應(yīng)力應(yīng)變曲線

1、1金屬材料的變形與再結(jié)晶金屬材料的變形與再結(jié)晶123金屬熱變形、蠕變與超塑性金屬熱變形、蠕變與超塑性4金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線金屬的塑性變形金屬的塑性變形回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶第1頁(yè)/共27頁(yè)2單向靜拉伸試驗(yàn)單向靜拉伸試驗(yàn) 是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)方法之一。 1）可揭示材料在靜載下的力學(xué)行為（三種失效形式）： 即：過(guò)量彈性變形過(guò)量彈性變形、塑性變形塑性變形、斷裂斷裂。n2）還可標(biāo)定出材料的最基本力學(xué)性能指標(biāo)：n如：屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率、斷面收縮率斷面收縮率等。 9-1 金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線第2頁(yè)/共27頁(yè)31、拉伸力伸長(zhǎng)曲線、拉伸力伸長(zhǎng)曲線 1 1、拉

2、伸曲線、拉伸曲線 拉伸力拉伸力F絕對(duì)伸長(zhǎng)絕對(duì)伸長(zhǎng)L的關(guān)系曲線。 在拉伸力的作用下，退火低碳鋼的變形過(guò)程四個(gè)階段： 1）彈性變形彈性變形：Oe 2）不均勻屈服塑性變形不均勻屈服塑性變形：AC 3）均勻塑性變形均勻塑性變形：CB 4）不均勻集中塑性變形不均勻集中塑性變形：Bk 5）最后發(fā)生斷裂。k低碳鋼的拉伸力與伸長(zhǎng)曲線第3頁(yè)/共27頁(yè)42、工程應(yīng)力、工程應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變曲線曲線（工程）應(yīng)力（工程）應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變曲線，曲線，曲線形狀不變。 由此，可建立材料在靜拉伸下的力學(xué)性能指標(biāo)。 應(yīng)力應(yīng)力：物體受外載荷作用時(shí)，單位截面積上內(nèi)力。0FA000LLLLL工程應(yīng)力應(yīng)變曲線工程應(yīng)力應(yīng)變曲線n應(yīng)變應(yīng)變：?jiǎn)挝?/p>

3、長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)。試樣原截面積 A0試樣標(biāo)距 L0n彈性變形：應(yīng)力去除后能夠彈性變形：應(yīng)力去除后能夠恢復(fù)的變形?；謴?fù)的變形。=E=En彈性模量：彈性模量： E En彈性極限：彈性極限： e en屈服極限：屈服極限：s s， 0.20.2n加工硬化（應(yīng)變硬化）加工硬化（應(yīng)變硬化）n抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度： b bn斷裂強(qiáng)度：斷裂強(qiáng)度： k kn延伸率：延伸率：=(L=(Lk k-L-L0 0)/L)/L0 0n斷面收縮率：斷面收縮率：=（F F0 0-F-Fk k)/F)/F0 0第4頁(yè)/共27頁(yè)5 用靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，可得出許多重要性能指標(biāo): 彈性模量彈性模量 E ：主要用于零件的剛度設(shè)計(jì)。 屈服強(qiáng)

4、度屈服強(qiáng)度s s 和抗拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度b b ：主要用于零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 特別是：抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b b 和彎曲疲勞強(qiáng)度彎曲疲勞強(qiáng)度有一定比例關(guān)系，進(jìn)一步為零件在交變載荷下使用提供參考。 而材料的塑性材料的塑性，斷裂前的應(yīng)變量斷裂前的應(yīng)變量：主要是為材料在冷熱變形時(shí)的工藝性能作參考。2、工程應(yīng)力 應(yīng)變曲線第5頁(yè)/共27頁(yè)6 工程應(yīng)力工程應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變曲線：曲線： 不能真實(shí)反映試件拉伸過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變的變化關(guān)系。 實(shí)際拉伸中，隨載荷F 增加，長(zhǎng)度 L0 伸長(zhǎng)，截面積 A0 相應(yīng)減少。0FA工程應(yīng)力應(yīng)變曲線工程應(yīng)力應(yīng)變曲線000LLLLL2、工程應(yīng)力 應(yīng)變曲線1. 低鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中鋼，低、中C

5、合金鋼某些Al合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。2. 鑄鐵、陶瓷：只有第I階段3. 中、高碳鋼：沒(méi)有第II階段第6頁(yè)/共27頁(yè)73、真應(yīng)力、真應(yīng)力S真應(yīng)變真應(yīng)變e 曲線曲線 3 3、真應(yīng)力、真應(yīng)力S真應(yīng)變真應(yīng)變e 曲線：（流變曲線）曲線：（流變曲線） 在實(shí)踐的塑性變形中，試樣的截面積與長(zhǎng)度也在不斷發(fā)生著變化，在研究金屬塑性變形時(shí)，為了獲得真實(shí)的變形特性，應(yīng)當(dāng)按真應(yīng)力和真應(yīng)變來(lái)進(jìn)行分析。 流變曲線真實(shí)反映變形過(guò)程中，隨應(yīng)變量增大，材料性質(zhì)的變化。工程應(yīng)力應(yīng)變曲線工程應(yīng)力應(yīng)變曲線第7頁(yè)/共27頁(yè)8真應(yīng)力真應(yīng)力S與真應(yīng)變與真應(yīng)變e 1 1）真應(yīng)力）真應(yīng)力 S ：試件在某一瞬時(shí)承受的拉伸應(yīng)力。 2

6、）真應(yīng)變）真應(yīng)變 e ：試件瞬時(shí)伸長(zhǎng)量 / 瞬時(shí)長(zhǎng)度。 若拉伸過(guò)程各階段試件伸長(zhǎng)量為一微小增量dL，則試件從L0伸長(zhǎng)到Ln，總應(yīng)變?yōu)椋?00LLLLL工程應(yīng)變0AF工程應(yīng)力初始長(zhǎng)度最終長(zhǎng)度lnln01120010LLLdLLLLLLLeLL試件瞬時(shí)截面積瞬時(shí)載荷iiAFS第8頁(yè)/共27頁(yè)9 3）真應(yīng)力真應(yīng)力S 與工程應(yīng)力工程應(yīng)力關(guān)系關(guān)系 當(dāng)材料拉伸變形是等體積變化（等體積變化（A0L0=AL）過(guò)程時(shí)， 真應(yīng)力真應(yīng)力S 和工程應(yīng)力工程應(yīng)力 之間存在如下關(guān)系： 這說(shuō)明，S 。（- -工程應(yīng)變工程應(yīng)變）（1S00000()(1)FFLFLLSAA LAL第9頁(yè)/共27頁(yè)10 4）真應(yīng)變真應(yīng)變e 與工

7、程應(yīng)變工程應(yīng)變關(guān)系關(guān)系 顯然，總是 e ，且變形量越大，二者的差距越大。0ln0LLLdLeLL000LLLLL000lnlnlnLLLeLL （1 ）第10頁(yè)/共27頁(yè)114、定義真應(yīng)力、定義真應(yīng)力S（應(yīng)變（應(yīng)變e）的意義）的意義 1 1）真應(yīng)力）真應(yīng)力 S 和真應(yīng)變和真應(yīng)變 e 的定義：的定義： 承認(rèn)了在變形過(guò)程中試件長(zhǎng)度和直徑間相互變化的事實(shí)。承認(rèn)了在變形過(guò)程中試件長(zhǎng)度和直徑間相互變化的事實(shí)。 因變形過(guò)程中體積保持不變，因此 即長(zhǎng)度伸長(zhǎng)了，其實(shí)際截面積 A 就會(huì)相應(yīng)減少，因此，常數(shù)2211LALA工程應(yīng)力真應(yīng)力SiiFSA瞬時(shí)載荷試件瞬時(shí)截面積0AF第11頁(yè)/共27頁(yè)124、定義真應(yīng)力、

8、定義真應(yīng)力S （應(yīng)變（應(yīng)變e ）的意義）的意義 2 2）之所以如此定義真應(yīng)變：）之所以如此定義真應(yīng)變： 因?yàn)槊恳粫r(shí)刻實(shí)際應(yīng)變e 與瞬時(shí)標(biāo)距長(zhǎng)度瞬時(shí)標(biāo)距長(zhǎng)度L Li i 有關(guān)。 若固定每一位移增量L ，瞬時(shí)長(zhǎng)度 Li 就隨之增加，相應(yīng)地，應(yīng)變?cè)隽繎?yīng)變?cè)隽烤蜁?huì)減少。 （因隨附加每一位移增量L，瞬時(shí)標(biāo)距長(zhǎng)度Li 都要隨之增加 ）。 由試件總長(zhǎng)度變化來(lái)定義其真應(yīng)變真應(yīng)變e e，就有可能認(rèn)為該長(zhǎng)度變化是一步達(dá)到的，或任意多步達(dá)到的。試件初始長(zhǎng)度試件最終長(zhǎng)度lnln01120010LLLdLLLLLLLeLL第12頁(yè)/共27頁(yè)13 因此，若試件分幾次拉伸（如分2次拉伸），則 各次拉伸各次拉伸工程應(yīng)變量工程

9、應(yīng)變量之和之和不等于不等于一次拉伸的工程應(yīng)變量。一次拉伸的工程應(yīng)變量。 但是，各次拉伸各次拉伸真應(yīng)變量真應(yīng)變量e之和之和等于等于一次拉伸的真應(yīng)變量。一次拉伸的真應(yīng)變量。002112001LLLLLLLLL021201lnlnlnLLLLLL第13頁(yè)/共27頁(yè)145、不同類型材料典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線、不同類型材料典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線 1）第）第種類型：完全彈性種類型：完全彈性 可用虎克定律虎克定律描述其應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變應(yīng)變成比例的材料特性。En特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有可逆應(yīng)力應(yīng)變曲線和不出現(xiàn)塑性變形的特征。n典型材料：典型材料：如玻璃、巖石、多種陶瓷、高交聯(lián)度的高聚合物和低溫下的某些金屬材料。n此

10、類材料抗脆性（低能量）斷裂的能力是極需注意的問(wèn)題。E材料的彈性模量（楊氏模量）第14頁(yè)/共27頁(yè)15 蘇打石灰玻璃：蘇打石灰玻璃：應(yīng)力-應(yīng)變曲線只顯示彈性變形，沒(méi)有塑性變形立即斷裂，這是完全脆斷的情形。 工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料：工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料：如Al2O3，SiC等，淬火態(tài)高碳鋼、普通灰鑄鐵也屬這種情況。 第15頁(yè)/共27頁(yè)16 完全彈性材料：完全彈性材料： 不適用于在拉伸載荷下的工程應(yīng)用，但用于承受壓縮載荷時(shí)，卻是一種理想的材料。因?yàn)榇嘈圆牧鲜軌簳r(shí)強(qiáng)度比受拉時(shí)強(qiáng)度要大好幾倍。 如：混凝土材料混凝土材料是其極好的例子，廣泛用于受壓的情況。 但工程中承受純壓縮載荷是極少的，一般或多或少地同時(shí)承受拉伸

11、載荷，因此完全彈性材料（脆性材料）應(yīng)用于工程上應(yīng)考慮提高其抵抗拉伸載荷的措施。 如：在混凝土材料中通過(guò)配鋼筋來(lái)混凝土材料中通過(guò)配鋼筋來(lái)提高其抗拉伸性能。第16頁(yè)/共27頁(yè)17 高分子材料，聚氯乙烯：高分子材料，聚氯乙烯：在拉伸開始時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變不成直線關(guān)系，即不服從虎克定律，而且變形表現(xiàn)為粘彈性粘彈性。 粘彈性：粘彈性：是指材料在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機(jī)理同時(shí)存在的力學(xué)行為。n其其特征特征是應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)（或反之)不是瞬時(shí)完成的（應(yīng)變落后于應(yīng)力），需要需要通過(guò)一個(gè)弛豫過(guò)程通過(guò)一個(gè)弛豫過(guò)程，但卸裁后，應(yīng)變恢復(fù)到初始值，不應(yīng)變恢復(fù)到初始值，不留下殘余變形留下殘余變形。第17頁(yè)/共27頁(yè)1

12、8 2 2）第）第種類型：彈性均勻塑性種類型：彈性均勻塑性 若材料具有不可逆的塑性變形能力，在彈性變形后，接著有一個(gè)均勻變形階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)為第第類型類型。第種類型的應(yīng)力應(yīng)變曲線 n應(yīng)力很小時(shí)，仍有彈性變形區(qū)彈性變形區(qū)，接著一段光滑的拋物線，其相應(yīng)于均勻塑性變形過(guò)程均勻塑性變形過(guò)程。n均勻塑性變形：均勻塑性變形：n表明塑性變形需要不斷增加外力才能繼續(xù)進(jìn)行，即材料有阻止繼續(xù)塑變的能力（應(yīng)變硬化（應(yīng)變硬化性能）性能）。第18頁(yè)/共27頁(yè)19 多數(shù)塑性金屬材料多數(shù)塑性金屬材料，如鋁鎂合金、銅合金、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼（經(jīng)淬火中高溫回火）其應(yīng)力-應(yīng)變曲線也是如此。 材料由彈性連續(xù)過(guò)渡到塑性變形，塑性

13、變形時(shí)無(wú)鋸齒形平臺(tái)，變形時(shí)總伴隨著加工硬化。第19頁(yè)/共27頁(yè)20 3）第）第種類型：彈性不均勻塑性變形種類型：彈性不均勻塑性變形 在正常彈性后，有一系列鋸齒疊加在拋物線型曲線上。 此類材料特性：是由于材料內(nèi)部不均勻變形所致。n出現(xiàn)的情況：出現(xiàn)的情況：n（1）面心立方金屬在低溫和高應(yīng)）面心立方金屬在低溫和高應(yīng)變率下，其塑變通過(guò)孿生進(jìn)行。變率下，其塑變通過(guò)孿生進(jìn)行。n標(biāo)距的長(zhǎng)度隨孿生帶的成核和生長(zhǎng)間歇地突然伸長(zhǎng)，當(dāng)試樣中瞬時(shí)應(yīng)變率超過(guò)試驗(yàn)機(jī)夾頭運(yùn)動(dòng)速率，則載荷就下降。第20頁(yè)/共27頁(yè)21 （2 2）含碳的體心立方鐵基固溶體及鋁的低溶質(zhì)固溶體。）含碳的體心立方鐵基固溶體及鋁的低溶質(zhì)固溶體。 由于

14、溶質(zhì)原子或空位與晶格位錯(cuò)相互作用的結(jié)果所致。n若應(yīng)力足夠大，位錯(cuò)可從溶質(zhì)原子簇中掙脫，載荷就下降。n若溶質(zhì)原子足夠快地?cái)U(kuò)散開，就可將位錯(cuò)重新鎖住，則須再增大載荷才使變形繼續(xù)下去。第21頁(yè)/共27頁(yè)22 4）第）第種類型：彈性種類型：彈性不均勻塑性不均勻塑性均勻塑性變形均勻塑性變形 許多體心立方鐵基合金和有色合金，應(yīng)力應(yīng)變曲線在彈性彈性與均勻塑性變形均勻塑性變形間有一狹窄一段屬不均勻塑變區(qū)不均勻塑變區(qū)。即從彈性向塑性變形的過(guò)渡明顯。n主要表現(xiàn)：主要表現(xiàn)：在試驗(yàn)中，外力不增加（保持恒定）試樣仍繼續(xù)伸長(zhǎng)；或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動(dòng)下，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)變形。這便是“屈服現(xiàn)

15、象屈服現(xiàn)象”。第22頁(yè)/共27頁(yè)23 5）第）第種類型：種類型：彈性不均勻塑性均勻塑性變形彈性不均勻塑性均勻塑性變形 它有一個(gè)上屈服點(diǎn)上屈服點(diǎn)A，接著載荷下降。 其中：OA彈性彈性；AB不均勻塑變不均勻塑變；BC均勻塑變均勻塑變。n到達(dá)B點(diǎn)后，試件出現(xiàn)“縮頸縮頸”，但并很快失效。n典型的結(jié)晶高聚合物材料結(jié)晶高聚合物材料具有此特征，這與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。n以B點(diǎn)為界，整個(gè)塑變出現(xiàn)兩種不同趨勢(shì)。nAB應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃蠖陆担珺C則隨應(yīng)變?cè)龃蠖仙?。ABC第23頁(yè)/共27頁(yè)24不同類型材料典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線不同類型材料典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線 退火低碳鋼：退火低碳鋼： 在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，出現(xiàn)屈服平臺(tái)，平臺(tái)的延伸長(zhǎng)度隨鋼的含碳量增加而減少。 當(dāng)含碳量增至0.6%以上，平臺(tái)消失。第24頁(yè)/共27頁(yè)25其它類型材料的應(yīng)力其它類型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線彈性變形、塑性變形彈性變形非線性彈性變形1純金屬（Al、Cu、Ag等）2高彈性材料（橡膠）3脆性材料（陶瓷、白口鑄鐵、淬火高碳鋼）1234102030 (%)0100200300400500600700800900 (MPa)1、錳鋼 2、硬鋁 3、退火球墨鑄鐵 4、低碳鋼特點(diǎn)：d d 較大，為塑性材料。 無(wú)明顯屈服階段。第25頁(yè)/共27頁(yè)266 6、溫度溫