材料的拉伸性能2

1、材料的拉伸性能材料的拉伸性能1.1 1.1 前言前言1 1、拉伸性能、拉伸性能: : 通過拉伸試驗(yàn)可測(cè)材料的彈性、強(qiáng)度、延性、應(yīng)變通過拉伸試驗(yàn)可測(cè)材料的彈性、強(qiáng)度、延性、應(yīng)變硬化和韌度等重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它是材料的基本力硬化和韌度等重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它是材料的基本力學(xué)性能。學(xué)性能。2 2、拉伸性能的作用、用途：、拉伸性能的作用、用途：a.a.在工程應(yīng)用中，拉伸性能是結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要在工程應(yīng)用中，拉伸性能是結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一。依據(jù)之一。b.b.提供預(yù)測(cè)材料的其它力學(xué)性能的參量，如抗疲勞、提供預(yù)測(cè)材料的其它力學(xué)性能的參量，如抗疲勞、斷裂性能。斷裂性能。 （研究新材料，或合理使用現(xiàn)

2、有材料和改善其力學(xué)性能（研究新材料，或合理使用現(xiàn)有材料和改善其力學(xué)性能時(shí)，都要測(cè)定材料的拉伸性能）時(shí)，都要測(cè)定材料的拉伸性能）3 3、本章內(nèi)容、本章內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)條件： 光滑試件室溫大氣介質(zhì)光滑試件室溫大氣介質(zhì) 單向單調(diào)拉伸載荷單向單調(diào)拉伸載荷 研究?jī)?nèi)容：研究?jī)?nèi)容： 測(cè)定不同變形和硬化特性的材料的應(yīng)力測(cè)定不同變形和硬化特性的材料的應(yīng)力- -應(yīng)變曲應(yīng)變曲線和拉伸性能參數(shù)。線和拉伸性能參數(shù)。了解不同材料的性質(zhì)了解不同材料的性質(zhì)1. 1. 實(shí)驗(yàn)樣件實(shí)驗(yàn)樣件(b)(b)矩形截面標(biāo)準(zhǔn)試件矩形截面標(biāo)準(zhǔn)試件( (截面積為截面積為A A）：）： AlAl65. 5,3 .1100標(biāo)距l(xiāng)0( (a)a)圓

3、截面標(biāo)準(zhǔn)試件：圓截面標(biāo)準(zhǔn)試件：l0=10d0 ， l0=5d0標(biāo)距l(xiāng)0d0壓縮試件常采用圓形截面或方形截面的短試件。試件高度與截面尺寸的比例關(guān)系為圓形截面試件：l0 /d0 =1.5 3 ；方形截面試件：l0 /b =1 3 。目錄1.2 1.2 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)儀器：試驗(yàn)儀器：萬能材料試驗(yàn)機(jī)，萬能材料試驗(yàn)機(jī)，可變量程萬能材料試驗(yàn)機(jī)可變量程萬能材料試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)電子拉伸試驗(yàn)機(jī)0L0d標(biāo)準(zhǔn)試件試件斷口2 2. .拉伸實(shí)驗(yàn)中注意的問題拉伸實(shí)驗(yàn)中注意的問題 a. a. 拉伸加載速率較低拉伸加載速率較低, ,俗稱靜拉伸試驗(yàn)。俗稱靜拉伸試驗(yàn)。 嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其結(jié)果方為嚴(yán)格按照

4、國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其結(jié)果方為有效，由不同的實(shí)驗(yàn)室和工作人員測(cè)定的拉伸有效，由不同的實(shí)驗(yàn)室和工作人員測(cè)定的拉伸性能數(shù)據(jù)才可以互相比較。性能數(shù)據(jù)才可以互相比較。 b. b. 拉伸試驗(yàn)機(jī)帶有自動(dòng)記錄或繪圖裝置，記錄拉伸試驗(yàn)機(jī)帶有自動(dòng)記錄或繪圖裝置，記錄或繪制試件所受的載荷或繪制試件所受的載荷P P和伸長(zhǎng)量和伸長(zhǎng)量ll之間的關(guān)之間的關(guān)系曲線系曲線; ;sMPadtd/101/圖圖1-2 1-2 低碳鋼的拉伸圖低碳鋼的拉伸圖0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.0PbPm bPsPpPeLoad / KN Distance/ mm圖圖1-2 1-2 低碳鋼的工程應(yīng)力一工程應(yīng)變曲線

5、低碳鋼的工程應(yīng)力一工程應(yīng)變曲線0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.0true strain-stress linePbPmStress / MPaStrain 拉伸圖拉伸圖 拉伸曲線拉伸曲線 拉伸圖拉伸圖-加載后標(biāo)距間的長(zhǎng)度變化量加載后標(biāo)距間的長(zhǎng)度變化量 l l 載荷載荷P P關(guān)系曲線關(guān)系曲線 拉伸曲線拉伸曲線-應(yīng)力應(yīng)力 應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 工程應(yīng)力工程應(yīng)力載荷除以試件的原始截面積載荷除以試件的原始截面積即得工程應(yīng)力，即得工程應(yīng)力，=P=PA A0 0 工程應(yīng)變工程應(yīng)變伸長(zhǎng)量除以原始標(biāo)距長(zhǎng)度即伸長(zhǎng)量除以原始標(biāo)距長(zhǎng)度即得工程應(yīng)變得工程應(yīng)變e e，e=le=ll l0 0低碳鋼

6、拉伸破壞斷面低碳鋼拉伸破壞斷面1 13 3 典型的拉伸曲線典型的拉伸曲線 1 1、材料分類：、材料分類： 按材料在拉伸斷裂前是否發(fā)生塑性變形，按材料在拉伸斷裂前是否發(fā)生塑性變形，將材料分為脆性材料和塑性材料兩大類。脆將材料分為脆性材料和塑性材料兩大類。脆性材料在拉伸斷裂前不產(chǎn)生塑性變形性材料在拉伸斷裂前不產(chǎn)生塑性變形, , 只發(fā)只發(fā)生彈性變形；塑性材料在拉伸斷裂前會(huì)發(fā)生生彈性變形；塑性材料在拉伸斷裂前會(huì)發(fā)生不可逆塑性變形。不可逆塑性變形。 高塑性材料在拉伸斷裂前不僅產(chǎn)生均勻高塑性材料在拉伸斷裂前不僅產(chǎn)生均勻的伸長(zhǎng)，而且發(fā)生頸縮現(xiàn)象，且塑性變形量的伸長(zhǎng)，而且發(fā)生頸縮現(xiàn)象，且塑性變形量大。低塑性材

7、料在拉伸斷裂前只發(fā)生均勻伸大。低塑性材料在拉伸斷裂前只發(fā)生均勻伸長(zhǎng)，不發(fā)生頸縮，且塑性變形量較小。長(zhǎng)，不發(fā)生頸縮，且塑性變形量較小。 2 2、典型的拉伸曲線、典型的拉伸曲線 s= 0.2sbeeeeee脆斷脆斷: :淬火高淬火高碳鋼碳鋼彈性變形和均彈性變形和均勻塑性變形、勻塑性變形、頸縮頸縮: :有色金有色金屬屬塑性屈服塑性屈服: :低低碳鋼碳鋼彈性變形和均彈性變形和均勻塑性變形：勻塑性變形：高錳鋼，鋁青高錳鋼，鋁青銅銅彈性變形、頸彈性變形、頸縮縮: :冷拔鋼絲冷拔鋼絲非均勻彈性變非均勻彈性變形和均勻塑性形和均勻塑性變形、頸縮：變形、頸縮：純銅純銅其他金屬材料在拉伸時(shí)的力學(xué)性能其他金屬材料在拉

8、伸時(shí)的力學(xué)性能 錳鋼沒有屈服和局部變形階錳鋼沒有屈服和局部變形階段段強(qiáng)鋁、退火球墨鑄鐵沒有明強(qiáng)鋁、退火球墨鑄鐵沒有明顯屈服階段顯屈服階段共同點(diǎn)：共同點(diǎn)：d d 5%5%，屬塑性材料，屬塑性材料由于鍛壓失敗而報(bào)廢的曲拐毛坯由于鍛壓失敗而報(bào)廢的曲拐毛坯日本JCFC公司鍛造的214噸、14.270米長(zhǎng)的半組合式曲軸JCFC曲軸曲軸 目前國外能夠生產(chǎn)大型船用低速柴油機(jī)主機(jī)曲軸的國家主要有日本、韓國、捷克、西班牙、俄羅斯等少數(shù)幾個(gè)國家。近年來全球曲軸產(chǎn)量在每年600根左右，其中日、韓兩國的產(chǎn)品約占80，國內(nèi)的上海船用曲軸有限公司于2005年初制造了第一根真正意義上的國產(chǎn)化半組合式曲軸。 以現(xiàn)有的造船擴(kuò)張

9、能力看，2010年中國需要300根曲軸，2015年需要420根曲軸，市場(chǎng)缺口很大。60機(jī)曲軸價(jià)格在600萬元左右。國內(nèi)外船用曲軸的生產(chǎn)及需求情況國內(nèi)外船用曲軸的生產(chǎn)及需求情況HYUNDAI 韓國現(xiàn)代重工生韓國現(xiàn)代重工生產(chǎn)的船用柴油機(jī)曲產(chǎn)的船用柴油機(jī)曲軸目前在國際市場(chǎng)軸目前在國際市場(chǎng)上占有份額為上占有份額為35%，年產(chǎn)量為年產(chǎn)量為200多根曲多根曲軸?，F(xiàn)代重工于軸。現(xiàn)代重工于1985年涉足于曲軸年涉足于曲軸生產(chǎn)領(lǐng)域，現(xiàn)在可生產(chǎn)領(lǐng)域，現(xiàn)在可以生產(chǎn)用于以生產(chǎn)用于l萬萬TEU級(jí)集裝箱船柴油主級(jí)集裝箱船柴油主機(jī)的大型曲軸機(jī)的大型曲軸半組合式曲軸的制造工藝過程半組合式曲軸的制造工藝過程： 澆鑄鋼錠澆鑄鋼錠

10、頂鍛鐓粗頂鍛鐓粗開坯成型開坯成型 彎鍛曲拐彎鍛曲拐壓扁精整壓扁精整 熱處理熱處理 機(jī)加工機(jī)加工加熱紅套加熱紅套精加工精加工 拔拔 長(zhǎng)長(zhǎng)曲拐的制造曲拐的制造軸頸的制造軸頸的制造澆鑄鋼錠澆鑄鋼錠開坯成型開坯成型 鍛造鍛造 機(jī)加工機(jī)加工主軸毛坯主軸毛坯曲拐毛坯曲拐毛坯曲拐的組合曲拐的組合曲拐毛坯曲拐毛坯主軸毛坯主軸毛坯 曲拐形狀復(fù)雜，曲拐形狀復(fù)雜，尺寸大，是生產(chǎn)曲軸尺寸大，是生產(chǎn)曲軸的關(guān)鍵，實(shí)際上，半的關(guān)鍵，實(shí)際上，半組合曲軸毛坯的制造組合曲軸毛坯的制造關(guān)鍵就是曲拐毛坯的關(guān)鍵就是曲拐毛坯的鍛造成形技術(shù)。鍛造成形技術(shù)。曲軸鍛造的核心技術(shù)曲軸鍛造的核心技術(shù) 曲拐彎鍛模擬的研究手段及步驟曲拐彎鍛模擬的研究

11、手段及步驟4.4.確定與工藝過程對(duì)應(yīng)的模擬步驟，以及各步驟之確定與工藝過程對(duì)應(yīng)的模擬步驟，以及各步驟之間的關(guān)系間的關(guān)系 1.1.測(cè)試材料測(cè)試材料S34MnV在高溫不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)在高溫不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，建立材料的本構(gòu)關(guān)系模型變曲線，建立材料的本構(gòu)關(guān)系模型2.2.建立實(shí)體模型，選取合適的單元類型對(duì)實(shí)體進(jìn)行建立實(shí)體模型，選取合適的單元類型對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格剖分，3.3.確定模具與工件之間的接觸傳熱及摩擦邊界條件，確定模具與工件之間的接觸傳熱及摩擦邊界條件，對(duì)模具及工件施加載荷對(duì)模具及工件施加載荷5.5.開始計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果可視化，分析彎鍛后曲開始計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果可視化，

12、分析彎鍛后曲拐的塑性流動(dòng)機(jī)制及各場(chǎng)量演化情況拐的塑性流動(dòng)機(jī)制及各場(chǎng)量演化情況 對(duì)對(duì)S34MnV進(jìn)行的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)：建立本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)：建立本構(gòu)關(guān)系 2220.50()() 1 exp() sssspnssssdsppek30.17992.9arcsinh(2.81 10)ssZ40.20892.9arcsinh(9.14 10)dsZ0.1954103exp( 2.021 10 /)RT 0.091431.123exp(9.138 10 /)nRT0.11742.797exp(3.714 10 /)kRT30.1262.77 10pZPredicted DataExperiment

13、al DataS34MnV鋼在鋼在1100不同應(yīng)變速率下的應(yīng)不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線力應(yīng)變曲線(實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較)StrainStress(MPa) 第一種工藝方案第一種工藝方案 方案一采用的模具和坯料方案一采用的模具和坯料 曲拐的彎鍛與精整過程的模擬曲拐的彎鍛與精整過程的模擬 曲拐彎鍛過程模擬結(jié)果曲拐彎鍛過程模擬結(jié)果1 14 4 拉伸性能拉伸性能 彈性模量彈性模量E: E: 單純彈性變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的比值。單純彈性變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的比值。eE屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s s： 對(duì)于拉伸曲線上有明顯的屈服平臺(tái)的材料，塑性變對(duì)于拉伸曲線上有明顯的屈服平臺(tái)的材料，塑性變形硬

14、化不連續(xù)，屈服平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為屈服強(qiáng)度，形硬化不連續(xù)，屈服平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為屈服強(qiáng)度，記為記為 s ss = Ps / A0對(duì)于拉伸曲線上沒有屈服平臺(tái)的材料，塑性變形對(duì)于拉伸曲線上沒有屈服平臺(tái)的材料，塑性變形硬化過程是連續(xù)的，此時(shí)將屈服強(qiáng)度定義為產(chǎn)生硬化過程是連續(xù)的，此時(shí)將屈服強(qiáng)度定義為產(chǎn)生0.2% 0.2% 殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，記為殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，記為0.2 0.2 s s = = 0.20.2 = P = P0.2 0.2 / A/ A0 0 2. 2. 塑性塑性 1 1）斷后伸長(zhǎng)率）斷后伸長(zhǎng)率 （L L1 1- -L L0 0）/ /L L0 0100% 100% 注意：注意：和和

15、5 5的區(qū)別。的區(qū)別。 一般一般 5 5（1.251.251.51.5） 2 2）斷面收縮率）斷面收縮率 ( (S S0 0S S1 1)/)/S S0 0100%100%和5的區(qū)別 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b b： 定義為試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力，以前定義為試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力，以前稱為強(qiáng)度極限。取拉伸圖上的最大載荷，即對(duì)應(yīng)于稱為強(qiáng)度極限。取拉伸圖上的最大載荷，即對(duì)應(yīng)于b b點(diǎn)點(diǎn)的載荷除以試件的原始截面積，即得抗拉強(qiáng)度之值，記的載荷除以試件的原始截面積，即得抗拉強(qiáng)度之值，記為為b bb = PmaxA0 延伸率延伸率 ： 材料的塑性常用延伸率表示。測(cè)定方法如下：拉伸材料的塑性常

16、用延伸率表示。測(cè)定方法如下：拉伸試驗(yàn)前測(cè)定試件的標(biāo)距試驗(yàn)前測(cè)定試件的標(biāo)距L L0 0，拉伸斷裂后測(cè)得標(biāo)距為，拉伸斷裂后測(cè)得標(biāo)距為L(zhǎng) Lk k，然而按下式算出延伸率然而按下式算出延伸率%10000LLLK斷面收縮率斷面收縮率： 斷面收縮率斷面收縮率是評(píng)定材料塑性的主要指標(biāo)。是評(píng)定材料塑性的主要指標(biāo)。%10000AAAK 金屬材料的金屬材料的和和數(shù)值越大，表示數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬適用于材料的塑性越好。塑性好的金屬適用于壓力加工、焊接加工等方法制成形狀復(fù)壓力加工、焊接加工等方法制成形狀復(fù)雜的零件。雜的零件。 工業(yè)純鐵的工業(yè)純鐵的可達(dá)可達(dá)5050，可達(dá)可達(dá)8080，可拉成細(xì)絲、軋

17、成薄板等。可拉成細(xì)絲、軋成薄板等。 白口鑄鐵的白口鑄鐵的、幾乎為零，不能進(jìn)幾乎為零，不能進(jìn)行塑性變形加工。只能鑄造成型。行塑性變形加工。只能鑄造成型。 MPa240sMPa390bQ235Q235鋼的主要強(qiáng)度指標(biāo)：鋼的主要強(qiáng)度指標(biāo)： Q235Q235鋼的塑性指標(biāo)：鋼的塑性指標(biāo)： %30%20%60Q235Q235鋼的彈性指標(biāo)：鋼的彈性指標(biāo)： GPa210200E通常通常 的材料稱為塑性材料；的材料稱為塑性材料；%5 的材料稱為脆性材料。的材料稱為脆性材料。%51 15 5 脆性材料的拉伸力學(xué)行為脆性材料的拉伸力學(xué)行為 脆性材料在拉伸載荷下的力學(xué)行為可用虎脆性材料在拉伸載荷下的力學(xué)行為可用虎克定

18、律來描述。在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變克定律來描述。在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即成正比，即 =E=Ee e 無機(jī)玻璃、陶瓷以及一些處于低溫下的脆無機(jī)玻璃、陶瓷以及一些處于低溫下的脆性金屬材料，在拉伸斷裂前只發(fā)生彈性變形，性金屬材料，在拉伸斷裂前只發(fā)生彈性變形，而不發(fā)生塑性變形，其拉伸曲線如圖而不發(fā)生塑性變形，其拉伸曲線如圖1-3(a)1-3(a)所所示。示。 在拉伸時(shí)，試件發(fā)生軸向伸長(zhǎng)，也同在拉伸時(shí)，試件發(fā)生軸向伸長(zhǎng)，也同時(shí)發(fā)生橫向收縮。將縱向應(yīng)變時(shí)發(fā)生橫向收縮。將縱向應(yīng)變e el l 與橫與橫( (徑徑) )向應(yīng)變向應(yīng)變e er r之負(fù)比值表示為之負(fù)比值表示為，即，即=-=-e er

19、r/ /e el l，稱為波桑比稱為波桑比(Poissons (Poissons ratio), ratio), 它也是材料的彈性常數(shù)。它也是材料的彈性常數(shù)。脆性材料在拉伸載荷下的力學(xué)性能可脆性材料在拉伸載荷下的力學(xué)性能可用兩個(gè)力學(xué)參數(shù)表征：即彈性模量和用兩個(gè)力學(xué)參數(shù)表征：即彈性模量和脆性斷裂強(qiáng)度。脆性斷裂強(qiáng)度。 灰口鑄鐵軸向拉伸試驗(yàn)灰口鑄鐵軸向拉伸試驗(yàn)灰口鑄鐵在拉伸時(shí)的-e 曲線特點(diǎn)：1、 -e 曲線從很低應(yīng)力水平開始就是曲線；采用割線彈性模量2、沒有屈服、強(qiáng)化、局部變形階段，只有唯一拉伸強(qiáng)度指標(biāo)sb3、伸長(zhǎng)率非常小，拉伸強(qiáng)度sb基本上就是試件拉斷時(shí)橫截面上的真實(shí)應(yīng)力。 典型的脆性材料典型的

20、脆性材料1 16 6 塑性材料的拉伸力學(xué)行為塑性材料的拉伸力學(xué)行為 當(dāng)塑性材料所受的應(yīng)力低于彈性極限，當(dāng)塑性材料所受的應(yīng)力低于彈性極限，其力學(xué)行為可近似地用虎克定律加以表述。其力學(xué)行為可近似地用虎克定律加以表述。當(dāng)材料所受的應(yīng)力高于彈性極限，虎克定律當(dāng)材料所受的應(yīng)力高于彈性極限，虎克定律不再適用。此時(shí)，材料的變形既有彈性變形不再適用。此時(shí)，材料的變形既有彈性變形又有塑性變形，進(jìn)入彈塑性變形階段，其力又有塑性變形，進(jìn)入彈塑性變形階段，其力學(xué)行為需要用彈學(xué)行為需要用彈- -塑性變形階段的數(shù)學(xué)表達(dá)塑性變形階段的數(shù)學(xué)表達(dá)式，或稱本構(gòu)方程加以表述。式，或稱本構(gòu)方程加以表述。真應(yīng)力真應(yīng)力真應(yīng)變的定義：真應(yīng)

21、變的定義：1AAAPAPSoo設(shè)設(shè)L L0 0=100=100，L=110L=110，則，則%10%100100100110e真應(yīng)力：真應(yīng)力：真應(yīng)變：真應(yīng)變：)11ln()1ln(ln0eLLLdLoL若設(shè)若設(shè)L0=100L0=100，L0L0101101，L0L0102102， L10=110 L10=110，則則e e1 1=1%, e=1%, e2 2=0.99%, e=0.99%, e3 3=0.98%, =0.98%, e e1010=0.917%=0.917%e e1 1+ e+ e2 2+ e+ e3 3 e e1010 10% 10%在彈在彈- -塑性變形階段，只有真應(yīng)力塑性變形階段，只有真應(yīng)力- -真真應(yīng)變曲線才能描述材料的力學(xué)形為。應(yīng)變曲線才能描述材料的力學(xué)形為。絕大多數(shù)金屬材料在室溫下屈服后，絕大多數(shù)金屬材料在室溫下屈服后，要使塑性變形繼續(xù)進(jìn)行，必須不斷增要使塑性變形繼續(xù)進(jìn)行，必須不斷增大應(yīng)力，所以在真應(yīng)力大應(yīng)力，所以在真應(yīng)力- -真應(yīng)變曲線真應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為流變應(yīng)力不斷上升。這種現(xiàn)上表現(xiàn)為流變應(yīng)力不斷上升。這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化。象稱為形變強(qiáng)化。 真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力- -對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線與工程應(yīng)力對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線與工程應(yīng)力- -對(duì)數(shù)應(yīng)變對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線的比較曲線