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1th材料在静载下的力学行为
第1章材料在静载下的力学行为
1.1应力一应变曲线
静拉伸是材料力学性能试验中最基本的试验方法。
用静拉伸试验得到的应力-应变曲线,可以求出许多重要性能指标。
如弹性模量E,主要用于零件的刚度设计中;材料的屈服强度σs和抗拉强度σb则主要用于零件的强度设计中,特别是抗拉强度和弯曲疲劳强度有一定的比例关系,这就进一步为零件在交变载荷下使用提供参考;而材料的塑性,断裂前的应变量,主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。
1.单向静拉伸试验特点:
1)最广泛使用的力学性能检测手段;
2)试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定(方法:
GB/T228-2002;试样:
GB/T6397-1986)。
3)最基本的力学行为(弹性、塑性、断裂等);
4)可测力学性能指标:
强度(σ)、塑性(δ、ψ、f)等。
2.不同材料的应力—应变曲线
1)脆性材料的应力—应变曲线
v典型材料:
玻璃、多种陶瓷、岩石,低温下的金属材料、淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等。
v曲线特征:
在拉伸断裂前,只发生弹性变形,不发生塑性变形,在最高载荷点处断裂
2)塑性材料的应力—应变曲线
3)高分子材料的应力—应变曲线
1.2弹性变形阶段
1.2.1弹性变形及其实质
1.弹性变形
定义:
当外力去除后,能恢复到原来形状或尺寸的变形(应力与应变之间都保持单值线性关系),叫弹性变形。
特点为:
单调、可逆、变形量很小(<0.5~1.0%)
2.弹性的物理本质
其实质是构成材料的原子(离子)或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。
金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。
3.解释:
双原子模型
原子间相互作用力F与原子间距r的关系为:
弹性模量双原子模型
式中A、B分别为与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数。
原子的位移总和在宏观上就表现为变形。
外力去除后,原子依靠彼此之间的作用力又回到原来的平衡位置,位移消失,宏观上变形也就消失。
这就是弹性变形的可逆性。
4.胡克定律
●单向拉伸
●剪切和扭转
●E、G的关系
5.弹性模量的影响因素
工程上把弹性模量E、G称为材料的刚度,它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力,在机械设计中,有时刚度是第一位的。
精密机床的主轴如果不具有足够的刚度,就不能保证零件的加上精度。
若汽车拖拉机中的曲轴弯曲刚度不足,就会影响活塞、连杆及轴承等重要零件的正常工作。
影响因素
●材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力,而材料的成分和组织对它的影响不大,所以说它是一个对组织不敏感的性能指标,这是弹性模量在性能上的主要特点。
改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)影响显著,但对材料的刚度影响不大。
从大的范围说,材料的弹性模量首先决定于结合键。
●合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响不大,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,外在因素变化对它的影响也比较小。
●键合方式:
共价键、离子键和金属键具有较高的E,分子键的E较低。
如陶瓷材料,E高但ε很小;橡胶的E很小,但ε很大,金属介于两者之间。
共价键结合的材料弹性模量最高,所以像SiC。
陶瓷材料和碳纤维的复合材料有很高的弹性模量。
而主要依靠分子键结合的高分子,由一分子键力弱,其弹性模量最低。
金属键有较强的键力,材料容易塑性变形,其弹性模量适中,但由于各种金属原子结合力不同,也会有较强的键力,材料容易塑性变形,其弹性模量适中,但由于各种金属原子结合力不同,也会有很大的差别,例如铁(钢的弹性模量为210GPa),是铝(铝合金)的3倍(E=70GPa),而钨的弹性模量是铁的两倍(E=420GPa),弹性模量是与材料的熔点成正比的,越是难熔的材料其弹性模量也越高。
●原子半径E=k/rm
●晶体结构:
对各向异性晶体,沿原子密排面E较大。
●化学成分与微观组织:
对金属材料,变化很小。
●温度:
金属的弹性模量随温度升高的下降速度比陶瓷材料高出大约1倍—高温下,希望用陶瓷材料替代金属。
●加载速度:
影响小。
1.2.2弹性比功
又称弹性比能或应变比能,表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
金属拉伸时的弹性比功用应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积表示。
εe材料最大弹性应变;
σe为材料的弹性极限,它表示材料发生弹性变性的极限抗力。
理论上弹性极限的测定应该是通过不断加载与卸载,直到能使变形完全恢复的极限载荷。
实际上在测定弹性极限时是以规定某一少量的残留变形(如0.01%)为标准,对应此残留变形的应力即为弹性极限。
欲提高材料的弹性比功,途径有二:
提高σe,或者降低E。
由于σe是二次方,所以提高σe对提高弹性比功的作用更显著。
v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。
●软弹簧(仪表弹簧):
磷青铜或铍青铜制作,具有较高的弹性极限和较小的弹性模量,因而弹性比功也较大。
v弹性性能的工程意义
●任何一部机器(或构造物)的零(构)件在服役过程中都是处于弹性变形状态的。
结构中的部分零(构)件要求将弹性变形量控制在一定范围之内,以避免因过量弹性变形而失效。
●另一部分零(构)件,如弹簧,则要求其在弹性变形量符合规定的条件下,有足够的承受载荷的能力,即不仅要求起缓冲和减震的作用,而且要有足够的吸收和释放弹性功的能力,以避免弹力不足而失效。
前者反映的是刚度,后者则为弹性比功问题。
1.2.3.弹性的不完整性
在应力的作用下产生的应变,与应力间存在三个关系:
线性、瞬时和唯一性。
而在实际情况下,三种关系往往不能同时满足,称为弹性的不完整性。
1.2.3.1弹性后效—滞弹性
理想的弹性体其弹性变形速度是很快的,相当于声音在弹性体中的传播速度。
因此,在加载时可认为变形立即达到应力—应变曲线上的相应值,卸载时也立即恢复原状,图上的加载与卸载应在同一直线上,也就是说应变与应力始终保持同步。
但是,在实际材料中有应变落后于应力现象,这种现象叫做滞弹性(如图1-2)。
1.影响因素:
●组织的不均匀性;
●温度(升高);
●应力状态(切应力成分大时)。
2.危害:
●仪表的准确性;
●制造业中构件的形状稳定性(校直的工件会发生弯曲)。
3.弹性滞后环
在弹性变形范围内,骤然加载和卸载的开始阶段,应变总要落后于应力,不同步。
因此,其结果必然会使得加载线和卸载线不重合,而形成一个闭合的滞后回线,这个回线称为弹性滞后环。
滞后环的形状:
如果所加载荷不是单向的循环载荷,而是交变的循环载荷,并且加载速度比较缓慢,弹性后效现象来得及表现时,则可得到两个对称的弹性滞后环(图a)。
如果加载速度比较快,弹性后效来不及表现时,则得到如图(b)和(c)的弹性滞后环。
滞后环的面积:
环面积的大小表示被金属吸收的变形功的大小。
在交变载荷下,环的面积代表材料以不可逆方式吸收能量(即内耗)而不破坏的能力,也称为循环韧性。
也可理解为材料靠自身来消除机械振动的能力(即消振性的好坏),所以在生产上是一个重要的机械性能指标,具有很重要的意义。
1)滞后环的应用:
消振性:
Cr13系列钢和灰铸铁的循环韧性大,是很好的消振材料,所以常用作飞机的螺旋桨和汽轮机叶片、机床和动力机器的底座、支架以达到机器稳定运转的目的。
乐器:
对追求音响效果的元件音叉、簧片、钟等,希望声音持久不衰,即振动的延续时间长久,则必须使循环韧性尽可能小。
2)滞弹性原因
产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动或变形的不均匀性有关。
3)滞弹性意义
在仪表和精密机械中,选用重要传感元件的材料时,需要考虑弹性后效问题,如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等。
如选用的材料弹性后效较明显,会使仪表精度不足甚至无法使用。
1.2.3.2应力松弛—粘弹性
●高分子材料表现突出
●材料在外力作用下,弹性和粘性两种变形机理同时存在。
●特征:
应变对应力的响应(或反之)不是瞬时完成的,是一个弛豫过程。
高聚物力学性质随时间而变化的现象称为力学松弛或粘弹现象。
●静态粘弹性:
蠕变和应力松弛
●动态粘弹性:
滞后与内耗现象
应力松弛StressRelaxation
在恒温下保持一定的恒定应变时,材料应力随时间而逐渐减小的力学现象。
1.2.3.3包申格(Bauschinger)效应
1)包申格现象
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形(残余应变约为1%~4%),卸载后再同向加载,规定残余伸长应力(弹性极限或屈服强度)增加;反向加载规定残余伸长应力降低(特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零)的现象,称为包申格效应。
2)敏感材料
对某些钢和钛合金,因包申格效应可使规定残余伸长应力降低15%~20%,所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包申格效应,因此,包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象。
3)原因:
包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。
(a)认为由于位错塞积引起的长程内应力(常称反向应力),在反向加载时有助于位错运动从而降低比例极限所致。
(b)由于预应变使位错运动阻力出现方向性所致。
因为经过正向形变后,晶内位错最后总是停留在障碍密度较高处,一旦有反向变形,则位错很容易克服曾经扫过的障碍密度较低处,而达到相邻的另一障碍密度较高处。
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