金属材料性能与塑性变形

1、第二章金属材料的塑性变形与性能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）§ 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、板材轧制型材、管材）2）挤压（低碳钢、有色金属等型材）5#一桥压J-M

2、i 4-Mi 子.6品#3）拉拔（碳钢、有色金属等线材、型材、管材）线材拉拔管材拉拔74）锻压（碳钢、合金钢、特种钢坯料）自由锻5）冷冲压（低碳钢、合金钢板材）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O(2) 类型根据载荷作用性质不同：a) 静载荷一没有变化;b) 动载荷一瞬间变化;交变载荷一不断变化。9根据载荷作用性质不同:a）拉深载荷一拉力 b）压缩载荷一压力 c）弯曲载荷一弯力d）剪切载荷一剪切力e）扭转载荷一扭转力2 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、。(3) 注意内力和外力不同于作用力和反作用力。3.应力(1) 定义单位面积上所受到的力。(2) 计算公式o= F/S ( MPa/mm2 )式中：(7应力；F外力；S横截面面积。13二、金属的变形金属在外力作用下的变形三阶段:弹性变形匸n弹塑性变形 匸方 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 缺陷一位错运动的结果，宏观表现为外形和尺寸变化。3 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

4、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。匸=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。图2-51低碳钢的加工硬化现象、这种现象2 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UJ15#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一形变强化;2）有利于塑性变形均匀进行;3）

5、有利于金属构件的工作安全性。3 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。17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O§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。、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O2）分类

6、根据载荷作用方式不同:a）抗拉强度-b）抗压强度;c）抗剪强度;d）抗扭强度;主要的常用强度指标;e）抗弯强度。211拉伸试样形状：根据国家标准(GB/T2282002)有:形、矩形、六方形。(b)图2-1圆柱形拉伸试样图2-2拉伸试验机示意图Z-试样；2工作台；3立柱；4一工作活塞;5表盘；6拉杆；7上夹头；8下夹头2力伸长曲线（F4L）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=>缩颈阶段断裂形式：疲劳断裂贝壳状断口拉伸曲线图21b韧性断裂纤维状断口 脆性断裂一糖块状断口3 强度指标 (Ge ； 6 ； (lb)1)弹性极限定

7、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:MPa式中:S。/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w点所对应的外另(M).S。一试样原始横截面面积(mm?)。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：MPa式中:化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）；So-试样原始横截面面积（加加2）。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：（。02）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

8、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°3) 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公式:式中:尸厂指试样被拉断前所承受的最大外力， 即拉伸曲线上方点所对应的外力(AD oSo一试样原始横截面面积(mm?)25二、塑性指标(5%; 0%)定义：塑性一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：d% = (Lm- Lo) IL ° X100%式中：乙试样原标距的长度 (mm)L“一试样拉断后的标距长度 Sn)(2)断面收缩率公式：0%= (S0-SM) /So X100%式中：S。一试样原始横截面面积 (mm2)Su一

9、试样拉断后缩颈处的最小横截面面积(m/n2)规律：(5% ; 0% )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。三、硬度指标1.定义：硬度一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）HBE 3000电子布氏计HB£ 3000 EUlroaic BriMlI1布氏硬度（HB）1）定义使用一定直径的钢球（D=l588imn）,以规定实验力压入试样表面，并保持规定时间（t =103

10、0s）后卸除实验力，然后测 Ksr（d），再查相应的表（压痔硬度对照表）得到压痕直径（d）越小，数值越大，表示硬度越高。F图2 - 4布氏硬度试验原理图292）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。2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HR =100-方30.002例：45HRC图2-5洛氏硬度试验原理图

11、测得洛氏硬度值为45；数值越大，表示硬度越高。30313）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）100HRC 金刚石（圆锥体）15060 8520 67硬质合金、表面淬火钢一般淬火钢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,般要求在不同部位测试多次，并取平均值。3.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=0.09

12、89.8N)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：1015s表面的硬度值：640HV同样数值越大，表示硬度越高。33（瞬间动载荷）图2-7夏比冲击试验原理图/ 一固定支座;2带缺口的试样；3指针;4 一摆锤351）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 X 10mm X 55mm形状：U形-脆性材料V形-韧性材料3）表示方法ak = Ak /So ( Jcm-2 )常用冲击试岸的型式 悔氏匕型试样n m 夏氏¥型试卸式中：去

13、一冲断试样所消耗的冲击功（J）So一试样缺口处的横截面面积（cm2） 可知：效值越大，表示材料的冲击韧性越好。35五、疲劳强度（）1.定义：疲劳强度一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。疲劳断口示意图10*a-N曲线2表示方法:通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上进行G的测定。 循环基数（N）: 般钢材：N= KF,有色金属和某些超高强度钢：=108o3 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

14、大事故。5 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）§3 金属单晶体的塑性变形1.塑性变形方式：滑移；李生 2 .滑移及相关概念 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。39#图5-3铜变形后的滑移带(9800x )#滑移特点T41(1)发生在最密排晶面，滑移方向为最密排晶向;(2)只在切应力下发生，存在临界分切应力一蘇。T#T#断裂塑性变形 滑移T#(

15、3)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;影响蘇的因素：取决于金属本性，与外力无关，取向无关；组织敏感参数：当金属不纯，变形速度愈大, 影响的因素：变形温度愈低,Tk愈大。主要与衣有关；与外力及取向有关。（4）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;45#图2-45 滑移方向的转动P t滑惑前滑移面I滑移后#3 .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)(ill)(110)滑移面：110(110)> (011)、 (101)(110)(011)> (101)滑移方向

16、：111滑移系数：6X2=12面心立方（f.c.c）滑移面：111（ill） （ni）、（in）、（niy 滑移方向：110 滑移系数：4X3=1243表百 三种典型金属晶格的滑移系是林 体心立方晶格也0x6滑移<111) 方向盗6X2 = 124X3=121x3=3表百 三种典型金属晶格的滑移系表百 三种典型金属晶格的滑移系(2)滑移系数目的实际意义一判断塑性变形能力 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：fcc>bcc>h.c.p4李生晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（李生面） 产生一定角度的切变。#纯铜中的翔带

17、/. <心 B嚓图2-7学生乐意图45§ 4金属多晶体的塑性变形(1)单个晶粒与单晶体一致;(2)各晶粒的变形具有不同时性：分批、逐次。原因：取向不同。(3)变形具有不均匀性:晶粒内部与边界或晶粒之间o图59由两个晶粒所做成的试样在拉伸时的变形图277多晶体的塑性变形45多晶体变形抗（阻）力 > 单晶体晶界阻碍位错运动;位向差一晶粒之间须协调L意义：产生晶界强化47IE§ 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L性能各向异性(2)亚结构的细化铸态：d = 10 2 cm；塑变后：d = 10-

18、410-6 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。L变形中的晶粒碎化(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。r u r u 口I曰< a ) X织构(l> >仃织构49#图2-52 因织构造成深冲制品的制耳示意图#2、塑性变形对金属性能的影响1 加工硬化亠定义：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。806009-<一

19、、10203040506070冷轧变形度/%O O.8»16<51#图251低碳钢的加工硬化现象#原因:位错增殖理论O#意义:(1) 纯金属的强化手段一形变强化;(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L解决办法：在冷加工之间进行再结晶退火。2产生残余应力(1)第一类内应力宏观内应力工件不同部位一1%;第二类内应力微观内应力 晶粒之间或晶内不同区域一910%；第三类内应力点阵畸变(位错、空位)是变形金属中的主要内应力，也使金属强化的主要原因。80-90%；3. 残余应力消除方法：去应力退火4. 残余应力的应用：喷丸处理一产生压应力提高

20、表面强度。5.性能出现方向性一形变织构,形变量70 %6.其它性能的影响物理：电阻导电、导磁性J化学：化学活性T，耐蚀性j消除：去应力退火表26纤维方向对45号钢机械性能的影响试样(V MPd久 7 MPaa:纵向试样71547017.562.8620横向试样67544010.031.030053§6金属及合金的回复与再结晶1 形变金属与合金在加热过程中的变化(1)组织转变的原因：T>AC1 :相变驱动力(体积自由能)T< Ad :形变储存能(晶格畸变能80-90%)形变后的不稳定组织。(2)组织与性能的变化根据组织变化不同，分为三个阶段：回复一再结晶一晶粒长大加热温度&

21、#163;4<藝噓54变形金属在加热过程中组织变化示意图根据组织变化不同，导致性能产生很大变化:I館粒大小f电阻率再结晶囿复 T匚匚晶粒长大回复和再结晶对冷变形金属性能的影响2.回复(1)定义：冷变形后的金属在加热温度不高时，其光学组 织未发生明显改变时所产生的某些亚结构和性能的变化过程。(2)特点： 加热温度低：T回=(02503)T熔; 显微组织无明显变化： 晶粒内部亚结构发生变化：主要是：点缺陷位错密度J 发生：异号位错的合并；同号位错的规整化：形成回复亚晶,“多边形化”L仍保留高位错密度57 性能变化:6%屮略f ；原因：晶格畸变J 内应力大大下降力学性能变化不大，物理.化学性能

22、变化较大;加工硬化效果基本保持。3. 回复的应用钢结构件的去应力退火：250-300°C目的：消除内应力;保持高强度、高硬度水平;恢复物理、化学性能。3.再结晶（1）定义：冷变形金属加热到较高的温度下，通过新晶核 的形成与长大，由畸变晶粒变为等轴晶粒的过程。 加热温度较高：T>T再理论：T再uO.4T熔；实际：T再+100200°C 显微组织显著变化一形成等轴无畸变新晶粒; 亚结构：位错密度大大降低； 性能显著变化:HB、6）口； 6%> 屮门内应力完全消除。594. 影响T再的因素 T熔:T熔f, T再T如：Fe: 1538 °C->450&#

23、176;C;Sn: 200°Ct0°C;W: 3300°C t1200°C原因：原子间结合力强，难扩散。 纯度:纯度杂质量T ， T再f 变形程度:变形程度原因：储存能驱动力T。2OOo204060801 (X)变形度()00000000007 6 5 4 3595. 晶粒长大随着：T灯，晶粒不断长大。(1) 驱动力：界面能(2) 长大方式： “大吃小”； 晶界拉直:呈120 ° ,形成近六边形晶粒(直晶界最稳定，是一个自发过程)o(a)(b)(c)图扩5-7晶粒长大示意图6影响再结晶晶粒度的因素(1) 加热温度：TT，dt原因：原子扩散能力强

24、，晶界易迁移。(2) 预先变形量：均匀度加热温度時1090%：珥、dj；£= 2-10%：异常长大;£> 90%： 异常长大o原因：a驱动力因素b形核因素 c形变织构因素图420预先变形度与再结晶 晶粒度的关系形成二次再结晶：当形变量很大时(>9095 %咸在较高临界变形度预变形度再结晶退火温度对 晶粒尺寸的影响温度下某些晶粒的异常长大过程。63#L尽量避开临界变形量(2 10%)#（3）合金元素、杂质及第二相质点存在，均阻碍晶界运动T细化；并且分布愈弥散、细小、量多T细化效果好。（四）再结晶退火的应用目的：中间退火：消除加工硬化冷Fe-Cr-Al电阻丝生产中：

25、采用氢气保护再结晶退火无相变金属的细晶强化（如：Al、Cu等）冷塑变十再结晶退火-获得细化的再结晶晶粒§7金属的热加工 (1)金属热加工与冷加工区别金属学概念热加工：T>T再; 冷加工：TvT再;冷、热加工的相对性例：W在1000°C的加工为非热加工;Sn、Pb在室温的加工为热加工;(2)热加工对组织与性能影响1)消除铸态组织缺陷:(a) 气孔、疏松、微裂纹的焊合一组织致密化;(b) 破碎粗大的铸态晶粒，经再结晶过程晶粒细化;(c) 减轻枝晶偏析实际热加工温度远高于再结晶温度成分均匀化使得塑韧性因此热加工组织优于铸态组织。2）经热锻与热轧可改善第二相、夹杂的分布形成纤

26、维组织（流线）：使铸态组织的枝晶偏析、夹 杂物分布，沿加工方向延伸形成细碎的组织流线与力性 方向分布合理。(b)图扩5 -12*锻钢曲轴中的流线分布（“）锻造曲轴；（b）切削加工曲轴673缺陷：形成带状组织与区域偏析组织带状组织：复相合金中各个相沿热加工方向交替呈带或层状组织，使钢的横向塑性和冲击韧性明显下降。区域偏析组织：（成分偏析、夹杂物分布）沿加工方向延伸形成的组织（带状组织）力性的各向异性（金属流线组织）66§1 金属的工艺性能表示金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过 程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。 具体表现在：结构合理性；选材合理性；加工方法合理性。67（金属材料的一般加工过程）金属材料的工艺性能主要包括：铸造性能；锻压性能； 焊接性能； 切削加工性能； 热处理性能。69、铸造性能1.定义：是指铸造成形过程中获得外形正确、内部健全 铸件的能力。图37铸件的生产过程0图37铸件的生产过程030彤I图37铸件的生产过程0铸造产品铸造产品2相关指标：（流动性、收缩性、偏析倾向性）1）流动性液态合金充满型腔,获得形状完整轮廓清晰的铸件的能力。在常用