材料的力學(xué)行為與變形

材料的力學(xué)行為與變形第1頁/共35頁請帶著以下問題學(xué)習(xí)本章內(nèi)容：1.材料在外力作用下的力學(xué)性能指標(biāo)有哪些？它們各在什么場合下使用？2.純金屬塑性變形的基本方式以及滑移的特點(diǎn)是什么？多晶體的塑性變形特點(diǎn)又如何呢？3.塑性變形對金屬組織與性能的影響是什么？請分析加工硬化（形變強(qiáng)化）的定義、產(chǎn)生原因及在生產(chǎn)中的應(yīng)用。4.變形金屬在重新加熱時其組織與性能發(fā)生了哪些變化，為什么會產(chǎn)生這些變化？5.再結(jié)晶與結(jié)晶、重結(jié)晶的根本區(qū)別在何處？再結(jié)晶與再結(jié)晶退火溫度是如何確定的呢？6.冷、熱變形加工的本質(zhì)區(qū)別是什么？

牛牛文庫文檔分享第2頁/共35頁本章學(xué)習(xí)要求

1．熟悉金屬塑性變形（以滑移為主）的特點(diǎn)及其微觀機(jī)制；２．了解塑性變形對金屬組織與性能的影響，重點(diǎn)掌握加工硬化的定義、機(jī)理及在生產(chǎn)中的實(shí)際意義；３.掌握有關(guān)再結(jié)晶的概念，明確再結(jié)晶溫度及再結(jié)晶退火溫度的確定；４．比較并總結(jié)強(qiáng)化金屬材料的四種基本方式——細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化與加工硬化。

牛牛文庫文檔分享第3頁/共35頁本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)與方法提示

材料在外力作用下會發(fā)生變形，這種變形通常包括彈性變形與塑性變形兩種．塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，而且更為重要的是塑性變形還可改變材料內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)并影響其宏觀性能．因此本章討論的重點(diǎn)：金屬塑性變形（主要是滑移變形）的特點(diǎn)，塑性變形對金屬組織、性能的影響（特別是加工硬化）以及回復(fù)與再結(jié)晶的有關(guān)概念．學(xué)習(xí)方法提示：材料的力學(xué)行為應(yīng)著重理解各性能指標(biāo)的物理意義，聚合物和無機(jī)材料的塑變特點(diǎn)僅作一般了解。而對于金屬塑性變形的特點(diǎn)與實(shí)質(zhì)可結(jié)合相關(guān)視頻加深理解，特別是位錯運(yùn)動；對于冷、熱塑性變形對金屬組織、性能影響應(yīng)結(jié)合金工實(shí)習(xí)等加深理解，從中深刻體會有關(guān)加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶等概念的含義及實(shí)際應(yīng)用（結(jié)合習(xí)題）。

牛牛文庫文檔分享第4頁/共35頁3塑性變形與再結(jié)晶3.1材料的力學(xué)行為與塑性變形

3.1.1材料常用的力學(xué)性能指標(biāo)

3.1.2金屬的塑性變形3.2冷變形加工對金屬組織與性能的影響3.3冷變形加工金屬在加熱時組織與性能的變化3.4金屬的熱變形加工

牛牛文庫文檔分享第5頁/共35頁3.0概述

材料在加工制備過程中或是制成零部件后的工作運(yùn)行中都要受到外力的作用。材料受力后要發(fā)生變形，外力較小時產(chǎn)生彈性變形；外力較大時產(chǎn)生塑性變形，而當(dāng)外力過大時就會發(fā)生斷裂。材料經(jīng)變形后，不僅其外形和尺寸發(fā)生變化，還會使其內(nèi)部組織和有關(guān)性能發(fā)生變化，使之處于自由能較高的狀態(tài)。這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，經(jīng)變形后的材料在重新加熱時會發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象。因此，研究材料的變形規(guī)律及其微觀機(jī)制，分析了解各種內(nèi)外因素對變形的影響，以及研究討論冷變形材料在回復(fù)再結(jié)晶過程中組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律，具有十分重要的理論和實(shí)際意義。

牛牛文庫文檔分享第6頁/共35頁3.1材料的力學(xué)行為與塑性變形3.1.1材料常用的力學(xué)性能回顧

1.承受靜載作用時的力學(xué)性能

2.承受沖擊載荷作用時的力學(xué)性能

3.承受交變載荷作用時的力學(xué)性能

4.斷裂韌度的概念

5.有關(guān)材料耐磨性的概念3.1.2金屬的塑性變形

牛牛文庫文檔分享第7頁/共35頁3.1.1材料常用的力學(xué)性能回顧使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形;外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。

牛牛文庫文檔分享第8頁/共35頁3.1.1材料常用的力學(xué)性能指標(biāo)

1.承受靜載作用時的力學(xué)性能彈性模量E：表征材料對彈性變形的抗力。如鍛模、鏜桿。強(qiáng)度：表征材料對塑性變形和斷裂的抗力。ReL（σs），Rm（σb），ReL/Rm（σs/σb）。塑性：δ，ψ。硬度：HBW，HRC、HRB、HRA、HRR、HRL、HRM，HV。（a）低碳鋼的R(σ)－ε曲線圖（b）低碳鋼拉伸曲線圖3－1低碳鋼的R(σ)－ε曲線及拉伸試樣R(σ)

牛牛文庫文檔分享第9頁/共35頁2.承受沖擊載荷作用時的力學(xué)性能沖擊吸收功AK（沖擊韌度ak）：對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷、顯微組織變化很敏感。韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk：bcc晶格的金屬或以其為主的低、中強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，Tk比較明顯且較高；fcc晶格的金屬或高強(qiáng)度鋼基本沒有這種溫度效應(yīng)。溫度－沖擊功關(guān)系

牛牛文庫文檔分享第10頁/共35頁3.承受交變載荷作用時的力學(xué)性能疲勞斷裂：裂紋形成和擴(kuò)展過程。機(jī)械零件失效中80%屬于疲勞斷裂性質(zhì)。對稱循環(huán)疲勞極限R-1(σ-1)：鋼鐵材料循環(huán)基數(shù)107；超高強(qiáng)度鋼和許多聚合物材料循環(huán)基數(shù)108

。影響疲勞強(qiáng)度的因素：循環(huán)應(yīng)力特性、溫度、材料成分和組織、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力。

交變載荷示意圖疲勞斷口疲勞曲線

牛牛文庫文檔分享第11頁/共35頁4.材料“斷裂韌度”的概念材料斷裂韌度KⅠC

：反映材料有裂紋存在時，抵抗脆性斷裂的能力。它是材料本身的特性，與裂紋的形狀、大小無關(guān)。

牛牛文庫文檔分享第12頁/共35頁3.1.2金屬的塑性變形1.金屬塑性變形的基本方式

2.單晶體滑移變形的特點(diǎn)（7點(diǎn)）①切應(yīng)力；②滑移面、滑移方向；③滑移系；④滑移帶線；⑤晶體位向；⑥滑移量；⑦伴有晶體轉(zhuǎn)動。滑移孿生

牛牛文庫文檔分享第13頁/共35頁①只有在切應(yīng)力作用下，才能產(chǎn)生塑性變形圖3－1單晶體試樣拉伸變形示意圖

牛牛文庫文檔分享第14頁/共35頁②滑移總是沿著滑移面及其上的滑移方向進(jìn)行

牛牛文庫文檔分享第15頁/共35頁③滑移系數(shù)目

牛牛文庫文檔分享第16頁/共35頁④滑移帶、滑移線⑥滑移量一般是原子間距的整數(shù)倍⑤晶體位向

牛牛文庫文檔分享第17頁/共35頁⑦滑移時，伴有晶體的轉(zhuǎn)動

牛牛文庫文檔分享第18頁/共35頁3.單晶體塑性變形（滑移）的微觀機(jī)制（1）剛性滑移理論

（2）臨界分切應(yīng)力理論與實(shí)測值比較

牛牛文庫文檔分享第19頁/共35頁3.單晶體塑性變形（滑移）的微觀機(jī)制（3）位錯運(yùn)動機(jī)制

牛牛文庫文檔分享第20頁/共35頁多腳蟲的爬行位錯的運(yùn)動猶如蠕蟲的爬行

牛牛文庫文檔分享第21頁/共35頁4.孿生變形簡介（單晶體）圖3-10孿生變形示意圖

牛牛文庫文檔分享第22頁/共35頁[例題3-1]

在例圖3-1所示的晶面、晶向中，請指出哪些是滑移面、哪些是滑移方向？并就圖中情況判斷能否構(gòu)成滑移系，同時應(yīng)簡述其理由？(1)分析

如圖所示，求解本題首先應(yīng)明確兩點(diǎn)，一是晶體的滑移通常發(fā)生在哪些晶面和晶向上；二是具備什么條件才能構(gòu)成滑移系？晶體的滑移通?？偸茄刂用芏茸畲蟮木妫ɑ泼妫┘捌渖显用芏茸畲蟮木颍ɑ品较颍┻M(jìn)行；一個滑夠面和此面上的一個滑移方向就組成了一個滑移系。明確了這兩條，就很容易判斷圖示晶面、晶向是否是滑移面、滑移方向。

牛牛文庫文檔分享第23頁/共35頁（2）解答在圖3－1（a）示的FCC中：影線所示晶面為（101）、晶向［110］。雖然［110］為FCC的滑移方向，但它不在（101）晶面上，而（101）亦不是FCC的滑移面，所以不能構(gòu)成滑移系。圖3—1（b）示的FCC中：影線所示的晶面為（111）、晶向為[1T0〕。它們分別為ＦＣＣ的滑移面和滑移方向，且〔1T0〕晶向就位于（111）晶面上，故可構(gòu)成一滑移系。在圖3—1（c）所示BCC中：影線所示晶面（111）、晶向[10T]，它們均屬非滑移面、非滑移方向．圖3－1（d）示BCC中：影線所示的晶面（1T0）、晶向[1T1]，它們分別為BCC的滑移面和滑移方向，但〔1T1〕晶向不在（1T0）晶面上，故仍不能構(gòu)成滑移系．（3）歸納

此例是第一章與本章知識的有機(jī)結(jié)合，同時也是落腳點(diǎn)。因此，滑移面、滑移方向以及滑移系應(yīng)聯(lián)系起來綜合考慮。

（4）請思考

立方晶系中，[110]與（110），[111]與（111）的關(guān)系如何？

牛牛文庫文檔分享第24頁/共35頁5.多晶體的塑性變形（1）晶界和晶粒方位的影響

牛牛文庫文檔分享第25頁/共35頁

金屬晶粒越細(xì)小，晶界面積越大，每個晶粒周圍具有不同取向的晶粒數(shù)目也越多，其塑性變形的抗力（即強(qiáng)度、硬度）就越高。

細(xì)晶粒金屬不僅強(qiáng)度、硬度高，而且塑性、韌性也好。因為晶粒越細(xì)，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，則在同樣變形量下，變形分散在更多晶粒內(nèi)進(jìn)行，同時每個晶粒內(nèi)的變形也比較均勻，而不會產(chǎn)生應(yīng)力過分集中現(xiàn)象。同時，因此時晶界的影響較大，晶粒內(nèi)部與晶界附近的變形量差減小，晶粒的變形也會比較均勻，所以減少了應(yīng)力集中，推遲了裂紋的形成與擴(kuò)展，使金屬在斷裂之前可發(fā)生較大的塑性變形。

由于細(xì)晶粒金屬的強(qiáng)度、硬度較高，塑性較好，所以斷裂時需消耗較大的功，即沖擊韌度（韌性）也較好。

因此細(xì)化晶粒是金屬的一種非常重要的強(qiáng)韌化手段。（2）晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響

牛牛文庫文檔分享第26頁/共35頁（2）晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響

細(xì)晶強(qiáng)化右圖所示為晶粒大小對金屬沖擊韌度的影響→

牛牛文庫文檔分享第27頁/共35頁（3）多晶體的塑性變形過程

多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒。當(dāng)塞積位錯前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。

牛牛文庫文檔分享第28頁/共35頁＃6.合金的塑性變形合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種.合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同.珠光體奧氏體

牛牛文庫文檔分享第29頁/共35頁＃6.合金的塑性變形（1）單項固溶體合金

?何謂固溶強(qiáng)化？?固溶強(qiáng)化的原因是什麼？（如3－15圖所示）（2）多相合金的塑性變形特點(diǎn)（以兩相合金為例）兩相晶粒尺寸相近、變形性能相近時：σb=Vασα+Vβσβ兩相性能相差很大時：①硬、脆的第二相，呈網(wǎng)狀分布在晶界（如Fe3CⅡ）②硬、脆的第二相呈片層狀，分布在塑、韌性相基體中（如P片狀）③硬、脆第二相呈顆粒狀，分布在塑性相基體中：粗粒狀分布（如P球即球化體,見第4章P105球化退火）;

彌散分布(彌散強(qiáng)化,見下頁圖).

牛牛文庫文檔分享第30頁/共35頁(1)固溶強(qiáng)化圖3－15溶質(zhì)原子在位錯附近的分布返回

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