金属材料性能与塑性变形

1材料的性能是零件设计中选材的依据，也是技术工人在加工维修过程中合理选择材料以及加工方法的重要依据。材料的性能包括：力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性和断裂韧性等）工艺性能（铸造、锻压、焊接、切削加工和热处理等）2§1.金属材料的损坏与塑性变形1.常见损坏形式a）变形零件在外力作用下形状和尺寸所发生的变化。（包括：弹性变形和塑性变形）b）断裂零件在外力作用下发生开裂或折断的现象。c）磨损因摩擦使得零件形状、尺寸和表面质量发生变化的现象。32.常见塑性变形形式1）轧制（板材、线材、棒材、型材、管材）板材轧制42）挤压（低碳钢、有色金属等型材）53）拉拔（碳钢、有色金属等线材、型材、管材）线材拉拔管材拉拔64）锻压（碳钢、合金钢、特种钢坯料）自由锻模锻75）冷冲压（低碳钢、合金钢板材）8一、塑性变形的基本概念1.载荷（1）定义金属材料在加工及使用过程中所受的外力。（2）类型根据载荷作用性质不同：a）静载荷—没有变化；b）动载荷—瞬间变化；c）交变载荷—不断变化。9根据载荷作用性质不同：a）拉深载荷--拉力b）压缩载荷—压力c）弯曲载荷--弯力d）剪切载荷--剪切力e）扭转载荷--扭转力102.内力（1）定义工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力。（2）大小内力大小与外力相等。（3）注意内力和外力不同于作用力和反作用力。113.应力（1）定义单位面积上所受到的力。（2）计算公式σ=F/S（MPa/mm2）式中：σ——应力；F——外力；S——横截面面积。12二、金属的变形金属在外力作用下的变形三阶段：弹性变形弹-塑性变形断裂。1.特点弹性变形：金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。塑性变形：金属经塑性变形后其组织和性能将发生变化。2.变形原理金属在外力作用下，发生塑性变形是由于晶体内部缺陷—位错运动的结果，宏观表现为外形和尺寸变化。133.影响因素1）晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，将产生有利和不利的不均匀的变形，导致内应力的产生。2）晶界的作用晶界阻碍位错运动，使金属的塑性变形阻力增大。3）晶粒大小的影响单位体积内金属晶粒越细小，晶界越多，金属越难进行塑性变形，获得细晶强化。是金属材料获得强韧化的重要手段。14三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化1.冷塑性变形结果外部：晶粒形状发生变化——沿着变形方向被压扁或拉长；内部:晶粒内部位错密度增加，晶格畸变加剧；性能:金属强度和硬度提高，塑性和韧性下降。这种现象——称为“形变强化”或“加工硬化”。152.加工硬化的应用对于不能通过热处理强化的金属是一种重要的强化手段，可提高材料抗突然超载的能力。意义：1）是一种材料强化手段—形变强化；2）有利于塑性变形均匀进行；3）有利于金属构件的工作安全性。163.加工硬化的不利1）影响材料力学性能不利：使得再变形困难；使得金属的切削加工，冲压加工带来困难。解决办法：在冷加工之间进行中间热处理——再结晶退火。2）影响材料物理性能和化学性能不利：电阻增加，导电、导磁性下降；化学活性增大；耐腐蚀性下降。解决办法：去应力退火。17§2.金属的力学性能1.定义：金属材料在承受外力（静、冲击、交变）作用下，没有超过许可变形或不破坏的能力——称作金属的力学性能。2.力学性能指标主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度。力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。18一、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。191.拉伸试样形状：根据国家标准（GB/T228——2002）有：圆形、矩形、六方形。202.力-伸长曲线（F~ΔL）表示：拉力与伸长量之间的关系曲线。拉伸过程：弹性变形阶段屈服阶段强化阶段缩颈阶段断裂。断裂形式：韧性断裂——纤维状断口脆性断裂——冰糖块状断口疲劳断裂——贝壳状断口拉伸曲线图213.强度指标（σe；σs；σb）1）弹性极限定义：指在外力作用下由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。或指完全卸载后不产生永久变形时所能承受的最大应力。公式：MPa0SFee式中：Fe—试样不出现任何明显塑性变形时所受的最大载荷，即拉伸曲线中e点所对应的外力（N）；S0—试样原始横截面面积（mm2）。222）屈服强度定义：--指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。公式：MPa0SFss式中：Fs--试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷，即拉伸曲线中S点所对应的外力（N）；S0--试样原始横截面面积（mm2）。23对于大多数没有明显的屈服现象的金属材料。定义：条件屈服强度：（σ0.2）规定：产生0.2%残余伸长时的应力作为条件屈服强度。指出：是工程技术中最重要的机械性能指标之一；是设计零件时作为选用金属材料的重要依据。243）抗拉强度定义：指在外力作用下由产生大量塑性变形到断裂前所承受的最大应力，故又称强度极限。公式：MPa0SFbb式中：Fb—指试样被拉断前所承受的最大外力，即拉伸曲线上b点所对应的外力（N）。S0—试样原始横截面面积（mm2）25二、塑性指标（δ%；Ψ%）定义：塑性—材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力。(1)断后伸长率公式：δ%=（Lu-L0）/L0×100%式中：L0—试样原标距的长度（mm）Lu—试样拉断后的标距长度（mm）(2)断面收缩率公式：Ψ%=（S0-Su）/S0×100%式中：S0—试样原始横截面面积（mm2）Su—试样拉断后缩颈处的最小横截面面积（mm2）规律：（δ%；Ψ%）的数值越大，表示其塑性越好；良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。26三、硬度指标1.定义：硬度—金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。它是材料性能的一个综合物理量。表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。2.实验方法1）布氏硬度（HB）；2）洛氏硬度（HR）；3）维氏硬度（HV）271.布氏硬度（HB）1）定义使用一定直径的钢球（D=1.588mm），以规定实验力压入试样表面，并保持规定时间（t=10~30s）后卸除实验力，然后测量表面压痕直径（d），再查相应的表（压痕~硬度对照表）得到测定的硬度值。压痕直径（d）越小，数值越大，表示硬度越高。282）应用范围主要用于：测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢或硬度较低的材料。3）优、缺点优点：压痕直径较大，能比较正确反映材料的平均性能；适合对毛坯及半成品测定。缺点：操作时间比较长，不适宜测定硬度高的材料；压痕较大不适合对成品及薄壁零件的测定。292.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛1）定义采用金刚石压头直接测量压痕深度来表示材料的硬度值。2）表示方法例：45HRC表示：测得洛氏硬度值为45；数值越大，表示硬度越高。002.01003hHR303）常用洛氏硬度标尺及适用范围标尺压头总载荷/Kg有效值被测试材料HRA金刚石（圆锥体）10060～85硬质合金、表面淬火钢HRC金刚石（圆锥体）15020～67一般淬火钢4）优、缺点优点：操作简单、快速，可直接在表盘上读出硬度值，适宜测定成品及较薄零件及硬度高的材料；缺点：但由于压痕较小，硬度代表性差些，如果材料中有偏析或组织不均匀的情况，测得的硬度值重复性较差，一般要求在不同部位测试多次，并取平均值。313.维氏硬度（HV）1）特点：压头为金刚石的正四棱锥体，根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值。根据试样大小、厚薄选择载荷：（F=0.098～9.8N）适合测定极薄试样表面的硬度和表面硬化层的硬度高低。2）表示方法：例：640HV30表示：实验力：30Kg；时间：10~15s表面的硬度值：640HV同样数值越大，表示硬度越高。32四、冲击韧性（瞬间动载荷）331）定义金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性。2）冲击试样尺寸和形状尺寸：10mm×10mm×55mm形状：U形-脆性材料V形-韧性材料3）表示方法ak=AK/S0（J·cm-2）式中：Ak—冲断试样所消耗的冲击功（J）So—试样缺口处的横截面面积（cm2）可知：ak值越大，表示材料的冲击韧性越好。34五、疲劳强度（σ-1）1.定义：疲劳强度—当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。2.表示方法：通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上进行σ-1的测定。循环基数（N）：一般钢材：N=107，有色金属和某些超高强度钢：N=108。353.产生疲劳断裂破坏的原因一般认为：是由于材料内部有夹杂、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷。据统计：约有80％的机件失效为疲劳断裂破坏。4.破坏的形式通常在疲劳破坏前没有明显的变形，断裂前没有预兆，所以疲劳破坏经常造成重大事故。365.改善方法：1）合理选择材料；2）细化晶粒；3）均匀组织；4）减少材料内部缺陷；5）改善零件的结构形式；6）减少零件的表面粗糙度，提高表面光洁度；7）采取各种表面强化的方法（例：表面淬火，喷丸等）37§3.金属单晶体的塑性变形1.塑性变形方式：滑移；孪生2.滑移及相关概念①滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分发生相对的平行滑动，滑动的距离为原子间距的整数倍。这种变形方式称为~。38②滑移特点⑴发生在最密排晶面，滑移方向为最密排晶向；⑵只在切应力下发生，存在临界分切应力—τk。断裂弹性伸长στσσττστ弹性歪扭塑性变形（滑移）39⑶滑移两部分相对移动的距离是原子间距的整数倍，但滑移后滑移面两边的晶体位向仍保持一致；③影响τk的因素：⑴取决于金属本性，与外力无关，取向无关；⑵组织敏感参数：当金属不纯，变形速度愈大，变形温度愈低，τk愈大。④影响σs的因素：⑴主要与τk有关；⑵与外力及取向有关。40⑷伴随晶体的转动和旋转，滑移面转向与外力平行的方向，滑移方向旋向最大的切应力方向；滑移面滑移前PP滑移后力偶413.滑移系及滑移系数的实际意义（1）各晶体结构的滑移系体心立方(b.c.c)面心立方(f.c.c)(110)〔111〕(111)〔110〕滑移面：｛110｝(110)、(011)、(101)(110)、(011)、(101)滑移方向：〈111〉滑移系数：6×2=12滑移面：｛111｝(111)、(111)、(111)、(111)滑移方向：〈110〉滑移系数:4×3=1242（2）滑移系数目的实际意义—判断塑性变形能力滑移系数目愈多，塑性愈好；滑移系数相同时，滑移方向多则表示塑性较好。塑性变形的能力比较：f.c.cb.c.ch.c.p434.孪生晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（孪生面）产生一定角度的切变。44§4.金属多晶体的塑性变形特点：⑴单个晶粒与单晶体一致；⑵各晶粒的变形具有不同时性：分批、逐次。原因：取向不同。⑶变形具有不均匀性:晶粒内部与边界或晶粒之间。晶界45⑷多晶体变形抗(阻)力单晶体①晶界阻碍位错运动；②位向差→晶粒之间须协调└意义：产生晶界强化46§5.塑性变形对金属组织和性能的影响1、塑性变形对组织结构影响（1）晶粒变形：等轴状→拉长成纤维组织、带状组织└性能各向异性（2）亚结构的细化铸态：d=cm；塑变后：d=cm原因：位错受阻后塞积、缠结→亚晶界→晶粒分化为许多位向略有差异的小晶块。└变形中的晶粒碎化47（3）产生形变织构定义：金属塑性变形到很大程度（70%）时，晶粒发生转动，各晶粒的位向趋于一致，形成有序化的结构。有利：增加导磁性，制成高等级硅钢片。轧制方向48不利：织构造成性能各向异性，使得变形不均匀，冲压产品易产生“制耳”现象。492、塑性变形对金属性能的影响1.加工硬化定义：随变形度增大，金属的强硬度显著增高而塑韧性明显下降的现象~。50原因：位错增殖理论。意义：（1）纯金属的强化手段—形变强化；（2）有利于塑性变形均匀进行；（3）有利于金属构件的工作安全性；不利：再变形困难└解决办法：在冷加工之间进行再结晶退火。51⑴第一类内