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1、19.金属材料的变形与再结晶2金属材料的变形与再结晶123金属热变形、蠕变与超塑性金属热变形、蠕变与超塑性4金属的应力应变曲线金属的应力应变曲线金属的塑性变形金属的塑性变形回复与再结晶回复与再结晶3单向静拉伸试验单向静拉伸试验n是应用最广泛的力学性能试验方法之一。n1）可揭示材料在静载下的力学行为（三种失效形式）：n即：过量弹性变形过量弹性变形、塑性变形塑性变形、断裂断裂。n2）还可标定出材料的最基本力学性能指标：n如：屈服强度屈服强度、抗拉强度抗拉强度、伸长率伸长率、断面收缩率断面收缩率等。 9-1 金属的应力应变曲线金属的应力应变曲线41、拉伸力伸长曲线、拉伸力伸长曲线n1 1、拉伸曲线、
2、拉伸曲线n拉伸力拉伸力F绝对伸长绝对伸长L的关系曲线。n在拉伸力的作用下，退火低碳钢的变形过程四个阶段：n1）弹性变形弹性变形：Oen2）不均匀屈服塑性变形不均匀屈服塑性变形：ACn3）均匀塑性变形均匀塑性变形：CBn4）不均匀集中塑性变形不均匀集中塑性变形：Bkn5）最后发生断裂。k低碳钢的拉伸力与伸长曲线52、工程应力、工程应力 应变应变曲线曲线（工程）应力（工程）应力 应变应变曲线，曲线，曲线形状不变。n由此，可建立材料在静拉伸下的力学性能指标。n应力应力：物体受外载荷作用时，单位截面积上内力。0FA000LLLLL工程应力应变曲线工程应力应变曲线n应变应变：单位长度上的伸长。试样原截面
3、积 A0试样标距 L0n弹性变形：应力去除后能够弹性变形：应力去除后能够恢复的变形。恢复的变形。=E=En弹性模量：弹性模量： E En弹性极限：弹性极限： e en屈服极限：屈服极限：s s， 0.20.2n加工硬化（应变硬化）加工硬化（应变硬化）n抗拉强度：抗拉强度： b bn断裂强度：断裂强度： k kn延伸率：延伸率：=(L=(Lk k-L-L0 0)/L)/L0 0n断面收缩率：断面收缩率：=（F F0 0-F-Fk k)/F)/F0 06n用静拉伸应力应变曲线，可得出许多重要性能指标:n弹性模量弹性模量 E ：主要用于零件的刚度设计。n屈服强度屈服强度s s 和抗拉强度和抗拉强度b
4、 b ：主要用于零件的强度设计。n特别是：抗拉强度抗拉强度b b 和弯曲疲劳强度弯曲疲劳强度有一定比例关系，进一步为零件在交变载荷下使用提供参考。n而材料的塑性材料的塑性，断裂前的应变量断裂前的应变量：主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。2、工程应力、工程应力 应变应变曲线曲线7n工程应力工程应力应变应变曲线：曲线：n不能真实反映试件拉伸过程中应力和应变的变化关系。n实际拉伸中，随载荷F 增加，长度 L0 伸长，截面积 A0 相应减少。0FA工程应力应变曲线工程应力应变曲线000LLLLL2、工程应力、工程应力 应变应变曲线曲线1. 低钢、正火、退火调质中钢，低、中C合金钢某些Al合金及
5、某些高分子材料具有类似上述曲线。2. 铸铁、陶瓷：只有第I阶段3. 中、高碳钢：没有第II阶段83、真应力、真应力S真应变真应变e 曲线曲线n3 3、真应力、真应力S真应变真应变e 曲线：（流变曲线）曲线：（流变曲线）n在实践的塑性变形中，试样的截面积与长度也在不断发生着变化，在研究金属塑性变形时，为了获得真实的变形特性，应当按真应力和真应变来进行分析。n流变曲线真实反映变形过程中，随应变量增大，材料性质的变化。工程应力应变曲线工程应力应变曲线9真应力真应力S与真应变与真应变en1 1）真应力）真应力 S ：试件在某一瞬时承受的拉伸应力。n2）真应变）真应变 e ：试件瞬时伸长量 / 瞬时长度
6、。n若拉伸过程各阶段试件伸长量为一微小增量dL，则试件从L0伸长到Ln，总应变为：000LLLLL工程应变0AF工程应力初始长度最终长度lnln01120010LLLdLLLLLLLeLL试件瞬时截面积瞬时载荷iiAFS10n3）真应力真应力S 与工程应力工程应力关系关系n当材料拉伸变形是等体积变化（等体积变化（A0L0=AL）过程时，n真应力真应力S 和工程应力工程应力 之间存在如下关系：n这说明，S 。（- -工程应变工程应变）（1S00000()(1)FFLFLLSAA LAL11n4）真应变真应变e 与工程应变工程应变关系关系n显然，总是 e ，且变形量越大，二者的差距越大。0ln0L
7、LLdLeLL000LLLLL000lnlnlnLLLeLL （1 ）124、定义真应力、定义真应力S（应变（应变e）的意义）的意义n1 1）真应力）真应力 S 和真应变和真应变 e 的定义：的定义：n承认了在变形过程中试件长度和直径间相互变化的事实。承认了在变形过程中试件长度和直径间相互变化的事实。n因变形过程中体积保持不变，因此n即长度伸长了，其实际截面积 A 就会相应减少，因此，常数2211LALA工程应力真应力SiiFSA瞬时载荷试件瞬时截面积0AF134、定义真应力、定义真应力S （应变（应变e ）的意义）的意义n2 2）之所以如此定义真应变：）之所以如此定义真应变：n 因为每一时刻
8、实际应变e 与瞬时标距长度瞬时标距长度L Li i 有关。n若固定每一位移增量L ，瞬时长度 Li 就随之增加，相应地，应变增量应变增量就会减少。n（因随附加每一位移增量L，瞬时标距长度Li 都要随之增加 ）。n 由试件总长度变化来定义其真应变真应变e e，就有可能认为该长度变化是一步达到的，或任意多步达到的。试件初始长度试件最终长度lnln01120010LLLdLLLLLLLeLL14n因此，若试件分几次拉伸（如分2次拉伸），则n各次拉伸各次拉伸工程应变量工程应变量之和之和不等于不等于一次拉伸的工程应变量。一次拉伸的工程应变量。n但是，各次拉伸各次拉伸真应变量真应变量e之和之和等于等于一次
9、拉伸的真应变量。一次拉伸的真应变量。002112001LLLLLLLLL021201lnlnlnLLLLLL155、不同类型材料典型的拉伸应力应变曲线、不同类型材料典型的拉伸应力应变曲线n1）第）第种类型：完全弹性种类型：完全弹性n可用虎克定律虎克定律描述其应力应力- -应变应变成比例的材料特性。En特点：特点：具有可逆应力应变曲线和不出现塑性变形的特征。n典型材料：典型材料：如玻璃、岩石、多种陶瓷、高交联度的高聚合物和低温下的某些金属材料。n此类材料抗脆性（低能量）断裂的能力是极需注意的问题。E材料的弹性模量（杨氏模量）16n苏打石灰玻璃：苏打石灰玻璃：应力-应变曲线只显示弹性变形，没有塑性
10、变形立即断裂，这是完全脆断的情形。n工程结构陶瓷材料：工程结构陶瓷材料：如Al2O3，SiC等，淬火态高碳钢、普通灰铸铁也属这种情况。 17n完全弹性材料：完全弹性材料：n不适用于在拉伸载荷下的工程应用，但用于承受压缩载荷时，却是一种理想的材料。因为脆性材料受压时强度比受拉时强度要大好几倍。n如：混凝土材料混凝土材料是其极好的例子，广泛用于受压的情况。n但工程中承受纯压缩载荷是极少的，一般或多或少地同时承受拉伸载荷，因此完全弹性材料（脆性材料）应用于工程上应考虑提高其抵抗拉伸载荷的措施。n如：在混凝土材料中通过配钢筋来混凝土材料中通过配钢筋来提高其抗拉伸性能。18n高分子材料，聚氯乙烯：高分子
11、材料，聚氯乙烯：在拉伸开始时，应力和应变不成直线关系，即不服从虎克定律，而且变形表现为粘弹性粘弹性。n粘弹性：粘弹性：是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。n其其特征特征是应变对应力的响应（或反之)不是瞬时完成的（应变落后于应力），需要需要通过一个弛豫过程通过一个弛豫过程，但卸裁后，应变恢复到初始值，不应变恢复到初始值，不留下残余变形留下残余变形。19n2 2）第）第种种类型：弹性均匀塑性类型：弹性均匀塑性n若材料具有不可逆的塑性变形能力，在弹性变形后，接着有一个均匀变形阶段，应力-应变曲线呈现为第第类型类型。第种类型的应力应变曲线 n应力很小时，仍有弹性变形区弹性变
12、形区，接着一段光滑的抛物线，其相应于均匀塑性变形过程均匀塑性变形过程。n均匀塑性变形：均匀塑性变形：n表明塑性变形需要不断增加外力才能继续进行，即材料有阻止继续塑变的能力（应变硬化（应变硬化性能）性能）。20n多数塑性金属材料多数塑性金属材料，如铝镁合金、铜合金、中碳合金结构钢（经淬火中高温回火）其应力-应变曲线也是如此。n材料由弹性连续过渡到塑性变形，塑性变形时无锯齿形平台，变形时总伴随着加工硬化。21n3）第）第种类型：弹性不均匀塑性变形种类型：弹性不均匀塑性变形n在正常弹性后，有一系列锯齿叠加在抛物线型曲线上。n此类材料特性：是由于材料内部不均匀变形所致。n出现的情况：出现的情况：n（1
13、）面心立方金属在低温和高应）面心立方金属在低温和高应变率下，其塑变通过孪生进行。变率下，其塑变通过孪生进行。n标距的长度随孪生带的成核和生长间歇地突然伸长，当试样中瞬时应变率超过试验机夹头运动速率，则载荷就下降。22n（2 2）含碳的体心立方铁基固溶体及铝的低溶质固溶体。）含碳的体心立方铁基固溶体及铝的低溶质固溶体。n由于溶质原子或空位与晶格位错相互作用的结果所致。n若应力足够大，位错可从溶质原子簇中挣脱，载荷就下降。n若溶质原子足够快地扩散开，就可将位错重新锁住，则须再增大载荷才使变形继续下去。23n4）第）第种类型：弹性种类型：弹性不均匀塑性不均匀塑性均匀塑性变形均匀塑性变形n许多体心立方
14、铁基合金和有色合金，应力应变曲线在弹性弹性与均匀塑性变形均匀塑性变形间有一狭窄一段属不均匀塑变区不均匀塑变区。即从弹性向塑性变形的过渡明显。n主要表现：主要表现：在试验中，外力不增加（保持恒定）试样仍继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动下，试样继续伸长变形。这便是“屈服现象屈服现象”。24n5）第）第种类型：种类型：弹性不均匀塑性均匀塑性变形弹性不均匀塑性均匀塑性变形n它有一个上屈服点上屈服点A，接着载荷下降。n其中：OA弹性弹性；AB不均匀塑变不均匀塑变；BC均匀塑变均匀塑变。n到达B点后，试件出现“缩颈缩颈”，但并很快失效。n典型的结晶高聚合物材料结晶高聚
15、合物材料具有此特征，这与其结构有关。n以B点为界，整个塑变出现两种不同趋势。nAB应力随应变增大而下降，BC则随应变增大而上升。ABC25不同类型材料典型的拉伸应力应变曲线不同类型材料典型的拉伸应力应变曲线n退火低碳钢：退火低碳钢：n在拉伸应力-应变曲线上，出现屈服平台，平台的延伸长度随钢的含碳量增加而减少。n当含碳量增至0.6%以上，平台消失。26其它类型材料的应力其它类型材料的应力-应变曲线应变曲线弹性变形、弹性变形、塑性变形塑性变形弹性变形弹性变形非线性非线性弹性变弹性变形形1纯金属纯金属（Al、Cu、Ag等）等）2高弹性材料高弹性材料（橡胶）（橡胶）3脆性材料脆性材料（陶瓷、白口铸铁、
16、淬火高碳钢）（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢）1234102030 (%)0100200300400500600700800900 (MPa)1、锰钢、锰钢 2、硬铝、硬铝 3、退火球墨铸铁、退火球墨铸铁 4、低碳钢、低碳钢特点：特点：d d 较大，为塑性材料。 无明显屈服阶段。276 6、温度温度和和应变速率应变速率对材料拉伸力学性能的影响对材料拉伸力学性能的影响n实验表明：实验表明：材料拉伸力学性能与试验温度和拉伸速率有关，材料拉伸力学性能与试验温度和拉伸速率有关，主要对塑性变形的影响，即对材料屈服强度和延性的影响。n对某确定材料，随试验温度升高，应力随试验温度升高，应力应变曲线下降，应变曲线下降，n应变速率减小，应力应变速率减小，应力应变曲线下降，应变曲线下降，如图试验温度对材料应力应变曲线的影响拉伸速率对材料应力应变曲线的影响