材料力学第一章—金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

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1、江苏科技大学材料科学与工程学院金属单向静拉伸性能内容§1拉伸应力—应变曲线§2弹性变形胡克定律、弹性模量、弹性比功滞弹性、包申格效应§3塑性变形塑性变形方式、屈服应变硬化§4金属的断裂断裂类型断裂强度2§1拉伸应力—应变曲线1.1单向拉伸试验最常用的金属力学性能试验方法。GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法3§1.1拉伸力—(绝对)伸长曲线定义：记录拉伸实验中力与伸长量的关系曲线。ACBke∆LFFe1、弹性变形阶段：e以下2、A-C：屈服阶段，不均匀屈服塑性变形3、C-B：均匀塑性变形阶段4、B-k：颈缩阶段(不均匀集中塑性变形阶段）A0L04§1.2应力—应变曲线应力

2、―载荷除以试件的原始截面积即得工程应力，σ应变—伸长量除以原始标距长度即得工程应变，εksbSs真应力-应变曲线（工程应用）应力-应变5§1.3室温下几种典型的拉伸曲线s=0.2sb玻璃陶瓷灰铸铁淬火高碳钢铜合金正火退火碳素结构钢低合金结构钢高锰钢高碳钢冷拔钢丝经硬化的材料调质钢黄铜、铝合金6ACBkeεσ§2弹性变形e1、弹性变形阶段：e以下2、A-C：屈服阶段，不均匀屈服塑性变形3、C-B：均匀塑性变形阶段4、B-k：颈缩阶段(不均匀集中塑性变形阶段）7（工程）应力-应变曲线§2弹性变形—定义8材料受外力作用发生尺寸和形状变化，称为变形。外

3、力去除后随之消失的变形为弹性变形，剩余的（久性的）变形为塑性变形。§2.1弹性变形理论—双原子模型假定有两个原子，N1与N2，原子之间存在长程的吸引力和短程的排斥力，外力F作用下原子间距r发生变化，则原子间作用力也发变化。式中，式中第一项为引力，第二项为斥力。A是与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数。引力斥力合力N2N1r9金属弹性变形理论物理机制：外力致使处于平衡位置的原子位移，在宏观上就是所谓弹性变形。外力去除后，原子复位，位移消失，宏观弹性变形消失。10§2.2胡克定律虎克定律：材料在弹性变形时，应变与应力成正比。(一)简单应力状态的胡克定律1．单向拉伸11胡克定律2.剪切和扭

4、转3.E、G和ν的关系m轴键齿轮12胡克定律（二）广义胡克定律实际机件受力状态比较复杂，应力往往两向或者三向。xyzzzyzxxzxxyyzyxy式中、、——主应力；、、——主应变。如果主应力中有压应力时，其前方应冠以负号。求得的应变为正号时表示伸长，负号则为缩短。13§2.3金属弹性变形特征实质是外力作用下晶格中原子自平衡位置发生位移的结果加载卸载期内，应力与应变之间保持单值线性关系；弹性变形是可逆的变形量小，不超过0.5%~1%变形速度快14电子显微镜首次拍摄到的氢化钒§2.4弹性模量E金属在弹性变形时，应变与应力成正比，比例常数即为弹性模量，E。弹性模量是产生

5、100％弹性变形所需的应力。这个定义对金属而言是没有任何意义的，因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。刚度表征构件对弹性变形的抗力。其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。15弹性模量的特点（1）弹性模量是一个表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。因此，弹性模量也和其他的物理量如熔点、汽化热等一样，与原子键合方式、晶体结构关系密切。除了过渡族金属外，一般地讲，弹性模量E随原子半径增大而减小，亦即随原子间距的增大而减小。过渡族金属的弹性模量较大，。（2）合金化、热处理、冷塑变形对弹性模量的影响较小，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。（3）一般地，加载速率并不影

6、响弹性性能，因为固体的弹性变形以介质中的声速传播。因此，金属的弹性变形速度很快，远远超过一般的加载速率。（4）单晶各向异性，由大量随机取向的晶粒组成的多晶体，其弹性性能却显示出各向同性。16几种金属材料在常温下的弹性模量金属材料E/105MPa结合键铁2.17金属铜1.25金属铝0.72金属低碳钢2.0金属铸铁1.7~1.9金属低合金钢2.0~2.1金属奥氏体不锈钢1.9~2.0金属金刚石11.4共价键聚乙烯0.002范德华力17§2.5弹性比功指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，它标志着单位体积材料所吸收的最大弹性变形功，是一个韧性指标。e0εeε式中——弹性比功；——弹性

7、极限；——最大弹性应变。18弹性极限因弹性模量E是对组织不敏感的常数指标，故需提高材料的弹性极限σe才能提高弹性比功e。弹性极限由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。超过弹性极限，开始发生塑性变形。e=Fe/A0定义残余变形为0.01%时对应的应力为规定弹性极限σe。此时的弹性极限表示材料对微量塑性变形的抗力，是对组织敏感的力学性能指标。19弹簧材料的弹性比功弹簧的分类：硬弹簧：弹簧钢制造，通过合金化、热处理和冷加工，提高其弹性极限的方法来增大弹性比功。