第六章 金属材料性能与塑性变形

1第六章金属材料的变形与断裂6．1金属的塑性变形6．1．1金属的塑性变形6．1．2单晶体的塑性变形6．1．4多晶体的塑性变形6．2高分子材料的变形特点3．2．1高聚物的弹性变形3．2．2高聚物的粘弹性变形3．2．3线型高聚物的变形特点3．2．4体型高聚物的变形特点6．3陶瓷材料的变形3．3．1陶瓷材料的弹性变形3．3．2陶瓷材料的塑性变形及蠕变3．3．3陶瓷材料的强度、硬度和断裂2一、强度1）定义金属在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。2）分类根据载荷作用方式不同：a）抗拉强度——主要的常用强度指标；b）抗压强度；c）抗剪强度；d）抗扭强度；e）抗弯强度。31.拉伸试样形状：根据国家标准（GB/T228——2002）有：圆形、矩形、六方形。弹性变形阶段应力-应变成正比EE：正弹性模量GG：切弹性模量材料完全脆性的－曲线虎克定律1.1.1脆性材料的拉伸性能第一节应力－应变曲线在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁断口特征灰铸铁拉伸试样与断口形成平断口，断口平面与轴线垂直。是度量材料刚度的系数，或表征材料对弹性变形的抗力。E、G值高，在相同应力下产生弹性变形就越小。ekk,max断裂强度低，但抗压强度高。车床床身受压载荷：E、G值越高，弹性变形越小。脆性材料力学特征的主要参量：、E弹性模量绝大多数都有些塑性。弹变—均匀塑变—脆断强硬度高、塑性差高强度钢、高锰钢、铝青铜、锰青铜1.1.1脆性材料的拉伸性能第一节应力－应变曲线弹性变形阶段应力-应变成正比EE：正弹性模量GG：切弹性模量材料完全脆性的－曲线虎克定律强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形P载荷(N)l伸长(mm)（低碳钢的拉伸力-伸长曲线）eps0bPpkPklblulk(MPa)(%)0pkbuk（低碳钢的应力-应变曲线）1.1.2塑性材料的拉伸性能第一节应力－应变曲线(MPa)(%)0低碳钢的应力-应变曲线aa′bk0a段aa′段a′b段bk段弹性变形阶段塑性变形阶段弹性变形：外力去除后变形随之消失，这种变形称为弹性变形。塑性变形：外力去除后变形不会消失，留下永久性形变，这种变形称为塑性变形。(MPa)(%)0aa′bk低碳钢的应力-应变曲线0a段发生弹性变形，与脆性材料相似。变形量为0.5%~1%，卸载后变形消失。p比例极限弹性极限应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力值σp。材料能够完全弹性恢复的最高应力值σe。σp和σe哪个大？比例极限和弹性极限很难实际测量(MPa)(%)0aa′bk低碳钢的应力-应变曲线aa′段发生屈服变形。载荷不增加或反而减少，试样还继续伸长的现象。变形量为1%~3%，屈服后，材料出现明显塑变，表面滑移带。屈服极限屈服强度，表征金属材料对塑性变形的抗力，用σs表示。表明金属材料开始发生大规模塑性变形。意义屈服强度的测量(MPa)(%)0aa′bk低碳钢的应力-应变曲线a′b段发生均匀塑性变形。形变强化（加工硬化）：屈服后欲变形必须不断加载，随塑变增大，变形抗力增大。抗拉极限表征金属材料的极限承载能力，用σb表示。m′0为总变形量，其中弹性变形量和塑性变形量各为哪段？(MPa)(%)0aa′bk低碳钢的应力-应变曲线kbk段发生不均匀塑性变形。断裂极限表征金属材料抵抗断裂能力，用σk表示。实际断裂强度：Sk颈缩材料可能发生的局部截面缩减的现象。材料的承载能力下降。低碳钢的应力-应变曲线(MPa)(%)0aa′bkkp小结比例极限弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度现象：屈服加工硬化颈缩性能指标：屈强比低，材料塑性好；屈强比高，材料抗变形能力好。σs/σb屈强比σs/σb第二节弹性变形1.2.1弹性变形及其实质1.2.2胡克定律1.2.3弹性模量与刚度1.2.4弹性比功1.2.5滞弹性1.2.1弹性变形及其实质第二节弹性变形弹性变形特点：总结1.可逆性：卸载后变形消失2.单值性：应力应变一一对应3.变形性小：0.5%~1%r0r04202rArrAF物理本质1.2.1弹性变形及其实质r1晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。F=Fmax时，克服引力，拉开两个原子，此为弹性下的断裂——理论正断强度但是，通常拉开n分之一个原子间距就发生了塑性变形——塑性变形机理取代弹性变形(一)简单应力状态的胡克定律1．单向拉伸（1-1）2．剪切和扭转（1-2）3．E、G的关系（1-3）EyyEyyzxG)1(2EG1.2.2胡克定律第二节弹性变形(二)广义胡克定律)]([1)]([1)]([1213313223211EEE（1-4）当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生100％弹性变形所需的应力。这个定义对金属而言是没有任何意义的，因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。1.2.3弹性模量与刚度第二节弹性变形弹性模量金属材料E/105MPa铁2.17铜1.25铝0.72铁及低碳钢2.0铸铁1.7~1.9低合金钢2.0~2.1奥氏体不锈钢1.9~2.0合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响不大。？？？工程上的弹性模量刚度刚度大，则挠度小2eeee122E1.2.4弹性比功第二节弹性变形表示金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比功，应变比能。弹性极限→屈服强度表示金属材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大功。韧性吸收功→储备能量？？？储能减震恒力碟簧支吊架1.2.5滞弹性第二节弹性变形而后产生附加应变eO（1）突然加载OA，产生瞬时应变Oa,而后产生附加应变Ah（2）快速卸载Be，产生瞬时应变He在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。滞弹性产生原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑滞弹性问题。1.3.1塑性变形方式及特点1.3.2屈服现象和屈服点(屈服强度)1.3.3影响屈服强度的因素1.3.4应变硬化(形变强化)1.3.5缩颈现象和抗拉强度1.3.6塑性1.3.7静力韧度第三节塑性变形1.3.1塑性变形方式及特点第三节塑性变形塑性变形方式滑移孪生晶界滑动扩散性蠕变√√切应力一定晶面和晶向切变过程切应力镜面对称关系切变过程主要方式变形量大变形量小调整滑移面1.各晶粒变形的不同时性和不均匀性1.3.1塑性变形方式及特点第三节塑性变形塑性变形特点2.各晶粒变形的相互协调性1.3.2屈服现象和屈服点（屈服强度）第三节塑性变形外力不增加(保持恒定)试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形的现象。屈服现象屈服点上屈服点σsu下屈服点σsl吕德斯带屈服平台避免：预加1%~2%变形研究指出，屈服现象与下述三个因素有关:①材料在变形前可动位错密度很小(或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质点所订扎)；②随塑性变形发生，位错能快速增殖；③位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。1.3.2屈服现象和屈服点（屈服强度）第三节塑性变形屈服机理vbm0v金属材料一般是多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响屈服强度的因素，必须注意以下三点：①屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错增殖和运动的各种因素必然要影响屈服强度；②实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果，因此，要考虑晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分以及第二相的影响；③各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。1.3.3影响屈服强度的因素第三节塑性变形1.3.3影响屈服强度的因素第三节塑性变形影响因素内在因素外在因素金属本性及晶格类型晶粒大小及亚结构溶质元素第二相温度应变速率应力状态1.3.4应变硬化（形变强化）——真实应力应变曲线第三节塑性变形弹性变形部分重合B在b的左上方bBPS=σ（1+ε）σe=ln（1+ε）εbBP1.3.4应变硬化（形变强化）——真实应力应变曲线第三节塑性变形PB段：HollomonS=KenK—强度系数n—应变硬化指数，反映金属材料抵抗均匀塑性变形的能力。金属材料的n值越大，则加工成的机件在服役时承受偶然过载的能力也就越大。1.3.4应变硬化（形变强化）——真实应力应变曲线第三节塑性变形直线作图法求n值S=KenlgS=lgK+nlgededSSedSdedSdelnlnlglgneSdedSn1.3.5缩颈现象和抗拉强度第三节塑性变形颈缩是应变硬化（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。dedSS颈缩判据dF=AdS+SdA=0SdSAdAV=ALAdL+LdA=01ddeLdLAdAdedSSendeSdSeB=n当金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时，颈缩便会产生。1.塑性与塑性指标塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。金属材料常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。2.塑性的意义和影响因素虽然金属的塑性指标通常并不能直接用于机件的设计，但塑性大小能反映材料冶金质量的好坏，故可用以评定材料质量。金属材料的塑性常与其强度性能有关。1.3.6塑性第三节塑性变形断后伸长率:断后伸长率是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，用δ表示式中——试样原始标距长度;——试样断裂后的标距长度。断面收缩率:断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示式中——试样原始横截面积;——缩颈处最小横截面积。100100%LLL010100%AAA0L1L0A1A1.3.6塑性第三节塑性变形6.1金属的塑性变形6.1.1金属的塑性变形1.单晶体的塑性变形滑移带，如图3-1所示。图3-1纯锌单晶体滑移变形示意图34图6－1金属表面的滑移带（a）铜中的滑移带（b）7％冷变形铝的表面图像6.1.1单晶体的塑性变形35常温下晶体材料塑性变形主要方式有滑移和孪生。（一）滑移1.滑移带与滑移线塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动，这种变形方式称为滑移。晶体的滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而滑移线之间的晶体并未发生变形。图6－2滑移带形成示意图滑移变形具有以下特点:①滑移在切应力作用下产生(图3-2)。②滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生。③滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍。④滑移的同时伴随着晶体的转动。如图3-1(b)右图所示。图3-2晶体在切应力作用下的变形滑移的机理图3-3位错的运动图3-4通过位错运动产生滑移的示意图38表6－1三种常见金属晶体结构的滑移系2．滑移系金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的，这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。39单晶体的塑性变形小结•滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方向则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的距离最大，面与面之间的结合力较小，滑移的阻力小，故易滑动。而沿密排方向原子密度大，原子每次需要移动的间距小，阻力也小。•一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间取向。•晶体中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取向便越多，滑移越容易进行，故这种晶体的塑性便越好。密排六方晶体由于滑移系数目太少，故塑性较差。406.1.2单晶体的塑性变形3．滑移的临界分切应力•只有当外力在某一滑移系中的分切•应力首先达到一定的临界值时，这•一滑移系开动，晶体才开始滑移。•该分切应力即称为滑移的临界分切•应力，以τk表示，它是使滑移系开•动的最小分切应力。•外力F在滑移方向上的分切应力为co