材料的变形-弹性变形.ppt

第二章材料的变形 引言 材料受力后就要发生变形外力较小时发生弹性变形外力较大时发生塑性变形外力进一步增大时发生断裂材料经变形后 不仅外形和尺寸发生变化 内部组织和有关性能也会发生变化 使之处于自由焓较高的状态 这种状态不稳定 在重新加热时就会发生回复和再结晶现象 研究材料的变形规律及其微观机制具有十分重要的理论和实际意义 弹性变形阶段弹性变形及其实质弹性模量 已讲 弹性的不完整性粘弹性 一 弹性变形及其实质 前已叙及 在单向拉伸过程中 绝大部分固体材料都首先产生弹性变形 外力去除后 变形消失而恢复原状 弹性变形的主要特点 可逆性变形对于金属 陶瓷或结晶态的高分子聚合物在弹性变形范围内 应力和应变之间都具有以下特征 1 弹性变形量较小 0 5 1 2 单值线性关系 即胡克定律 注 对于橡胶态的高分子聚合物 则在弹性变形范围内 应力和应变之间不呈线性关系 且变形量较大 一 弹性变形及其实质 胡克定律正应力下 E 切应力下 G 分别为正应力和切应力 分别为正应变和切应变E为弹性模量 正弹性模量 杨氏模量 G为切变模量 一 弹性变形及其实质 弹性模量与切变模量之间关系为 式中 为材料泊松比 表示侧向收缩能力 一般金属材料的泊松比在0 25 0 35之间 高分子材料则相对大些 横向正应变与受力方向上正应变之比 广义胡克定律 晶体的特征之一即各向异性 各个方向的弹性模量不同 在三轴应力作用下各向异性弹性体的应力应变关系 可以用广义胡克定律表示 广义胡克定律 C 弹性系数刚性系数 S 柔度系数 对称性要求 Cij Cji Sij Sji 刚度系数和柔度系数减少为21个 由于晶体存在对称性 独立的弹性系数将进一步减少 对称性越高 系数越少 立方晶系对称性最高 只有3个独立弹性系数六方晶系5个 正交晶系9个 一 弹性变形及其实质 材料弹性变形的本质 概括说来 都是构成材料的原子 离子 或分子自平衡位置产生可逆位移的反映 金属 陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移 橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展 弹性变形微观过程的双原子模型 在正常状态下 晶格中的离子能保持在其平衡位置仅作微小的热振动 这是受离子之间的相互作用力控制的结果 一般认为 这种作用力分为引力和斥力 引力是由正离子和自由电子间的库仑力所产生 而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致 引力和斥力都是离子间距的函数 离子互相作用时的受力模型 图中N1 N2分别为两离子的平衡位置 曲线1为引力 曲线2为斥力 曲线3为合力 弹性变形微观过程的双原子模型 在离子的平衡位置时合力为零 当外力对离子作用时 合力曲线的零点位置改变 离子的位置亦随之作相应的调整 即产生位移 离子位移的总和在宏观上就表现为材料的变形 当外力去除后 离子依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置 宏观的变形也随之消逝 从而表现了弹性变形的可逆性 需要说明的是 根据上述模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性位移的关系并非虎克定律所说的直线关系 而是抛物线关系 其合力的最大值为Fmax 如果外加拉应力大于Fmax 就意味着可以克服离子间的引力而使它们分离 弹性变形微观过程的双原子模型 因此 Fmax就是材料在弹性状态下的理论断裂抗力 此时相应的离子弹性变形量 max可达25 实际上 因为在工程应用的材料中 不可避免地存在着各种缺陷 杂质 气孔或微裂纹 因而实际断裂抗力远远小于Fmax 材料就发生了断裂或产生了塑性变形 实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起始阶段 因此虎克定律所表示的外力和位移的线性关系是近似正确的 且变形量很小 二 弹性模量 从原子本质上来看弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度 是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量 所以 弹性模量是组织不敏感参数 影响因素 回顾上一章内容 二 弹性模量 键合方式 共价键结合的材料弹性模量最高 所以像SiC等陶瓷材料和碳纤维的符合材料有很高的弹性模量 金属键有较强的键力 材料容易塑性变形 弹性模量适中 靠分子键结合的高分子 由于分子键弱 弹性模量最低 弹性模量与熔点成正比 越是难熔的材料其弹性模量也越高 二 弹性模量 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 外在因素的变化对它的影响也比较小 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 弹性模量的测量 引伸计 extensometer 是测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器 通常由传感器 放大器和记录器三部分组成 传感器直接和被测构件接触 构件上被测的两点之间的距离为标距 标距的变化 伸长或缩短 为线变形 构件变形 传感器随着变形 并把这种变形转换为机械 光 电 声等信息 放大器将传感器输出的微小信号放大 记录器 或读数器 将放大后的信号直接显示或自动记录下来 三 弹性的不完整性 通常 人们把材料受载后产生一定的变形 而卸载后这部分变形消逝 材料恢复到原来的状态的性质称为材料的弹性 根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点 弹性可以分为理想弹性 完全弹性 非理想弹性 弹性不完整性 三 弹性的不完整性 对于理想弹性 在外力作用下 应力和应变服从虎克定律 并同时满足3个条件 即 应变对于应力是线性关系 应力和应变同相位 瞬时性 应变是应力的单值函数 唯一性 实际上 绝大多数固体材料的弹性行为很难同时满足上述所有条件 一般都表现出非理想弹性性质工程中的材料一般近似用理想弹性来处理进行分析 但是当材料的非理想弹性特征明显时 必须加以考虑 滞弹性 伪弹性及包申格效应 1 滞弹性 弹性后效 理想的弹性体其弹性变形速度很快 相当于声音在弹性体中的传播速度 因此 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 即应力与应变始终保持同步 但是 实际中 材料有应变落后于应力的现象 这种现象叫做滞弹性或者弹性后效 多数金属材料 如果不是在微应变范围内精密测量 其滞弹性不十分明显 而少量金属特别像铸铁 高铬不锈钢则有明显的滞弹性 滞弹性的材料其应力一应变曲线与时间的关系如图所示 当突然施加一应力于拉伸试样时 试样立即沿OA线产生瞬时应变Oa 如在 0保持一段时间 A B 应力不变 应变aH会逐渐产生 正弹性后效 这种加载时应变落后于应力而与时间有关的滞弹性 aH 称为正弹性后效或弹性蠕变 所谓蠕变 是指变形随时间的延长而变化的现象 反弹性后效在B点卸载时 当应力从 0下降为零时 应变eH部分立即消逝掉 但是未回复到原始长度 剩余应变eo是在卸载后随着时间逐渐去除的 我们把卸载时应变落后于应力的现象也称为反弹性后效 在弹性范围内快速加载或卸载后 随时间延长产生附加弹性应变的现象 称为滞弹性 产生原因 金属产生滞弹性的原因可能与晶体中点缺陷的移动有关 例如 Fe中的C原子处于八面体空隙及等效位置上 施加Z轴向拉应力后 x y轴上的碳原子就会向Z轴方向扩散迁移 使Z轴方向继续伸长变形 于是就产生了附加弹性变形 因扩散移动需要时间 故附加应变为滞弹性应变 卸载后 轴多余的碳原子又会扩散回到原来的x y轴上 使滞弹性应变消失 弹性滞后环 如果理想弹性行为 则应力 应变曲线的加载段与卸载段重合 应力 应变为单值关系 加载时储存的弹性能在卸载时完全释放 即变形过程没有能量损耗 在弹性范围内 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 弹性滞后环 加载时 试样储存的变形功为OABH 卸载时释放的弹性变形能为BeaH BeaH OABH 加载与卸载的过程中 试样吸收的弹性能为OABe 内耗 内摩擦 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 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 材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力 又称之为阻尼或者循环韧性 滞后环的应用 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 对工程上一些产生振动的零件很重要 可以减小振动 使振幅很快衰减下来 所以滞后环在生产上是一个重要的机械性能指标 具有很重要的意义 滞后环的应用 消振性 由于灰铸铁的循环韧性大 是很好的消振材料 所以常用作机床床身和动力机器的底座 支架以达到机器稳定运转的目的 汽轮机叶面除了考虑耐热和不锈的性能之外 也由于12 Cr的铬钢有良好的消振性能 可以减小叶片材料自身振动和外载荷下的振动引起的共振 从而避免因共振造成叶片断裂 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 即振动的持续时间长久 则必须使循环韧性尽可能小 材料的滞弹性对仪器仪表和精密机械中的重要传感元件的测量精度有很大影响 如精密仪表中的弹簧 油压表或者气压表的测力弹簧 要求弹簧薄膜的弹性变形能够灵敏的反映出油压或气压的变化 因此不允许材料有显著的滞弹性 因此选用材料时需要考虑滞弹性问题 危害 影响因素 滞弹性在金属材料中表现得比较明显 高分子材料中滞弹性表现为粘弹性 此时高分子材料的力学性能都与时间有关 其应变不再是应力的单值函数 弹性后效速率和滞弹性应变量与材料成分 组织及试验条件有关材料组织越不均匀 滞弹性越明显 钢经淬火或塑性变形后 由于增加了组织不均匀性 滞弹性倾向加大 温度升高 滞弹性倾向增大 加载状态的切应力分量越大 滞弹性越大 在没有切应力的多向压应力作用下 完全看不到滞弹性 消除的办法长时间的回火 2 伪弹性 伪弹性 是指在一定的温度条件下 当应力达到一定水平后金属或合金将产生应力诱发马氏体相变 伴随产生大幅度的尺寸变化 当应力撤除后 又会发生逆马氏体相变而使材料的尺寸回复 伪弹性是相变造成的 不遵从胡克定律 伪弹性变形的量级大约在60 左右 大大超过正常弹性变形 图1 15为伪弹性材料的应力一应变曲线示意图 AB段为常规弹性变形阶段 为应力诱发马氏体相变开始的应力 C点处马氏体相变结束 CD段为马氏体的弹性应变阶段 在CD段卸载 马氏体作弹性恢复 表示开始逆向相变的应力F点开始马氏体逆转变 马氏体相变回原来的组织到G点完全恢复初始组织GH为初始组织的弹性恢复阶段 恢复到初始组织状态 没有任何残留变形 形状记忆合金就是利用了这一原理 3 包申格效应 包申格 Bauschinger 效应 是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形 残余应变小于4 而后再同向加载则弹性极限增加 反向加载 弹性极限降低的现象 对某些钢或者钛合金 包申格效应可使规定残余应力降低15 20 包申格效应是多晶体金属具有的普遍现象 所有退火态和高温回火态的金属都有包申格效应 3 包申格效应 拉 原始 e1 240MPa 压 反向 e2 176MPa 压 同向 e3 287MPa4 拉 反向 e4 85MPa 退火轧制黄铜在不同加载条件下弹性极限的变化 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 危害 包申格效应对于承受应变疲劳载荷作用的机件在应变疲劳过程中 每一周期内反向加载时 微量塑性变形抗力 规定残余伸长应力 降低 产生微量塑性变形 显示循环软化现象 对于预先经受冷塑性变形的材料 如服役时受反向力作用 就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响 如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况 3 包申格效应 四 粘弹性 变形形式除了弹性变形 塑性变形外 还有一种粘性流动 一些材料受到载荷时 会表现出类似液体的粘性流动和弹性变形的混合特征 粘弹性变形粘弹性变形既与时间有关 又具有可回复的弹性变形性质 即具有弹性和粘性变形两方面的特性 四 粘弹性 粘弹性特征 是指应变对应力的响应 或反之 不是瞬时完成的 需要通过一个弛豫过程 但卸载后 应变恢复到初始值 不留下残余变形 粘弹性是高分子材料的重要力学特性之一 在高分子材料中表现较为突出 故高分子材料也被称为粘弹性材料 高分子材料表现突出 由于大的分子质量使应变对应力响应较慢 种类 恒应变下的应力松弛 图1 13 a 内部应力随着时间增加而逐渐衰减的现象 恒应力下的蠕变 图1 13 b 材料变形随着时间的增加而逐渐增大的现象 四 粘弹性 蠕变 蠕变与温度高低和外力大小有关 温度过低或者外力太小 则蠕变很小而且很慢 在短时间内不易察觉 温度过高或外力过大 形变发展过快 也感觉不出蠕变 在适当的外力作用下 通常在Tg以上不远处 链段在外力下可以运动 担运动时受到的内摩擦力又较大只能缓慢运动 此时可以观察到较为明显的蠕变现象