第二章 靜態(tài)力材料行為

1、第二章第二章 靜態(tài)載荷作用下材料力學性能靜態(tài)載荷作用下材料力學性能 及及 塑性變形規(guī)律塑性變形規(guī)律 本章主要內(nèi)容及要求 1.了解材料受力作用發(fā)生的彈性變形、塑性變形 及斷裂之間的關系 2.了解并掌握金屬材料的主要性能指標及意義 3.了解并掌握金屬塑性變形階段應力-應變關系 4.多晶金屬塑性與晶體結構類型的關系 5. 了解各種靜載試驗 6. 理解應力狀態(tài)對材料變形過程的影響 7.了解缺口敏感性 8. 了解硬度檢測 另：拉伸試驗 了解國標與質(zhì)量體系的基本概念 注意彈性變形、塑性變形與斷裂之間的關聯(lián)性 退火低碳鋼拉伸 試驗曲線 彈性變形階段彈性變形階段 塑性變形階段塑性變形階段 斷裂斷裂 屈服強度屈

2、服強度：是塑性變形的起始點 (切入點)，不是彈性變形終了點! 彈性變形階段應彈性變形階段應 力與應變成正比力與應變成正比 “交接點”， 是斷裂過程 的切入點， 將塑性變形 過程中斷掉 應力作用下發(fā)生應力作用下發(fā)生 彈性變形；撤銷 作用應力，彈性 變形完全消失 一、拉伸試驗與力學性能 拉伸試驗的力學性能指標 根據(jù)變形過程的應力特征定義強度，表征抗力 彈性極限：彈性極限： 抗拉強度抗拉強度 (ultimate tensile strength) 為材料斷裂前承受的最大工程應力 斷后伸長率斷后伸長率(percent elongation) 斷面收縮率斷面收縮率 (reduction in area

3、at fracture, percent R.A.) 屈服強度屈服強度(yield strength)： 材料開始發(fā)生塑性變形時的應力， 是材料抵抗發(fā)生塑性變形的能力 根據(jù)變形過程的應變特征定義塑性，表征能力 伸長率：伸長率： 屈服強度屈服強度 下屈服點下屈服點是在開始加工硬 化之前的屈服過程中的最 低工程應力(但將應力首 次降低下來的值除外 這是一種瞬時效應) 屈服強度屈服強度(yield strength)是是 材料開始發(fā)生塑性變形時的應材料開始發(fā)生塑性變形時的應 力，是材料抵抗發(fā)生塑性變形力，是材料抵抗發(fā)生塑性變形 的能力的能力 上屈服點：上屈服點：對應于剛開 始發(fā)生塑性變形時的最 高載

4、荷的工程應力 退火低碳鋼的屈服平臺，是指開 始塑性變形后，沒有宏觀加工硬 化的階段 拉伸試驗中力學性能指標屈服強度屈服強度 規(guī)定殘余伸長強度規(guī)定殘余伸長強度 如：對應于殘余伸長為 0.2%時的工程應力作為 “條件屈服點” ，記做 規(guī)定總伸長強度規(guī)定總伸長強度 如對應于總伸長為0.5%的 工程應力，記做 無屈服平臺的情況 r R 2 . 0 rR t R t0.5 R 技術處理-2 拉伸試驗中力學性能指標抗拉強度抗拉強度 抗拉強度抗拉強度 (ultimate tensile strength) 為材料斷裂前承受的最大工 程應力，記做 拉伸試驗中工程應力 應變曲線與真應力 真應變曲線對比 mR 注

5、：修正涉及頸縮后的 頸縮局部多向應力狀態(tài) 拉伸試驗中力學性能指標彈性極限 試樣標距部分的非比例伸長達到原始標距的規(guī)定 百分比時的工程應力 如： p0.05p0.01, RR 完全彈性變形的“終結”點 規(guī)定非比例伸長強度規(guī)定非比例伸長強度 p 對于彈簧鋼等具有實際意義 拉伸試驗中力學性能指標塑性 lu、l0分別為試樣標距范圍斷裂后的長度和初始長度 %100 0 0 l ll A u A?A 注意：同樣材料，不同長度的試樣得到的斷后伸長率會不同。 一般要以下腳標標注：非比例試樣要求給出標距的長度；比例 試樣缺省值為5.65，其余的比例試樣，需要將比例值標注： 因局部頸縮對斷后伸長率影響比例不同：

6、試樣原始標距越長，A越小 最大力非比例伸長率最大力非比例伸長率( (最大均勻塑性變形量最大均勻塑性變形量) )Ag： 最大工程應力下的非比例伸長率， 也就是最大載荷處（開始發(fā)生頸縮處）的塑性變形量 斷后伸長率斷后伸長率(percent elongation) 測量標距分別為50和100mm、直徑為10mm的比例試樣拉伸試 驗得到斷后伸長率分別記做 和 拉伸試驗中力學性能指標塑性 斷面收縮率斷面收縮率 (percent R.A.) %100 0 0 S SS Z u Su、S0分別為試樣標距范圍內(nèi)的頸縮斷裂部 位斷后的最小橫截面積和初始橫截面積 退火低碳鋼拉伸時的不均勻變形階段不均勻變形階段 頸

7、縮階段頸縮階段：超過最大工程應 力后的塑性變形形成縮頸 屈服階段屈服階段：屈服階段的不均 勻塑性變形形成Lders帶 退火低碳鋼的塑性變形特征 均勻變形階段均勻變形階段 + 不均勻變形階段不均勻變形階段 二、材料的塑性變形 均勻塑性變形規(guī)律性 真應力-真應變的Hollomon關系 n k tt k 稱作應變硬化系數(shù)應變硬化系數(shù)，n為應變硬化指數(shù)應變硬化指數(shù)， 下腳標t代表真應力和真(塑性)應變 流變應力：流變應力：材料已經(jīng)發(fā) 生塑性變形后，對于繼 續(xù)發(fā)生塑性變形的抗力。 流變應力等于塑性變形 階段繼續(xù)進行塑性變形 所需要的最低工程應力 金屬的均勻塑性變形：現(xiàn)象與規(guī)律性 加工硬化（應變硬化，加工

8、硬化（應變硬化，workhardening） 金屬流變 應力隨著塑性變形量的增大而增大的現(xiàn)象?；蛘哒f，經(jīng) 過預先塑性變形，金屬材料的塑性變形抗力提高的現(xiàn)象 應變硬化率應變硬化率( (加工硬化率加工硬化率) ) 流變應力隨著塑性變形 量的增加速率，等于應力 -應變曲線的斜率 單向拉伸時均勻塑性變形條件 0 d d l P .constlS 0 dd S S l l 0 d d d d t t l S S l 0d ddddd t t t t t t t l l S S t t t d d 金屬發(fā)生塑性變形時體積保持不變，即 所以有 均勻變形條件為均勻變形條件為： SP t 變形使承載面的承載能力

9、加強 單向拉伸時最大均勻塑性變形量 n t n max t 在均勻塑性變形階段應力-應變關系服從Hollomon公式， 材料拉伸過程中最大均勻塑性變形最大均勻塑性變形( (真應變真應變) ) 等于其應變硬化指數(shù)，可試驗測定等于其應變硬化指數(shù)，可試驗測定 金屬材料應變硬化指數(shù)數(shù)值n，“決定了”拉伸條件下材料 發(fā)生塑性變形(均勻變形階段)的最大量，是塑性能力的表現(xiàn) 利用上面的均勻塑性變形條件得 t t t 1 t t t d d n kn n 拉伸條件下的均勻塑性變形過程中拉伸條件下的均勻塑性變形過程中 應變硬化指數(shù)一般為01。 n = 0時，不存在加工硬化，稱為理想塑性材料 如果n = 1，其行

10、為等同于線彈性行為 應變硬化指數(shù)n的影響因素及試驗測定 n max t 在均勻塑性變形階段應力-應變關系服從Hollomon公式情況下 拉伸過程中最大均勻塑性變形最大均勻塑性變形( (真應變真應變) )等于其應變硬化指數(shù)等于其應變硬化指數(shù) 教材P56表2、3中給出了一些金屬材料應變硬化指數(shù)數(shù)值 與金屬材料的層錯能相關聯(lián)： 層錯能低低平直滑移線(不是波紋狀滑移線)n值高高 面心立方結構金屬的n值一般高于體心立方金屬 思考：已知材料拉伸曲線，試驗測定應變硬化指數(shù)，如何做？試驗測定應變硬化指數(shù)，如何做？ 多晶金屬材料塑性與晶體結構類型關系 材料的塑性，是指材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力 通常用拉伸試

11、驗中的斷后伸長率和斷面收縮率來衡量。這兩 個數(shù)值越大，材料的塑性越好 良好的塑性要求斷裂前發(fā)生大量塑性變形，必要條 件之一是：材料在塑性變形過程中不過早產(chǎn)生裂紋 多晶金屬通過位錯移動發(fā)生塑性變形，在晶界區(qū)域需要互相協(xié) 調(diào)，否則就會因為位錯塞積而形成裂紋，從而降低材料的塑性 應變張量有6個不同的分量，在塑性變形過程中，體積保持不變 使6個分量中的獨立分量減少為5個。為了使晶界部位變形完全 協(xié)調(diào)，需要晶體有不少于5個的獨立滑移系獨立滑移系?；葡禂?shù)量少的晶 體(如只發(fā)生基面滑移六方晶體)的多晶材料，塑性很低。立方 系金屬具有足夠多的獨立滑移系，滿足良好塑性基本條件 材料的韌性拉伸韌性 斷裂前吸收能

12、量的能力為韌性 金屬的高韌性是高強度與高塑性的組合結果 三、 其它常用靜態(tài)力檢測方法 彎曲試驗彎曲試驗 使樣品一側受壓應力、另一側受拉 應力作用，厚度方向上受力不均勻 適合于陶瓷、鑄鐵、工具鋼、硬質(zhì) 合金等脆性材料；用于對表面處理材 料機件進行檢測 實驗數(shù)據(jù)為載荷和彎曲撓度的關系 可獲材料的抗彎強度抗彎強度及彎曲模量彎曲模量 三點彎曲和四點彎曲 壓縮試驗壓縮試驗 施加單向壓應力 適用于鑄鐵、鑄 鋁合金等脆性金屬 材料；建筑材料等 主要性能指標為 抗壓強度抗壓強度 三、其它常用靜態(tài)力檢測方法 扭轉試驗扭轉試驗 施加純剪切應力作用，變形過程中試樣無頸縮、橫截面積基 本保持不變檢測高塑性材料的切斷抗

13、力，也適合于對表面處 理（如滲碳和表面淬火）材料機件進行檢測。實驗初始數(shù)據(jù) 為扭矩和扭角之間的關系，由之可以獲得材料的剪切彈性模剪切彈性模 量量G、屈服點、屈服點、和抗扭強度抗扭強度 應力形式對材料塑性變形的影響 應力作用形式可能顯著影響材料的塑性應力作用形式可能顯著影響材料的塑性 受應力作用時，除發(fā)生彈性變形外，材料同時可能發(fā)生塑性變 形和斷裂。塑性變形和斷裂可以認為是獨立的兩種狀態(tài)變化 材料抵抗塑性變形和抗斷裂的能力都是一定的，且互相獨立 如果等效正應力超過了斷裂強度就會發(fā)生正斷 最大切應力超過剪切屈服強度時發(fā)生塑性變形 最大切應力超過了剪切斷裂強度就發(fā)生剪切斷裂 剪切斷裂強度一般高于剪切

14、屈服強度 如果等效正應力達到斷裂強度之前，材料中的最大切應力超過 了剪切屈服強度或者剪切斷裂強度，材料先發(fā)生塑性變形，對 外顯示良好塑性 應力形式對塑性變形影響 應力狀態(tài)軟性系數(shù)應力狀態(tài)軟性系數(shù) 321 max max max 拉伸試驗應力 軟性系數(shù)為0.5 單向壓縮試驗 中為2(材料的 泊松比為0.25) 第一主應力為拉伸軸向應力， 第二、第三主應力均為0；最 大切應力為軸向拉伸應力一半 扭轉試驗應力 軟性系數(shù)為0.8 第三主應力為軸向壓縮應 力，第一、第二主應力均 為0；最大切應力為軸向 壓縮應力的一半 21 2 2 20 8 . 0 三個主應力分別為剪切應 力、0和剪切應力的負值； 最大

15、切應力為剪切應力 應力形式對材料塑性變形影響 應力軟性系數(shù)越大，材料越可能先進行塑性變形而后 斷裂；反之，材料不發(fā)生塑性變形就斷裂的危險增大 如圖所示三個強度值的材料1： 隨著試驗應力的增加，材料變形： 拉伸拉伸：彈性變形塑性變形斷裂 壓縮壓縮：彈性變形塑性變形斷裂 均能顯示良好塑性 )( )1( ffs 另一種材料2： 試驗應力增加，材料變形： 壓縮壓縮：彈變塑變斷裂；良好塑性良好塑性 拉伸拉伸：彈性變形斷裂；無塑性無塑性！ )1 ()2( ss 金屬壓力加工金屬壓力加工 金屬材料的塑性加工 加載方式必須選大的應力軟性系數(shù) 關鍵是保持第一主應力不高的情況下獲得高的最 大剪切應力，為此第三主應

16、力為負值第三主應力為負值 金屬塑性加工中，施加一個壓應力是必須的，多數(shù)情況下 該應力作用于金屬伸展的“垂直”方向上 以前的本科專業(yè)中，有關對金屬進行塑性加 工成型的專業(yè)名稱為“壓力加工壓力加工” 軋鋼、鍛壓、擠壓變形中均有壓應力；拉拔工藝的 壓應力來自拔絲模的作用 三、其它常用靜態(tài)力檢測方法 采用標距內(nèi)有缺口的試樣進行的各種靜載試驗。通過人為制 造的應力集中效應，檢測材料的性能對于缺口的敏感程度。 通常用缺口強度比（notch strength ratioNSR）來表示：其 定義為有缺口的試樣所顯示的抗拉強度與光滑試樣的對應性 能之比： NSR = m mn R R 缺口試驗缺口試驗 缺口敏感

17、性缺口敏感性 注意： NSR等于1，并不意味著材 料的性能不受缺口的影響 塑性好材料，NSR大于1 脆性材料，NSR小于1 鋼鐵材料的缺強比與 強度的關系 NSR大于1，并非是缺口導 致材料自身性能提高而是缺 口處引入多向應力狀態(tài)所致 思考：能否采用缺口來進行 強化，提高材料利用效率？ 四、硬度試驗 （Hardness test） 以硬度值給出的性能數(shù)據(jù)與其它高費 用的檢測方法獲得的性能指標之間有 良好的對應關系 簡單易行，費用低，近無損檢測簡單易行，費用低，近無損檢測 (1) 試樣簡單要求足夠的厚度，表試樣簡單要求足夠的厚度，表 面相對平整、無雜物；面相對平整、無雜物；(2) 檢測過程中檢測

18、過程中 只需在檢測部位壓出很小凹坑即可；只需在檢測部位壓出很小凹坑即可；(3) 檢測設備體積、重量都小，自身價格低檢測設備體積、重量都小，自身價格低 (4)可以實現(xiàn)構件使用現(xiàn)場操作可以實現(xiàn)構件使用現(xiàn)場操作 硬度試驗方法分類 (1) 壓入法：施加力的作用，將一個硬的測試體壓入到試樣內(nèi) 某個深度處，通過比較相同載荷下壓入的程度來比較材料的 軟硬程度包括Brinell硬度（HB）、Rockwell硬度（HR）、 及Vickers硬度（HV）。這種硬度，在實驗中，反映材料對于 塑性變形的抗力以及應變硬化能力； (2) 彈性回跳法：也有通過檢測測試體落下后從試樣表面回彈 高度來比較其硬度的方法肖氏硬度(

19、HS)。這種方法中，通 過檢測回彈高度，反映材料受到測試體落下造成的沖擊中能 量在塑性變形與彈性變形之間的分配情況強度高，塑性變 形小，彈性能量比例大，回彈高度大； (3) 滑痕法：莫氏硬度。反映材料對于切斷的抗力 布氏硬度布氏硬度 22 2 W S HB dDDD P Dh P HBS和HBW分別對應于用鋼球鋼球和 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金作為測試體的硬度 P為以kg來表示的載荷(多級別) D為測試球的直徑(2.5/5/10mm) d、h分別為壓痕的直徑和深度 (單位為mm) 洛氏硬度與維氏硬度洛氏硬度與維氏硬度 洛氏硬度洛氏硬度 壓頭小 通過壓痕深度確定硬度值(分 級HRA、HRB、HRC等9級，