效应 —弹性不完整性
定义：指原先经过变形， 然后反向加载时弹性极 限或屈服强度降低的现 象。 β值度量包辛格效应的 大小。
单循环或多循环后，都 有包辛格效应
包辛格效应示意图(有链接)
T10钢的包辛格效应
条 件 ： T10 钢 淬 火
350℃回火 拉伸时，曲线1 σ0.2=1130M Pa 曲线2事先经过预压变 形再拉伸时, σ0. 2 =880M Pa
明显。
机械设计中，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴 的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核。
不同类型的材料，其弹性模量差别很大。
材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的 结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，可 以说它是一个对组织不敏感的性能指标（对金属材 料），而对高分子和陶瓷E对结构和组织敏感。
屈服强度σ0. 2或σys : 以规定发生一定的残留变形为标准,通常为0.2%
残留变形的应力作为屈服强度.
比例极限σP,弹性极限σel,屈服强度σ0. 2或σys 这三种标准在测量上实际上都是以残留变形为依据,
熔点高，E↑ E W =2EFe EFe=3EAl
零件的刚度与材料的刚度不同，它除了决定于材料 的刚度外还与零件的截面尺寸与形状，以及截面积 作用的方式有关。
1.2.3 弹性比功
弹性比功：为应力-应变曲线下弹性范 围所吸收的变形功的能力,又称弹性 比能，应变比能。 即弹性比功=σe2/2E =σeεe/2 其中σe为材料的弹性极限，它表示 材料发生弹性变形的极限抗力
1.3 金属材料的塑性变形
塑性变形的方式和特点
常见的塑性变形方式为滑移和孪生 滑移是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑
移方向进行的切变过程. 滑移面ⅹ滑移方向=滑移系 滑移系越多,塑性 ↑
孪晶是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形
方式,孪晶变形可以调整滑移面的方向,使新的 滑移系开动,间接对塑性变形有贡献.(滑移受 阻→孪生,变形速度加快)
表示原子之间的结合力，它是组 弹性常数4个： E，G，υ，K
织不敏感元素
描写材料切应力：切变模
KΔ=-σ--m-/-Δ-单=位E/体3(积1变-2形υ)
量G = τXY / γXY 泊桑比：υ= —εXX /εXY 关系式：G = E/2（1+υ）
K——Biblioteka Baidu弹性模量
σm= (σx+σy+σz)/3
若υ=0.33，则K≈E
1.3.1 屈服强度及其影响因素
屈服标准
σS定义: 材料开始塑性变形的应力. 工程上常用的屈服标准有三种
比例极限σP: 应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力.σS≥σP 弹性极限σel: 材料能够完全弹性恢复的最高应力. σel≥σP
工程上用途不同区别,枪炮材料要求高的比例极限,弹簧材料要求高的弹 性极限
σE =FE /F0
不同材料，其应力－应变曲线不同，如：
1.2 金属材料的弹性变形
1.2.1 广义虎克定律
弹性模量 E
轴方向， 同轴
=
，
描σ写X
材/ε料正X
X 应
力条件
对完全各向同性材料 υ= 0.25 对金属υ值约为0.33（或1/3）
虎位应克力定（律单：向单应位力应）变,物产理生意的义单：当 当υ υ==00..2353时 时，，GG==00..437E5；E
应力应－力应变－曲应线变(F曲0不线变）
①弹性变形
②屈服变形
③均匀塑性变形
④局部塑性变形
真应力-应变曲线（-----代表）
σp:比例极限
σE:弹性极限 σLY:屈服强度（下） σUY：屈服强度（上） σB：强度极限 σb: 抗拉强度 σp: 应力与应变成正比关系的最大应力。
σp=FP/F0 σE :由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。
弹性比功
理论上：弹性极限的测 定应该是通过不断加 载与卸载，直到能使 变形完全恢复的极限 载荷。
实际上：弹性极限的测 定是以规定某一少量 的残留变形（如 0.01%）为标准，对 应此残留变形的应力 即为弹性极限。
理想的弹簧材料：应有高的弹性
极限和低的弹性模量。
成分与热处理对弹性极限影响大，
对弹性模量影响不大。
理论上:由于它是金属变形时长程内应力的度
量(可用X光方法测定) ,所以,包辛格效应可用 来研究材料加工硬化的机制.
工程上:
材料加工工艺时,需要注意或考虑包辛格效应. 输油管UOE工艺 包辛格效应大的材料，内应力较大。 包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系
清除包辛格效应的方法
预先进行较大的塑性变形,或 在第二次反向受力前先使金属材 料于回复或再结晶温度下退火,如 钢在400-500℃以上.
仪表弹簧因要求无磁性，铍青铜，
磷青铜等软弹簧材料。σe↑E↓→a e
1.2.4 滞弹性
— 应变落后于应力的现象，这种现象叫滞弹性。
弹性滞后环(链接)
优点：滞后环面积，它 可以减少振动，使振动 幅度很快衰减下来。
缺点：精密仪器不希望 有滞后现象
高分子滞弹性表现为粘 弹性并成为普遍特性， 高分子弹性与时间有关。
包辛格效应理论解释
原先加载变形时,位错源在滑移面上产生 的位错遇到障碍,塞积后产生了背应力, 当反向加载时,位错运动的方向与原来方 向相反,背应力帮助位错运动,塑性变形 容易,导致屈服强度↓,另外,反向加载时, 滑移面上产生的位错与预变形的位错异 号,异号位错抵销,引起材料软化,屈服强 度↓。
包辛格效应的应用