材料的力學(xué)性能2.ppt

2 材料的變形 任何材料在外力作用下都會(huì)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(shí)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(fù) 可分為彈性變形和塑性變形兩種 能恢復(fù)的變形稱為彈性變形 不能恢復(fù)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(dāng)歲月的樹還透著的沁沁綠意 當(dāng)時(shí)間的風(fēng)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(gè)季節(jié) 我們開啟了我們的暑假實(shí)踐活動(dòng) 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(huì)實(shí)踐個(gè)人總結(jié) 歡迎閱讀 暑期社會(huì)實(shí)踐個(gè)人總結(jié) 一 七天的社會(huì)實(shí)踐 我從初期準(zhǔn)備階段滿懷憧憬的開始 到實(shí)踐期間親身經(jīng)歷的深刻體會(huì) 再到臨行時(shí)依依不舍的結(jié)束 實(shí)踐的每一天都讓我感慨萬分 收獲良多 在暑期社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)籌備階段之前 我就經(jīng)常聽?zhēng)熜终f起過 每次聽完師兄師姐們講起社會(huì)實(shí)踐時(shí) 那份快樂幸?？偸茄笠缭谀樕?于是我決定要參與到暑期社會(huì)實(shí)踐活動(dòng) 我一定要親身的去感受那份快樂 通過社會(huì)實(shí)踐我可以趁此機(jī)會(huì)鍛煉自己 提高各方面的能力 同時(shí)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(jī)會(huì)提前接觸社會(huì) 向當(dāng)?shù)氐木用駧ノ覀凕c(diǎn)滴的愛心 向社會(huì)奉獻(xiàn)我們大學(xué)生應(yīng)有的微薄力量 從報(bào)名參與這次暑期社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)開始 我就做好吃苦耐勞的準(zhǔn)備 為了這次期盼已久的實(shí)踐 就算再苦再累我都要堅(jiān)持 現(xiàn)在實(shí)踐結(jié)束了 整個(gè)實(shí)踐的過程中 雖然有時(shí)我覺得自己做得不是很優(yōu)秀 但我對(duì)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(diǎn)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(dāng)外力去除后 材料能夠恢復(fù)原來形狀的變形 可逆性單值性正彈性應(yīng)變 由正應(yīng)力引起 切彈性應(yīng)變 由切應(yīng)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(diǎn)陣中原子間的相互作用 原子間勢(shì)能曲線在r0處勢(shì)能最低 處于穩(wěn)定狀態(tài) 當(dāng)外力作用迫使兩原子靠近 rr0 時(shí) 必須分別克服相應(yīng)的斥力或引力 才能使原子N2達(dá)到新的平衡位置 產(chǎn)生原子間距變化 即所謂的變形 當(dāng)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(fù)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(diǎn)的原因 2 1材料的彈性變形 胡克定律簡(jiǎn)單應(yīng)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(xué)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(duì)于按照剛度要求設(shè)計(jì)的構(gòu)件 應(yīng)選用彈性模量值高的材料 因?yàn)橛脧椥阅Ａ扛叩牟牧现瞥傻臉?gòu)件受到外力作用時(shí) 保持其固有尺寸和形狀的能力強(qiáng) 即構(gòu)件的剛度高 工程應(yīng)用1 計(jì)算梁和構(gòu)件的撓度 以及為了防止機(jī)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(jī)的剛度設(shè)計(jì)軋機(jī)工作機(jī)座抵抗縱向彈性變形的能力大小稱為軋機(jī)縱向剛度 簡(jiǎn)稱 軋機(jī)剛度 軋機(jī)剛度是表示一臺(tái)軋機(jī)結(jié)構(gòu)性能的重要參數(shù) 它反映一臺(tái)軋機(jī)所能獲得軋制精度的一個(gè)重要指標(biāo) 影響因素 機(jī)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(jī)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(qiáng)車輪鋼研究開發(fā)及應(yīng)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(jì)算結(jié)果 最大彈性變形相差 0 005mm 安全強(qiáng)度儲(chǔ)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(yàn)報(bào)告 減重后應(yīng)力應(yīng)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(jià)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(duì)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(yīng)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(xué)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(duì)于常用鋼鐵合金來說 合金化對(duì)其晶格常數(shù)改變不大 因而對(duì)彈性模量影響很小 熱處理改變組織的強(qiáng)化工藝 但對(duì)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(dāng)變形量很大時(shí) 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(duì)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(duì)彈性模量也沒有大的影響 對(duì)組織不敏感的參數(shù) 彈性比功又被稱為彈性應(yīng)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(dá)到最大 卸載后 彈簧完全恢復(fù)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(duì)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(jìn)彈簧結(jié)構(gòu)著手 另一種情況是彈簧使用一段時(shí)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(duì)材料進(jìn)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(yīng) 2 3彈性變形的不完整性 材料經(jīng)過預(yù)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(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力變化有關(guān) 運(yùn)動(dòng)著的位錯(cuò)遇林位錯(cuò)而使其彎曲 所以位錯(cuò)前方林位錯(cuò)密度增加 形成位錯(cuò)纏結(jié)等 卸載后同向加載 位錯(cuò)不能做明顯運(yùn)動(dòng) 反向加載 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙較少 位錯(cuò)可以在較低應(yīng)力下移動(dòng)較大距離 也可以用第二類內(nèi)應(yīng)力來解釋 2 3彈性變形的不完整性 包辛格應(yīng)變 給定應(yīng)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(yīng)變差 對(duì)于承受應(yīng)變疲勞機(jī)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(yīng) 有時(shí)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(shí)際金屬材料在外力作用下開始產(chǎn)生彈性變形時(shí) 沿OA變化 產(chǎn)生瞬時(shí)彈性應(yīng)變Oa之后 在載荷不變的條件下 隨時(shí)間延長 變形慢慢增加 產(chǎn)生附加的彈性應(yīng)變aH 這一現(xiàn)象叫做正彈性后效或彈性蠕變 卸載時(shí) 立即沿Bc變化 部分彈性應(yīng)變Hc消失 之后 隨時(shí)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(yīng)變落后于外加應(yīng)力 并和時(shí)間有關(guān)的彈性變形稱為彈性后效或滯彈性 隨時(shí)間延長而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變稱為滯彈性應(yīng)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(shí) 因應(yīng)變滯后于外加應(yīng)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(gè)滯后環(huán)的出現(xiàn) 說明加載時(shí)消耗于材料的變形功大于卸載時(shí)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(gè)應(yīng)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(gè)性能指標(biāo) 一般用振動(dòng)試樣中自由振動(dòng)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(qiáng) 汽輪機(jī)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(dòng)衰減曲線 2 3彈性變形的不完整性 塑性變形的一般特點(diǎn) 2 4材料的塑性變形 變形不可逆 主要有切應(yīng)力引起 指標(biāo) 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(huì)產(chǎn)生回復(fù) 再結(jié)晶 應(yīng)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(kuò)散型蠕變 1 滑移變形材料在切應(yīng)力作用下 沿一定的晶面和一定的晶向進(jìn)行的切變過程 2 4材料的塑性變形 滑移系 每個(gè)滑移面和其上的一個(gè)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(dāng)晶體的一部分與另一部分呈鏡像時(shí) 稱為孿晶 對(duì)稱面稱為孿晶面 2 4材料的塑性變形 特點(diǎn) 1 高應(yīng)變速率下發(fā)生 對(duì)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(dāng)變形孿晶穿過整個(gè)試樣即形成塑性孿晶時(shí) 即使去除全部外力 這個(gè)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(duì)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(jìn)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(gè)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(dá)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(kuò)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(jìn)行 變形時(shí) 可以使晶界切變滑動(dòng) 也可以借助于晶界上空位和間隙原子定向擴(kuò)散遷移來實(shí)現(xiàn) 單晶體和多晶體材料塑性變形的特點(diǎn) 2 4材料的塑性變形 1 單晶體塑性變形的特點(diǎn)1 滑移面上分切應(yīng)力必須大于臨界分切應(yīng)力 2 晶體的臨界分切應(yīng)力是各向異性的 3 對(duì)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(yīng)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(duì)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(fù) 過程組成 單晶體和多晶體材料塑性變形的特點(diǎn)2 多晶體塑性變形的特點(diǎn)形變的不均一性 各晶粒變形的不同時(shí)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(shí) 塑性變形可表現(xiàn)為沿著晶粒間分界面相對(duì)滑移 即晶界的形變阻力此時(shí)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(diǎn)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(diǎn)3 形變織構(gòu)和各向異性隨著塑性變形程度的增加 各個(gè)晶粒的滑移方向逐漸向主形變方向轉(zhuǎn)動(dòng) 使多晶體中原來取向互不相同的各個(gè)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(yàn)中 當(dāng)外力不增加 保持恒定 時(shí)試樣仍然能夠伸長或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降 然后在外力不增加或上下波動(dòng)時(shí)試樣繼續(xù)伸長變形 這種現(xiàn)象叫屈服 呂德斯帶屈服強(qiáng)度對(duì)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(yīng)力表示 即滑移臨界切應(yīng)力 c 對(duì)于多晶體來說 用產(chǎn)生微量塑性變形的應(yīng)力定義為屈服強(qiáng)度 對(duì)于拉伸時(shí)出現(xiàn)屈服平臺(tái)的材料 由于下屈服點(diǎn)再現(xiàn)性較好 故以下屈服應(yīng)力作為材料的屈服強(qiáng)度 2 5材料的屈服 影響屈服強(qiáng)度的因素 2 5材料的屈服 影響屈服強(qiáng)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(jìn)行 這表明位錯(cuò)主要分布在基體相中 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)首先決定于基體相的各種阻力 而金屬臨界切應(yīng)力都與其切變彈性模量G有關(guān) G值越高 其臨界切應(yīng)力越大 過渡族金屬Fe Ni等 G值較高 其臨界切應(yīng)力也高 因而屈服強(qiáng)度也高 同時(shí) 臨界切應(yīng)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(yīng)力越大 反之 則臨界切應(yīng)力越小 如密排面心立方金屬Cu Al和六方金屬M(fèi)g Zn等 因?yàn)閎小 其臨界切應(yīng)力都很低 而體心立方金屬 Fe Cr等 其臨界切應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)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(cuò)在晶格中運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力 而且增強(qiáng)了對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用 第二相根據(jù)位錯(cuò)理論 位錯(cuò)線只能繞過不可變形的第二相質(zhì)點(diǎn) 為此 必須克服彎曲位錯(cuò)的線張力 彎曲位錯(cuò)的線張力與相鄰質(zhì)點(diǎn)的間距有關(guān) 故含有不可變形第二相質(zhì)點(diǎn)的金屬材料 其屈服強(qiáng)度與流變應(yīng)力決定于第二相質(zhì)點(diǎn)之間的間距 繞過質(zhì)點(diǎn)的位錯(cuò)線在質(zhì)點(diǎn)周圍留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán) 隨著繞過質(zhì)點(diǎn)的位錯(cuò)數(shù)量增加 留下的位錯(cuò)環(huán)增多 相當(dāng)于質(zhì)點(diǎn)的間距減小 流變應(yīng)力就越高 2 5材料的屈服 2 影響屈服強(qiáng)度的外在因素 溫度溫度升高 屈服強(qiáng)度降低 但其變化趨勢(shì)因不同晶格類型而異 體心立方金屬對(duì)溫度很敏感 特別在低溫區(qū)域 如Fe 由室溫降到 196 屈服強(qiáng)度提高4倍 面心立方金屬對(duì)溫度不太敏感 如Ni 由室溫降到 196 屈服強(qiáng)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(duì)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(qiáng)度也有強(qiáng)烈的溫度效應(yīng) 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(qiáng)度增高 但屈服強(qiáng)度的