加工硬化指数n计算方法Word下载.docx

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n.ln 

ε

当塑性应变增加时,真应变和工程应变之间的差别也越来越大.一个可以选择的能精确测量n值的方法是在给定的应变处,测出真应力应变曲线的斜率:

dσ 

/ 

dε 

n 

KεTn−1

为了取代εn我们有:

-

σT 

εT

或者

dε.εT 

σT

这里σT和εT是测量的dσ/dε处的真应力和真应变.

第1章材料在静载下的力学行为（力学性能）

1.1材料在静拉伸时的力学行为概述

静拉伸是材料力学性能试验中最基本的试验方法。

用静拉伸试验得到的应力－应变曲线，可以求出许多重要性能指标。

如弹性模量E，主要用于零件的刚度设计中；

材料的屈服强度σs和抗拉强度σb则主要用于零件的强度设计中，特别是抗拉强度和弯曲疲劳强度有一定的比例关系，这就进一步为零件在交变载荷下使用提供参考；

而材料的塑性，断裂前的应变量，主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。

图1－1几种典型材料在温室下的应力－应变曲线

图1-1表示不同类型材料的几种典型的拉伸应力－应变曲线。

可见，它们的差别是很大的。

对退火的低碳钢，在拉伸的应力-应变曲线上，出现平台，即在应力不增加的情况下材料可继续变形，这一平台称为屈服平台，平台的延伸长度随钢的含碳量增加而减少，当含碳量增至0.6%以上，平台消失，这种类型见图1-1a；

对多数塑性金属材料，其拉伸应力-应变曲线如图1-1b所示，该图所绘的虽是一铝镁合金，但铜合金，中碳合金结构钢（经淬火及中高温回火处理）也是如此，与图1-1a不同的是，材料由弹性变形连续过渡到塑性变形，塑性变形时没有锯齿形平台，而变形时总伴随着加工硬化；

对高分子材料，象聚氯乙烯，在拉伸开始时应力和应变不成直线关系，见图1-1c，即不服从虎克定律，而且变形表现为粘弹性。

图1-1d为打石灰玻璃的应力-应变曲线，只显示弹性变形，没有塑性变形立即断裂，这是完全脆断的情形。

工程结构瓷材料象Al2O3，SiC等均属这种情况，淬火态的高碳钢、普通灰铸铁也属这种情况。

1.2金属材料的弹性变形

1.2.1广义虎克定律

已知在单向应力状态下应力和应变的关系为：

一般应力状态下各向同性材料的广义虎克定律为：

其中：

如用主应力状态表示广义虎克定律,则有

1.2.2弹性模量的技术意义

工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。

在机械设计中，有时刚度是第一位的。

精密机床的主轴如果不具有足够的刚度，就不能保证零件的加工精度。

若汽车拖拉机中的曲轴弯曲刚度不足，就会影响活塞、连杆及轴承等重要零件的正常工作；

若扭转刚度不足，则可能会产生强烈的扭转振动。

曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后作强度校核。

通常由刚度决定的尺寸远大于按强度计算的尺寸。

所以，曲轴只有在个别情况下，才从轴颈到曲柄的过渡园角处发生断裂，这一般是制造工艺不当所致。

不同类型的材料，其弹性模量可以差别很大，因而在给定载荷下，产生的弹性挠曲变形也就会相差悬殊。

材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点（金属的弹性模量是一个结构不敏感的性能指标，而高分子和瓷材料的弹性模量则对结构与组织很敏感）。

改变材料的成分和组织会对材料的强度（如屈服强度、抗拉强度）有显著影响，但对材料的刚度影响不大。

从大的围说，材料的弹性模量首先决定于结合键。

共价键结合的材料弹性模量最高，所以象SiC，Si3N4瓷材料和碳纤维的复合材料有很高的弹性模量。

而主要依靠分子键结合的高分子，由于键力弱其弹性模量最低。

金属键有较强的键力，材料容易塑性变形，其弹性模量适中，但由于各种金属原子结合力的不同，也会有很大的差别，例如铁（钢）的弹性模量为210GPa，是铝（铝合金）的三倍（EAl≈70GPa），而钨的弹性模量又是铁的两倍（Ew≈70GPa）。

弹性模量是和材料的熔点成正比的，越是难熔的材料弹性模量也越高。

1.2.3弹性比功

对于弹簧零件来说，不管弹簧的形状如何（是螺旋弹簧还是板弹簧），也不管弹簧的受力方式如何（是拉压还是弯扭），都要求其在弹性围（弹性极限以下）有尽可能高的弹性比功。

弹性比功为应力－应变曲线下弹性围所吸收的变形功，即：

弹性比功　

式中σe为材料的弹性极限，它表示材料发生弹性变性的极限抗力。

理论上弹性极限的测定应该是通过不断加载与卸载，直到能使变形完全恢复的极限载荷。

实际上在测定弹性极限时是以规定某一少量的残留变形（如0.01%）为标准，对应此残留变形的应力即为弹性极限。

弹性模量是材料的刚度性能，材料的成分与热处理对它影响不大；

而弹性极限是材料的强度性能，改变材料的成分与热处理能显著提高材料的弹性极限。

这里附带说明，材料的弹性极限规定的残留变形量比一般的屈服强度更小，是对组织更敏感的性能指标，如它对应力、钢中残留奥氏体、自由铁素体和贝氏体等能灵敏地反映出材料部组织的变化。

1.2.4滞弹性

理想的弹性体其弹性变形速度是很快的，相当于声音在弹性体中的传播速度。

因此，在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，图上的加载与卸载应在同一直线上，也就是说应变与应力始终保持同步。

但是，在实际材料中有应变落后于应力现象，这种现象叫做滞弹性（如图1-2）。

对于多数金属材料，如果不是在微应变围精密测量，其滞弹性不是十分明显，而有少数金属特别象铸铁、高铬不锈钢则有明显的滞弹性。

例如普通灰铸铁在拉伸时，其在弹性变形围应力和应变并不遵循直线AC关系（参见图1-2），而是加载时沿着直线ABC，在卸载时不是沿着原途径，而是沿着CDA恢复原状。

加载时试样储存的变形功为ABCE，卸载时释放的弹性变形能为ADCE，这样在加载与卸载的循环中，试样储存的弹性能为ABCDA，即图中阴影线面积。

这个滞后环面积虽然很小，但在工程上对一些产生振动的零件却很重要，它可以减小振动，使振动幅度很快地衰减下来，正是因为铸铁有此特性，故常被用来制作机床床身和燃机的支座。

滞弹性也有不好的一面，如在精密仪表中的弹簧、油压表或气压表的测力弹簧，要求弹簧薄膜的弹性变形能灵敏地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。

对于高分子材料，滞弹性表现为粘弹性并成为材料的普遍特性，这时高分子的力学性能都与时间有关了，其应变不再是应力的单值函数也与时间有关。

高分子材料的粘弹性主要是由于大的分子量使应变对应力的响应较慢所致。

1.2.5包辛格效应及其使用意义

包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象,如图1－3所示。

特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。

包辛格效应在理论上和实际上都有其重要意义。

在理论上由于它是金属变形时长程应力的度量（长程应力的大小可用X光方法测量），包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制。

在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。

其次，包辛格效应大的材料，应力较大。

1.3金属材料的塑性变形

1.3.1屈服强度及其影响因素

1.屈服标准

工程上常用的屈服标准有三种：

（1）比例极限 

应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力，国际上常采用σp表示，超过σp时即认为材料开始屈服。

（2）弹性极限 

试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。

国际上通常以σel表示。

应力超过σel时即认为材料开始屈服。

（3）屈服强度 

以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为σ0.2或σys。

2.影响屈服强度的因素

影响屈服强度的在因素有：

结合键、组织、结构、原子本性。

如将金属的屈服强度与瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。

从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：

（1）固溶强化；

（2）形变强化；

（3）沉淀强化和弥散强化；

（4）晶界和亚晶强化。

沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。

在这几种强化机制中，前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性，只有细化晶粒和亚晶，既能提高强度又能增加塑性。

影响屈服强度的外在因素有：

温度、应变速率、应力状态。

随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。

应力状态的影响也很重要。

虽然屈服强度是反映材料的在性能的一个本质指标，但应力状态不同，屈服强度值也不同。

我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。

3.屈服强度的工程意义

传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σys/n，安全系数n一般取2或更大，对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n，安全系数n一般取6。

需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，材料的脆断危险性增加了。

屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。

例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；

材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。

因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。

1.3.2　加工硬化和真应力－应变曲线

1.真实应力-应变曲线

材料开始屈服以后，继续变形将产生加工硬化。

但材料的加工硬化行为，不能用条件的应力-应变曲线来描述。

因为条件应力σ=F/A,条件应变。

应力的变化是以不变的原始截面积来计量，而应变是以初始的试样标距长度来度量。

但实际上在变形过程的每一瞬时试样的截面积和长度都在变化，这样，自然不能真实反映变形过程中的应力和应变的变化，而必须采用真实应力-应变曲线。

真实应力-应变曲线也叫流变曲线。

真实应力S=F/A，真实应变。

由图1－4可以看出，真实应变与条件应变相比有两个明显的特点。

第一，条件应变往往不能真实反映或度量应变。

第二，真实应变可以叠加，可以不计中间的加载历史，只需要知道试样的初始长度和最终长度。

条件应变总大于真应变，在条件应变为0.1左右时，两者相差不多，随着应变量的增加，两者的相差越来越大。

2.真应力－应变关系