材料的力學性能2.ppt

2 材料的變形 任何材料在外力作用下都會或多或少地發(fā)生變形 但是由于各種材料的本性不同 材料所受外力的性質(zhì)和大小不同 材料工作時所處的環(huán)境不同 變形的性質(zhì)和程度也就不同 根據(jù)外力去除后材料的變形能否恢復 可分為彈性變形和塑性變形兩種 能恢復的變形稱為彈性變形 不能恢復的變形稱為塑性變形 本章將集中研究材料的彈性變形和塑性變形的基本規(guī)律及原理 當歲月的樹還透著的沁沁綠意 當時間的風還拂著青春的氣息 匆忙的我們 不經(jīng)意間就步入一片夏的濃蔭中 這個季節(jié) 我們開啟了我們的暑假實踐活動 最終 我們成長了 蛻變了 下面便是美文閱讀網(wǎng)帶來的暑期社會實踐個人總結(jié) 歡迎閱讀 暑期社會實踐個人總結(jié) 一 七天的社會實踐 我從初期準備階段滿懷憧憬的開始 到實踐期間親身經(jīng)歷的深刻體會 再到臨行時依依不舍的結(jié)束 實踐的每一天都讓我感慨萬分 收獲良多 在暑期社會實踐活動籌備階段之前 我就經(jīng)常聽師兄說起過 每次聽完師兄師姐們講起社會實踐時 那份快樂幸?？偸茄笠缭谀樕?于是我決定要參與到暑期社會實踐活動 我一定要親身的去感受那份快樂 通過社會實踐我可以趁此機會鍛煉自己 提高各方面的能力 同時我也可以收獲真摯的友情 建立真正的良好長久友誼 還有就是想借此機會提前接觸社會 向當?shù)氐木用駧ノ覀凕c滴的愛心 向社會奉獻我們大學生應有的微薄力量 從報名參與這次暑期社會實踐活動開始 我就做好吃苦耐勞的準備 為了這次期盼已久的實踐 就算再苦再累我都要堅持 現(xiàn)在實踐結(jié)束了 整個實踐的過程中 雖然有時我覺得自己做得不是很優(yōu)秀 但我對自己的表現(xiàn)還是滿意的 2 1材料的彈性變形 彈性變形的基本特點材料的彈性變形是指材料在外力作用下發(fā)生一定量的變形 當外力去除后 材料能夠恢復原來形狀的變形 可逆性單值性正彈性應變 由正應力引起 切彈性應變 由切應力引起變形量小 0 5 1 2 1材料的彈性變形 彈性變形的物理本質(zhì)起源于晶體點陣中原子間的相互作用 原子間勢能曲線在r0處勢能最低 處于穩(wěn)定狀態(tài) 當外力作用迫使兩原子靠近 rr0 時 必須分別克服相應的斥力或引力 才能使原子N2達到新的平衡位置 產(chǎn)生原子間距變化 即所謂的變形 當外力去除后 因原子間力的作用 原于又回到原來平衡位置 r r0 即恢復變形 這就是彈性變形的物理過程 也是彈性變形具有可逆性特點的原因 2 1材料的彈性變形 胡克定律簡單應力狀態(tài)下的胡克定律 2 1材料的彈性變形 胡克定律廣義胡克定律 彈性模量的意義表明材料抵抗彈性變形的能力 代表了材料的剛度 單晶體材料 彈性上存在各向異性 原子間距較小的晶體學方向彈性模量較大 多晶體材料 基本上 各向同性 2 2彈性模量及其影響因素 對于按照剛度要求設計的構(gòu)件 應選用彈性模量值高的材料 因為用彈性模量高的材料制成的構(gòu)件受到外力作用時 保持其固有尺寸和形狀的能力強 即構(gòu)件的剛度高 工程應用1 計算梁和構(gòu)件的撓度 以及為了防止機器零件產(chǎn)生過量塑性變形 需要知道材料的彈性模量 2 軋機的剛度設計軋機工作機座抵抗縱向彈性變形的能力大小稱為軋機縱向剛度 簡稱 軋機剛度 軋機剛度是表示一臺軋機結(jié)構(gòu)性能的重要參數(shù) 它反映一臺軋機所能獲得軋制精度的一個重要指標 影響因素 機架的變形 立柱拉伸 上 下橫梁的彎曲 軋輥的壓扁 軋輥的彎曲 壓下螺絲的壓縮 軸承部分的變形 其它接觸部位的變形 其中 輥系的彈性變形量最大 占總變形的40 70 壓下螺絲彈性變形量占總變形量的4 20 機架的彈性變形量占總變形量的lO l6 2 2彈性模量及其影響因素 3 高強車輪鋼研究開發(fā)及應用 2 2彈性模量及其影響因素 用節(jié)約型鋼材替代原車輪鋼 厚度由14mm 11 5mm 重量由47 5kg 37 5kg 節(jié)材 20 FEM模擬計算結(jié)果 最大彈性變形相差 0 005mm 安全強度儲備為1 250 450 44 疲勞壽命 50萬次 全面用戶滿足要求 美國用戶SMI公司提供的檢驗報告 減重后應力應變的有限元分析結(jié)果 2 2彈性模量及其影響因素 彈性模量的影響因素 主要取決于材料的本性與晶格類型和原子間距密切相關(guān)室溫下 金屬彈性模量E是原子序數(shù)的周期函數(shù) 同一周期的元素 如Na Mg Al Si等 E值隨原子序數(shù)增加而增大 這與元素價電子增多及原于半徑減小有關(guān) 同族的元素 如Be Mg Ca Sr Ba等 E值隨原于序數(shù)增加而減小 這與原子半徑增大有關(guān) 但對于過渡金屬來說 并不適用 由圖可知 過渡族金屬的彈性模量最高 可能和它們的d層電子未被填滿而引起的原子間結(jié)合力增大有關(guān) 常用的過渡族金屬 如Fe Ni Mo W Mn Co等 其彈性模量都很大 顯然 這也是這些金屬被廣泛應用的原因之一 2 2彈性模量及其影響因素 彈性模量的影響因素 化學成分合金中固溶溶質(zhì)元素雖然可以改變合金的晶格常數(shù) 但對于常用鋼鐵合金來說 合金化對其晶格常數(shù)改變不大 因而對彈性模量影響很小 熱處理改變組織的強化工藝 但對彈性模量值影響不大 冷塑性變形使E值稍有降低 一般降低4 6 但當變形量很大時 因形變織構(gòu)而使其出現(xiàn)各向異性 沿變形方向E值最大 溫度對于鋼鐵材料來說 每加熱100 其彈性模量E值就下降3 5 但在 50 50 范圍內(nèi) 鋼的E值變化不大 可以不考慮溫度的影響 加載速度對彈性模量也沒有大的影響 對組織不敏感的參數(shù) 彈性比功又被稱為彈性應變能密度 指材料吸收變形功而又不發(fā)生永久變形的能力 彈性 材料彈性變形的能力 剛度 材料彈性變形抗力 一種是汽車沒有滿載 彈簧變形已達到最大 卸載后 彈簧完全恢復到原來的狀態(tài) 這是由于彈簧剛度不足造成的 由于彈性模量是對成分 組織不敏感的性能 因此 解決這一問題 要從加大彈簧尺寸和改進彈簧結(jié)構(gòu)著手 另一種情況是彈簧使用一段時間后 發(fā)現(xiàn)彈簧的弓形越來越小 即產(chǎn)生了塑性變形 這是彈簧的彈性不足 是由于材料的彈性極限低造成的 可以利用改變材料 對材料進行熱處理等手段 從而提高鋼的彈性極限的辦法來解決 2 2彈性模量及其影響因素 包辛格 Bauschinger 效應 2 3彈性變形的不完整性 材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生微量塑性變形 同向加載彈性極限升高 反向加載彈性極限降低 產(chǎn)生原因 與位錯運動阻力變化有關(guān) 運動著的位錯遇林位錯而使其彎曲 所以位錯前方林位錯密度增加 形成位錯纏結(jié)等 卸載后同向加載 位錯不能做明顯運動 反向加載 位錯運動障礙較少 位錯可以在較低應力下移動較大距離 也可以用第二類內(nèi)應力來解釋 2 3彈性變形的不完整性 包辛格應變 給定應力下拉伸卸載后第二次再拉伸 與拉伸卸載后壓縮兩曲線之間的應變差 對于承受應變疲勞機件很重要 冷拉型材及管子用于受壓狀態(tài) 屬于反向加載 也有包辛格效應 有時可以加以利用 如薄板的反向成型等 2 3彈性變形的不完整性 彈性后效實際金屬材料在外力作用下開始產(chǎn)生彈性變形時 沿OA變化 產(chǎn)生瞬時彈性應變Oa之后 在載荷不變的條件下 隨時間延長 變形慢慢增加 產(chǎn)生附加的彈性應變aH 這一現(xiàn)象叫做正彈性后效或彈性蠕變 卸載時 立即沿Bc變化 部分彈性應變Hc消失 之后 隨時間延長 變形才緩慢消失至零 這一現(xiàn)象稱為反彈性后效 這種彈性應變落后于外加應力 并和時間有關(guān)的彈性變形稱為彈性后效或滯彈性 隨時間延長而產(chǎn)生的附加彈性應變稱為滯彈性應變 2 3彈性變形的不完整性 t 彈性滯后環(huán) 2 3彈性變形的不完整性 在彈性變形范圍內(nèi) 材料變形時 因應變滯后于外加應力 使加載線和卸載線不重合而形成的回線 稱為彈性滯后環(huán) 這個滯后環(huán)的出現(xiàn) 說明加載時消耗于材料的變形功大于卸載時材料所放出的變形功 因此 在材料內(nèi)部消耗了一部分功 這部分功稱為內(nèi)耗 其大小可用回線面積表示 交變循環(huán)載荷 加載速度比較慢 來得及表現(xiàn)彈性后效 加載速度比較快 來不及表現(xiàn)彈性后效 其回線面積表示在一個應力循環(huán)中材料的內(nèi)耗 也可稱為循環(huán)韌性 循環(huán)韌性是材料的一個性能指標 一般用振動試樣中自由振動振幅的衰減來表示循環(huán)韌性的大小 表示材料的消震能力 循環(huán)韌性大的材料的消震能力強 汽輪機葉片 越大越好 傳感器 樂器等希望循環(huán)韌性越小越好 自由振動衰減曲線 2 3彈性變形的不完整性 塑性變形的一般特點 2 4材料的塑性變形 變形不可逆 主要有切應力引起 指標 延伸率 斷面收縮率形變程度大 塑性變形能力和抗力受多種因素影響 變形過程會產(chǎn)生回復 再結(jié)晶 應力松弛等 伴隨有彈性變形和加工硬化 變形曲線非線性 塑性變形的物理過程塑性變形的方式 滑移 孿生 晶界滑移 擴散型蠕變 1 滑移變形材料在切應力作用下 沿一定的晶面和一定的晶向進行的切變過程 2 4材料的塑性變形 滑移系 每個滑移面和其上的一個滑移方向的組合面心立方g Fe Cu Al 111 110 12體心立方 Fe 110 112 123 111 48密排六方 0001 100 112 0 3材料的塑性與滑移系有關(guān) 還與滑移面原子排列的密度及原子在滑移方向上的排列數(shù)目有關(guān) 塑性變形的物理過程 2 孿生變形當晶體的一部分與另一部分呈鏡像時 稱為孿晶 對稱面稱為孿晶面 2 4材料的塑性變形 特點 1 高應變速率下發(fā)生 對大多數(shù)晶體來說 在高速變形條件下 尤其在低溫高速下 易形成孿晶 2 孿生產(chǎn)生變形量小 例如金屬Cd單純依靠孿生變形最大只能獲得7 39 的變形量 3 具有一定的可逆性 實驗觀察發(fā)現(xiàn) 有一些金屬晶體在孿生變形的初期所形成的孿晶是彈性的 在孿晶變形尚未貫穿整個晶體斷面之前 若去掉外力 則孿晶變小 甚至消失 相反 若再次施加外力 則孿晶重新長大變厚 但當變形孿晶穿過整個試樣即形成塑性孿晶時 即使去除全部外力 這個孿晶也不能消失 孿生與滑移的區(qū)別 第一 在晶體取向上 孿生變形產(chǎn)生孿晶 形成的是鏡像對稱晶體 晶體的取向發(fā)生了改變 而滑移之后 沿滑移面兩側(cè)的晶體在取向上沒有發(fā)生變化 第二 切變情況不同 滑移是一種不均勻的切變 其變形主要集中在某些晶面上進行 而另一些晶面之間則不發(fā)生滑移 孿生是一種均勻的切變 其每個晶面位移量與到孿晶面的距離成正比 第三 變形量不同 孿生的變形量很小 并且很易受阻而引起裂紋 滑移的變形量可達百分之百乃至數(shù)千 2 4材料的塑性變形 塑性變形的物理過程 3 晶界滑移和擴散型蠕變 2 4材料的塑性變形 在高溫下 多晶體金屬材料因晶界性質(zhì)弱化 變形將集中于晶界進行 變形時 可以使晶界切變滑動 也可以借助于晶界上空位和間隙原子定向擴散遷移來實現(xiàn) 單晶體和多晶體材料塑性變形的特點 2 4材料的塑性變形 1 單晶體塑性變形的特點1 滑移面上分切應力必須大于臨界分切應力 2 晶體的臨界分切應力是各向異性的 3 對于制備好后卻從未受過任何形變的晶體 其最易滑移面和最易滑移方向上的臨界分切應力都很小 隨著塑性形變的發(fā)展 緊跟著就迅速 硬化 4 形變硬化并不是絕對穩(wěn)固的特性 5 單晶體的塑性變形將由一連串的破壞過程和一連串的 回復 過程組成 單晶體和多晶體材料塑性變形的特點2 多晶體塑性變形的特點形變的不均一性 各晶粒變形的不同時性 多晶體的形變抗力通常較單晶體高 在較低溫度下 晶界具有比晶粒內(nèi)部大的形變阻力 而在較高溫度時 塑性變形可表現(xiàn)為沿著晶粒間分界面相對滑移 即晶界的形變阻力此時并不比晶粒內(nèi)部大 晶體塑性變形在性質(zhì)上所表現(xiàn)的特點和單晶體比較有重大差別 這些差別的根源在于多晶體各晶粒本身空間取向的不一致和晶界的存在 2 4材料的塑性變形 單晶體和多晶體材料塑性變形的特點3 形變織構(gòu)和各向異性隨著塑性變形程度的增加 各個晶粒的滑移方向逐漸向主形變方向轉(zhuǎn)動 使多晶體中原來取向互不相同的各個晶粒在空間取向逐漸趨向一致 這一現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向 材料變形過程中的這種組織狀態(tài)稱為形變織構(gòu) 2 4材料的塑性變形 屈服現(xiàn)象在拉伸試驗中 當外力不增加 保持恒定 時試樣仍然能夠伸長或外力增加到一定數(shù)值時突然下降 然后在外力不增加或上下波動時試樣繼續(xù)伸長變形 這種現(xiàn)象叫屈服 呂德斯帶屈服強度對單晶體來說 它是第一條滑移線開始出現(xiàn)的抗力 如用切應力表示 即滑移臨界切應力 c 對于多晶體來說 用產(chǎn)生微量塑性變形的應力定義為屈服強度 對于拉伸時出現(xiàn)屈服平臺的材料 由于下屈服點再現(xiàn)性較好 故以下屈服應力作為材料的屈服強度 2 5材料的屈服 影響屈服強度的因素 2 5材料的屈服 影響屈服強度的內(nèi)在因素金屬本質(zhì)及晶格類型一般地 多相合金的塑性變形主要在基體相中進行 這表明位錯主要分布在基體相中 位錯的運動首先決定于基體相的各種阻力 而金屬臨界切應力都與其切變彈性模量G有關(guān) G值越高 其臨界切應力越大 過渡族金屬Fe Ni等 G值較高 其臨界切應力也高 因而屈服強度也高 同時 臨界切應力還與晶體類型有關(guān) 金屬滑移方向的原子間距b 柏氏矢量 越大 臨界切應力越大 反之 則臨界切應力越小 如密排面心立方金屬Cu Al和六方金屬Mg Zn等 因為b小 其臨界切應力都很低 而體心立方金屬 Fe Cr等 其臨界切應力因b大都較高 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)許多金屬與合金的屈服強度和晶粒大小的關(guān)系符合Hall Petch關(guān)系 2 5材料的屈服 溶質(zhì)元素固溶合金的屈服強度高于純金屬 其流變曲線也高于純金屬 這表明 溶質(zhì)原子不僅提高了位錯在晶格中運動的摩擦阻力 而且增強了對位錯的釘扎作用 第二相根據(jù)位錯理論 位錯線只能繞過不可變形的第二相質(zhì)點 為此 必須克服彎曲位錯的線張力 彎曲位錯的線張力與相鄰質(zhì)點的間距有關(guān) 故含有不可變形第二相質(zhì)點的金屬材料 其屈服強度與流變應力決定于第二相質(zhì)點之間的間距 繞過質(zhì)點的位錯線在質(zhì)點周圍留下一個位錯環(huán) 隨著繞過質(zhì)點的位錯數(shù)量增加 留下的位錯環(huán)增多 相當于質(zhì)點的間距減小 流變應力就越高 2 5材料的屈服 2 影響屈服強度的外在因素 溫度溫度升高 屈服強度降低 但其變化趨勢因不同晶格類型而異 體心立方金屬對溫度很敏感 特別在低溫區(qū)域 如Fe 由室溫降到 196 屈服強度提高4倍 面心立方金屬對溫度不太敏感 如Ni 由室溫降到 196 屈服強度僅提高0 4倍 密排六方金屬介于二者之間 這可能是派 納力起主要作用的結(jié)果 派 納力對溫度十分敏感 絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼是以體心立方鐵素體為基體 其屈服強度也有強烈的溫度效應 這是鋼低溫變脆的原因之一 2 5材料的屈服 加載速率加載速率增大 金屬材料的屈服強度增高 但屈服強度的