第2次课教案-弹性变形课件

第第1章材料的力学性能章材料的力学性能主要内容主要内容 应力和应变的概念力-伸长曲线和应力-应变曲线 弹性变形及本质弹性模量的影响因素 导入案例导入案例 材料力学性能材料力学性能（mechanical properties of materials）是指材料在常温、静载作用下的宏观力学性能，是确定各种工程设计参数的主要依据。这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力-应变曲线。案例案例1：案例案例2：镁合金零件镁合金零件1.1 应力和应变应力和应变 材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变形变(deformation)。材料承受外力作用、抵抗形变的能力及其破坏规律，称为材料的力力学性能或机械性能学性能或机械性能（mechanical properties of materials）。材料发生形变时，其内部分子间或离子间的相对位置会发生变化，同时产生原子间及分子间的附加内力附加内力而抵抗外力，并试图恢复到形变前的状态，达到平衡时，附加内力与外力大小相等、方向相反。应力应力（stress）：材料单位面积上所受的附加内力，其值等于单位面积上所受的外力。名义应力（nominal stress）真实应力（real stress）应力分量应力张量（stress tensor）应变应变（strain）：用来表征材料受力时内部各质点之间的相对位移。对于各向同性材料，有三种基本的应变类型：拉伸应变拉伸应变、剪切应变剪切应变和压缩应变压缩应变。拉伸应变拉伸应变(drawing strain)是指材料受到垂直于截面积方向的大小相等、方向相反并作用在同一直线上的两个拉伸应力时材料发生的形变。剪切应变剪切应变（shearing strain）是指材料受到平行于截面积方向的大小相等、方向相反的两个剪切应力时发生的形变。压缩应变压缩应变（pressed strain）：指材料周围受到均匀应力P时，其体积从起始时的V0变化为V1的形变。压缩应变示意图 根据GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法的规定：静载拉伸试样一般为光滑圆柱试样或板状试样。1.2 力力-伸长曲线和应力伸长曲线和应力-应变曲线应变曲线 拉伸试样的形状(a)圆柱试样(b)板状试样1.2.1 力力-伸长曲线伸长曲线退火低碳钢力-伸长曲线 退火低碳钢在拉伸力作用下的力学行为可分为：弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形和断裂几个阶段。1.2.2 应力应力-应变曲线应变曲线退火低碳钢的（条件）应力-应变曲线 根据应力-应变曲线便可以建立金属材料在拉伸条件下的力学性能指标。一般条件应力用表示和条件应变用表示，则有 如果用真实应力S和真实应变e绘制曲线,则得到真应力-真应变曲线:真实应力-应变曲线相应的计算公式为 正火、退火碳素结构钢和一般低合金结构钢也都具有类似的应力-应变曲线，只是力的大小和变形量不同。但是并非所有的金属材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的应力-应变曲线。脆性材料退火低碳钢应力-应变曲线 根据拉伸试验可以判断材料呈宏观脆性还是塑性以及塑性的大小、对弹性变形和塑性变形的抗力以及形变强化能力的大小等。此外，还可以反映断裂过程的某些特点。在工程上，拉伸试验被广泛用来测定材料的常规力学性能指标，为合理评定、鉴别和选用材料提供依据。不同材料的拉伸应力-应变曲线 来源于：D.H.Bae,et al.Deformation behavior of Mg-Zn-Y alloys reinforced by icosahedral quasicrystalline particles.Acta Materialia 50(2002)2343-2356来源于：Ju Yeon Lee,et al.Effects of Zn/Y ratio on microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Y alloys.Materials Letters 59(2005)3801-38051.3 弹性变形弹性变形1.3.1 定义及其实质定义及其实质 1）定义）定义 材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变。外力去除后，随之消失的变形为弹性变形，剩余的（即永久性的）变形为塑性变形。2）特点）特点 弹性变形的重要特征是其可逆性，即金属在外力作用下，先产生弹性变形，当外力去除后，变形随即消失而恢复原状，表现为弹性变形可逆性特点。在弹性变形过程中，不论是在加载期还是卸载期，应力应变之间都保持单值线性关系，且弹性变形量比较小，一般不超过1%。3）实质（产生机理）实质（产生机理）金属的弹性变形是其晶格中的原子在自平衡位置产生可逆位移的反映，原子弹性位移量只相当于原子间距的几分之一，所以弹性变形量小于1%。4）如何解释金属材料的弹性变形过程？可以用双原子模型进行解释。弹性变形的双原子模型原子间相互作用力F与原子间距r之间的关系为r=r0 时 F=0，为平衡状态，两原子间保持距离；rr0 时F0，为引力，两原子间有拉进的趋势；rr0 时F0，为斥力，两原子间有推远的趋势。1.3.2 弹性模量弹性模量 在弹性变形阶段，大多数金属的应力与应变之间符合胡克定律所表示的正比关系，如 拉伸时，剪切时，其中E和G分别为弹性模量和剪切模量。工程上弹性模量被称为材料的刚度材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同的应力状态下产生的弹性变形量越小。机器零件或构件的刚度机器零件或构件的刚度(与材料刚度不同)：其截面积A与所用材料的刚度E的乘积。为了计算梁和其它构件的挠度，防止机械零件因过量弹性变形而造成失效，需要知道材料的弹性模量，因此，弹性模量是金属材料重要的力学性能指标之一。弹性模量的影响因素：弹性模量的影响因素：单晶体各向异性，多晶体各向同性；与合金元素含量关系不大；与组织元素含量关系不大；随T的增加而下降,但在室温范围内变化也不大；弹性变形产生和扩展速度为声速，故一般加载速度对之影响不大。但以爆破加载方式将使其增加；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，外在因素的变化对它的影响也比较小。由于弹性变形是原子间距在外力作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子间作用力与原子间距的关系，因而弹性模量与原子间作用力有关，与原子间距也有一定的关系。原子间作用力决定于金属原子本性和晶格类型，故弹弹性模量也主要决定于金属原子本性和晶格类型性模量也主要决定于金属原子本性和晶格类型。1.3.3 比例极限与弹性极限比例极限与弹性极限 比例极限比例极限p是应力与应变成正比关系的最大应力，即在拉伸应力-应变曲线上开始偏离直线时的应力。弹性极限弹性极限e是材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。应力超过弹性极限以后，材料便开始发生塑性变形。比例极限比例极限p和弹性极限弹性极限e的实际意义：对于要求在服役时其应力-应变关系严格保持直线关系的零件，如测力计弹簧是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，则选择制造这类机件的材料应以比例极限为依据。若服役要求不允许产生微量塑性变形的机件，则设计时应按弹性极限来选材。1.3.4 弹性比功弹性比功 弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属在塑性变形开始前单位体积材料吸收的最大弹性变形功表示。金属拉伸时的弹性比功可用右图所示的应力-应变曲线下影线的面积表示，即弹性比功示意图 金属材料的弹性比功取决于其弹性模量和弹性极限。由于弹性模量是组织不敏感性能，因此，对于一般的金属材料，只有用提高弹性极限的方法才能提高弹性比功。因为弹性比功是用单位体积材料所吸收的最大弹性变形功表示的，故试样或实际零件的体积愈大，则其中可吸收的弹性功愈大，亦即可储备的弹性能愈大。生产中的弹簧主要是作为减振元件使用的，它既要吸收大量变形功，又不允许发生塑性变形。因此，作为减振用的弹簧要求材料应尽可能具有最大的弹性比功。从这个意义上说，理想的弹性材料应该是具有高弹性极限和低弹性模量的材料。这里应强调指出的是弹性极限弹性极限与弹性模量弹性模量的区别。前者是材料的强度指标。它敏感地取决于材料的成分、组织及其他结构因素。而后者是刚度指标，只取决于原子间的结合力，属结构不敏感的性质。作业：作业：1、什么是弹性变形？弹性变形有何特点、什么是弹性变形？弹性变形有何特点？弹性变形的实质是什么？弹性变形的实质是什么？2、如何解释金属材料的弹性变形过程？、如何解释金属材料的弹性变形过程？3、弹性变形与弹性极限有何区别？、弹性变形与弹性极限有何区别？下次课主要内容：下次课主要内容：塑性变形塑性变形