金属力学性能.pptx
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1、绪绪 论论金属材料的力学性能取决于:化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等内在因素。同时,也取决于载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等因素。金属力学性能的物理本质及宏观变化规律与金属在变形和断裂过程中的位错运动、增殖和交互作用等微观金属力学性能的物理本质及宏观变化规律与金属在变形和断裂过程中的位错运动、增殖和交互作用等微观过程有关。过程有关。第1页/共183页绪绪 论论金属力学性能课程的主要内容是:1.金属材料在各种服役条件下的变形和断裂现象及微观机理。2.指标的本质、物理
2、意义、实用意义,以及各种指标间的相互关系。3.了解影响力学性能的因素,以及提高金属力学性能的方向和途径。4.金属力学性能指标的测试技术。第2页/共183页本章主要介绍的基本内容1.力学性能指标的物理概念及实用意义。2.讨论金属弹性变形、塑性变形及断裂的基本规律和原理。3.探讨改变性能指标的途径和方向。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第3页/共183页第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能主要包括:强度(s;0.2;b;)、塑性(;)。光滑试样单向静拉伸试验方法的主要特点:试验过程中,温度、应力状态和加载速率是一定的。试样通常为光滑圆柱形状。揭示了工件三种失效形式,即过量弹性变形、过量塑
3、性变形和断裂的过程。标定出材料最基本的力学性能指标。第4页/共183页第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第5页/共183页1力伸长曲线和应力应变曲线力伸长曲线是拉伸试验中,记录拉伸力对伸长的关系曲线。第6页/共183页1力伸长曲线和应力应变曲线力力伸长曲线伸长曲线o-e段,弹性变形阶段,试样产生弹性变形。e-c段,不均匀屈服塑性变形段,试样产生屈服变形。c-b段,均匀塑性变形段,试样产生均匀塑性变形。b-k段,不均匀塑性变形段,试样产生颈缩。k点以后试样断裂。第7页/共183页1力伸长曲线和应力应变曲线应力应变曲线,将力伸长曲线的纵横坐标分别以拉伸试样的原始截面积A、原始标距长度L去除,则
4、得到应力应变曲线。称为“工程应力应变曲线”第8页/共183页1力伸长曲线和应力应变曲线真实应力应变曲线,用拉伸过程中每一瞬间的真实应力和真实应变 绘制的曲线第9页/共183页1力伸长曲线和应力应变曲线其中:S:为真应力;e(e)为真应变;第10页/共183页2 弹 性 变 形金属材料在外力的作用下,产生变形,当外力去除以后变形也随之消失的现象,称为“弹性”。而此时产生的变形称为“弹性变形”.弹性变形的特点:弹性变形的特点:弹性变形是一种可逆现象,不论在加载期还是在卸载期,其应力和应变之间都保持单值线性关系。弹性变形量都很小,一般在0.51之间。金属材料的原子弹性位移量只相当于原子间距的几分之一
5、。故弹性变形量小于1。第11页/共183页2 弹 性 变 形一、弹性变形及实质金属材料的弹性变形可以用双原子模型来解释。第12页/共183页2 弹 性 变 形平衡状态下,金属中的原子在平衡位置附近振动。相邻两个原子之间的作用力由引力和斥力迭加而成。其中引力是由金属正离子和自由电子间的库仑力所产生,而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致。引力和斥力都是原子间距的函数。A、r0:与原子本性或晶体、晶格类型与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数。有关的常数。第13页/共183页2 弹 性 变 形上式中第一项为引力,第二项为斥力。由上式可以看出,弹性变形过程中并非完全的线性关系,而是抛物线关系,但在外
6、力较小时,原子偏离平衡位置不远,近似为线性关系,因此虎克定律只有在外力较小时近似成立。第14页/共183页2 弹 性 变 形由双原子模型可以看出:F为零时,为平衡状态,即 。当 时斥力接近于零,F最大,记为 。是拉伸时两原子间的最大结合力。对应的原子间距为 ,当拉伸过程中 时,就可以克服原子之间的引力而分离,因此,也就是材料在弹性状态下的断裂载荷(断裂抗力)。就是弹性状态下最大的弹性变形量大约为23。(理论)第15页/共183页二、弹性模量材料产生单位弹性应变时,所需要的弹性应力。即材料产生100弹性变形时所需要的应力。(对金属无意义)拉伸时为杨氏模量即:剪切时为切变模量即:其中E和G分别为杨
7、氏模量、切变模量。2 弹 性 变 形第16页/共183页单晶体的弹性模量呈各向异性。多晶体的弹性模量呈伪同向性,为统计平均值。弹性模量决定于原子本性和晶格类型。溶质原子可改变晶格常数,但影响不大。(碳钢与合金钢弹性模量差别小于12)热处理(显微组织)对弹性模量影响不大(晶粒大小、第二相分布影响不大,淬火后E值略有下降,但回火后又得以恢复)。铸铁E值与石墨形态有关,片状较低,而球状较高。2 弹 性 变 形第17页/共183页2 弹 性 变 形冷塑性变形使E值下降,出现形变织构时出现各向异性。温度升高,E值下降(35/100),但在5050范围内变化不大。加载速率对E值影响不大(弹性变形速率接近声
8、速,远大于静拉伸加载数率)。综上所述,E值是一个较稳定的力学性能指标,外在因素对其影响不大。第18页/共183页2 弹 性 变 形几种材料在常温下的弹性模量:第19页/共183页2 弹 性 变 形刚度:工程上材料的弹性模量代表材料的刚度,表现为材料抵抗弹性变形的能力。构件的刚度,通常取决于材料本身的性质和构件的截面形状与面积,与材料的状态无关。第20页/共183页2 弹 性 变 形三、比例极限与弹性极限1.比例极限:应力与应变在正比关系范围内的最大应力。2.弹性极限:材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力。第21页/共183页2 弹 性 变 形四、弹性比功(弹性比能、应变比能)金属材料吸收弹性
9、变形功的能力。一般用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功来表示。第22页/共183页2 弹 性 变 形弹性比功的含义就是弹性变形过程中所吸收的引起弹性变形的能量。数值上等于在应力应变曲线中被弹性变形阶段的曲线所覆盖的面积。第23页/共183页2 弹 性 变 形几种金属材料的弹性比功:第24页/共183页3 弹 性 不 完 整 性完全弹性体的弹性变形只与载荷大小有关,而与加载方式和加载时间无关。金属材料是不完全纯弹性体,因此,即使在很小的应力作用下,也会显示出非弹性性质。其弹性变形过程除和载荷大小有关外和上述其它因素均有关。因而产生了包申格效应、弹性后效和弹性滞后等弹性不完整现象。第2
10、5页/共183页3 弹 性 不 完 整 性一、包申格(Bauschinger)效应金属材料经过预先加载产生少量塑性变形(残金属材料经过预先加载产生少量塑性变形(残余应变小于余应变小于1414),而后再同向加载,规定),而后再同向加载,规定残余伸长应力增加,反向加载,残余伸长应力增加,反向加载,规定残余伸长规定残余伸长应力应力降低的现象。称为降低的现象。称为“包申格效应包申格效应”。包申格效应可使规定残余伸长应力降低1520。包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象。v规定残余伸长应力:试样卸除拉伸力后,其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。第26页/共183页3 弹 性 不 完
11、整 性包申格效应(规定残余伸长应力)第27页/共183页3 弹 性 不 完 整 性包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力有关。第28页/共183页3 弹 性 不 完 整 性包申格应变:在给定的压力下,拉伸卸载后第二次再拉伸与拉伸卸载后第二次压缩两曲线之间的应变差。包申格应变是度量包申格效应的基本定量指标。如金属预先受大量的塑性变形,因位错增殖和难于重新分布,则在随后反向加载时,包申格应变等于零。循环软化:由于对材料反复加载,而且每次加载都要产生少量的变形,使得材料的规定残余拉伸应力下降,产生的软化现象。第29页/共183页3 弹 性 不 完 整 性材料的包申格应变 图中的b-c段为包申格应变
12、。消除包申格效应的方法:1.预先进行较大的塑性变形。2.在第二次反向受力前使金属材料在回复或再结晶温度下退火(如钢:400500以上,铜合金:250270以上)。第30页/共183页3 弹 性 不 完 整 性二、弹性后效(滞弹性)加载(或卸载)时应变落后于应力而和时间有关的现象。加载时为正弹性后效,卸载时为反弹性后效。第31页/共183页3 弹 性 不 完 整 性弹性后效产生的原因:主要与金属中的点缺陷移动有关。第32页/共183页3 弹 性 不 完 整 性弹性后效速率和滞弹性应变量与材料的成分组织有关,也与试验条件有关。材料组织越不均匀,则弹性后效越明显。温度升高,弹性后效的速率和滞弹性应变
13、量都急剧增加。切应力分量越大弹性后效越强列。第33页/共183页3 弹 性 不 完 整 性三、弹性滞后和循环韧性1.弹性滞后:金属在弹性区内加载和卸载时,由于应变落后与应力,使加载与卸载线不重合而行成的一封闭回线。第34页/共183页3 弹 性 不 完 整 性由弹性滞后回线围起来的面积称为“弹性滞后环”,该环表示金属在加载和卸载的过程中,一部分能量被金属所吸收,这部分被吸收的能量称为“金属的内耗”。金属内耗功的大小用该滞后环的面积度量。如果所加载荷为交变载荷则得到的滞后环为交变滞后环。如果所加最大应力低于该材料的宏观弹性极限,则所得到的滞后环为弹性滞后环。如果所加最大应力高于该材料的宏观弹性极
14、限则所得到的滞后环为塑性滞后环。第35页/共183页3 弹 性 不 完 整 性三种滞后环的类型:第36页/共183页3 弹 性 不 完 整 性2.循环韧性(消振性)金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力,称为“金属的循环韧性”,也叫“金属的内耗”。循环韧性指金属在塑性变形区内加载吸收不可金属在塑性变形区内加载吸收不可逆变形功的能力逆变形功的能力。用塑性滞后环来度量。金属内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力变形功的能力,用弹性滞后环面积来度量。通常可以混用。第37页/共183页3 弹 性 不 完 整 性循环韧性的意义在于:材料的循环韧性越高,则机件依
15、靠材料自身的消振能力越好,故又称为“消振性”。通常用振动试样中自由震动振幅的自然对数值 来表示循环韧性的大小。影响循环韧性的因素与影响弹性滞后的因素类似。第38页/共183页3 弹 性 不 完 整 性自由振动衰减曲线第39页/共183页3 弹 性 不 完 整 性一些金属材料的循环韧性第40页/共183页4 塑 性 变 形一、塑性变形方式及特点金属材料常见塑性变形方式滑移和孪生。滑移是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。孪生也是滑移变形的过程,只不过和位错滑移不同的是,它是沿孪晶面整体对称滑移。滑移后的金属原子以滑移面为对称轴和未滑移的金属原子一一对称。发生孪生滑移较位错滑
16、移所需外力更大,滑移更加困难。因此,只有位错滑移不能进行的条件下才产生孪生滑移。第41页/共183页4 塑 性 变 形位错滑移与孪生滑移第42页/共183页滑移是沿着滑移面上的滑移方向进行的,通常每一个滑移面和一个滑移方向被称为一个滑移系。金属中滑移系越多则该金属越易产生位错滑移。通常金属中的滑移面在原子的最密排面上,而滑移方向为原子的最密排方向。bcc金属有6个滑移面,2个滑移方向/面,12个滑移系。而fcc金属有4个滑移面,有3个滑移方向/面,12个滑移系,但fcc金属的塑性好于bcc金属,说明滑移方向在滑移过程中的作用大于滑移面。hcp金属只有两个滑移面,有三个滑移方向/面,共6个滑移系
17、,因此hcp金属的塑性,较fcc、bcc要差。易于产生孪生变形。4 塑 性 变 形第43页/共183页4 塑 性 变 形多晶体塑性变形的特点:多晶体中每一个晶粒的塑性变形过程和单晶体相同,但各晶粒之间存在着晶界,而且各晶粒的取向不同,因此塑性变形有其特有的特点。1.各晶粒变形的不同时性和不均匀性。2.各晶粒变形的相互协调性。第44页/共183页4 塑 性 变 形二、屈服现象和屈服点材料在拉伸过程中,当应力增加到一定数值,突然下降并在一定数值下保持恒定(或波动),而变形持续增加,这种现象称为“屈服现象”。产生屈服现象时的应力称为“屈服点”。记为“”,试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为“上屈
18、服点”记为“”屈服阶段中的最小应力称为“下屈服点”,记为“”。第45页/共183页4 塑 性 变 形上、下屈服点、屈服平台、屈服伸长、吕德斯(Lders)线第46页/共183页4 塑 性 变 形屈服现象产生的原因:材料在拉伸过程中,当外力大于屈服极限后,在不增加外力的条件下,材料变形继续增加,并产生吕德斯(Lders)线,随时间的增加吕德斯线沿试样表面增加,直至布满试样表面,屈服现象结束。屈服伸长是一个不均匀塑性变形的过程。第47页/共183页4 塑 性 变 形屈服现象和下列三个因素有关:1.材料在变形前可动位错密度很小。2.随塑性变形的发生,位错快速增殖。3.位错运动速率与外加应力有强烈的依
19、存关系。塑性变形应变速率与可动位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比。位错运动速率决定于外加应力大小。塑性变形应变速率;b柏氏矢量的模;可动位错密度;v位错运动平均速率。沿滑移面上的切应力;0位错以单位速率运动所需的切应力;第48页/共183页4 塑 性 变 形m:位错运动速率应力敏感指数。该指数越小,则屈服现象越明显。通常试验中上屈服点(su),波动性较大,因此常采用下屈服点来代表材料的屈服强度。第49页/共183页4 塑 性 变 形对于屈服现象不明显的材料,常采用规定微量塑性变形伸长应力来表征材料对微量塑性变形的抗力(屈服强度)。(1)规定非比例伸长应力:拉伸过程中,材料标距部分的非比例伸
20、长达到规定的原始标距的百分比时的应力。()常用的如:、(2)规定残余伸长应力:试样卸除拉伸力后,其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。()常用的如:等。(3)规定总伸长应力:试样标距部分的总伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。()第50页/共183页4 塑 性 变 形三、影响屈服强度的因素金属材料往往具有多相组织,故考虑影响屈服强度因素时,应注意以下三点:1.屈服变形是位错增殖和运动的结果。2.实际金属材料中,单个晶粒的力学行为不能决定整个材料的力学行为(晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分、第二相的影响等)。3.各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。第51页/共183
21、页4 塑 性 变 形(一)影响屈服强度的内在因素1.金属本性及晶格类型晶格阻力(派纳力 )派纳力:在理想晶体中。仅存在一个位错运动时所需克服的阻力。:位错宽度,为滑移面内原子位移大于50b区域的宽度。第52页/共183页4 塑 性 变 形位错宽度大时,原子偏离平衡位置小,晶格畸变小,派纳力小。反之,则大。滑移面的原子面间距最大,滑移方向原子间距最小,派纳力小,位错最易运动。不同的材料,其滑移面、滑移方向的原子间距不同,故派纳力也不相同。派纳力还和剪切模量G有关。第53页/共183页4 塑 性 变 形位错之间交互作用产生的阻力有两种类型:平行位错间交互作用产生的阻力。运动位错和林位错交互作用产生
22、的阻力。两者都正比于Gb,反比于位错间距离L。第54页/共183页4 塑 性 变 形2.晶粒大小和亚结构晶粒小,晶界面积增加,阻碍位错运动,故使材料的屈服强度增加。晶粒小,减小晶粒内部位错塞积长度,使材料的屈服强度增加。屈服强度与晶粒大小的关系符合霍尔派奇(Hall-Patch)公式,即:第55页/共183页4 塑 性 变 形霍尔-派奇公式对以铁素体为基的钢而言,晶粒大小在0.3400m之间都符合。bcc金属较fcc、hcp金属的ky值都高,所以bcc金属细晶强化作用明显,而fcc、hcp金属则差之。细晶强化不仅可以提高金属的强度,同时也使金属的塑性、韧性增加。亚晶界的作用和晶界类似。符合霍尔
23、派奇公式。相界也阻碍位错运动,同时相界两侧金属具有不同的晶体结构和性能,因此,多相合金中第二相的大小、形状、分布等因素均对屈服强度有影响。第56页/共183页4 塑 性 变 形3.溶质元素金属中加入溶质元素,将对金属产生固溶强化作用,使材料的屈服强度增加。通常,间隙溶质对金属的强化作用大于置换原子。第57页/共183页溶质原子与基体原子的直径不同,引起晶格畸变,形成畸变应力场,使金属强化。溶质原子对位错的运动起到了钉扎作用。溶质原子还和基体原子之间产生电学交互作用、化学交互作用以及有序化作用。空位对金属的强化作用,类似与置换溶质的作用。固溶强化将增加材料的强度,但同时降低材料的塑性和韧性。4
24、塑 性 变 形第58页/共183页4 塑 性 变 形4.第二相多相合金中,除基体以外的其它相。第二相对屈服强度的影响:第二相可以分为两类不可变形的第二相,如碳化物、氮化物等。可变形的第二相,如GP区、相等。第59页/共183页4 塑 性 变 形不可变形的第二相大都是以很小的质点方式存在,其强化可以有两种类型:弥散强化、沉淀强化。弥散强化:以很细小的质点方式分布在基体上。沉淀强化:先固溶到基体里,然后在回火(或时效)时弥散析出在基体上。第60页/共183页4 塑 性 变 形根据位错理论,材料中的位错在运动过程中,遇到不可变形的第二相,将采取绕过的办法,并留下位错环,材料的屈服强度取决于第二相质点
25、的密度。第61页/共183页4 塑 性 变 形含有可变形第二相的材料,当位错运动遇到第二相时,可以运用切过机制,使之与基体一同变形,由此也可以提高屈服强度。这是由于质点与基体间晶格错排及位错切过质点产生新的界面需要做功等原因造成的。这类质点的强化效果与粒子本身的性质及与基体的结合情况有关。第62页/共183页4 塑 性 变 形块状第二相对屈服强度的影响一般认为,块状第二相阻碍滑移,使基体产生不均匀滑移,由于局部的约束增加而导致强化。一些经验公式可以测这两相组织的强度:如:混合率或霍尔派奇公式等:混合率:第63页/共183页4 塑 性 变 形霍尔派奇公式也是适用,如:珠光体强度:第64页/共18
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