金屬材料拉伸曲線(xiàn)能獲得哪些有用信息？

2017-05-13 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

拉伸試驗(yàn)是最采用的力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn),通過(guò)拉伸曲線(xiàn)我們可以獲得一系列的材料力學(xué)性能參數(shù)。那么從拉伸曲線(xiàn)上我們參提取出來(lái)哪些有用的信息呢?

對(duì)于可以發(fā)生拉伸塑性變形的材料,最常用的有兩類(lèi)曲線(xiàn):工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線(xiàn)和真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)。它們的區(qū)別在于計(jì)算應(yīng)力時(shí)采用的面積不同,前者用樣品的初始面積,后者用拉伸過(guò)程中的實(shí)時(shí)橫截面積。因此,在應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上,真應(yīng)力一般比工程應(yīng)力高。

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典型的拉伸曲線(xiàn)示意圖

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多種真實(shí)金屬材料的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線(xiàn)

最常見(jiàn)的拉伸曲線(xiàn)有兩種:其一,有明顯屈服點(diǎn)的拉伸曲線(xiàn);其二,無(wú)明顯屈服點(diǎn)的拉伸曲線(xiàn)。屈服點(diǎn)代表金屬對(duì)起始塑性變形的抗力。這是工程技術(shù)上最為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。通常工程上不允許機(jī)構(gòu)零件發(fā)生塑性變形,因而屈服點(diǎn)就顯重尤為重要了,它成為機(jī)械零件是否發(fā)生失效的關(guān)鍵指標(biāo)。

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典型拉伸曲線(xiàn),帶有形變硬化

常用的金屬一般為多晶體金屬,因此工程實(shí)際金屬起始塑性變形具有非同時(shí)性特征。在拉伸曲線(xiàn)上具體反映就是沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)。那么,如何界定工程實(shí)際金屬發(fā)生了塑性變形呢?

殘留塑性變形量就成為重要的依據(jù),人們通常人為地把一定殘留塑性變形量時(shí)工程金屬對(duì)應(yīng)的抗力作為屈服強(qiáng)度,也稱(chēng)為條件屈服強(qiáng)度。這很好理解,沒(méi)有明顯的塑性屈服點(diǎn),就沒(méi)有明顯的屈服強(qiáng)度,要想知道實(shí)際金屬的屈服強(qiáng)度就需要一個(gè)判定條件,因此就有了條件屈服強(qiáng)度。對(duì)于不同的金屬構(gòu)件,其條件屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的殘留變形量不同。對(duì)于一些苛刻的金屬構(gòu)件,其殘留變形量規(guī)定應(yīng)較小,而普通金屬構(gòu)件條件屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的殘留變形量則較大。常用的殘留變形量為0.01%,0.05%, 0.1%,0.2%,0.5%和1.0%等。

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條件屈服

金屬的屈服是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,因而金屬的屈服由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力來(lái)決定。對(duì)于純金屬,包括點(diǎn)陣阻力、位錯(cuò)交互作用阻力、位錯(cuò)與其它缺陷或結(jié)構(gòu)交互作用阻力。

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實(shí)際金屬鋁中的位錯(cuò)

在拉伸曲線(xiàn)上,直線(xiàn)段,也即彈性部分對(duì)應(yīng)的面積為彈性能。從彈性變形開(kāi)始至斷裂過(guò)程中,樣品吸收總能量稱(chēng)為斷裂功,金屬在斷裂前吸收的能量稱(chēng)為斷裂韌性。

實(shí)際金屬在后伸過(guò)程中通常伴隨著力學(xué)性能的改變,最突出的就是形變硬化現(xiàn)象。金屬的形變硬化有利于避免實(shí)際工程構(gòu)件在過(guò)載時(shí)突然斷裂,造成災(zāi)難性后果。

金屬塑性變形和形變硬化是保證金屬發(fā)生均勻塑性變形的先決條件,這就是說(shuō)在多晶體金屬中,哪里發(fā)生了塑性變形,哪里就得到了強(qiáng)化,然后塑性變形得到抑制,使變形轉(zhuǎn)移到其它更容易的地方。在實(shí)際的拉伸曲線(xiàn)上看,大多數(shù)金屬在室溫條件下發(fā)生屈服后,在屈服應(yīng)力作用下,變形不會(huì)繼續(xù),繼續(xù)變形必須增加阻力。在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)上表現(xiàn)為流變應(yīng)力不斷上升,出現(xiàn)形變硬化現(xiàn)象。這樣的曲線(xiàn)稱(chēng)為流變硬化曲線(xiàn)和硬化曲線(xiàn)。

形變硬化指數(shù)n是一個(gè)重要的塑性指標(biāo),它代表材料抵抗繼續(xù)變形的能力。至于金屬的形變硬化,那是另外一問(wèn)題。

金屬塑性變形中的形變硬化

最后,談一下應(yīng)變速率。通常測(cè)試的金屬材料的拉伸曲線(xiàn)都是在較低的應(yīng)變速率下測(cè)得。只有一些特殊金屬構(gòu)件才需要在較高應(yīng)變速率下測(cè)試其力學(xué)性能,即發(fā)生高速形變的構(gòu)件。正常室溫條件下應(yīng)變速率拉伸,材料的變形主要以位錯(cuò)的滑移或?qū)\生為主。