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PAGE19-第一章材料單向靜拉伸的力學(xué)性能一.本章的教學(xué)目的與要求介紹力-伸長曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及各種力學(xué)性能指標(biāo),包括彈性變形、非理想彈性、屈服、塑性變形以及斷裂等,掌握各種力學(xué)性能指標(biāo)的特點(diǎn)以及影響因素,并在此基礎(chǔ)上探討提高材料性能指標(biāo)的途徑和方向等。二.重點(diǎn)與難點(diǎn):1.力一伸長曲線和應(yīng)力一應(yīng)變曲線(重點(diǎn))2.彈性變形及其性能指標(biāo)(重點(diǎn))3.非理想彈性與內(nèi)耗(難點(diǎn))4.塑性變形及其性能指標(biāo)(重點(diǎn))5.斷裂(重點(diǎn))6.硬度(重點(diǎn))三.主要外語詞匯彈性:elasticity塑性:plasticity韌性:ductility屈服:yield斷裂:fracture應(yīng)力:stress應(yīng)變:strain彈性模量:滯彈性:粘彈性:偽彈性:包申格效應(yīng):應(yīng)變硬化:四.參考文獻(xiàn):1.馮瑞等.金屬物理學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19952.李慶生.材料強(qiáng)度學(xué).太原:山西科學(xué)教育出版社,19903.張帆,周偉敏.材料性能學(xué).上海:上海交通大學(xué)出版社,20094.潘強(qiáng),朱美華等.工程材料.上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,20055.束德林.金屬力學(xué)性能.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19956.翁康榮.Mg-1.6Mn-1.5Si-0.3Ca合金的顯微組織與力學(xué)性能[J].輕合金加工技術(shù),2007,35(5):47-54五.授課內(nèi)容材料單向靜拉伸的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能:指材料的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性及壽命,是材料與力量對(duì)話的結(jié)果。靜拉伸:室溫和軸向加載條件下,在應(yīng)變速率≤10-1/s的情況下進(jìn)行的,由于這種應(yīng)變速率較低,所以俗稱靜拉伸試驗(yàn)。力—伸長曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線力—伸長曲線拉伸試樣:拉伸試驗(yàn)一般采用圓形試樣或者板狀試樣,其比例試樣的原始標(biāo)距L0,對(duì)于板狀試樣:長形試樣L0=11.3S01/2,矩形試樣L0=5.65S01/2,S0為試樣原始截面積;對(duì)于圓形試樣:長形試樣L0=10d0,矩形試樣L0=5d0,d0為試樣原始直徑。低碳鋼的力—伸長曲線其它幾種典型材料的力—伸長曲線圖1淬火、高溫回火后的高碳鋼:只有彈性形變、少量的均勻塑性形變;2低合金結(jié)構(gòu)鋼:與低碳鋼的曲線類似;3黃銅:彈性形變、均勻塑性形變和不均勻塑性形變;4陶瓷、玻璃類材料:只有彈性變形而沒有明顯的塑性形變;5橡膠類材料:彈性形變量很大,高達(dá)100%;6工程塑料:彈性形變、均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形。應(yīng)力—應(yīng)變曲線應(yīng)力的基本概念:單位面積上所受的內(nèi)力為外力,單位kg,為應(yīng)力,單位Pa,A0為材料受理前的初始面積下面圍繞材料內(nèi)部一點(diǎn)P取一體積單元,體積元的六個(gè)面均垂直于坐標(biāo)軸X,Y,Z。分析點(diǎn)P應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)平衡條件,體積元上相對(duì)的兩個(gè)平行平面上的法向應(yīng)力,大小相等,方向相反。作用在體積元上任一平面上的兩個(gè)剪應(yīng)力應(yīng)互相垂直。剪應(yīng)力作用在物體上的總力矩等于零。2應(yīng)變是用來描述物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)位移(1)正應(yīng)變(2)剪應(yīng)變定義:物體內(nèi)部一體積元上的二個(gè)面元之間的夾角的變化。形變未發(fā)生時(shí)線元OA及OB之間的夾角AOB形變后為A'OB',則x,y間的剪應(yīng)變定義為:二、應(yīng)力—應(yīng)變曲線低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線注意:卸載曲線與加載曲線的區(qū)別真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線假設(shè)材料在拉伸過程中是等體積變化,試推導(dǎo)出真應(yīng)力與工程應(yīng)力的關(guān)系:S=σ(1+ε)顯然,真應(yīng)力總是大于工程應(yīng)力,真應(yīng)變總是小于工程應(yīng)變。彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形的本質(zhì)特點(diǎn):可逆的(不一定呈線性)本質(zhì):材料產(chǎn)生彈性變形的本質(zhì)是構(gòu)成材料的原子(離子)或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。例:金屬、陶瓷晶體:處于晶格結(jié)點(diǎn)的離子在力的作用下在其平衡位置附近產(chǎn)生微小位移。橡膠類材料:呈卷曲狀的分子鏈在力的作用下通過鏈段的運(yùn)動(dòng)沿受力方向產(chǎn)生的伸展。二、彈性模數(shù)拉伸時(shí)σ=Eε剪切時(shí)τ=GγE、G—彈性模數(shù)(或彈性系數(shù)、彈性模量)在應(yīng)力應(yīng)變的意義上,當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐粋€(gè)單位時(shí),彈性模量在數(shù)值上等于彈性應(yīng)力,即彈性模數(shù)是產(chǎn)生100%彈性變形所需的應(yīng)力,在工程上彈性模數(shù)是表征材料對(duì)彈性變形的抗力,代表了材料的剛度,剛度越大,在相同的應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形越小,越不容易產(chǎn)生變形。比彈性模數(shù)(比剛度):材料的彈性模數(shù)與其密度的比值。三、影響材料彈性模數(shù)的因素1、鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)a、以共價(jià)健、離子鍵、金屬鍵結(jié)合的材料有較高的彈性模量。如無機(jī)非金屬材料,金屬材料。b、以分子鍵結(jié)合的材料,彈性模量較低。如高分子材料(橡膠態(tài))。c、原子結(jié)構(gòu)(a)非過渡金屬(b)過渡族金屬原子半徑較小,且d層電子引起較大的原子間結(jié)合力,彈性模數(shù)較高。且當(dāng)d層電子等于6時(shí),E有最大值2、晶體結(jié)構(gòu)a、單晶體材料,由于在不同的方向上原子排列的密度不同,故呈各向異性。體心立方晶格:沿〈111〉晶向面心立方晶格:沿〈110〉晶向彈性模量高,因?yàn)檠卮司蛟优帕凶罹o密。b、多晶體材料,E為各晶粒的統(tǒng)計(jì)平均值,偽各向同性。c、非晶態(tài)材料彈性模量各向同性。
化學(xué)成分,引起原子間距或鍵合方式的變化,彈性模量改變純金屬主要取決于原子間的相互作用力。固溶體合金:主要取決于溶劑元素的性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu),彈性模量變化不大兩相合金:與第二相的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸及分布狀態(tài)有關(guān)。高分子:填料對(duì)E影響很大。微觀組織金屬:微觀組織對(duì)彈性模量的影響較小晶粒大小對(duì)E無影響;第二相對(duì)E值影響,可按兩相混合物體積比例的平均值計(jì)算。E=x1E1+x2E2陶瓷:工程陶瓷彈性模數(shù)與相的種類、粒度、分布、比例、氣孔率等有關(guān)。其中,氣孔率的影響較大。E=E0(1-1.9ρ+0.9ρ2)。復(fù)合材料:增強(qiáng)相為顆粒狀,彈性模數(shù)隨增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增高而增大。單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,E1=EfVf+EmVm1/E2=Vf/Ef+Vm/Em溫度溫度升高,原子振動(dòng)加劇,體積膨脹,原子間距增大,結(jié)合力減弱,材料的彈性模量降低。如碳鋼,每升高100℃,E值下降3~5%(軟化)。b、當(dāng)溫度變化引起材料的固態(tài)相變時(shí),彈性模數(shù)顯著變化。如碳鋼的奧氏體、馬氏體相變。加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間
a、
加載方式(多向應(yīng)力),加載速率和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間對(duì)金屬、陶瓷類材料的彈性模數(shù)幾乎沒有影響。陶瓷材料的壓縮彈性模數(shù)高于拉伸彈性模數(shù)(與金屬不同)。b、高分子聚合物,隨負(fù)荷時(shí)間的延長,E值逐漸下降(松弛)。比例極限與彈性極限比限例極бp:是保證材料的彈性變形符合虎克定律的最大應(yīng)力。бp=Fp/Ao彈性極限бe:材料不發(fā)生塑性變形的應(yīng)力最高限。бe=Fe/Ao,應(yīng)力超過бe,開始產(chǎn)生塑性變形。бp0.01—非比例伸長率0.01%時(shí)的應(yīng)力。бp0.05—非比例伸長率0.05%時(shí)的應(yīng)力。因此,бp、бe沒有質(zhì)的區(qū)別。
бp、бe工程意義бp—彈簧秤的設(shè)計(jì)依據(jù)。бe—不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機(jī)件的設(shè)計(jì)彈性比功(彈性比能、應(yīng)變比能)定義:是指材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力(即材料彈性變形達(dá)到彈性極限時(shí),單位體積吸收的彈性變形功)。彈性比功是衡量材料彈性好壞的重要指標(biāo)。影響材料彈性比功的因素對(duì)于大多數(shù)工程材料,E不易改變(尤其金屬材料);要提高彈性比功,常采用提高材料彈性極限σe的方法。非理想彈性與內(nèi)耗彈性:理想彈性①應(yīng)變對(duì)于應(yīng)力的響應(yīng)是線性的②應(yīng)力應(yīng)變同相位(同步)③應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)非理想彈性:滯彈性粘彈性偽彈性包申格效應(yīng)滯彈性1、定義:材料在快速加載或卸載后,隨時(shí)間的延長而產(chǎn)生附加彈性變形的性能。即應(yīng)變與應(yīng)力不同步(相位),應(yīng)變滯后。2分類(1)正彈性后效:加載時(shí),應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象,而與時(shí)間有關(guān)的滯彈性→稱為正彈性后效(彈性蠕變)。(蠕變:變形隨時(shí)間的延長而變化的現(xiàn)象)。(2)反彈性后效:卸載時(shí),應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象,成為反彈性后效。應(yīng)用材料:金屬材料、高分子材料
4、影響因素:與材料成分、組織、載荷、溫度等有關(guān)。①組織越不均勻,滯彈性越明顯②溫度升高,滯彈性傾向加大。③切應(yīng)力分量增大,滯彈性傾向增大
5.彈性后效的避免和應(yīng)用:(1)測力彈簧(2)消振粘彈性定義:是指材料在外力作用下變形機(jī)理,既表現(xiàn)出粘性流體又表現(xiàn)出彈性固體兩者的特性,彈性和粘性兩種變形機(jī)理同時(shí)存在(時(shí)間效應(yīng))。2、特征:應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)不是瞬時(shí)完成的,應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系與時(shí)間有關(guān),但卸載后,應(yīng)變恢復(fù),無殘余變形。分類:①恒應(yīng)變下的應(yīng)力松弛②恒應(yīng)力下的蠕變。4、應(yīng)用:高分子材料偽彈性(擬彈性)定義:是指在一定的溫度條件下,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定水平后,金屬或合金將產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變,從而產(chǎn)生大幅度的彈性變形的現(xiàn)象。特點(diǎn):偽彈性變形可達(dá)60%左右,大大超過正常彈性變形。馬氏體相變是一種無擴(kuò)散相變或位移型相變。
3.應(yīng)用形狀記憶合金四、包申格效應(yīng)(Bauschinger)1.定義:是指金屬材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形(殘余應(yīng)變小于4%),然后再同向加載規(guī)定殘余伸長應(yīng)力(б0.01)增加;反向加載,規(guī)定殘余伸長應(yīng)力(б0.01)降低的現(xiàn)象。2.產(chǎn)生原因:包申格效應(yīng)是多晶體金屬的普遍現(xiàn)象→與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力變化有關(guān),因此冷變形金屬,工作載荷相反時(shí),需考慮包申格效應(yīng)(強(qiáng)度下降15%~20%)。3.實(shí)用意義(1)經(jīng)過微量冷變形的材料可以考慮在使用時(shí)與原來的受力方向相同(變形方向相同)(2)加工過程中,可使板材通過軋輥時(shí)交替的承受反向應(yīng)力,以降低材料的變形抗力。
4.減弱或消除方法再結(jié)晶退火五、內(nèi)耗彈性滯后環(huán):在非理想彈性的情況下,應(yīng)力與應(yīng)變不同步,使加載與卸載線不重合,而形成封閉回線—彈性滯后環(huán)。內(nèi)耗:這部分在變形過程中被吸收的功稱為材料的內(nèi)耗。其大小用滯后環(huán)面積度量:面積越大,內(nèi)耗越大。應(yīng)用:(1)消振材料:灰鑄鐵,消振性好,內(nèi)耗大(2)追求音響效果的元件:循環(huán)韌性小。塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形:指在足夠大的外力作用下,材料能發(fā)生不可逆的永久變形,并不引起材料破裂的現(xiàn)象。塑性大小就是指材料在斷裂前能承受的變形能力。一、塑性變形機(jī)理1金屬材料的塑性變形(1)滑移:這種由大量位錯(cuò)移動(dòng)而導(dǎo)致晶體的一部分相對(duì)于另一部分,沿著某一定晶面和晶向做相對(duì)的移動(dòng),就是晶體的塑性變形的滑移機(jī)制。孿生:在切應(yīng)力作用下發(fā)生孿生變形時(shí),晶體的一部分沿一定的晶面(成為孿晶面或?qū)\生面)和一定的晶向(稱為孿生方向)相對(duì)于另一部分晶體作均勻的切變?;谱冃尉哂幸韵绿攸c(diǎn)(1)滑移在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生(2)滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生(3)滑移時(shí)兩部分晶體的相對(duì)位移是原子間距的整數(shù)倍滑移系:一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向的組合?;葡档膫€(gè)數(shù):(滑移面?zhèn)€數(shù))×(每個(gè)面上所具有的滑移方向的個(gè)數(shù))任意一個(gè){hkl}晶面族中,所有的晶面數(shù)可通過下式算出:m是指數(shù)中0的個(gè)數(shù),n是相同指數(shù)的個(gè)數(shù)滑移系數(shù)目與材料塑性的關(guān)系:一般滑移系越多,塑性越好;與滑移面密排程度和滑移方向個(gè)數(shù)有關(guān);與同時(shí)開動(dòng)滑移系數(shù)目有關(guān)(k)。1、多晶體金屬材料的塑性變形的特點(diǎn):(1)各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性(2)各晶粒變形的相互制約與協(xié)調(diào)性2、陶瓷材料的塑性變形:(1)鍵和方式:彈性模量大共價(jià)鍵具有方向性和飽和性離子鍵:位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)不僅要受到密排面和密排方向的限制,而且要受到靜電作用力的限制。晶體的滑移系少(3)位錯(cuò)寬度小,柏氏矢量大3高分子材料的塑性變形結(jié)晶態(tài)高分子材料:塑性變形由薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)檠貞?yīng)力方向排列的微纖維束實(shí)現(xiàn)的。非晶態(tài)高分子材料:在正應(yīng)力作用下形成銀紋б作用下,弱結(jié)構(gòu),微缺陷→亞微裂紋或空洞→密度低,對(duì)光線反射率很高→呈銀色。切應(yīng)力作用下,無取向分子鏈局部轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠蚺帕械睦w維束。屈服現(xiàn)象與屈服強(qiáng)度1、屈服現(xiàn)象:在外力不增加或上下波動(dòng)的情況下,試樣可以繼續(xù)伸長變形,這種現(xiàn)象稱為屈服。2、屈服強(qiáng)度(屈服點(diǎn)):材料屈服或產(chǎn)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值,бs或б0.2反映材料抵抗起始塑性變形或微量塑性變形的能力。條件屈服強(qiáng)度:規(guī)定殘余伸長應(yīng)力бr表示殘余伸長達(dá)到原始標(biāo)距的百分之幾時(shí)的應(yīng)力如:бr0.05、бr0.1、бr0.2規(guī)定總伸長應(yīng)力бt表示總伸長(彈性+塑性)達(dá)到原始標(biāo)距的百分之幾時(shí)的應(yīng)力產(chǎn)生屈服的原因:(1)從試驗(yàn)機(jī)看(2)從材料方面考慮:三屈服強(qiáng)度的實(shí)際意義作為防止材料過量塑性變形而導(dǎo)致機(jī)件失效的設(shè)計(jì)和選材依據(jù)。根據(jù)屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比(屈強(qiáng)比)的大小,衡量材料進(jìn)一步產(chǎn)生塑性變形的傾向,作為金屬材料冷塑性變形加工和確定機(jī)件緩解應(yīng)力集中,防止脆斷的參考依據(jù)。四影響金屬材料屈服強(qiáng)度的因素純金屬的屈服強(qiáng)度(1)點(diǎn)陣阻力位錯(cuò)間的相互作用力(a)平行位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力(b)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)(穿過滑移面的位錯(cuò))交互作用產(chǎn)生的阻力晶界阻力—細(xì)晶強(qiáng)化2合金的屈服強(qiáng)度固溶強(qiáng)化固溶合金中,溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑不同,隨著溶質(zhì)原子的進(jìn)入,晶格產(chǎn)生畸變,使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻,屈服強(qiáng)度升高(бs)(2)第二相強(qiáng)化(1)聚合型合金:其強(qiáng)度決定于第二相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。第二相阻礙滑移使基體產(chǎn)生不均勻變形,由于局部塑性約束而導(dǎo)致強(qiáng)化。(2)彌散型合金:第二相質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)化作用主要是因?yàn)樵谫|(zhì)點(diǎn)周圍形成應(yīng)力場,而這些局部應(yīng)力場隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用。3環(huán)境因素對(duì)屈服強(qiáng)度的影響(1)溫度體心立方晶格金屬,屈服強(qiáng)度具有強(qiáng)烈的溫度效應(yīng),F(xiàn)e室溫→-196℃,бs提高4倍。面心立方晶格的金屬,屈服強(qiáng)度溫度效應(yīng)較小Ni室溫→-196℃,бs提高0.4倍(2)應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài)較高的應(yīng)變速率↑→бs↑↑(顯著)靜拉伸:dε/dt=10-3s-1當(dāng)dε/dt=10-2s-1時(shí),бs不顯著變化,當(dāng)dε/dt=103s-1,бs↑↑(冷軋、冷拔)應(yīng)力狀態(tài)切應(yīng)力分量越大,越有利于塑性變形(滑移的動(dòng)力),即бs↓(3)加載速度的影響加載速度越大,屈服強(qiáng)度越大四、應(yīng)變硬化材料產(chǎn)生塑性變形后,隨著變形量的增大,應(yīng)力不斷提高的現(xiàn)象(冷加工硬化、應(yīng)變強(qiáng)化、形變強(qiáng)化)1、應(yīng)變硬化機(jī)理Ⅰ近似為直線,斜率θ1很小,單滑移系滑移,加工硬化率很小,這一階段稱為易滑移階段。Ⅱ加工硬化率顯著增加,多滑移系,位錯(cuò)釘扎Ⅲ加工硬化率隨應(yīng)變的增加而減小,領(lǐng)先位錯(cuò)繞過障礙物,繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。2、應(yīng)變硬化指數(shù)金屬材料:Hollomon公式S=Ken應(yīng)變硬化指數(shù)n—反映材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力n=1,表示材料為完全理想的彈性體(S=Ee虎克定律)n=0,S=K=常數(shù),表示材料無應(yīng)變硬化能力(室溫下再結(jié)晶的軟金屬,鉛)(大多數(shù)金屬的n值在0.1~0.5之間。)直線作圖法求n值:lgS=lgK+nlge在拉力—伸長曲線上確定幾個(gè)點(diǎn)的б、ε值,分別按S=б(1+ε),e=ln(1+ε),求出S、e,在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作lgS~lge直線,直線的斜率即為應(yīng)變硬化指數(shù)n。n值大(層錯(cuò)能低),滑移帶平坦,易滑移→бs↓;n值?。▽渝e(cuò)能高),滑移帶呈波紋狀,難滑移→бs↑。退火態(tài)金屬:n值較大;冷加工狀態(tài):n值較小。實(shí)驗(yàn)表明,n與材料屈服點(diǎn)бs大致呈反比關(guān)系。nбs≈常數(shù)3應(yīng)變硬化的意義①
應(yīng)變硬化與塑性變形相配合,保證了金屬材料在截面上的均勻變形,得到均勻一致的冷變形產(chǎn)品。②
應(yīng)變硬化可以降低碳鋼的塑性,改善切削加工性能。③應(yīng)變強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的一種重要手段(不能熱處理強(qiáng)化的金屬)。④應(yīng)變硬化性能使金屬制件在工作中具有適當(dāng)?shù)目古既贿^載的能力,保證了機(jī)件的安全工作??估瓘?qiáng)度與縮頸條件定義:①бb:抗拉強(qiáng)度是試樣拉伸過程中,所能承受的最大應(yīng)力。σb=Fb/A0②縮頸:材料拉伸過程中,塑性變形集中于局部區(qū)域的現(xiàn)象。縮頸形成點(diǎn)對(duì)應(yīng)于力—載荷曲線上最大載荷點(diǎn),因此dF=0,依據(jù)這一關(guān)系可導(dǎo)出縮頸的條件:nnnbnebbbbnbbnbbbbnnbbenKeKneeAAAAeAAKnAKnASAFKnKeSb0000ln產(chǎn)生縮頸的載荷為:例如Mg-1.6Mn加入Si、Ca后,Ca、Si合物成為Mg2Si初生相的異質(zhì)形核核心,合金的晶粒明顯細(xì)化,平均晶粒尺寸從加入前的60m細(xì)化到加入后的30m。(3)Mg-1.6Mn-1.5Si-0.3Ca合金的抗拉強(qiáng)度為148N·mm2,伸長率達(dá)5.6%;分別比Mg-1.6Mn合金的提高54.2%和55.5%。塑性與塑性指標(biāo)定義:塑性是指材料斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。塑性可防止材料突然斷裂→應(yīng)變硬化壓力加工的條件→塑性2、
塑性的評(píng)價(jià)指標(biāo)延伸率:a、最大應(yīng)力下非比例伸長率b、最大應(yīng)力下總伸長率c、斷后伸長率d、斷面收縮率e、塑性指標(biāo)之間的關(guān)系塑性指標(biāo)的意義超塑性1、定義:材料在一定條件下呈現(xiàn)非常大的延伸長率(1000%)而不發(fā)生縮頸和斷裂的現(xiàn)象。2、特征:塑性變形過程中基本不發(fā)生應(yīng)變硬化(應(yīng)變前后晶粒保持等軸晶)3、產(chǎn)生超塑性的條件①超細(xì)晶粒,晶粒尺寸達(dá)微米量級(jí)→等軸晶②合適的變形條件,變形溫度在0.4Tm以上,應(yīng)變速率大于或等于10-3/s③
應(yīng)變速率敏感指數(shù)較高,0.3≤m≤1m<0.3,材料不出現(xiàn)超塑性斷裂固體材料在力的作用下,分解成若干部分的現(xiàn)象稱為斷裂。斷裂是材料徹底失效。斷裂的類型及斷口特征1、斷裂的類型①
按斷裂前與斷裂過程中材料的宏觀塑性變形程度,分為:韌性斷裂(ψ>5%)和脆性斷裂(ψ?5%)②
按晶體材料斷裂時(shí)裂紋的擴(kuò)展途徑,分為:穿晶斷裂和沿晶斷裂③
按照材料斷裂的微觀機(jī)理,分為:解理斷裂和剪切斷裂④按作用力的性質(zhì),分為:正斷和切斷2、斷口分析法材料的斷裂表面稱為斷口。端口分析法:用肉眼,放大鏡或電子顯微鏡等手段對(duì)材料斷口進(jìn)行宏觀及微觀的觀察分析,以了解材料發(fā)生斷裂的原因、條件、斷裂機(jī)理以及與斷裂有關(guān)的各種信息的方法,稱為斷口分析法。3、韌性斷裂與脆性斷裂①韌性斷裂:斷裂前材料有明顯宏觀塑性變形。裂紋擴(kuò)展過程較慢.(晶粒變形→拉斷)斷口呈暗灰色,纖維狀②脆性斷裂:斷裂前材料沒有明顯的宏觀塑性變形。裂紋擴(kuò)展速度極快(沒有預(yù)兆)。斷口平齊,光亮(呈放射狀或結(jié)晶狀)穿晶斷裂沿晶斷裂穿晶斷裂沿晶斷裂5、剪切斷裂與解理斷裂剪切斷裂:材料在切應(yīng)力作用下,沿滑移面分離而造成的斷裂。剪切斷裂也常以微孔聚集型發(fā)生,斷口上分布大量的“韌窩”(宏觀上呈暗灰色、纖維狀)。微孔聚集斷裂過程包括:微孔形核、長大、聚合直至斷裂。解理斷裂:材料在正應(yīng)力作用下,由于原子間結(jié)合鍵的破壞引起沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂。解理裂紋的擴(kuò)展經(jīng)常是沿著晶面指數(shù)相同的一族互相平行,但不同高度的晶面進(jìn)行,不同高度的解理面之間存在臺(tái)階,眾多臺(tái)階的匯合變形呈河流花樣;當(dāng)解理裂紋高速擴(kuò)展,溫度較低時(shí)在裂紋前端可能形成孿晶,裂紋沿孿晶與基體界面擴(kuò)展時(shí)常會(huì)形成“舌”狀花樣。解理臺(tái)階,河流花樣,舌狀花樣是解理斷口的基本微觀特征。準(zhǔn)解理斷裂由于晶內(nèi)存在硬質(zhì)點(diǎn),當(dāng)裂紋在晶內(nèi)擴(kuò)展時(shí),難以嚴(yán)格沿一定晶面擴(kuò)展,微觀上類似于解理河流花樣但又非真正解理→準(zhǔn)解理。主要區(qū)別解理裂紋源于晶界準(zhǔn)解理裂紋起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)(自硬質(zhì)點(diǎn)放射狀河流花樣)
6正斷與切斷7、斷口分析
①
韌性斷裂斷口(低碳鋼)
斷口呈杯錐狀:由纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個(gè)區(qū)組成。
當(dāng)試樣拉伸力達(dá)到最大時(shí),局部開始產(chǎn)生縮頸,中心的應(yīng)力狀態(tài)由單向變?yōu)槿驊?yīng)力,且軸向力最大,在三向應(yīng)力作用下,試樣中心部分的夾雜物或硬質(zhì)第二相質(zhì)點(diǎn)破裂或基體界面脫離而形成微孔,微孔不斷長大,合并形成微裂紋;微裂紋形成后,由于尖端應(yīng)力集中,產(chǎn)生更大的塑性變形,引起新的裂紋的形核、長大和聚合,當(dāng)其與己產(chǎn)生的裂紋連接時(shí),裂紋便向前擴(kuò)展,這一過程反復(fù)進(jìn)行結(jié)果形成纖維區(qū),纖維區(qū)所在平面垂直于拉應(yīng)力方向,纖維區(qū)的微觀特征為韌窩。纖維區(qū)中裂紋擴(kuò)展速度較慢,當(dāng)裂紋長度達(dá)到某一臨界尺寸后,產(chǎn)生了更大的應(yīng)力集中,裂紋以低能量撕裂的方式快速發(fā)展,形成放射區(qū)→放射線花樣特征。微觀上可以看到撕裂韌窩,撕裂時(shí)塑性變形量越大,放射線越粗。對(duì)于幾乎不產(chǎn)生塑性變形的材料(脆性材料),放射線小時(shí),微觀斷口呈解理特征。試樣拉伸斷裂的最后階段形成杯狀或錐狀的剪切唇。剪切唇表面光滑,與拉神軸呈45o,屬于典型切斷型斷裂。脆性斷口纖維區(qū)很小,剪切唇幾乎沒有。材料強(qiáng)度提高,塑性降低,則放射區(qū)比例增大。一般規(guī)定:拉伸試樣的斷面收縮率ψ<5%為脆性斷裂;ψ>5%為韌性斷裂。
二、
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