上海大學(xué)材料基礎(chǔ)史文老師

金屬?gòu)?qiáng)度理論當(dāng)前第1頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論材料在力作用下發(fā)生變形彈性變形、塑性變形、粘性變形強(qiáng)度是材料對(duì)變形的抵抗能力當(dāng)前第2頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論彈性變形塑性變形強(qiáng)化方式回復(fù)、再結(jié)晶塑性加工方法當(dāng)前第3頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論彈性變形本質(zhì)特點(diǎn)彈性模量當(dāng)前第4頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論彈性變形本質(zhì)原子作用勢(shì)的不對(duì)稱(chēng)性r0處原子作用合力為零，勢(shì)（位）能最低，平衡當(dāng)前第5頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論彈性變形特點(diǎn)和描述可逆線性（Hooke定律）在正應(yīng)力下：σ=Eε在切應(yīng)力下：τ=G。E為正變彈性模量，G為切變彈性模量G=E/2(1-ν)ν稱(chēng)為泊松比，金屬的ν=0.3~0.35變形量小當(dāng)前第6頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論彈性模量彈性模量是材料結(jié)合強(qiáng)度的標(biāo)志之一離子晶體、共價(jià)晶體的結(jié)合能最大，約幾千kJ/mol金屬晶體以過(guò)渡元素為最大，約400~800kJ/molCu,Ag,Au約300~350kJ/mol堿金屬約80~160kJ/mol范德瓦爾斯鍵的結(jié)合能最小，只有幾十kJ/mol

當(dāng)前第7頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)彈性、塑性和強(qiáng)度

不同材料的E值（單位：10000MPa）鋼：20～21.4鑄鐵：17.3~19.4銅及合金：10.5~15.3鋁及合金：7～8.1金剛石：102橡膠：0.001~0.01當(dāng)前第8頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論彈性模量工程上，彈性模量是材料剛度的度量外力一定，則E大，剛度大，彈性變形量小鋼的E為鋁的3倍，故鋼的彈性變形為鋁的1/3當(dāng)前第9頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論彈性模量影響因素原子結(jié)構(gòu)當(dāng)前第10頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論彈性模量影響因素原子結(jié)構(gòu)：具有周期性，過(guò)渡族元素E大組織不敏感：熱處理不改變E溫度：T升高，E下降變形：冷變形有可能使E下降合金元素：少量不改變E當(dāng)前第11頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形宏觀描述微觀描述當(dāng)前第12頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形的宏觀描述工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線塑性和強(qiáng)度真應(yīng)力和真應(yīng)變當(dāng)前第13頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形的宏觀描述工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線伸長(zhǎng)－載荷（力）曲線當(dāng)前第14頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力＝載荷/試樣原始橫截面積（MPa=N/mm2)應(yīng)變＝伸長(zhǎng)量/原始長(zhǎng)度當(dāng)前第15頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)當(dāng)前第16頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)彈性、塑性和強(qiáng)度

彈性變形應(yīng)力/應(yīng)變＝常數(shù)塑性變形應(yīng)力/應(yīng)變≠常數(shù)當(dāng)前第17頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)彈性、塑性和強(qiáng)度

強(qiáng)度材料在外力作用下對(duì)變形的抵抗能力σs屈服強(qiáng)度對(duì)永久變形的抗力σb抗拉強(qiáng)度對(duì)斷裂的抗力當(dāng)前第18頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)彈性、塑性和強(qiáng)度

強(qiáng)度彈性極限屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度當(dāng)前第19頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)彈性、塑性和強(qiáng)度

塑性指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力塑性指標(biāo)：延伸率（δ）＝伸長(zhǎng)量/原始長(zhǎng)度截面收縮率＝截面積差/原始截面積當(dāng)前第20頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)彈性、塑性和強(qiáng)度

塑性指標(biāo)：均勻延伸率斷裂延伸率當(dāng)前第21頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)彈性、塑性和強(qiáng)度

塑性保證了材料或零件在偶然過(guò)載時(shí)的安全性塑性保證了一些成形工藝（冷軋、冷彎、校直等）和修復(fù)工藝的進(jìn)行當(dāng)前第22頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)真應(yīng)力與真應(yīng)變真應(yīng)力σT＝載荷/試樣瞬時(shí)橫截面積真應(yīng)變?chǔ)臫＝伸長(zhǎng)量/瞬時(shí)總長(zhǎng)度σT=σ(1+ε)εT=ln(1+ε)小應(yīng)變時(shí)σT=σ(1+ε)≈σεT=ln(1+ε)≈ε當(dāng)前第23頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)工程應(yīng)力應(yīng)變曲線與真應(yīng)力真應(yīng)變曲線

當(dāng)前第24頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形的細(xì)（微）觀描述塑性變形與滑移塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)其他塑性變形方式當(dāng)前第25頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形與滑移當(dāng)前第26頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形與滑移當(dāng)前第27頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形與滑移當(dāng)前第28頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論晶體的理論切應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)值的比較（單位：MPa）金屬理論切應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值切變模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700α-Fe110002.7568950Mg26300.39316400當(dāng)前第29頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)當(dāng)前第30頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)當(dāng)前第31頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在切應(yīng)力的作用下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)至晶體表面，產(chǎn)生塑性變形使位錯(cuò)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力，就是使晶體開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力，即屈服強(qiáng)度當(dāng)前第32頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)τ=F/A0cos

λcosφ當(dāng)τ

>τc

,位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)，則

F/A0=τc/cosλcosφ

或σS=τc/cosλcosφτc臨界分切應(yīng)力cosλcosφ施密特因子當(dāng)前第33頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

c＝scoscos

c取決于金屬的本性，不受，的影響

s取決于coscos或＝90時(shí)，s＝

；，＝45時(shí)，s最小，晶體易滑移取向因子：coscos軟取向：值大；硬取向：值小。當(dāng)前第34頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論其他塑性變形方式－－孿生當(dāng)前第35頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論其他塑性變形方式－－孿生當(dāng)前第36頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與強(qiáng)度和塑性位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，產(chǎn)生強(qiáng)度位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)出晶體，產(chǎn)生塑性當(dāng)前第37頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論金屬?gòu)?qiáng)化方式阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高金屬?gòu)?qiáng)度各種缺陷均阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)通常，提高強(qiáng)度伴隨塑性下降當(dāng)前第38頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論點(diǎn)缺陷阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)固溶強(qiáng)化屈服現(xiàn)象當(dāng)前第39頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論點(diǎn)缺陷阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子和位錯(cuò)的交互作用，使強(qiáng)度上升，塑性下降釘扎位錯(cuò)造成點(diǎn)陣畸變影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)當(dāng)前第40頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論點(diǎn)缺陷阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)固溶強(qiáng)化純鐵中間隙原子碳和氮的存在，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，由此提高了鐵的強(qiáng)度、硬度，但塑性下降當(dāng)前第41頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論固溶強(qiáng)化當(dāng)前第42頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論固溶強(qiáng)化純鐵抗拉強(qiáng)度：200MPa淬火0.2%C鋼：1000MPa當(dāng)前第43頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)

無(wú)間隙原子鋼（Interstitial-Free鋼）極低的碳、氮含量，再加入鈦、鈮等微量合金元素，有極好的成形性當(dāng)前第44頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)

固溶強(qiáng)化一定量的碳、氮含量，加入價(jià)廉的硅、錳元素，強(qiáng)度水平為440MPa當(dāng)前第45頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論屈服現(xiàn)象鐵素體中的C、N間隙原子釘扎位錯(cuò)（柯氏氣團(tuán)）當(dāng)前第46頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論屈服現(xiàn)象鐵素體中的C、N間隙原子釘扎位錯(cuò)（柯氏氣團(tuán)）當(dāng)前第47頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論線缺陷阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加工硬化（形變強(qiáng)化）劇烈冷加工的晶體ρs

=

1016m-2充分退火的金屬晶體ρs

=

108～1012m-2精心制備超純半導(dǎo)體ρs=106m-2當(dāng)前第48頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論線缺陷阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加工硬化當(dāng)前第49頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論線缺陷阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加工硬化奧氏體不銹鋼未變形的強(qiáng)度：600MPa40％變形后：800～1000MPa當(dāng)前第50頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論面缺陷（晶界）阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)室溫高溫當(dāng)前第51頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論面缺陷（晶界）阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)當(dāng)前第52頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論面缺陷（晶界）阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)細(xì)晶強(qiáng)化（Hall-Petch公式）σs=σ0+Kd-1/2

當(dāng)前第53頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論體缺陷（第二相）阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)析出強(qiáng)化位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子當(dāng)前第54頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論體缺陷（第二相）阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子當(dāng)前第55頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論體缺陷（第二相）阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子當(dāng)前第56頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

一對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響晶粒拉長(zhǎng);1形成纖維組織雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布。當(dāng)前第57頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

一對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響2形成形變織構(gòu)（1）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。

絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）（2）類(lèi)型板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向。（軋制時(shí)形成）

當(dāng)前第58頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

一對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響2形成形變織構(gòu)力學(xué)性能：利:深沖板材變形控制;弊：制耳。（3）對(duì)性能的影響(各向異性)

物理性能:硅鋼片{100}[100]織構(gòu)可減少鐵損。

當(dāng)前第59頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

一對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響3形成位錯(cuò)胞變形量位錯(cuò)纏結(jié)位錯(cuò)胞（大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯(cuò)密度低。)當(dāng)前第60頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

二對(duì)性能的影響1對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）（1）加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形量的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。當(dāng)前第61頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

二對(duì)性能的影響

1對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

強(qiáng)化金屬的重要途徑；利提高材料使用安全性；（2）利弊材料加工成型的保證。弊變形阻力提高，動(dòng)力消耗增大；脆斷危險(xiǎn)性提高。

當(dāng)前第62頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

二對(duì)性能的影響

2對(duì)物理、化學(xué)性能的影響導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率下降，比重、熱導(dǎo)率下降；結(jié)構(gòu)缺陷增多，擴(kuò)散加快；化學(xué)活性提高，腐蝕加快。

當(dāng)前第63頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

三

殘余應(yīng)力（約占變形功的10％）

第一類(lèi)殘余應(yīng)力（Ⅰ）：宏觀內(nèi)應(yīng)力，由整個(gè)物體變形不均勻引起。1分類(lèi)

第二類(lèi)殘余應(yīng)力（Ⅱ）：微觀內(nèi)應(yīng)力，由晶粒變形不均勻引起。

第三類(lèi)殘余應(yīng)力（Ⅲ）：點(diǎn)陣畸變，由位錯(cuò)、空位等引起。80-90%。Ⅰ當(dāng)前第64頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

三

殘余應(yīng)力（約占變形功的10％）

利：預(yù)應(yīng)力處理，如汽車(chē)板簧的生產(chǎn)。2利弊

弊：引起變形、開(kāi)裂,如黃銅彈殼的腐蝕開(kāi)裂。

3消除：去應(yīng)力退火。6h當(dāng)前第65頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論回復(fù)、再結(jié)晶冷變形后加熱發(fā)生的組織變化當(dāng)前第66頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論回復(fù)、再結(jié)晶當(dāng)前第67頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論回復(fù)、再結(jié)晶冷變形后性能當(dāng)前第68頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論回復(fù)、再結(jié)晶當(dāng)前第69頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論回復(fù)、再結(jié)晶性能變化1力學(xué)性能回復(fù)階段：強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高。再結(jié)晶階段：強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。晶粒長(zhǎng)大階段：強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降,塑性繼續(xù)提高，粗化嚴(yán)重時(shí)下降。2物理性能密度:在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升高；電阻：電阻在回復(fù)階段可明顯下降。當(dāng)前第70頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論再結(jié)晶再結(jié)晶是形變金屬加熱到一定溫度后形成新的無(wú)畸變晶粒并消耗掉冷加工的畸變晶粒而形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。

當(dāng)前第71頁(yè)\共有78頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)金屬?gòu)?qiáng)度理論再結(jié)