金属和陶瓷的力学性能材料科学基础ppt课件

1、第一节第一节 金属和陶瓷的力学性能金属和陶瓷的力学性能一、金属中的应力与应变：一、金属中的应力与应变：n1、轴向拉伸时的应、轴向拉伸时的应力与应变：力与应变：n（表达方式及单位）（表达方式及单位）n2、应力与应变之间、应力与应变之间的关系在弹性范围的关系在弹性范围内）内）n3、剪切变形时的应、剪切变形时的应力与应变：力与应变：n（表达方式及单位）（表达方式及单位）n4、应力与应变之间、应力与应变之间的关系在弹性范围的关系在弹性范围内）内）n二、拉伸试验和应二、拉伸试验和应力力- -应变图：应变图：n拉伸试验可获得的拉伸试验可获得的力学性能指标：力学性能指标：n1 1、弹性模量：、弹性模量：n2

2、 2、规定非比例伸、规定非比例伸长应力：长应力：n是金属材料有明显是金属材料有明显塑性变形时的强度塑性变形时的强度n3 3、抗拉强度：、抗拉强度：n4 4、断后伸长率：、断后伸长率：n5 5、截面收缩率：、截面收缩率：三、塑性变形材料学基础三、塑性变形材料学基础（一）、金属单晶体的塑性变形（一）、金属单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形的基本方式有两种：单晶体的塑性变形的基本方式有两种：滑移滑移孪生。孪生。金属常以滑移方式发生塑性变形。金属常以滑移方式发生塑性变形。1 1、 滑移滑移 n任何晶面上都可分解为任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应正应力和切应力。正应力只能引起晶格的弹性力只能引起晶

3、格的弹性变形及将晶粒拉断。只变形及将晶粒拉断。只有在切应力的作用下金有在切应力的作用下金属晶体的晶格在发生弹属晶体的晶格在发生弹性扭曲后进一步造成滑性扭曲后进一步造成滑移而产生塑性变形。移而产生塑性变形。外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片nn滑移是晶体在切应力的作用滑移是晶体在切应力的作用下下,晶体的一部分相对于另一晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面部分沿一定的晶面(滑移面滑移面)和和晶向发生滑动位移的现象。晶向发生滑动位移的现象。 滑移变形的特点滑移变形的特点 ：n 滑移常沿晶体中滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面原子密

4、度最大的晶面和晶向发生。因为原和晶向发生。因为原子密度最大的晶面和子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最生滑移所需切应力最小。小。 滑移只能在切应力滑移只能在切应力的作用下发生。产生的作用下发生。产生滑移的最小切应力称滑移的最小切应力称临界切应力临界切应力. l沿其发生滑移的晶面和沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。中的密排面和密排方向。晶面间距示意图晶面间距示意图复习：立方晶系的晶向表示方法复习：立方晶系的晶向表示方法 以图中的晶向OA为

5、例, 说明晶向指数的标定过程。 设定一空间坐标系, 原点在欲定晶向的一结点上。 写出该晶向上另一结点的空间坐标值:100 将坐标值按比例化为最小整数：100 将化好的整数记在方括号内:100得到晶向OA的晶向指数为100。o 同样方法可得晶向OB、OC的晶向指数分别为110、111。o 晶向指数的一般标记为uvw。o uvw实际表示一组原子排列相同的平行晶向。o 晶向指数也可能出现负数。（若两组晶向的全部指数数值相同而符号相反, 如110与 , 则它们相互平行或为同一原子列, 但方向相反。）o 若只研究该原子列的原子排列情况, 则晶向110与 可用一指数110表示。 o 原子排列情况相同而在空

6、间位向不同(即不平行)的晶向统称为晶向族, 用尖括号表示, 即。如: o = 100 + 010 + 001 o 在立方晶系中, 一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时, 则该晶面与该晶向互相垂直, 如(111) 111。 以图中的晶面ABBA为例, 晶面指数的标定过程如下： 设定一空间坐标系原点在欲定晶面外, 并使晶面在 三条坐标轴上有截距或无穷大。） 以晶格常数a为长度单位, 写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距:1 截距取倒数：100 截距的倒数化为最小整数：100 将三整数写在园括号内：(100) 晶面ABBA的晶面指数即为(100)。 同样可得晶面ACCA和ACD的晶面指数分别为(1

7、10)、(111)。o 晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实际表示一组原子排列相同的平行晶面。 o 晶面的截距可以为负数, 在指数上加负号。如( )面。o 若某个晶面(hkl)的指数都乘以-1, 则得到( )晶面, 则晶面(hkl)与( ), 属于一组平行晶面, o 如晶面ACD(111)与晶面ACB( ), 这两个晶面一般用一个晶面指数(111)来表示。晶面族o 在立方晶系中, 由于原子的排列具有高度的对称性, 往往存在有许多原子排列完全相同但在空间位向不同(即不平行)的晶面, 这些晶面的总称为晶面族, 用大括号表示, 即hkl。 o 在立方晶胞中(111)、( )、( )、( )

8、同属111晶面族。 复习复习:晶面原子密度晶面原子密度:是指其单位面积中的原子数是指其单位面积中的原子数。晶向原子密度：是指其单位长度上的原子数晶向原子密度：是指其单位长度上的原子数。不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样。排列方式和排列密度不一样。在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为110,称为密排面称为密排面;原子密度最大的晶向为原子密度最大的晶向为,称为密排称为密排方向。方向。在面心立方晶格中在面心立方晶格中,密排面为密排面为111,密排密排方向为方向为。一个滑移面和其上的一个滑移方向构

9、成一个滑移一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。系。(以下以体心立方晶格为例以下以体心立方晶格为例)n滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。面更大。n因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。体心立方晶格好于密排六方晶格。面心立方密排六方n滑移时，晶体两部分滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间的相对位移量是原子间距的整数倍距的整数倍.n滑移的结果在晶体表面滑移的结果在晶体表面形

10、成台阶，称滑移线，形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个若干条滑移线组成一个滑移带。滑移带。n（在光学显微镜下无法（在光学显微镜下无法分辨出滑移带内滑移台分辨出滑移带内滑移台阶，因此，滑移带也常阶，因此，滑移带也常常称为滑移线）常称为滑移线）n从滑移带的结构可知，从滑移带的结构可知，金属即使进行了大量的金属即使进行了大量的塑性变形，这些变形也塑性变形，这些变形也只是集中在一小部分的只是集中在一小部分的滑移面，许多潜在的滑滑移面，许多潜在的滑移面上并没有进行滑移移面上并没有进行滑移，大多数原子对于其邻，大多数原子对于其邻居来讲并移动。居来讲并移动。 滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随着晶

11、体的转动n如下图：当外力作用如下图：当外力作用于单晶体试样时，它于单晶体试样时，它在某些相邻层晶面上在某些相邻层晶面上所分解的切应力使晶所分解的切应力使晶体发生滑移，而正应体发生滑移，而正应力则组成一力偶，使力则组成一力偶，使晶体在滑移的同时向晶体在滑移的同时向外力方向发生转动。外力方向发生转动。外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片n滑移的机理：滑移的机理：n把滑移看作是晶体的一部分相对于另一把滑移看作是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移是不对的，大量研究表部分的刚性滑移是不对的，大量研究表明：滑移是通过滑移面上位错的运动来

12、明：滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。实现的。(P188)晶体通过位错运动产生滑晶体通过位错运动产生滑移时，并不需要整个晶体移时，并不需要整个晶体的上半部分原子相对于下的上半部分原子相对于下半部分原子一起位移半部分原子一起位移,而而只有少数原子产生滑移，只有少数原子产生滑移，因而所需临界切应力小，因而所需临界切应力小，刃形位错在切应力作用下在滑刃形位错在切应力作用下在滑移面上的运动移面上的运动n2、孪生：、孪生：n孪生是指晶体的一部孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发相对于另一部分所发生的切变。生的切变。n发生切变的部分称孪发生切变的部分称孪生带或孪晶，

13、沿其发生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生生孪生的晶面称孪生面。面。n孪生的结果使孪生面孪生的结果使孪生面两侧的原子排列呈镜两侧的原子排列呈镜面对称。面对称。 n孪生与滑移相比：孪生与滑移相比：n孪生使晶格位向发生改变；孪生使晶格位向发生改变；n所需切应力比滑移大得多所需切应力比滑移大得多, 变形速度变形速度极快极快, 接近声速接近声速;n孪生时相邻原子面的相对位移量小于孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距一个原子间距.n金属表面的基本差别：滑移产生一系金属表面的基本差别：滑移产生一系列台阶，而孪生则产生一个小的、范列台阶，而孪生则产生一个小的、范围确定的变形区围确定的变形区n密排六方

14、晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。退火孪晶。（四）、金属多晶体的塑性变形（四）、金属多晶体的塑性变形n1、晶界及晶粒位向差的影响：、晶界及晶粒位向差的影响：n（1）、晶界的影响：）、晶界的影响：n当位错运动到晶界附近

15、时，受到晶界的阻碍而当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加外力则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。从而使金属的变形抗力提高。多晶粒构成的试样的拉伸多晶粒构成的试样的拉伸试验的竹节现象试验的竹节现象n（2晶粒位向的影响晶粒位向的影响n由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，必然会受到它周围不同晶格位向晶性变形时，必然会受到它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍，各晶粒必须相互协调，相互粒的约束和障碍，各晶粒必须相互协调，相互适应，才能发生变形。由于晶

16、粒间的这种相互适应，才能发生变形。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力总是高约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力总是高于单晶体。于单晶体。 2、 多晶体金属的塑性变形过程多晶体金属的塑性变形过程n多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于力夹角等于或接近于45的晶粒切应的晶粒切应力最大）。力最大）。n当塞积位错前端的应力达到一定程度，当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上滑移时晶粒的转动，促使另一批晶加上滑移时晶粒的转动，促使另一批晶粒开始滑移变形，粒开始滑移变形，n从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶

17、粒，从少量晶粒开始逐步扩大到大量晶粒，从少量晶粒开始逐步扩大到大量晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀变形。当有大量晶粒发生滑移后，金属变形。当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。便显示出明显的塑性变形。 3、 晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响n金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。n因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。使金属塑性变形的抗力越

18、高。晶粒大小与金属强度关系晶粒大小与金属强度关系n金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。n因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，而不致造成应力集中，引起裂越均匀，而不致造成应力集中，引起裂纹的过早产生和发展，因此在断裂前可纹的过早产生和发展，因此在断裂前可发生较大的塑性变形，金属在断裂前消发生较大的塑性变形，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。耗的功也大，因而其韧性也比较好。n通过细化晶粒来同时提高金属的强度、通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬

19、度、塑性和韧性的方法称细晶强化。硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。（五合金的塑性变形（五合金的塑性变形n合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种.合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.珠光体珠光体奥氏体奥氏体碳在碳在-Fe中中的间隙固溶体的间隙固溶体铁素体与铁素体与渗碳体的渗碳体的混合物混合物、单相固溶体合金的塑性变形、单相固溶体合金的塑性变形n单相固溶体的显微组单相固溶体的显微组织与纯金属类似，因织与纯金属类似，因此其塑性变形过程也此其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似与多晶体纯金属相似，但随溶

20、质含量增加，但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。下降，称固溶强化。Cu-Ni合金成分与性能关系合金成分与性能关系n产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作用的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被用的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高. Cu-Ni合金成分与性能关系合金成分与性能关系、

21、多相合金的塑性变形与弥散强化、多相合金的塑性变形与弥散强化n当合金的组织由多相当合金的组织由多相(二相二相)混合物组成时，合混合物组成时，合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，还金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形状、大小、数量和分布有与第二相的性质、形状、大小、数量和分布有关。第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，关。第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，工业合金中第二相多数是化合物。工业合金中第二相多数是化合物。 复习：金属化合物复习：金属化合物o 在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将出现新相。时，将出现新相。o 若新相的晶

22、格结构与合金中另一组成元素相若新相的晶格结构与合金中另一组成元素相同，则新相是以另一组成元素为溶剂的固溶同，则新相是以另一组成元素为溶剂的固溶体。体。o 若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相将是组成元素相互作用而生成的一种新新相将是组成元素相互作用而生成的一种新物质，属于化合物或中间相。物质，属于化合物或中间相。o 在这些化合物中，有些具有相当程度的金属键及一在这些化合物中，有些具有相当程度的金属键及一定程度的金属性质，是一种金属化合物，称为金属定程度的金属性质，是一种金属化合物，称为金属间化合物；间化合物；o 有些化合物具有离子键，没有金属性质，属

23、于一般有些化合物具有离子键，没有金属性质，属于一般化合物，称为非金属化合物。化合物，称为非金属化合物。o 非金属化合物对合金性能影响很坏，一般称为非金非金属化合物对合金性能影响很坏，一般称为非金属夹杂。属夹杂。o 金属化合物通常能提高合金的强度、硬度及耐磨性，金属化合物通常能提高合金的强度、硬度及耐磨性，但会降低塑性和韧性。是各类合金、硬质合金和许但会降低塑性和韧性。是各类合金、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。多有色金属的重要组成相。n当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；n当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低当在晶内呈片状

24、分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；塑性和韧性；珠光体珠光体n当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。n弥散强化的主要原因如下：当第二相在晶体内呈弥弥散强化的主要原因如下：当第二相在晶体内呈弥散分布时，一方面相界即晶界面积显著增多并散分布时，一方面相界即晶界面积显著增多并使其周围晶格发生畸变，从而使滑移抗力增加。但使其周围晶格发生畸变，从而使滑移抗力增加。但更重要

25、的是这些第二相质点本身成为位错运动的障更重要的是这些第二相质点本身成为位错运动的障碍物。阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。碍物。阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。n第二相质点以两种明显的方式阻碍位错第二相质点以两种明显的方式阻碍位错的运动。当位错运动遇到第二相质点时：的运动。当位错运动遇到第二相质点时：n质点被位错切开软质点）；质点被位错切开软质点）；n质点阻拦位错而迫使位错只有在加大外质点阻拦位错而迫使位错只有在加大外力的情况下才能通过。力的情况下才能通过。n当质点小而软，或为软相时，位错能割当质点小而软，或为软相时，位错能割开它并使其变形，如下图，这时加工硬开它并使其变形，如下图，这时加工

26、硬化小，但随质点尺寸的增大而增加。化小，但随质点尺寸的增大而增加。位错切割位错切割第二相粒第二相粒子示意图子示意图电镜观察电镜观察n当质点坚硬而难于被位错切开时，位错当质点坚硬而难于被位错切开时，位错不能直接越过这种第二相质点，但在外不能直接越过这种第二相质点，但在外力作用下，位错线可以环绕第二相质点力作用下，位错线可以环绕第二相质点发生弯曲，最后在质点周围留下一个位发生弯曲，最后在质点周围留下一个位错环而让位错通过。错环而让位错通过。n使位错线弯曲将增加位错影响区的晶格使位错线弯曲将增加位错影响区的晶格畸变能，增加位错移动的阻力，使滑移畸变能，增加位错移动的阻力，使滑移抗力提高。位错线弯曲的

27、半径越小，所抗力提高。位错线弯曲的半径越小，所需外力越大需外力越大 。颗粒钉扎作用的电镜照片颗粒钉扎作用的电镜照片n因此，在第二相数量一定的条件下，第二相质因此，在第二相数量一定的条件下，第二相质点的弥散度越大分散成很细小的质点），则点的弥散度越大分散成很细小的质点），则滑移抗力越大，合金的强化程度越高因为位滑移抗力越大，合金的强化程度越高因为位错线的弯曲半径，取决于质点间距离，质点细错线的弯曲半径，取决于质点间距离，质点细化使质点数目增多而质点空间间距减小）。化使质点数目增多而质点空间间距减小）。n但应注意，第二相质点细化，对合金强化的贡但应注意，第二相质点细化，对合金强化的贡献是有一个限度

28、的，当质点太细小时，质点间献是有一个限度的，当质点太细小时，质点间的空间间距太小，这时位错线不能弯曲，但可的空间间距太小，这时位错线不能弯曲，但可“刚性的扫过这些极细小的质点，因而强化刚性的扫过这些极细小的质点，因而强化效果反而降低。效果反而降低。 n第二相呈弥散质点分布时，对合金塑性、第二相呈弥散质点分布时，对合金塑性、韧性影响较小，因为这样分布的质点几韧性影响较小，因为这样分布的质点几乎不影响基体相的连续性。乎不影响基体相的连续性。n塑性变形时第二相质点可随基本相的变塑性变形时第二相质点可随基本相的变形而形而“流动流动”，不会造成明显应力集中，不会造成明显应力集中，因此，合金可承受较大的变

29、形量而不致因此，合金可承受较大的变形量而不致破裂。破裂。 ( (六六) )、塑性变形对组织和性能的影响、塑性变形对组织和性能的影响 n1、塑性变形对组织结构的影响、塑性变形对组织结构的影响 n金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。n当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变n得模糊不清。得模糊不清。l塑性变形还使晶塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。粒破碎为亚晶粒。工业纯铁在塑性变形前后的组织变化工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝

30、中的位错网冷变形纯铝中的位错网(a)正火态正火态(c)变形变形80%(b)变形变形40%n由于晶粒的转动，当塑性变由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的位向与变形方大部分晶粒的位向与变形方向趋于一致，这种现象称织向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。构或择优取向。l形变织构使金属呈形变织构使金属呈现各向异性，在深现各向异性，在深冲零件时，易产生冲零件时，易产生“制耳景象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织制耳景象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。构可提高硅钢片的导磁率。板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导

31、致的铜板各向异性导致的铜板“制耳制耳”有有无无轧制铝板的轧制铝板的“制耳景象制耳景象2、加工硬化、加工硬化 n随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。性、韧性下降的现象称加工硬化。冷塑性变形量，%屈服强度，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%伸长率，%1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形与性能关系冷塑性变形与性能关系n产生加工硬化的原因是：（产生加工硬化的原因是：（分析）分析）n1、随变形量增加，位错密、随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交度增加，由于位错之间的交互作用互作用(堆积、缠结堆

32、积、缠结)，使变，使变形抗力增加。形抗力增加。n2. 随变形量增加，亚结构随变形量增加，亚结构细化。细化。n3. 随变形量增加随变形量增加, 空位密度空位密度增加。增加。变形变形20%纯铁中的位错纯铁中的位错未变形纯铁未变形纯铁n加工硬化的结果加工硬化的结果: :n 给金属的进一步加工带来困难。给金属的进一步加工带来困难。n解决的办法：解决的办法：n 在加工过程中安排一些中间退火工序，通过加热在加工过程中安排一些中间退火工序，通过加热消除其加工硬化现象，以恢复它进一步变形的能力。消除其加工硬化现象，以恢复它进一步变形的能力。n加工硬化使金属材料的塑性韧性下降，加工硬化使金属材料的塑性韧性下降，

33、强度、硬度增加，是强化金属的重要手强度、硬度增加，是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的纯金属段之一，对于不能热处理强化的纯金属和合金尤为重要。和合金尤为重要。n例如例如n（1冷拉高强度钢丝、冷卷弹簧等主要冷拉高强度钢丝、冷卷弹簧等主要是利用冷加工变形来提高它们的强度和是利用冷加工变形来提高它们的强度和弹性极限。弹性极限。n（2坦克和拖拉机的履带、破碎机的额坦克和拖拉机的履带、破碎机的额板、铁路的道岔等都是利用加工硬化来板、铁路的道岔等都是利用加工硬化来提高它们的硬度及耐磨性。提高它们的硬度及耐磨性。 加工硬化不仅使材料的机械性能发生显著变加工硬化不仅使材料的机械性能发生显著变化，而且

34、物理、化学性能也会发生显著变化，如电化，而且物理、化学性能也会发生显著变化，如电阻率增加、耐腐蚀性降低等，所有这些在设计和制阻率增加、耐腐蚀性降低等，所有这些在设计和制造各种金属零件或制品时应予以充分考虑。造各种金属零件或制品时应予以充分考虑。3、残余内应力、残余内应力 :n内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时时, 内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中转化为内应力残留于金属中. n内应力分为三类：内应力分为三类：n第一类内应力

35、平衡于表面与心部之间第一类内应力平衡于表面与心部之间 (宏观内应力宏观内应力)。n第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间, (微观内应力微观内应力)。n第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。 n第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。强度降低。n内应力的存在，使金属化学不稳定性增加、耐蚀性内应力的存在，使金属化学不稳定性增加、耐蚀性下降，例如，冷加工后的黄

36、铜，由于存在内应力，下降，例如，冷加工后的黄铜，由于存在内应力，在氨气、铵盐、汞蒸气以及海水中会发生严重的腐在氨气、铵盐、汞蒸气以及海水中会发生严重的腐蚀破裂又称蚀破裂又称“季节病季节病”）；高压锅炉、铆钉发生）；高压锅炉、铆钉发生的腐蚀破裂等等。还会引起零件加工、淬火过程中的腐蚀破裂等等。还会引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。进行退火处理，以消除或降低内应力。n除此之外，冷变形还会除此之外，冷变形还会使金属的导热性降低。使金属的导热性降低。如铜冷变形后，其导热如铜冷变形后，其导热性

37、降低到性降低到78%。n冷变形还可能改变金属冷变形还可能改变金属材料的磁性。材料的磁性。n 金属经冷变形后，密金属经冷变形后，密度下降度下降(如图如图)。n冷变形还会使金属的电冷变形还会使金属的电阻发生变化，一般而言阻发生变化，一般而言，冷变形使金属电阻有，冷变形使金属电阻有所增加约百分之几）所增加约百分之几），但增加的程度则随金，但增加的程度则随金属而异。属而异。 8.928.918.908.898.888.872040608010012密密度度变形程度与密度的关系变形程度与密度的关系 4 4、回复与再结晶、回复与再结晶n（1冷变形金属在加热时的组织和性能变化：冷变形金属在加热时的组织和性能

38、变化： n金属经冷变形后金属经冷变形后,外力所做的功有外力所做的功有10%转化为转化为内应力残留于金属中内应力残留于金属中,使材料的内能增加，处于使材料的内能增加，处于高能量状态的冷变形金属组织处于不稳定状态高能量状态的冷变形金属组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状态的倾向。固一旦对金属有自发恢复到稳定状态的倾向。固一旦对金属加热，可使原子扩散能力增加，便必然会发生加热，可使原子扩散能力增加，便必然会发生一系列组织和性能的变化，随着加热温度的不一系列组织和性能的变化，随着加热温度的不同，大致可以分为三个阶段：回复、再结晶和同，大致可以分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。晶粒长大。 加热温

39、度加热温度黄铜黄铜n回复：回复：n回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等，使材料处于一种低能状态。并而使缺陷数量减少等，使材料处于一种低能状态。l由于位错运动使其由冷塑性由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，亚晶分布，形成亚晶界，亚晶界的形成使一个变形晶粒内界的形成使一个变形晶粒内部产生许多亚晶粒，这

40、一过部产生许多亚晶粒，这一过程称多边形化。程称多边形化。n在回复阶段，金属组织在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电有提高，但内应力、电阻率等显著下降。阻率等显著下降。n工业上，常利用回复现工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留热，既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理加工硬化，这种热处理方法称去应力退火。方法称去应力退火。n再结晶：再结晶：n当变形金属被加热到较当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形动能力增大，晶粒的形状开始发生变

41、化，由破状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。的等轴晶粒。n这种冷变形组织在加热这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程时重新彻底改组的过程称再结晶。称再结晶。铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热n由于再结晶后组织的复由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。提高，加工硬化消失。冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜黄铜580C保温保温15分后的的再结晶组织分后的的再结晶组织总结：总结： 再结晶过程也是

42、通过成核、长大过程来实现的。再结晶过程也是通过成核、长大过程来实现的。当变形金属被加热到一定温度时，原子的活动能力教当变形金属被加热到一定温度时，原子的活动能力教强，会在变形晶粒的晶界或晶粒内部的亚晶界处以不强，会在变形晶粒的晶界或晶粒内部的亚晶界处以不同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核，随着原子同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核，随着原子的扩散移动，新晶核的边界不断向变形的原晶粒中推的扩散移动，新晶核的边界不断向变形的原晶粒中推进，使新晶核不断消耗变形晶粒而长大。最终是一批进，使新晶核不断消耗变形晶粒而长大。最终是一批新的等轴晶粒取代了原先变形的晶粒，完成了一次新新的等轴晶粒取代了原先变

43、形的晶粒，完成了一次新的结晶过程。的结晶过程。 但是，它没有发生晶格类型的变化，只是晶但是，它没有发生晶格类型的变化，只是晶体形态和大小的变化。也可以说，只有显微组织变化体形态和大小的变化。也可以说，只有显微组织变化而没有晶格结构，故称为再结晶。而没有晶格结构，故称为再结晶。结论：结论： 再结晶也是成核、长大过程，但不是相变过程，再结晶也是成核、长大过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。n再结晶后的晶粒长大：再结晶后的晶粒长大：n再结晶完成后，若继续升再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时高加热温度或延长保温时间，将

44、发生晶粒长大，这间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。是一个自发的过程。黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C580C保温保温1515分后的组织分后的组织700C700C保温保温1010分后的组织分后的组织n晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低塑性和韧性降低 。原子穿过原子穿过晶界扩散晶界扩散晶界迁晶界迁移方向移方向黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照

45、片冷变形量为冷变形量为38的组织的组织580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C保温保温15分后的组织分后的组织 700C保温保温10分后的组织分后的组织（2再结晶温度再结晶温度n再结晶不是一个恒温过程，它是随着温度的升高而大致从再结晶不是一个恒温过程，它是随着温度的升高而大致从某一温度开始进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结某一温度开始进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。（没有经过冷加工变形的金属在加热时是不会发晶温度。（没有经过冷加工变形的金属在加热时是不会发生再结晶的）生再结晶的）580C保温保温

46、3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜的再结晶黄铜的再结晶T再与再与的关系的关系n影响再结晶温度的因素为：影响再结晶温度的因素为：n1、金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大、金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大, 再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。l纯金属的最低再结晶温度纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系与其熔点之间的近似关系:T再再0.4T熔熔l

47、其中其中T再、再、T熔为绝对温熔为绝对温度度.l金属熔点越高金属熔点越高,T再也越高再也越高.T再再=(T熔熔+273)0.4273，如，如Fe的的T再再=(1538+273)0.4273=451n2、金属的纯度、金属的纯度n金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高.n 3、再结晶加热速度和加热时间、再结晶加热速度和加热时间l提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生；提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生；l延长加热时间延长加热时间,使原子扩散充分使原子扩散

48、充分,再结晶温度降低。再结晶温度降低。l生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。为缩短退火周期，再结晶退火温度常定为最低再结为缩短退火周期，再结晶退火温度常定为最低再结晶温度以上晶温度以上100200。影响再结晶退火后晶粒度的因素影响再结晶退火后晶粒度的因素 :n1、加热温度和保温时间、加热温度和保温时间n加热温度越高，保温时间越加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。热温度的影响尤为显著。再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响n预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影

49、响预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响.n当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶.n当变形达到当变形达到210%时，只有部分晶粒变形，变形极时，只有部分晶粒变形，变形极预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响2、预先变形度、预先变形度不均匀，再结晶晶不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度粗大，这个变形度称临界变形度。称临界变形度。n当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再

50、结晶时形核量大而均匀，使再结晶来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。基本不变。 l对于某些金属，当对于某些金属，当变形量相当大时变形量相当大时(90%)，再结晶后，再结晶后晶粒又重新出现粗晶粒又重新出现粗化现象，一般认为化现象，一般认为这与形成织构有关这与形成织构有关.预先变形程度对预先变形程度对再结晶晶粒尺寸再结晶晶粒尺寸的影响的影响变形变形83%变形变形88%变形变形93% 综合以上加热温度和变形度两个因素对再结晶后综合以上加热温度和变形度两个因素对再结晶后晶粒度的影响于一个立体图中，该图称为

51、再结晶全图。晶粒度的影响于一个立体图中，该图称为再结晶全图。再结晶全图再结晶全图:是是制订金属加工制订金属加工变形与退火工变形与退火工艺的重要参考艺的重要参考资料资料.冷加工与热加工的区别冷加工与热加工的区别:n在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。再结晶温度的加工称为热加工。四、陶瓷材料的力学性能：四、陶瓷材料的力学性能：n(1)刚度刚度 n陶瓷刚度由弹性模量衡量各类材料中最高，陶瓷刚度由弹性模量衡量各类材料中最高，因为陶瓷具有

52、很强的化学键离子键和共价键）。因为陶瓷具有很强的化学键离子键和共价键）。n各种常见材料的弹性模量和硬度各种常见材料的弹性模量和硬度n资料资料 弹性模量弹性模量/MPa 硬度硬度/HV n橡胶橡胶 6.9 很低很低 n塑料塑料 1380 17 n 铝合金铝合金 72300 170n 钢钢 207000 300800 n陶瓷陶瓷 70000500000 3000 n气孔降低弹性模量；温度升高弹性模量也降低。气孔降低弹性模量；温度升高弹性模量也降低。n陶瓷材料压缩状态的弹性模量一般大于拉伸状态的陶瓷材料压缩状态的弹性模量一般大于拉伸状态的弹性模量。弹性模量。n(2)硬度硬度 n陶瓷硬度是各类材料中最高的，因陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。其结合键强度高。n 陶瓷硬度为陶瓷硬度为1000HV5000HV, 淬火淬火钢为钢为500HV800HV, 高聚物最硬不超高聚物最硬不超过过20HV。陶瓷的硬度随温度的升高而降。陶瓷的硬度随温度的升高而降低低, 但在高温下仍有较高的数值。但在高温下仍有较高的数值。n(3)强度强度 n