《塑性變形》課件

《塑性變形》課程概述目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生深入理解金屬塑性變形的基本原理，掌握相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)踐技能，并能夠運(yùn)用這些知識(shí)解決實(shí)際工程問題。內(nèi)容課程內(nèi)容涵蓋塑性變形的定義、特征、類型、機(jī)理、方法、影響因素、應(yīng)用等方面。同時(shí)，還會(huì)涉及應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析、斷裂準(zhǔn)則、應(yīng)變硬化、再結(jié)晶等重要概念。塑性變形的定義定義塑性變形是指金屬材料在載荷作用下發(fā)生永久性形狀改變而不發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。這意味著，當(dāng)載荷去除后，材料不會(huì)恢復(fù)到原來的形狀，而是保留了變形后的形狀。特點(diǎn)塑性變形是金屬材料的一種重要特性，它允許金屬在加工過程中被塑造成各種形狀和尺寸。這種特性在金屬制造業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。塑性變形的特征永久變形塑性變形是指材料在受力后發(fā)生永久變形，即使去除外力，變形也不會(huì)消失。不可逆性塑性變形是不可逆的，一旦發(fā)生，材料的原始形狀和尺寸將無法恢復(fù)。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系塑性變形與應(yīng)力-應(yīng)變曲線有關(guān)，材料的屈服強(qiáng)度和延伸率決定了其塑性變形能力。塑性變形的提高材料性能塑性變形可以改變材料的機(jī)械性能，例如提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，從而使材料更耐用。改善加工性能塑性變形可以提高材料的延展性，使其更容易進(jìn)行加工和成型，從而制造出形狀復(fù)雜的零件。增加材料價(jià)值通過塑性變形，可以將低價(jià)值的原材料加工成高價(jià)值的最終產(chǎn)品，例如將金屬板材加工成汽車車身。塑性變形的類型拉伸金屬材料在拉力作用下，沿其軸向伸長，橫截面積減小的變形過程。彎曲金屬材料在彎曲力作用下，產(chǎn)生橫截面形狀改變的變形過程。扭轉(zhuǎn)金屬材料在外力矩作用下，發(fā)生繞軸線旋轉(zhuǎn)的變形過程。壓縮金屬材料在軸向壓力作用下，其高度減小，橫截面積增大的變形過程。應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力-應(yīng)變曲線是描述材料在拉伸或壓縮試驗(yàn)中，應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系的曲線。它是材料力學(xué)的重要概念，可以用于預(yù)測材料的強(qiáng)度、韌性、塑性和彈性等特性。應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常分為三個(gè)區(qū)域：彈性區(qū)、屈服區(qū)和強(qiáng)化區(qū)。在彈性區(qū)內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，材料在卸載后可以恢復(fù)到原始狀態(tài)。在屈服區(qū)內(nèi)，應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，材料開始發(fā)生塑性變形。在強(qiáng)化區(qū)內(nèi)，隨著應(yīng)變的增加，材料的強(qiáng)度逐漸增加。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特點(diǎn)彈性階段材料在應(yīng)力作用下發(fā)生形變，但當(dāng)應(yīng)力消失后，形變也隨之消失，材料恢復(fù)原狀。此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系。屈服階段當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，材料開始發(fā)生塑性變形，即使應(yīng)力不再增加，形變也會(huì)繼續(xù)增大。此階段應(yīng)力與應(yīng)變不再呈線性關(guān)系。強(qiáng)化階段隨著應(yīng)變的增加，材料的強(qiáng)度逐漸提高，需要更大的應(yīng)力才能繼續(xù)使材料變形。此階段應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性關(guān)系。頸縮階段當(dāng)應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料的強(qiáng)度達(dá)到峰值。之后，材料的強(qiáng)度開始下降，并最終發(fā)生斷裂。此階段材料發(fā)生局部變形，形成頸縮現(xiàn)象。工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線是根據(jù)試樣原始截面積和原始長度計(jì)算得到的應(yīng)力和應(yīng)變，它反映了材料在拉伸或壓縮過程中宏觀上的力學(xué)性能。由于試樣在變形過程中截面積會(huì)發(fā)生變化，因此工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線不能準(zhǔn)確地反映材料的真實(shí)力學(xué)性能。但是，工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線仍然是工程應(yīng)用中最常用的材料力學(xué)性能指標(biāo)之一，因?yàn)樗唵我锥?，便于測量和比較。真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線是在考慮材料變形過程中截面積變化的基礎(chǔ)上得到的曲線，更準(zhǔn)確地反映了材料的真實(shí)變形行為。真應(yīng)力計(jì)算公式：σ=F/A，其中A是當(dāng)前的截面積，而非原始截面積。真應(yīng)變計(jì)算公式：ε=ln(L/L0)，其中L是當(dāng)前的長度，L0是原始長度。金屬塑性變形機(jī)理位錯(cuò)理論金屬的塑性變形是通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。位錯(cuò)是一種晶體缺陷，它是在金屬晶體中的一種線性缺陷。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致金屬的塑性變形。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)需要克服金屬晶格的阻力，因此需要一定的應(yīng)力才能使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起來。當(dāng)應(yīng)力超過金屬的屈服強(qiáng)度時(shí)，位錯(cuò)就會(huì)開始運(yùn)動(dòng)，金屬就會(huì)發(fā)生塑性變形。晶粒尺寸晶粒尺寸也會(huì)影響金屬的塑性變形。晶粒尺寸越小，金屬的塑性變形越容易。這是因?yàn)榫Я３叽缭叫。诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的距離越短，克服晶格阻力的能量越低。所以，在金屬加工中，通常會(huì)采用細(xì)化晶粒的方法來提高金屬的塑性變形能力。金屬塑性變形的方法冷加工在室溫或低于再結(jié)晶溫度下進(jìn)行的塑性變形加工。熱加工在高于再結(jié)晶溫度下進(jìn)行的塑性變形加工。冷加工定義冷加工是指在室溫或低于室溫下進(jìn)行的金屬塑性加工。在冷加工過程中，金屬材料不會(huì)發(fā)生相變，但會(huì)發(fā)生形變硬化，強(qiáng)度和硬度會(huì)提高。特點(diǎn)冷加工可以提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，同時(shí)也能提高金屬的表面光潔度和尺寸精度。應(yīng)用冷加工廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，例如金屬板材沖壓、彎曲、拉伸、剪切等。在航空、航天、汽車、電子等領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。冷加工的特點(diǎn)1室溫變形冷加工是在室溫或低于室溫的溫度下進(jìn)行的，這使得加工過程更加容易控制和精確。2提高強(qiáng)度冷加工會(huì)使金屬材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性增加，這是由于加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)變硬化效應(yīng)。3尺寸精度高由于冷加工過程中金屬的塑性變形較小，因此可以獲得較高的尺寸精度和表面光潔度。4成本較低與熱加工相比，冷加工不需要加熱金屬，因此成本更低。冷加工的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)冷加工可以提高材料的強(qiáng)度和硬度，并改善表面光潔度和尺寸精度。缺點(diǎn)冷加工會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)變硬化，從而降低材料的延展性。此外，冷加工還會(huì)造成工具磨損，并可能導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂紋或其他缺陷。熱加工定義熱加工是指在金屬的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形加工。在這種情況下，金屬在變形過程中會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，從而消除冷加工引起的應(yīng)力和硬化。優(yōu)點(diǎn)熱加工的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以加工高強(qiáng)度、高硬度金屬可以獲得較大的塑性變形量可以消除冷加工引起的應(yīng)力和硬化缺點(diǎn)熱加工的主要缺點(diǎn)是：加工成本較高加工過程比較復(fù)雜可能會(huì)導(dǎo)致金屬的氧化和脫碳熱加工的特點(diǎn)高溫下進(jìn)行熱加工是在金屬的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的，材料在高溫下具有良好的塑性，易于變形，同時(shí)可以消除冷加工硬化。變形力小由于金屬在高溫下塑性好，所需的變形力較小，加工效率高。可獲得復(fù)雜的形狀熱加工可以獲得冷加工無法獲得的復(fù)雜形狀，并可以改善金屬的性能，如強(qiáng)度、韌性和可加工性。熱加工的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)可以獲得更大的變形量可以消除材料的內(nèi)部應(yīng)力可以改善材料的力學(xué)性能可以提高材料的加工效率缺點(diǎn)加工成本較高加工精度較低容易造成材料的氧化和脫碳對(duì)設(shè)備的要求較高應(yīng)力集中定義應(yīng)力集中是指在結(jié)構(gòu)中由于形狀變化或存在缺陷而導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象。例如，在孔洞、缺口或裂紋附近，應(yīng)力會(huì)明顯高于遠(yuǎn)離這些部位的區(qū)域。原因應(yīng)力集中是由結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料的性質(zhì)共同決定的。例如，孔洞、缺口和裂紋會(huì)改變結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，使應(yīng)力在這些部位集中。材料的性質(zhì)，如硬度、韌性和彈性，也會(huì)影響應(yīng)力集中程度。危害應(yīng)力集中會(huì)加速材料的疲勞破壞，并降低材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的提前失效。應(yīng)力集中的原因1幾何形狀變化例如孔洞、凹槽、缺口、尖角等，這些形狀變化會(huì)使應(yīng)力在這些部位集中，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中。2材料內(nèi)部缺陷例如裂紋、夾雜物、氣孔等，這些缺陷會(huì)使應(yīng)力在這些部位集中，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中。3外力作用方式例如集中載荷、沖擊載荷等，這些外力作用方式會(huì)使應(yīng)力在局部區(qū)域集中，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中。應(yīng)力集中的危害結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低應(yīng)力集中會(huì)使結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力降低，更容易發(fā)生斷裂或疲勞失效，縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命。局部塑性變形應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生局部塑性變形，甚至產(chǎn)生裂紋，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。疲勞破壞應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力反復(fù)變化，會(huì)加速材料的疲勞破壞，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。應(yīng)力集中的解決措施優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：盡可能消除結(jié)構(gòu)中的尖角、孔洞等應(yīng)力集中部位，使其結(jié)構(gòu)更加圓滑過渡，減小應(yīng)力集中程度。合理選擇材料：選擇具有較高抗應(yīng)力集中能力的材料，例如高韌性材料，可以有效降低應(yīng)力集中帶來的危害。表面加工：對(duì)零件表面進(jìn)行拋光、噴丸等處理，可以減小表面粗糙度，從而降低應(yīng)力集中程度。應(yīng)力消除：通過熱處理等方法，消除零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，降低應(yīng)力集中程度。斷裂準(zhǔn)則脆性斷裂脆性斷裂是指材料在沒有明顯塑性變形的情況下突然斷裂。這種斷裂通常發(fā)生在低溫、高速加載或存在應(yīng)力集中等情況下。脆性斷裂的特征是斷裂面平整、光滑，斷裂過程快速，無明顯的預(yù)兆。塑性斷裂塑性斷裂是指材料在斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形，斷裂過程比較緩慢。這種斷裂通常發(fā)生在高溫、低速加載或材料韌性較好等情況下。塑性斷裂的特征是斷裂面粗糙、不規(guī)則，斷裂過程較慢，有明顯的預(yù)兆，例如出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。脆性斷裂準(zhǔn)則應(yīng)力集中脆性材料的斷裂通常發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域，如孔洞、缺口或裂紋處。這些區(qū)域的應(yīng)力水平明顯高于周圍材料，導(dǎo)致材料在這些部位首先斷裂。斷裂面脆性材料的斷裂面通常是平滑的，沒有明顯的塑性變形。斷裂面可以是平坦的或略微彎曲的，但不會(huì)出現(xiàn)韌性材料斷裂面常見的纖維狀或杯錐狀特征。斷裂機(jī)理脆性斷裂通常是快速發(fā)生的，沒有明顯的預(yù)兆。在應(yīng)力集中區(qū)域，材料的原子鍵斷裂，導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料斷裂。塑性斷裂準(zhǔn)則11.頸縮塑性斷裂通常發(fā)生在材料發(fā)生頸縮后。頸縮是指在拉伸試驗(yàn)中，試樣在斷裂前出現(xiàn)局部縮小的現(xiàn)象。22.應(yīng)變集中頸縮會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中在試樣最薄弱的地方，最終導(dǎo)致斷裂。33.裂紋擴(kuò)展在塑性斷裂過程中，裂紋通常從頸縮處開始擴(kuò)展，并在最終斷裂前會(huì)形成明顯的裂紋擴(kuò)展路徑。斷裂力學(xué)裂紋擴(kuò)展斷裂力學(xué)側(cè)重于研究材料中裂紋的形成、擴(kuò)展和最終斷裂的過程。應(yīng)力強(qiáng)度因子它引入了應(yīng)力強(qiáng)度因子（K）的概念，用于描述裂紋尖端處的應(yīng)力集中程度。斷裂韌性斷裂韌性（KIC）代表材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，是斷裂力學(xué)中重要的材料參數(shù)。應(yīng)變硬化定義金屬材料在塑性變形過程中，其強(qiáng)度和硬度會(huì)隨著變形量的增加而提高的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變硬化。機(jī)制應(yīng)變硬化主要是由于金屬內(nèi)部的位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)相互纏結(jié)，運(yùn)動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度和硬度提高。應(yīng)變硬化的機(jī)理位錯(cuò)增殖當(dāng)金屬材料發(fā)生塑性變形時(shí)，材料內(nèi)部的位錯(cuò)密度會(huì)增加。位錯(cuò)之間的相互作用會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的強(qiáng)度和硬度。位錯(cuò)纏結(jié)隨著位錯(cuò)密度的增加，位錯(cuò)之間會(huì)發(fā)生相互纏結(jié)，形成位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高材料的強(qiáng)度。晶粒細(xì)化塑性變形過程中，晶粒會(huì)發(fā)生細(xì)化。晶粒尺寸的減小會(huì)增加晶界面積，從而提高材料的強(qiáng)度和硬度。應(yīng)變硬化的應(yīng)用提高材料強(qiáng)度通過控制加工過程，可以利用應(yīng)變硬化現(xiàn)象來提高金屬材料的強(qiáng)度和硬度，延長零件的使用壽命。改善材料韌性應(yīng)變硬化可以增強(qiáng)材料的韌性，使其更能承受沖擊和彎曲等變形，提高材料的抗裂性，增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性。提高材料耐磨性應(yīng)變硬化可以使金屬表面更加致密，提高其抗磨損能力，延長機(jī)器零件的使用壽命?；鼗疖浕?定義回火軟化是指將淬火后的鋼件加熱到低于其臨界轉(zhuǎn)變溫度的某一溫度，保溫一段時(shí)間后，再緩慢冷卻的熱處理工藝。此過程可以降低鋼件的硬度，提高其韌性，并改善其加工性能。2機(jī)理回火軟化過程中，淬火鋼的馬氏體發(fā)生分解，形成回火馬氏體、鐵素體和滲碳體等組織。這些新組織的硬度和韌性都低于淬火馬氏體，從而使鋼件得到軟化。3應(yīng)用回火軟化廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械零件的熱處理，例如刀具、模具、軸承等，以滿足其不同的使用要求。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在變形過程中，金屬材料的溫度會(huì)升高，這會(huì)導(dǎo)致晶粒長大。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是指在變形過程中，新晶粒的形核和長大過程。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶可以提高材料的強(qiáng)度和韌