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第一章 材料的拉伸性能. 1.1 前言 1 、拉伸性能 : 通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延性、应变硬化和韧度等重要的力学性能指标,它是材料的基本力学性能。 2 、拉伸性能的作用、用途: a. 在工程应用中,拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一。 b. 提供预测材料的其它力学性能的参量,如抗疲劳、断裂性能。 ( 研究新材料,或合理使用现有材料和改善其力学性能时,都要测定材料的拉伸性能). 3 、本章内容 实验条件: 光滑试件 室温大气介质 单向单调拉伸载荷 研究内容:
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1.1 前言 1、拉伸性能: 通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延性、应变硬化和韧度等重要的力学性能指标,它是材料的基本力学性能。 2、拉伸性能的作用、用途: a.在工程应用中,拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一。 b.提供预测材料的其它力学性能的参量,如抗疲劳、断裂性能。 (研究新材料,或合理使用现有材料和改善其力学性能时,都要测定材料的拉伸性能)
3、本章内容 实验条件: 光滑试件 室温大气介质 单向单调拉伸载荷 研究内容: 测定不同变形和硬化特性的材料的应力-应变曲线和拉伸性能参数。了解不同材料的性质
1. 拉伸 试件的形状和尺寸 常用的拉伸试件:为了比较不同尺寸试样所测得的延性,要求试样的几何相似,l0/A01/2要为一常数.其中A0为试件的初始横截面积。 光滑圆柱试件:试件的标距长度l0比直径d0要大得多;通常,l0=5d0或l0=10d0 板状试件:试件的标距长度l0应满足下列关系式:l0=5.65A01/2或11.3A0 1/2; 具体标准:GB 6397-86 1.2 拉伸试验
2.拉伸实验中注意的问题 a. 拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。 严格按照国家标准进行拉伸试验,其结果方为有效,由不同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较。 b. 拉伸试验机带有自动记录或绘图装置,记录或绘制试件所受的载荷P和伸长量Δl之间的关系曲线;
拉伸图----加载后标距间的长度变化量l 载荷P关系曲线 拉伸曲线----应力应变曲线 工程应力――载荷除以试件的原始截面积即得工程应力,σ=P/A0 工程应变――伸长量除以原始标距长度即得工程应变ε,ε=Δl/l0 拉伸图 拉伸曲线
1.3 典型的拉伸曲线 1、材料分类: 按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形,将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。脆性材料在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹性变形;塑性材料在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形。 高塑性材料在拉伸断裂前不仅产生均匀的伸长,而且发生颈缩现象,且塑性变形量大。低塑性材料在拉伸断裂前只发生均匀伸长,不发生颈缩,且塑性变形量较小。
s= 0.2 s e e e b e e e 2、典型的拉伸曲线
1.4 拉伸性能 弹性模量E: 单纯弹性变形过程中应力与应变的比值。
屈服强度s: 对于拉伸曲线上有明显的屈服平台的材料,塑性变形硬化不连续,屈服平台所对应的应力即为屈服强度,记为s s = Ps / A0 对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料,塑性变形硬化过程是连续的,此时将屈服强度定义为产生0.2% 残余伸长时的应力,记为σ0.2 s = σ0.2 = P0.2 / A0
抗拉强度b: 定义为试件断裂前所能承受的最大工程应力,以前称为强度极限。取拉伸图上的最大载荷,即对应于b点的载荷除以试件的原始截面积,即得抗拉强度之值,记为σb σb = Pmax/A0 延伸率: 材料的塑性常用延伸率表示。测定方法如下:拉伸试验前测定试件的标距L0,拉伸断裂后测得标距为Lk,然而按下式算出延伸率
断面收缩率ψ: 断面收缩率ψ是评定材料塑性的主要指标。
1.5 脆性材料的拉伸力学行为 脆性材料在拉伸载荷下的力学行为可用虎克定律来描述。在弹性变形阶段,应力与应变成正比,即 =E·e 无机玻璃、陶瓷以及一些处于低温下的脆性金属材料,在拉伸断裂前只发生弹性变形,而不发生塑性变形,其拉伸曲线如图1-3(a)所示。
在拉伸时,试件发生轴向伸长,也同时发生横向收缩。将纵向应变el与横(径)向应变er之负比值表示为υ,即υ=-er/el,υ称为波桑比(Poisson’s ratio), 它也是材料的弹性常数。 脆性材料在拉伸载荷下的力学性能可用两个力学参数表征:即弹性模量和脆性断裂强度。
1.6 塑性材料的拉伸力学行为 当塑性材料所受的应力低于弹性极限,其力学行为可近似地用虎克定律加以表述。当材料所受的应力高于弹性极限,虎克定律不再适用。此时,材料的变形既有弹性变形又有塑性变形,进入弹塑性变形阶段,其力学行为需要用弹-塑性变形阶段的数学表达式,或称本构方程加以表述。
真应力—真应变的定义: 真应力: 真应变: 设L0=100,L=110,则
若设L0=100,L0=101,L0=102,…… L10=110, 则e1=1%, e2=0.99%, e3=0.98%, …… e10=0.917% e1+ e2+ e3+ ……+e10 < 10%
在弹-塑性变形阶段,只有真应力-真应变曲线才能描述材料的力学形为。在弹-塑性变形阶段,只有真应力-真应变曲线才能描述材料的力学形为。 绝大多数金属材料在室温下屈服后,要使塑性变形继续进行,必须不断增大应力,所以在真应力-真应变曲线上表现为流变应力不断上升。这种现象称为形变强化。
Hollomon方程: 金属材料的真应力-真应变曲线可用不同的方程表示,但常用的是下列方程 S = K·εpn 上式也称为Hollomon方程。式中εp为真应变的塑性分量,n为应变硬化指数,K为强度系数,即εp=1时的其应力值。
断裂强度: 拉伸断裂时的真应力称为断裂强度,记为σf。试验时测出断裂点的截荷Pf,试件的最小截面积Af,则断裂时的平均真应力,即平均断裂强度值,σf表示如下 σf = Pf / Af 通常在拉伸试验中,不测定断裂强度。在这种情况下,可以根据下列经验公式估算断裂强度 σf =σb(1+Ψk)
断裂延性:拉伸断裂时的真应变称为断裂延性(Fracture Ductility),记为 εf,或称断裂真应变。 断裂延性之值不能由实验直接测定,但可下式求得 εf = – ln(1 –Ψ)