3.1材料的力学行为与变形

3材料的力学行为，塑性变形与再结晶Material’sMechanicalBehaviour,PlasticDeformationRecrystallization请带着以下问题学习本章内容：1.材料在外力作用下的力学性能指标有哪些？它们各在什么场合下使用？2.纯金属塑性变形的基本方式以及滑移的特点是什么？多晶体的塑性变形特点又如何呢？3.塑性变形对金属组织与性能的影响是什么？请分析加工硬化（形变强化）的定义、产生原因及在生产中的应用。4.变形金属在重新加热时其组织与性能发生了哪些变化，为什么会产生这些变化？5.再结晶与结晶、重结晶的根本区别在何处？再结晶与再结晶退火温度是如何确定的呢？6.冷、热变形加工的本质区别是什么？本章学习要求1．熟悉金属塑性变形（以滑移为主）的特点及其２．了解塑性变形对金属组织与性能的影响，重点掌握加工硬化的定义、机理及在生产中的实际意义；３.掌握有关再结晶的概念，明确再结晶温度及再结晶退火温度的确定；４．比较并总结强化金属材料的四种基本方式——细晶强化、固溶强化、弥散强化与加工硬化。本章学习重点与方法提示材料在外力作用下会发生变形，这种变形通常包括弹性变形与塑性变形两种．塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，而且更为重要的是塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能．因此本章讨论的重点：金属塑性变形（主要是滑移变形）的特点，塑性变形对金属组织、性能的影响（特别是加工硬化）以及回复与再结晶的有关概念．学习方法提示：材料的力学行为应着重理解各性能指标的物理意义，聚合物和无机材料的塑变特点仅作一般了解。而对于金属塑性变形的特点与实质可结合相关视频加深理解，特别是位错运动；对于冷、热塑性变形对金属组织、性能影响应结合金工实习等加深理解，从中深刻体会有关加工硬化与回复、再结晶等概念的含义及实际应用（结合习题）。3塑性变形与再结晶3.1材料的力学行为与塑性变形3.1.1材料常用的力学性能指标3.1.2金属的塑性变形3.2冷变形加工对金属组织与性能的影响3.3冷变形加工金属在加热时组织与性能的变化3.4金属的热变形加工3.0概述材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都要受到外力的作用。材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。材料经变形后，不仅其外形和尺寸发生变化，还会使其内部组织和有关性能发生变化，使之处于自由能较高的状态。这种状态是不稳定的，经变形后的材料在重新加热时会发生回复再结晶现象。因此，研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解各种内外因素对变形的影响，以及研究讨论冷变形材料在回复再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律，具有十分重要的理论和实际意义。3.1材料的力学行为与塑性变形3.1.1材料常用的力学性能回顾1.承受静载作用时的力学性能2.承受冲击载荷作用时的力学性能3.承受交变载荷作用时的力学性能4.断裂韧度的概念5.有关材料耐磨性的概念3.1.2金属的塑性变形3.1.1材料常用的力学性能回顾使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形;外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。3.1.1材料常用的力学性能指标1.承受静载作用时的力学性能弹性模量E：表征材料对弹性变形的抗力。如锻模、镗杆。强度：表征材料对塑性变形和断裂的抗力。ReL（σs），Rm（σb），ReL/Rm（σs/σb）。塑性：δ，ψ。硬度：HBW，HRC、HRB、HRA、HRR、HRL、HRM，HV。（a）低碳钢的R(σ)－ε曲线图（b）低碳钢拉伸曲线图3－1低碳钢的R(σ)－ε曲线及拉伸试样R(σ)2.承受冲击载荷作用时的力学性能冲击吸收功AK（冲击韧度ak）：对材料内部结构缺陷、显微组织变化很敏感。韧脆转变温度Tk：bcc晶格的金属或以其为主的低、中强度结构钢，Tk比较明显且较高；fcc晶格的金属或高强度钢基本没有这种温度效应。温度－冲击功关系3.承受交变载荷作用时的力学性能疲劳断裂：裂纹形成和扩展过程。机械零件失效中80%属于疲劳断裂性质。对称循环疲劳极限R-1(σ-1)：钢铁材料循环基数107；超高强度钢和许多聚合物材料循环基数108。影响疲劳强度的因素：循环应力特性、温度、材料成分和组织、表面状态、残余应力。交变载荷示意图疲劳断口疲劳曲线4.材料“断裂韧度”的概念材料断裂韧度KⅠC：反映材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。它是材料本身的特性，与裂纹的形状、大小无关。3.1.2金属的塑性变形1.金属塑性变形的基本方式2.单晶体滑移变形的特点（7点）①切应力；②滑移面、滑移方向；③滑移系；④滑移带线；⑤晶体位向；⑥滑移量；⑦伴有晶体转动。滑移孪生①只有在切应力作用下，才能产生塑性变形图3－1单晶体试样拉伸变形示意图②滑移总是沿着滑移面及其上的滑移方向进行③滑移系数目④滑移带、滑移线⑥滑移量一般是原子间距的整数倍⑤晶体位向⑦滑移时，伴有晶体的转动3.单晶体塑性变形（滑移）的微观机制（1）刚性滑移理论（2）临界分切应力理论与实测值比较3.单晶体塑性变形（滑移）的微观机制（3）位错运动机制多脚虫的爬行位错的运动犹如蠕虫的爬行4.孪生变形简介（单晶体）图3-10孪生变形示意图[例题3-1]在例图3-1所示的晶面、晶向中，请指出哪些是滑移面、哪些是滑移方向？并就图中情况判断能否构成滑移系，同时应简述其理由？(1)分析如图所示，求解本题首先应明确两点，一是晶体的滑移通常发生在哪些晶面和晶向上；二是具备什么条件才能构成滑移系？晶体的滑移通常总是沿着原子密度最大的晶面（滑移面）及其上原子密度最大的晶向（滑移方向）进行；一个滑够面和此面上的一个滑移方向就组成了一个滑移系。明确了这两条，就很容易判断图示晶面、晶向是否是滑移面、滑移方向。（2）解答在图3－1（a）示的FCC中：影线所示晶面为（101）、晶向［110］。虽然［110］为FCC的滑移方向，但它不在（101）晶面上，而（101）亦不是FCC的滑移面，所以不能构成滑移系。图3—1（b）示的FCC中：影线所示的晶面为（111）、晶向为[1T0〕。它们分别为ＦＣＣ的滑移面和滑移方向，且〔1T0〕晶向就位于（111）晶面上，故可构成一滑移系。在图3—1（c）所示BCC中：影线所示晶面（111）、晶向[10T]，它们均属非滑移面、非滑移方向．图3－1（d）示BCC中：影线所示的晶面（1T0）、晶向[1T1]，它们分别为BCC的滑移面和滑移方向，但〔1T1〕晶向不在（1T0）晶面上，故仍不能构成滑移系．（3）归纳此例是第一章与本章知识的有机结合，同时也是落脚点。因此，滑移面、滑移方向以及滑移系应联系起来综合考虑。（4）请思考立方晶系中，[110]与（110），[111]与（111）的关系如何？5.多晶体的塑性变形（1）晶界和晶粒方位的影响金属晶粒越细小，晶界面积越大，每个晶粒周围具有不同取向的晶粒数目也越多，其塑性变形的抗力（即强度、硬度）就越高。细晶粒金属不仅强度、硬度高，而且塑性、韧性也好。因为晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，则在同样变形量下，变形分散在更多晶粒内进行，同时每个晶粒内的变形也比较均匀，而不会产生应力过分集中现象。同时，因此时晶界的影响较大，晶粒内部与晶界附近的变形量差减小，晶粒的变形也会比较均匀，所以减少了应力集中，推迟了裂纹的形成与扩展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形。由于细晶粒金属的强度、硬度较高，塑性较好，所以断裂时需消耗较大的功，即冲击韧度（韧性）也较好。因此细化晶粒是金属的一种非常重要的强韧化手段。（2）晶粒大小对金属力学性能的影响（2）晶粒大小对金属力学性能的影响细晶强化右图所示为晶粒大小对金属冲击韧度的影响→（3）多晶体的塑性变形过程多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。＃6.合金的塑性变形合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种.合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.珠光体奥氏体＃6.合金的塑性变形（1）单项固溶体合金•何谓固溶强化？•固溶强化的原因是什麽？（如3－15图所示）（2）多相合金的塑性变形特点（以两相合金为例）两相晶粒尺寸相近、变形性能相近时：σb=Vασα+Vβσβ两相性能相差很大时：①硬、脆的第二相，呈网状分布在晶界（如Fe3CⅡ）②硬、脆的第二相呈片层状，分布在塑、韧性相基体中（如P片状）③硬、脆第二相呈颗粒状，分布在塑性相基体中：粗粒状分布（如P球即球化体,见第4章P105球化退火）;弥散分布(弥散强化,见下页图).(1)固溶强化图3－15溶质原子在位错附近的分布返回（2）多相合金的塑性变形特点珠光体P+CmⅡ返回第二相呈硬脆的连续网状硬脆的第二相呈层片状（2）多相合金的塑性变形特点硬脆第二相呈微细的点状弥散强化位错绕过机制位错切过机制颗粒钉扎作用的电镜照片电镜观察弥散强化（或沉淀强化）