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曾荣昌 第五章 材料的形变和再结晶 Chapter 5 Deformation and re-crystallization of materials - 弹性的不完整性.

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1 曾荣昌 第五章 材料的形变和再结晶 Chapter 5 Deformation and re-crystallization of materials - 弹性的不完整性

2 前面讨论的弹性变形,仅考虑了应力和应变的关系,而没 有考虑时间的影响,即把材料看成理想的弹性体来处理。 但是,实际上,工程材料内部存在各种各样的缺陷,在弹 性变形时,可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展 跟不上应力的变化等有别于理想弹性体特点的现象。 弹性的不完整性 (Imperfections of elasticity)Imperfections of elasticity

3  当材料所受的外载荷处 于材料的弹性范围内是 ,宏观上认为材料不产 生塑性。但当承受的外 载荷超过材料的弹性极 限时,就形成了迟滞回 线,亦即滞后环。

4 弹性的不完整性 概念: 弹性变形时,可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发 展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象。 分类: 1. 包申格效应 2. 弹性后效 3. 弹性滞后 4. 循环韧性

5 引入两个概念:蠕变和驰豫  蠕变 :  当对粘弹性体施加恒定应力,其应变随时间而增加,弹 性模量也随时间而减小。  驰豫 :  当对粘弹性体施加恒定应变,则应力将随时间而减小 ,弹性模量也随时间而降低。

6 1 、包兴格效应( Bauschinger effect , 又译包辛格效应或包申格效应) 有关包申格效应的定义有不同的说法:  第一种说法: 包申格效应是多晶体金属材料经预先加载产生少量塑性 变形(小于 4 %),而后同向加载则弹性极限  e 升高,反向 加载则弹性极限  e 下降 的现象。 (胡赓祥等,材料科学基础,上海交通大学出版社, 2010 , p.170 )

7  第二种说法 承受了一定量塑性拉伸变形的延性合金,当再受到反向载 荷进入压缩时,反向加载时的初始屈服应力值常常低于 继续进行拉伸变形的屈服应力值。这种现象称为包申格 效应。屈服应力 R.W. 卡恩等,材料的塑性变形与断裂,材料科学与技术 丛书,科学出版社, 1998 , p463.

8  AB 表示初始的弹性变形;  BC 表示发生了塑性变形;  如果材料被卸载并受到压缩, 则包申格效应表现为压缩的起 始屈服点(即载荷点 E )对应 的应力值较拉伸时 B 点的应力 值低。 A B C D E F

9 包申格效应产生的机制: 包申格效应的微观机制从根本上说与反向加载引入的位错 亚结构变化以及由此引起的内压力系统的变化有关。 纯金属,包申格效应较小. 正向拉伸加载时形成的胞壁或亚晶界 (sub-grain boundary) 被反向载荷分解以及驻留滑移带( persistent slip bands-PSB )与通道之间应变错位引起的长程内压力 是纯金属产生包申格效应的主要因素。

10 非共格沉淀强化或弥散强化的金属,包申格效应较大。 其主要诱发因素有: ( 1 )强度增量 σ 0 ,它来自于固溶强化和使位错线弯曲绕过 不可切割的障碍物所需的应力; ( 2 )来自林位错( Dislocation forest )与可动位错之间交 互作用的贡献, σ for ; ( 3 )质点作用在基体上的内压力, σ B 。

11  正向拉伸变形期间的净屈服应力为  σ F = σ 0 + σ for + σ B (1)  反向加载时, σ B 有助于变形而不是阻碍变形,因而反向屈 服应力由下式给出:  σ R = σ 0 + σ for – σ B (2)  显然, σ F –σ R = 2 σ B > 0 R.W. 卡恩等,材料的塑性变形与断裂,科学出版社, 1998 , p

12 包申格效应的意义  关于包申格效应机制的知识对于发展复杂循环塑性变形的 本构模型,对于从本质上理解加工硬化现象,以及合理解 释一些疲劳效应,如平均应力的弛豫和循环蠕变等都是至 关重要的。  例如,许多含不可切变强化沉淀相的工业铝合金(如飞机 中应用的峰时效和过时效的 7075 合金)在回火处理后要进 行延伸以消除热残余应力,由于这类合金存在包申格效应 ,如果材料中同延伸方向相反的方向受载,那么在服役条 件下流变应力可能降低。 王中光等译,材料的疲劳,国防工业出版社, 1993 , p.72

13  包申格效应对于承受 应变疲劳的工件是很 重要的,因为在应变 疲劳中,每一周期都 产生塑性变形,在反 向加载时,弹性极限 下降,显示出循环软 化现象。

14  材料的循环硬化或软化与 材料的屈强比 σ s /σ b 有关,  σ s /σ b > 0.8 的材料, 循环 软化  σ s /σ b < 0.7 的材料, 循环 硬化  σ s /σ b 在 之间,循环 硬化或软化 姚卫星,结构疲劳寿命分析,国防工业出版社, 2003 , p 。 36-38

15 包申格效应消除方法 1. 预先进行较大的塑性变形, 2. 或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再 结晶温度下退火,如钢在 400~500 ℃以上,铜合金 在 250~270 ℃。

16 应用 :  薄板反向弯曲成型  拉拔的钢棒经过辊压校直

17 包申格效应 (Bauschinger effect) 案例 少量塑性变形(小于 4 %)

18 可见,少量的预塑性变形,可导致屈服强度的显著提高。

19 X80 管线钢包申格效应 X80 钢板在制管过程中包申格效应导致的实际强度损失. 将卷板制成钢管, 制管规格为 Φ610 mm ×7. 9 mm, 相对应 的变形量为 1. 3 %, 考虑到螺旋角的影响, 实际变形量要 小于 1. 3 % 。

20 2 、弹性后效( Elastic after-effect ) 概念:在弹性极限  e 范围内,应变滞后于外加应力,并和 时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性 。 滞弹性 ( Anelasticity ): 概念:材料在弹性变形范围内加载时,应变量既与应力有 关又随加载时间而变化的特性。在交变应力作用下,出现 应变变化落后于应力变化的现象。

21  Oa 为弹性应变,是瞬时产生 的;  a’b 是在应力作用下逐渐产 生的弹性应变,称为滞弹性 应变;  bc=Oa ,是指应力去除时瞬 间消失的弹性应变;  c’d=a’b ,是在去除应力后随 时间的延长而逐渐消失的滞 弹性应变。

22  材料越均匀,弹性后效越小。高熔点的材料,弹性后效极 小加载(或卸载)后经过一段时间应变才增加(或减小) 到一定数值的现象。  弹性后效发生在弹性蠕变之后,二者都是在弹性范围内表 现出应变的弛豫现象,统称为滞弹性。

23  特点:组织不均匀、温度升高、切应力增大 → 弹性后效越明 显。  弹性后效是弹性材料的非弹性性能之一, 对仪表精度有着直 接的影响。  对于仪表用弹性敏感元件的设计和制造, 具有其特殊的重要 性。  弹性后效说明,材料受载荷作用后,产生相应的弹性变形需 要时间,对不同的弹性元件,可以从几分钟到几十小时。弹 性后效降低了弹性元件的动态性能。

24 1 )概念:由于应变落后于应力,在  -  曲线上使加载线 与卸载线不重合而形成一封闭回线,称之为弹性滞后。 3 、弹性滞后( Elasticity lag )

25 2 )表征:表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料 恢复所释放的变形功,多余的部分被材料内部所消耗,称之 为内耗,其大小即用弹性滞后环面积度量。  弹性后效和弹性滞后都是有害的,它是弹性材料的固有特 性,是测量弹性元件所不希望的。  途径:选用弹性滞后和弹性后效小的材料,并尽量减少弹 性元件在工作时的应力。  例如,弹簧秤等量具的正确使用和定期校验。

26 循环韧性与内耗区别  内耗是指金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力 。  金属材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力 ,也叫金属的内耗。  循环韧性是指金属在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的 能力 ;  循环韧性也是金属材料的力学性能,因为他表示材料吸收 不可逆变形功的能力,故又称消振性。  不过,有时这两个名词有时可以混用。

27 循环韧性的应用 材料循环韧性越高,则机件依靠材料自身的消震能力越好。  汽轮机叶片用 1Cr13 钢制造;  机床床身,发动机缸体等选用灰铸铁制造  打击乐器的材料也由此原理来选用。  仪表选用循环韧性低的材料,可以提高仪表的灵敏度。

28 内耗( intenial friction )大师  《金属内耗研究大师:著名爱国物理学 家葛庭燧》作者: 单文,中国科学技术 大学出版社 , 2007 单文中国科学技术 大学出版社  金属物理学家,中国科学院院士。主要 从事固体内耗、晶体缺陷和金属力学性 质研究,是国际上滞弹性内耗研究领域 创始人之一。首创了 “ 葛氏扭摆 ” ,首先 发现晶界内耗峰 ( 葛峰 ) ,首先发现点缺 陷与位错交互作用以及位错与晶界交互 作用引起的非线性滞弹性内耗峰。

29 循环韧性  循环韧性:  材料在弹性区内加载卸载时,当应变落后于应力时加载 线与卸载线不重合而形成一封闭回线 — 弹性滞后环。  材料在交变载荷下滞后环的面积表示材料在交变载荷下 吸收不可逆变形功的能力即循环韧性。

30 蠕变( creep )和应力松弛( stress relaxation )比较  应力松弛:材料在中、高温下工作时, 在总的应变量恒定 的情况下, 应力随时间的延续而逐渐降低的现象。  例如,石化高温设备封头螺栓在停车检修、维修时已经紧 固,但装置开车运行时,钳工们会巡检,对松弛的螺栓重 新紧固,以防 “ 跑、冒、滴、漏 ” 。  所谓蠕变,就是在一定温度和较小的恒定应力下,形变随 时间而逐渐增大的现象。  例如,石化裂解炉内高温炉管常常因为温度场不均匀,产 生偏烧,使炉管过温因蠕变而破裂失效。

31 粘弹性 1 、 定义 :材料在外力作用下,弹性和粘性同时存在的力学 行为。 2 、 特征 :应变对应力的响应(或反之)不是瞬时完成的, 需要通过一个驰豫过程,但卸载后,应变恢复到初始值, 不留下残余变形。应力和应变的关系与时间有关。 3 、 类型 :恒应变下的应力松弛和恒应力下的蠕变。

32 小结 今天主要介绍了弹性和黏弹性问题: 弹性变形的本质 弹性变形的特征和弹性模量 弹性的不完整性 黏弹性


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