上海大学材料基础史文老师

1、金属强度金属强度理论理论金属强度金属强度理论理论材料在力作用下发生变形材料在力作用下发生变形弹性变形、塑性变形、粘性变形弹性变形、塑性变形、粘性变形强度是材料对变形的抵抗能力强度是材料对变形的抵抗能力金属强度金属强度理论理论弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形强化方式强化方式回复、再结晶回复、再结晶塑性加工方法塑性加工方法金属强度金属强度理论理论弹性变形弹性变形本质本质特点特点弹性模量弹性模量金属强度金属强度理论理论弹性变形本质弹性变形本质原子作用势的不对原子作用势的不对称性称性r0处原子作用合力处原子作用合力为零，势（位）能为零，势（位）能最低，平衡最低，平衡金属强度金属强度理论理论弹性变形特点

2、和描述弹性变形特点和描述可逆可逆线性（线性（Hooke定律）定律）在正应力下：在正应力下：=E在切应力下：在切应力下：=G 。E为正变弹性模量，为正变弹性模量，G为切变弹性模量为切变弹性模量 G=E/2(1-) 称为泊松比，金属的称为泊松比，金属的=0.30.35变形量小变形量小金属强度金属强度理论理论弹性模量弹性模量弹性模量是材料结合强度的标志之一弹性模量是材料结合强度的标志之一离子晶体、共价晶体的结合能最大，约几千离子晶体、共价晶体的结合能最大，约几千kJ/mol金属晶体以过渡元素为最大，约金属晶体以过渡元素为最大，约400800kJ/molCu, Ag, Au约约300350kJ/mol

3、碱金属约碱金属约80160kJ/mol范德瓦尔斯键的结合能最小，只有几十范德瓦尔斯键的结合能最小，只有几十kJ/mol 弹性、塑性和强度弹性、塑性和强度 不同材料的不同材料的E值（单位：值（单位：10000MPa）钢：钢：2021.4铸铁：铸铁：17.319.4铜及合金铜及合金：10.515.3铝及合金：铝及合金：78.1金刚石金刚石：102橡胶：橡胶：0.0010.01金属强度金属强度理论理论弹性模量弹性模量工程上，弹性模量是材料刚度的度量工程上，弹性模量是材料刚度的度量外力一定，则外力一定，则E大，刚度大，弹性变形量小大，刚度大，弹性变形量小钢的钢的E为铝的为铝的3倍，故钢的弹性变形为铝的

4、倍，故钢的弹性变形为铝的1/3金属强度金属强度理论理论弹性模量影响因素弹性模量影响因素原子结构金属强度金属强度理论理论弹性模量影响因素弹性模量影响因素原子结构：具有周期性，过渡族元素原子结构：具有周期性，过渡族元素E大大组织不敏感：热处理不改变组织不敏感：热处理不改变E温度：温度：T升高，升高，E下降下降变形：冷变形有可能使变形：冷变形有可能使E下降下降合金元素：少量不改变合金元素：少量不改变E金属强度金属强度理论理论塑性变形塑性变形宏观描述宏观描述微观描述微观描述金属强度金属强度理论理论塑性变形的宏观描述塑性变形的宏观描述工程应力应变曲线工程应力应变曲线塑性和强度塑性和强度真应力和真应变真应

5、力和真应变金属强度金属强度理论理论塑性变形的宏观描述塑性变形的宏观描述工程应力应变曲线工程应力应变曲线伸长载荷（力）曲线工程应力工程应力-应变曲线应变曲线应力载荷应力载荷/试样原始横截面积（试样原始横截面积（MPa=N/mm2)应变伸长量应变伸长量/原始长度原始长度弹性、塑性和强度弹性、塑性和强度 弹性变形弹性变形 应力应力/应变常数应变常数 塑性变形塑性变形 应力应力/应变应变常数常数弹性、塑性和强度弹性、塑性和强度 强度强度 材料在外力作用下材料在外力作用下对变形的抵抗能力对变形的抵抗能力 s 屈服强度屈服强度 对永久变形的抗力对永久变形的抗力 b 抗拉强度抗拉强度 对断裂的抗力对断裂的抗

6、力弹性、塑性和强度弹性、塑性和强度 强度强度 弹性极限弹性极限 屈服强度屈服强度 抗拉强度抗拉强度 断裂强度断裂强度弹性、塑性和强度弹性、塑性和强度 塑性指材料在外力作用下产生塑性变形塑性指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力而不破坏的能力 塑性指标：塑性指标： 延伸率（延伸率（）伸长量）伸长量/原始长度原始长度 截面收缩率截面积差截面收缩率截面积差/原始截面积原始截面积弹性、塑性和强度弹性、塑性和强度 塑性指标：塑性指标： 均匀延伸率均匀延伸率 断裂延伸率断裂延伸率弹性、塑性和强度弹性、塑性和强度 塑性保证了材料或零件在偶然过载塑性保证了材料或零件在偶然过载时的安全性时的安全性塑性保证

7、了一些成形工艺（冷轧、塑性保证了一些成形工艺（冷轧、冷弯、校直等）和修复工艺的进行冷弯、校直等）和修复工艺的进行 真应力与真应变真应力与真应变 真应力真应力T载荷载荷/试样瞬时横截面积试样瞬时横截面积 真应变真应变T 伸长量伸长量/瞬时总长度瞬时总长度 T=(1 +) T = ln(1 +) 小应变时小应变时T=(1 +) T = ln(1 +) 工程应力应变曲线与真应力真应变曲线工程应力应变曲线与真应力真应变曲线 金属强度金属强度理论理论塑性变形的细（微）观描述塑性变形的细（微）观描述塑性变形与滑移塑性变形与滑移塑性变形与位错运动塑性变形与位错运动其他塑性变形方式其他塑性变形方式金属强度金属

8、强度理论理论塑性变形与滑移塑性变形与滑移金属强度金属强度理论理论塑性变形与滑移塑性变形与滑移金属强度金属强度理论理论塑性变形与滑移塑性变形与滑移金属强度金属强度理论理论晶体的理论切应力与实验值的比较（单位：晶体的理论切应力与实验值的比较（单位：MPa）金属金属理论切应力理论切应力实验值实验值切变模量切变模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700-Fe110002.7568950Mg26300.39316400金属强度金属强度理论理论塑性变形与位错运动塑性变形与位错运动金属强度金属强度理论理论塑性变形与位错运动塑性变形与位错运动金属强度金

9、属强度理论理论塑性变形与位错运动塑性变形与位错运动在切应力的作用下，位错运动至晶体表在切应力的作用下，位错运动至晶体表面，产生塑性变形面，产生塑性变形使位错开始运动的应力，就是使晶体开使位错开始运动的应力，就是使晶体开始塑性变形的应力，即屈服强度始塑性变形的应力，即屈服强度金属强度金属强度理论理论塑性变形与位错运动塑性变形与位错运动 = F/A0cos cos当 c ,位错开动，则 F/A0 =c/ cos cos 或S = c/ cos cosc 临界分切应力临界分切应力cos cos施密特因子金属强度金属强度理论理论塑性变形与位错运动塑性变形与位错运动 c scos cos c取决于金属的

10、本性，不受取决于金属的本性，不受 ， 的影响的影响 s取决于取决于cos cos 或或 90 时，时， s ； ， 45 时，时， s最小，晶体易滑移最小，晶体易滑移取向因子：取向因子：cos cos 软取向：值大；软取向：值大；硬取向：值小。硬取向：值小。金属强度金属强度理论理论其他塑性变形方式孪生其他塑性变形方式孪生金属强度金属强度理论理论其他塑性变形方式孪生其他塑性变形方式孪生金属强度金属强度理论理论位错运动与强度和塑性位错运动与强度和塑性位错运动困难，产生强度位错运动困难，产生强度位错运动出晶体，产生塑性位错运动出晶体，产生塑性金属强度金属强度理论理论金属强化方式金属强化方式阻止位错运

11、动，提高金属强度阻止位错运动，提高金属强度各种缺陷均阻止位错运动各种缺陷均阻止位错运动通常，提高强度伴随塑性下降通常，提高强度伴随塑性下降金属强度金属强度理论理论点缺陷阻止位错运动点缺陷阻止位错运动固溶强化固溶强化屈服现象屈服现象金属强度金属强度理论理论点缺陷阻止位错运动点缺陷阻止位错运动固溶强化固溶强化溶质原子和位错的交互作用溶质原子和位错的交互作用，使强使强度上升，塑性下降度上升，塑性下降钉扎位错钉扎位错造成点阵畸变影响位错运动造成点阵畸变影响位错运动金属强度金属强度理论理论点缺陷阻止位错运动点缺陷阻止位错运动固溶强化固溶强化纯铁中间隙原子碳和氮的存在，使位错运动困纯铁中间隙原子碳和氮的存

12、在，使位错运动困难，由此提高了铁的强度、硬度，但塑性下降难，由此提高了铁的强度、硬度，但塑性下降金属强度金属强度理论理论固溶强化固溶强化金属强度金属强度理论理论固溶强化固溶强化纯铁抗拉强度：纯铁抗拉强度：200MPa淬火淬火0.2%C钢：钢：1000MPa 无间隙原子钢（无间隙原子钢（Interstitial-Free 钢）钢）极低的碳、氮含量，再加入钛、铌等微量合金元素，极低的碳、氮含量，再加入钛、铌等微量合金元素，有极好的成形性有极好的成形性 固溶强化固溶强化一定量的碳、氮含量，加入价廉的硅、锰元素，一定量的碳、氮含量，加入价廉的硅、锰元素，强度水平为强度水平为440MPa金属强度金属强度

13、理论理论屈服现象屈服现象铁素体中的铁素体中的C、N间隙原子钉扎位错（柯氏气团）间隙原子钉扎位错（柯氏气团）金属强度金属强度理论理论屈服现象屈服现象铁素体中的铁素体中的C、N间隙原子钉扎位错（柯氏气团）间隙原子钉扎位错（柯氏气团）金属强度金属强度理论理论线缺陷阻止位错运动线缺陷阻止位错运动加工硬化（形变强化）加工硬化（形变强化）剧烈冷加工的晶体剧烈冷加工的晶体s = 1016m-2充分退火的金属晶体充分退火的金属晶体s = 1081012m-2精心制备超纯半导体精心制备超纯半导体s = 106m-2金属强度金属强度理论理论线缺陷阻止位错运动线缺陷阻止位错运动加工硬化加工硬化金属强度金属强度理论理

14、论线缺陷阻止位错运动线缺陷阻止位错运动加工硬化加工硬化奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢未变形的强度：未变形的强度：600MPa600MPa4040变形后：变形后：8008001000MPa1000MPa金属强度金属强度理论理论面缺陷（晶界）阻止位错运动面缺陷（晶界）阻止位错运动室温室温 高温高温金属强度金属强度理论理论面缺陷（晶界）阻止位错运动面缺陷（晶界）阻止位错运动金属强度金属强度理论理论面缺陷（晶界）阻止位错运动面缺陷（晶界）阻止位错运动细晶强化（细晶强化（Hall-Petch公式）公式） s=0 + Kd-1/2金属强度金属强度理论理论体缺陷（第二相）阻止位错运动体缺陷（第二相）阻止位错运动析

15、出强化析出强化位错绕过第二相粒子位错绕过第二相粒子金属强度金属强度理论理论体缺陷（第二相）阻止位错运动体缺陷（第二相）阻止位错运动位错绕过第二相粒子位错绕过第二相粒子金属强度金属强度理论理论体缺陷（第二相）阻止位错运动体缺陷（第二相）阻止位错运动位错切过第二相粒子位错切过第二相粒子塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 晶粒拉长晶粒拉长; ; 1 1 形成纤维组织形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响2 2 形

16、成形变织构形成形变织构（1 1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。取向的组织。 丝织构丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）（2 2）类型）类型 板织构板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向。（轧制时形成）行于主变形方向。（轧制时形成） 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响2 2 形成形变织构形成形变织构 力学性能：利力学性能：利: :深冲板材

17、变形控制深冲板材变形控制; ;弊：制耳弊：制耳。（3 3）对性能的影响）对性能的影响 ( (各向异性各向异性) ) 物理性能物理性能: :硅钢片硅钢片100100100100织构可减少铁损。织构可减少铁损。 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 3 3 形成位错胞形成位错胞 变形量变形量 位错缠结位错缠结 位错胞位错胞 （大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。) )塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力学性能的影响（加工硬化）对

18、力学性能的影响（加工硬化） （1 1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化） 强化金属的重要途径；强化金属的重要途径； 利利 提高材料使用安全性；提高材料使用安全性； （2 2）利弊）利弊 材料加工成型的保证。材料加工成型的保证。 弊弊 变形阻力提高，动力消耗增大；变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危

19、险性提高。脆断危险性提高。 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 2 2 对物理、化学性能的影响对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快；结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。化学活性提高，腐蚀加快。 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 三三 残余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的1010） 第一类残余应力（第一类残余应力（ ）：宏观内应力，由整个物）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。体变形不均匀引起。

20、1 1 分类分类 第二类残余应力（第二类残余应力（ ）：微观内应力，由晶粒变）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。形不均匀引起。 第三类残余应力（第三类残余应力（ ）：点阵畸变，由位错、空）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。位等引起。80-90%80-90%。 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 三三 残余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的1010） 利：预应力处理，如汽车板簧的生产。利：预应力处理，如汽车板簧的生产。 2 2 利弊利弊 弊：引起变形、开裂弊：引起变形、开裂,如黄铜弹壳的腐蚀开裂。如黄铜弹壳的腐蚀开裂。 3 3 消除：去应力退火。消除：去应力退

21、火。6h金属强度金属强度理论理论回复、再结晶回复、再结晶冷变形后加热发生的组织变化冷变形后加热发生的组织变化金属强度金属强度理论理论回复、再结晶回复、再结晶金属强度金属强度理论理论回复、再结晶回复、再结晶冷变形后性能冷变形后性能金属强度金属强度理论理论回复、再结晶回复、再结晶金属强度金属强度理论理论回复、再结晶回复、再结晶性能变化性能变化 1 1 力学性能力学性能 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。 再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降, ,塑性继续提高，塑性继续提高， 粗化严重时下降。粗化严重时下降。 2 2 物理性能物理性能 密度密度: :在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高； 电阻：电