材料力学性能
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第一章
一.静载拉伸实验
拉伸试样一般为光滑圆柱试样或板状试样。
若采用光滑圆柱试样,试样工作长度(标长)l0 =5d0 或l0 =10d0,d0 为原始直径。
二.工程应力:载荷除以试件的原始截面积。σ=F/A0
工程应变:伸长量除以原始标距长度。ε=ΔL/L0
低碳钢的变形过程:弹性变形、不均匀屈服塑性变形(屈服)、均匀塑性变形(明显塑性变形)、不均匀集中塑性变形、断裂。
三.低碳钢拉伸力学性能
1.弹性阶段(Ob)
(1)直线段(Oa):
线弹性阶段,E=σ/ε(弹性模量,比例常数)
σp—比例极限
(2)非直线段(ab):
非线弹性阶段
σe—弹性极限
2. 屈服阶段(bc)
屈服现象:当应力超过b点后,应力不再增加,但应变继续增加,此现象称为屈服。
σs—屈服强度(下屈服点),屈服强度为重要的强度指标。
3.强化阶段(ce)
材料抵抗变形的能力又继续增加,即随试件继续变形,外力也必须增大,此现象称为材料强化。
σb—抗拉强度,材料断裂前能承受的最大应力
4.局部变形阶段(颈缩)(ef)
试件局部范围横向尺寸急剧缩小,称为颈缩。
四.主要力学性能指标
弹性极限(σe):弹性极限即指金属材料抵抗这一限度的外力的能力
屈服强度(σs):抵抗微量塑性变形的应力
五.铸铁拉伸力学性能
特点:
(1)较低应力下被拉断
(2)无屈服,无颈缩
(3)延伸率低
(4)σb—强度极限
(5)抗压不抗拉
讨论1:σs 、σr0.2、σb都是机械设计和选材的重要论据。实际使用时怎么办?
塑性材料:σs 、σr0.2
脆性材料:σb
屈强比:σs /σb
讨论2:屈强比σs /σb有何意义?
屈强比s / b值越大,材料强度的有效利用率越高,但零件的安全可靠性降低。
六.弹性变形及其实质
定义:当外力去除后,能恢复到原来形状和尺寸的变形。
特点:单调、可逆、变形量很小(<0.5~1.0%)
2E 21
a 2e e e e σεσ=
=七.弹性模量
1、物理意义:材料对弹性变形的抗力。
工程上E 称做材料的刚度。其值越大,则在相同应力下产生的弹性变形越小。
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,还与零件的尺寸与形状,以及载荷作用方式有关。
2、用途:计算梁或其他构件挠度时的重要力学性能指标。 八、弹性比功ae
又称弹性比能、应变比能,是指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力,它标志着单位体积材料所吸收的最大弹性变形功。
实际意义:
(1)弹簧零件要求其在弹性范围内(弹性极限以下)有尽可能高的弹性比功ae 和低的E 。 (2)成分和热处理对σe 影响大,对E 影响不大。
(3)仪表用铍青铜,磷青铜等软弹簧材料,其σe 较高,E 较低,ae 较高。 九、滞弹性(弹性后效)
定义:在弹性范围内快速加载或卸载后,随时间的延长而产生的附加弹性应变,即应变落后于应力的现象。 重点十:
弹性滞后环和循环韧性
(1) 弹性滞后环:金属在弹性区内加载,由于应变落后于应力,使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线,称为弹性滞后环。
(2) 内耗:弹性滞后环的存在,说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属放出的变形功,有一部分变形功为金属所吸收,这部分功称之为内耗。
(3) 循环韧性:金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力,叫做循环韧性。
(4) 循环韧性与内耗的区别
循环韧性指金属在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。 内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。 (5) 循环韧性(内耗)的意义
循环韧性是金属的力学性能,它表示材料吸收不可逆变形功的能力,又称消振性。循环韧性越高,消振性越好 十一.塑性变形方式
1.滑移:最主要的变形机制
2.孪生:重要的变形机制,一般发生在低温形变或快速形变时;
十二、屈服机理
外应力作用下,晶体中位错萌生、增殖和运动过程。
十二、影响屈服强度的因素
内在因素
(1) 金属本性及晶格类型
位错运动的阻力:晶格阻力(P-N力)、位错交互作用产生的阻力(平行位错间交互作用;运动位错与林位错交互作用)。
(2) 晶粒大小和亚结构
晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中的位错源开动,必须加大外应力。
(3) 溶质元素
形成晶格畸变,塑性变形抗力增大—固溶强化
间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体。
溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小,固溶强化越明显。
(4) 第二相
不可变形的第二相:位错绕过机制。
可变形的第二相:位错切过机制。
外在因素
1.温度提高,位错运动容易,σs↓。
2.应变速率提高,σs↑——应变速率硬化
3.应力状态:分切应力τ↑,σs↓。扭转< 拉伸< 弯曲
十三、应变硬化(形变强化)
基本概念
定义:随变形量的增加,金属的强度、硬度上升,塑性、韧性下降的现象。或称形变硬化,加工硬化。
原因:位错增殖、缠结、运动受阻——位错运动困难
十四、包申格效应
概念
材料经过预先加载并产生少量塑性变形(残余应变为1%~4%),卸载后再同向加载,屈服强度增加,反向加载,屈服强度降低的现象。
原因
包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。在金属预先受载产生少量塑性变形时,位错沿某滑移面运动,遇到林位错而弯曲。结果,在位错前方,林位错密度增加,形成位错缠结或胞状组织。这种位错结构在力学上是相当稳定的,因此,如果此时卸载并随后同向加载,位错线不能作显著运动,宏观上表现为规定残余伸长应力增加。但如卸载后施加反向力,位错被迫作反向运动,因为在反向路径上,像林位错这类障碍数量较少,而且也不一定恰好位于滑移位错运动的前方,故位错可以再较低应力下移动较大距离,即第二次反向加载,规定残余伸长应力降低。
十五、断裂的类型
1.韧性断裂和脆性断裂(宏观)
韧性断裂断口分区:
纤维区(裂纹形成和缓慢扩展。颜色灰暗,如山脊)
放射区(裂纹快速扩展。表面光亮平坦,细放射条纹。)
剪切唇(剪切唇:试样边缘,剪切断裂,表面光滑)
一般试样的强度提高,塑性降低时,断口中放射区的比列增大