工程材料 授課老師 : 連振昌
工程材料 第六章 金屬的機械性質 (Mechanical Properties of Metals)
6.1 簡介 (Introduction) 材料的機械性質可以反應出其受力或負荷時與變形間的關聯性 強度 硬度 延性和勁度都是重要的機械性質 統一規範出一致的測試方法與相同方式的結果說明是必須的, 此一致性可利用標準測試技巧來完成 美國材料與試驗學會 (ASTM) 是美國最活躍的組織 6.2 應力和應變的觀念 (Concepts of Stress and Strain) 機械性質可經由簡單的應力 - 應變測試來了解 有三種主要負荷方式分別是 : 拉伸 壓縮和剪切 ( 圖 6.1a.b.c) 在實際工程上, 許多負荷是扭矩而非純剪刀 ; 此種負荷說明於圖 6.1d
圖 6.1 (a) 一拉伸負荷如何產生伸長和正向線性應變說明圖 虛線代表變形前的形狀, 實線代表變形後的形狀 (b) 一壓縮負荷如何產生壓縮和負向線性應變說明圖
圖 6.1 (c) 剪應變 γ 表示圖, 其中 γ=tanθ (d) 扭矩 T 所產生的扭轉變形 ( 即扭轉角 Φ) 的概略示意圖
拉伸試驗 (Tension Tests) 最普通的應力 - 應變試驗 可用來決定材料的數種機械性質, 在設計時相當重要 標準拉伸試片如圖 6.2 所示, 通常其具有圓形橫斷面, 但是矩形試片也被使用 試片標準直徑大概是 12.8 mm(0.5in.), 而斷面縮小部份的長度至少是直徑的四倍, 通長是 60 mm(2(1/4)in.) 標距的長度可用來計算延性, 其標準直是 50 mm(2.0in) 試片末端由測試儀器的夾頭固定, 拉伸試驗機設計成以一定速率來拉伸試片, 並且連續且同步梁測當時瞬間負荷 ( 用力量感測器 ) 和所產生之伸長量 ( 用伸長計 ) 是一種破壞性試驗 圖 6.2 圓形橫截面之標準拉伸試棒 直徑
圖 6.3 進行拉伸應力一應變測試儀器之概略示意圖, 試片的未端由測試儀器夾持片夾持, 拉伸測試機器以一恒定速率來拉長試 ; 且連續地, 同步地量測瞬間負荷和其所產生之伸長量
拉伸試驗的輸出是以負荷或力對伸長量的方式記錄 為減少幾何形狀因素, 負荷與伸長量被正規化成為工程應力 (engineering stress) 和工程應變 (engineering strain) 的相對參數 工程應力 σ 被定義為 F σ = A (6.1) 其中 F 示垂直試片橫截面的瞬間作用負荷, 單位是牛頓 (N) 或磅力 (lbf),a 0 是施加負荷作用前, 原來橫截面面積 (m 2 或 in. 2 ) 工程應力的單位是百萬帕斯卡,MPa (SI)( 其中 1 MPa =10 6 N/m 2 ), 和每平方英吋的磅力, psi 0
工程應變 ε 定義 ε l l Δl l l i 0 = = 0 0 (6.2) 其中 l o 是負荷作用前的原來長度, l i 是瞬間長度, l i l 0 = l 長度改變量,, 工程應變是無因次, 米 / 每米或英吋 / 每英吋
壓縮試驗 (Compression Tests) 假如工作負荷作用是壓縮力則可進行壓縮應力 - 應變試驗 壓縮試驗操作方式如同拉伸試驗, 方程式 6.1 和 6.2 分別用來計算壓縮應力和應變 依照慣例, 壓縮力取負號, 產生負應力 此外, 由於 l o 大於 l i, 由方程式 6.2 所計算的應變也必須是負的 因為拉伸試驗較容易執行所以較普遍
剪切和扭轉試驗 (Shear and Torsional Tests) 如圖 6.1c 所示, 使用純剪力測試, 剪應力 γ 的計算是依據 τ = F A 0 (6.3) 如圖所示, 其中 F 是平行作用於上或下平面的力或負荷, 上 下平面之面積為 A 0, 剪應變 γ 則定義為應變角度地正切函數 圖 6.1 (c) 剪應變 γ 表示圖, 其中 γ=tanθ 剪應力和應變單位與拉伸相同
扭轉是純剪切的另一型態如圖 6.1d 所示, 機器輪軸 傳動軸和扭轉鑽孔即是可發現扭轉的例子 扭轉試驗通常用於實心的圓柱或圓管, 剪應力是扭矩 T 的函數, 其中剪應變 γ 與扭角 Φ 有關,Φ 如圖 6.1d 所示 圖 6.1 (d) 扭矩 T 所產生的扭轉變形 ( 即扭轉角 Φ) 的概略示意圖
應力狀態的幾何考量 (Geometric Considerations of The Stress State) 應力狀態是應力作用平面方位的函數 例如, 圖 6.4 中拉伸應力 σ 作用力平行於柱狀拉伸試片的軸向 若考慮 p-p' 平面相對於試片端面任意方位角度 θ 時 一更複雜應力狀態如圖所示, 兩種應力, 其中包含一拉伸 ( 或正面 ) 應力 σ', 和平行於平面的剪應力 γ', 同時作用於 p-p' 平面上 圖 6.4 正向應力 (σ') 和剪應力 (γ') 作用於一與純拉伸應力 (σ) 有一相對夾角 θ 之方向的平面上
應用材料力學定理, 可推導以 σ 和 θ 表示 σ 和 γ 的方程式, 如下式 : 2 1+ cos2θ σ ' = σ cos θ = 2 sin 2θ τ ' = σ sinθ cosθ = 2 (6.4a) (6.4b)
彈性變形 (Elastic Deformation) 6.3 應力 - 應變行為 (Stress-strain Behavior) 結構變形或應變的程度是依據所施加的應力大小而定, 對於大部份的金屬, 應力與應變的互相關係如下 : σ = Eε (6.5) 這是虎克定律, 比例常數 E(Gpa 或 psi) 稱為彈性模數 (modulus of elasticity ) 或楊氏模數 (Young's modulus) 室溫下數種金屬 陶瓷和聚合物的彈性模數值顯示於表 6.1
在應力和應變成比例的變形稱為彈性變形 (elastic deformation), 其應力 ( 縱座標 ) 與應變 ( 橫座標 ) 圖會產生如圖 6.5 之線性關係 這應個線性區域的斜率相當於彈性模數 E, 此模數可視為剛性或材料對彈性變形的能力 在一已知應力作用下模數愈大則材料剛性愈大或具有較小的彈性應變 彈性應變並非永久的, 施加負荷時相當從原點沿直線向上移動, 當釋放荷重, 會沿線而反方向回到原點 力圖 6.5 增加負荷與釋放負荷循環的線彈性變形之應力 - 應變示意圖
某些材料 ( 如 : 灰鑄鐵 混凝土和許多高分子材料 ) 之應力 - 應變曲線的起始彈性部份不是線性 ( 圖 6.6) 對於非線性行為, 通常應應用正切或割線模數 正切模數是取指某一特定應力下的應力 - 應變曲線的斜率, 而割線模數代表由原點到 σ-є 曲線上某已知點之割線的斜率, 這些模數的決定方法如圖 6.6 之說明 力σ2 σ 1 圖 6.6 非線性彈性行為之應力與應變的略圖以及如何決定割線和正切模數
以原子大小尺度來看, 巨觀的應變被表現於原子間的小變化及原子間鍵結的伸長 因此, 彈性模數的大小是鄰接原子間分開阻力的一種量測, 亦即原子間的鍵結力 此外, 此模數的大小正比於原子間作用力 - 分開距離之曲線 ( 圖 2.8a) 在平衡距離時之斜率的大小 : E df dr r 0 (6.6) 作用力 F E
圖 6.7 顯示具有強與弱原子間鍵結的材料其作用力與分離距離曲線 ; 圖中指出在 γ 0 處之斜率 圖 6.7 對於弱與強鍵結原子, 作用力對原子間距離圖, 彈性模數的大小正比於每個曲線在平衡原子間距離 γo 的斜率
彈性模數彈數 陶瓷材料的彈性模數的值較金屬高, 對聚合體材料而言彈性模數較低 所有材料增加溫度後, 其彈性模數都會降低 ; 數種金屬材料在這方面的影響如圖 6.8 所示 6.8 鎢 鋼和鋁的彈性模數對溫度圖 模性圖
如拉伸一樣, 壓縮 剪切或扭轉應力的負荷也會引起彈性行為 剪應力與應變的相互間關係經由下列來表示 (6.7) τ = Gγ 其中 G 是剪力模數, 它是剪應力與剪應變曲線彈性區域的斜率 表 6.1 提供一些常見金屬的剪力模數
滯彈性 (Anelasticity) 直至目前都假設彈性變形是與時間無關的, 也就是說, 施加應力產生一瞬間彈性變形, 此彈性變形於應力維持的期間內保持一定, 一直假設釋放荷重後應變完全回復也就是說, 應變立即回到零 大部份的工程材料會存在一與時間相關的彈性應變成份, 也就是說, 應力施加後彈性變形會繼續, 且荷重釋放後需一段的時間後才會完全回復 此種與時間相關的彈性行為即為熟知的滯彈性 (anelasticity), 此乃由於與時間有關的微觀和原子的過程參加了變形 對金屬而言滯彈性分量很小且經常忽略, 然而對某些高分子材料而言, 滯彈性分量的大小較明顯, 在此情況下稱為黏彈性行為 (viscoelastic behavior)
材料的彈性性質 ( Elastic Properties of Materials ) 當施加一拉伸應力於金屬試片, 在施加應力的方向上 ( 取 z 方向 ) 會產生彈性伸長並伴隨著應變 є z 產生, 如圖 6.9 所示 由於這伸長的效應, 將使垂直於施加應力的橫向 (x 和 y) 發生收縮, 從這些收縮可定出壓縮應變 є x 和 є y 圖 6.9 如施加拉伸應力, 其軸向 ( 正應變 ) 伸長和橫向收縮 ( 負應變 ) 實線代表應力作用後的尺寸, 虛線則代表應力作用之前的尺寸
假如施加應力是單軸向 ( 僅在 z 方向 ) 且材料為等向性的, 則 є x =є y 被稱為蒲松比 (Poission`s ratio)ν 的參數定義為橫向和軸向應變的比 ν ε x = = ε z ε y ε (6.8) 因為 є x 和 є z 是相反符號, 而表示中是負號, 所以 ν 都是正的 理論上, 對等向性材料的包松比應該是 1/4 ( 0.25); 此外, 最大的 ν 值是 0.50 對許多金屬和其他合金, 包松比值位於 0.25 至 0.35 之間 表 6.1 呈現一些常見材料的 ν 值 z
對等向性材料而言 ; 其剪力模數和彈性模數及蒲松比彼此間的關係是根據 E = 2G( 1+ ν ) (6.9) 在大部份金屬中 G 的值大約是 0.4E; 因此, 若其中一個彈性模數已知, 則另一個可利用上式估計 許多材料是彈性異向性 ; 也就是彈性行為隨結晶學方向之改變而改變, 對這些材料而言, 彈性性質完全僅由數個與晶體結構特性有關的彈性常數的大小來描繪 即使對等向性材料而言, 至少需要已知兩個常數 (E G ν ) 才能完全描述彈性性質的完整特性 大部份多晶材料的晶粒方向是隨意分佈, 因此多晶材料可以視為等向性 由於大部份工程材料的特徵是多晶且具等向性 ; 因此有關機械行為, 皆假設為多晶且具等向性
力圖率隨著應力上昇而快速增加 應塑性變形 (plastic deformation) 對於大部份的金屬材料, 彈性變形僅在 0.005 應變之內 當材料變形超過此點, 應力不再正比應變, 且發生永久 不可回復的變形或塑性變形 (plastic deformation) 圖 6.10a 描述一典型金屬在塑性區域內拉伸應力與應變行為 金屬從彈性到塑性是循序漸進, 曲 6.10 (a) 金屬彈性和塑性變形的典型應力與應變行為, 比例限 p, 降伏強度 σ y, 其由 0.002 應變偏距法來決定
從原子的觀點來看, 塑性變形可視為打斷原子與鄰近原子間原來的鍵結, 相對移動後再與新近的原子形成鍵結 ; 當除去應力後亦無法返回其原來的位置 對結晶型與非結晶型材料而言, 此種變形機構不同 對結晶固體而言如金屬, 永久變形是藉由涉及差排運動滑移過程來達成 (6.2 節 ) 非晶體固體中, 塑性變形, 以黏滯流機構發生 (9.10 節 )
力拉伸性質 (Tensile Properties) 降伏和降服強度 (Yielding and Yield Stremgth) 應 大部分結構設計是保證當施加一應力時其只會產生彈性變形, 因此必須知道開始塑性變形的應力水平或發生降伏 (yielding) 現象的應力 對歷經此種逐漸由彈性 - 塑性變形的金屬而言, 降伏點可由開始偏離應力與應變線性曲線來決定, 此點有時稱為比例線 (proportional limit), 如圖 6.10a 所示之 p 點
應 在這種情況下此點 p 的位置無法正確決定, 因此傳統上利用建立一平行於應力與應變曲線彈性部份的直線,0.002 特定偏移應變量 而此直線與應力與應變曲線在塑性區域之交會的點 被定義為降伏強度 (yield strength)σy, 表示於圖 6.10a, 其中降伏強度單位是 MPa 或 psi 6.10 (b) 顯示一些鋼降力圖伏點現象的應力與應變行為
對於具有非線性彈性區域的材料 ( 圖 6.6), 無法使用應變偏距法, 通常使用產生某些特定應變量 ( 如 :Є=0.005) 所應需的應力來定義降伏強度 力σ2 σ 1 圖 6.6 非線性彈性行為之應力與應變的略圖以及如何決定割線和正切模數
某些鋼和其他材料表現出如圖 6.10b 所示之應力與應變行為 彈性與塑性間轉換是突然發生且可以很清處的定義, 這稱之為降伏點現象 (yield point phenomenon) 力圖 在上降伏點, 開始塑性變形後, 實應際應力降低 而後連續的變形是在某一固定應力值上下變動, 此值是下降伏點 ; 隨後應力將伴隨著應變增加而增加 因此對於這些材料, 不需要使用應變偏距法 一金屬降伏大小是量測其對塑性變形的阻力 降伏強度的範圍由低強度 35 MPa 到 1400 MPa 高強度鋼 6.10 (b) 顯示一些鋼降伏點現象的應力與應變行為
拉伸強度 (Tensile Strength) 金屬在降伏過後, 連續塑性變形的應力會增加直至最大值, 圖 6.11 中點 M, 然後降低使材料斷裂, F 點 拉伸強度 (tensile strength)ts(mpa 或 psi) 是位於工程應力與應變曲線中的最大應力值 ( 圖 6.11) 此點相當於結構於拉伸下可承受之最大應力 在此點之前拉伸試片內所有變形是均勻的, 但此在最大應力時, 在某些點開始形成小量最收縮或頸縮, 且隨後變形會侷限在這頸縮區, 如圖 6.11 插圖中所示 這種現象稱為 頸縮 (necking), 最後斷裂發生在此頸縮區上 斷裂強度對應於斷裂時的應力 頸縮
應6.11 力圖至破裂點 F 的典型工程應力與應變行為 點 M 是指拉伸強度 TS, 圓圈內的插圖表示沿曲線上各不同點變形試片的幾何形狀
拉伸強度可由屢的 50 MPa 變化到高強度鋼的 3000 MPa, 通常當金屬的強度被引用設計目的時, 通常使用降伏強度, 此乃因為對應於拉伸強度所施加的應力, 通常已使結構產生大量塑性變形, 因此斷裂強度通常不用於工程設計目的
應力應力
延性 (Ductility) 延性 (ductility) 是另一種重要機械性質, 它是測量持續至破裂時所能承受塑性變形之程度 一材料在破裂時經歷很少或沒有塑性變形, 則稱為脆性, 延性和脆性材料兩者的 力圖拉伸應力與應變曲線概略示於圖 6.13 中 應6.13 脆性和延性材料從受力到斷裂時拉伸應力對應變行為的示意圖
延性可定量表示成伸長率 (percent elongation) 或斷面收縮率 (percent reduction in area) 伸長率 %EL 是在破裂時塑性應變的百分比, 或者 l l EL = l0 f 0 % 100 (6.11) 其中 l f 是破裂長度 ( 註 ) 且 l o 是前面所述的原標距長度, 斷面收縮率 %RA 則定義為 A A RA f = A0 0 % 100 (6.12) 其中 A 0 是原來橫截面面積,A f 是橫裂點橫截面積 ( 註 ), 斷面收縮率值與 l o 與 A 0 無關
材料延性的知識至少兩個理由可說明其重要性 : 第一, 對設計者而言, 其可指出結構在破裂前的 塑性變形 ; 第二, 可指出在製造操作時所允許之變形容忍度 破裂應變小於 5% 時, 可被視為近似脆性材料 表 6.2 列出數種不同材料在室溫下的機械性質, 如同彈性模數, 降伏與拉伸強度的大小隨溫度上升而下降 ; 而延性剛好相反, 通常隨著溫度增加而增加
應力應 圖 6.14 顯示出鐵的應力 - 應變行為如何隨溫度而變化 力圖 6.14 鐵在三種不同溫度下之工程應力與應變行為
彈性能 (Resilience) 是當材料彈性變形時材料吸收能量的能力, 除去此負荷則次能量回復 與此相結合的性質是彈性能模數 (modulus of resilience) U r, 它是材料受應力由未承受負荷狀態到降伏點時, 每單位體積所需之應變能 應力圖 ε y = σ d ε (6.13a) 一個承受單軸拉伸測試的試片, 其彈性能模數剛好是工程應力對應變曲線取至降伏點以下的面積 ( 圖 6.15) 或 U r 0 6.15 材料從拉伸應力與應變行為決定彈性能模數 ( 相當陰影面積 ) 的概略表示
假設一線彈性區域 1 U = σ ε 2 其中 ε y 是降伏時之應變 r y y (6.13b) 彈性能的單位是應力對應變圖中兩軸單位的乘積, 在 SI 單位中, 是每立方米焦耳 (J/m3, 相當於 pa), 而美國慣用單位是每平方英寸磅力 (in.lbf/in.3, 相當於 psi) 焦耳與英寸 - 磅力是能量單位, 因此, 在應力 - 應變曲線下的面積代表每單位體積 ( 以立方英寸或立方米 ) 的材料所能吸收的能量 將方程式 6.5 合併於方程式 6.13b 得到 2 1 1 σ y σ y U r = σε y y = σ y = (6.14) 2 2 E 2E 因此彈性材料具有高降伏強度與低彈性模數 ; 這種合金適合於彈簧的應用中使用
韌性 (Toughness) 韌性 (toughness) 它是測量材料到斷裂時所吸收的能量 在韌性的決定上, 試片的幾何形狀和負荷的作用方式相當重要, 當一凹痕 ( 或應力集中點 ) 存在且是動態 ( 高應變速率 ) 負荷情況時, 凹口韌性 (notch toughness) 可使用衝擊試驗來評估 另外, 破裂韌性是指當有裂縫存在時, 材料抵抗破裂的性質 對於靜態 ( 低應變速率 ) 狀況, 韌性可藉由拉伸的應力對應變的測試結果來得到, 它是指 σ-ε 曲線到斷裂點以下所圍的面積 韌性的單位和彈性能相同 ( 亦即, 材料每單位體積的能量 ) 韌性材料必須具有高強度和延性, 且通常延性材料較脆性材料有較佳的韌性
真應力和應變 (True Stress and Strain) 從圖 6.11 可知, 應力通過最大值 M 點後, 持續變形所需的應力會降低, 此似乎意指金屬材料變弱了 事實上情況並非皆如此, 而是其強度反而是增加, 只是由於變形發生時頸縮區內橫截面面積快速的減小, 此結果反而降低了試片的負荷能力, 考慮真實應力 - 真實應變來描述更有意義 真應力 σ T (true stress) 定義成負荷 F 除以變形發生時的瞬間橫截面積 A i ( 通過之拉伸點的頸縮 ) 或 F σ T = A (6.15) 因此有時以真應變 (true strain)ε T 來表示應變更為方便, 其定義為 li ε T = ln l (6.16) i 0
假如在變形期間沒有體積變化, 也就是如果 Aili = A l 0 0 則真應力 真應變與工程應力與工程應變間的關係為 (6.17) σ = σ ( 1+ ε ) T ε = ln( 1 + ε ) T (6.18a) (6.18b) 方程式 (7.18a) 和 (7.18b) 僅適用頸縮發生之前 ; 超過此點真應力和應變就須由實際負荷 橫斷面積和標距長度的量測值來計算
圖 6.16 概略比較工程應力和工程應變及真應力和真應變的行為, 真實應力通過 M 點後隨應變的增加而連續上升 頸縮形成時會頸縮區內同時導入複雜之應力狀態, 因此頸縮時的確實應力 ( 軸向 ) 稍低於工作負荷和頸縮截面所計算出之應力, 這導致在圖 6.16 中的 修正曲線 圖 6.16 典型的拉伸工程應力與應變和真應力對應變行為的比較 頸縮開始於工程曲線的 M 點, 其對應真實曲線的 M 修正的真實應力 - 應變曲線則考慮頸縮區域的複雜應力狀態
對於某些金屬和合金, 由開始塑性變形到頸縮開始點的真應力 - 應變曲線的區域可近似為 : σ T = Kε n T (6.19) 此表示中,K 和 n 為常數, 其值隨合金之不同而變化, 亦與材料的狀況有關 ( 及其是否已塑性變形 熱處理等有關 ), 參數 n 通常稱為應變硬化指數 (strain-hardening exponent), 且其值小於 1, 數種合金的 n 和 K 值包含於表 6.3 中
塑性變形期間的彈性回復 (Elastic Recover During Plastic Deformation) 在應力與應變測試時釋放負荷, 總變形的一些比例會以彈性應變般回復, 此種行為描述於圖 6.17 之工程應力與應變圖中 圖 7.17 描述彈性應變回復和應變硬化現象的拉伸應力與應變圖 σ yo 表示起始的降伏強度,σ yi 是負荷釋放後重新施加負荷至 D 點的降伏強度
在釋放負荷循環時, 由負荷釋放點 (D 點 ) 以近乎直線軌跡延伸, 且其斜率實際上與彈性模數相同, 或平行於曲線開始的彈性部分 如圖 6.17 所示, 釋放負荷時重新獲得的彈性應變大小, 相對應於應變回復, 如圖 6.17 所示 若重新施加負荷, 曲線將以去負荷的反方向橫越過相同的線性部份, 降伏將再度高於去負荷的應力水平, 斷裂亦將伴隨彈性應變回復 圖 7.17 描述彈性應變回復和應變硬化現象的拉伸應力與應變圖
壓縮 剪力和扭轉變形 (Compressive, Shear and Torsional Deformation) 應力 - 應變行為所導致的塑性區將類似拉伸 ( 圖 6.10a 降應伏及其相關曲線 ) 然而對於壓縮而言, 不會發生頸縮所以沒有最大值, 此外其破裂模數也與拉伸不同 力σ2 σ 1
第六章作業 1. 名詞解釋 滯彈性 比例限 延性 彈性能 韌性 彈性回復 彈性模數 蒲松比 降伏強度 2. 問題 6.4,6.14,6.29,6.41,6.45