中南大学机械系工程材料ppt教学

1、1Materials For Mechanical Engineering 2第第2 2章章 材料的性能与力学行为材料的性能与力学行为 本章目录本章目录2.1 2.1 材料的静态力学性能材料的静态力学性能2.2 2.2 材料的动态力学性能材料的动态力学性能2.3 2.3 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能2.4 2.4 材料的工艺性能材料的工艺性能2.5 2.5 金属的塑性变形及强化金属的塑性变形及强化2.6 2.6 金属的再结晶与变形加工金属的再结晶与变形加工34使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备的性能，它包括物理性能（

2、如导电性、导热性、热膨胀性的性能，它包括物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能。等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能。工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料适应各工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接、种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称机械性力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称机械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等

3、。能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。52.1.1 材料的强度与塑性材料的强度与塑性一、拉伸实验一、拉伸实验1、拉伸试样、拉伸试样GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方金属材料室温拉伸试验方法法,规定有圆形、矩形、多边形、环规定有圆形、矩形、多边形、环形等试样。常用标准圆截面试样。形等试样。常用标准圆截面试样。长试样：长试样：L0=10d0短试样：短试样：L0=5d0返返6拉伸试验机拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象2、拉伸试验、拉伸试验 将标准圆形拉伸试样装夹在拉伸试验机上，缓慢地加载将标准圆形拉伸试样装夹在拉伸试验机上，缓慢地加载（静载荷），随着载荷的增加，试样逐

4、渐伸长，直至拉断。（静载荷），随着载荷的增加，试样逐渐伸长，直至拉断。在试验过程中，试验机自动记录每一瞬间载荷和伸长量，在试验过程中，试验机自动记录每一瞬间载荷和伸长量，并绘出它们之间的关系曲线，称为拉伸曲线。并绘出它们之间的关系曲线，称为拉伸曲线。73、拉伸曲线、拉伸曲线oe段：弹性变形阶段段：弹性变形阶段s段（平台或锯齿）：屈服阶段段（平台或锯齿）：屈服阶段sb段：均匀塑性变形阶段，是段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段强化阶段b点：形成了点：形成了“缩颈缩颈”bk段：非均匀变形阶段，承载段：非均匀变形阶段，承载下降，到下降，到k点断裂点断裂L Fopes bk()（） 低碳钢的拉伸曲线低碳钢

5、的拉伸曲线（外力（外力F-变形量变形量L曲线曲线及应力及应力 -应变应变曲线）曲线）8强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力。强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力。弹性极限：是试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为弹性极限：是试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值，是材料产生完全标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值，是材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，用弹性变形时所能承受的最大应力值，用e表示，单位为表示，单位为MPa。屈服强度屈服强度：是材料开始塑性变形时的应力值，它反映了材料抵：是材料开始塑性变形时的应力值，它反映了材料抵抗永久变形的能力

6、，是材料开始产生明显塑性变形时的最低应抗永久变形的能力，是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。常以下屈服强度力值。常以下屈服强度ReL作为屈服强度的值，单位为作为屈服强度的值，单位为MPa。对于高碳钢、铸铁等材料，以试样拉伸时产生对于高碳钢、铸铁等材料，以试样拉伸时产生0.2% 残余延伸残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度，记为率所对应的应力为规定残余延伸强度，记为Rr0.2，即所谓的，即所谓的“条件屈服强度条件屈服强度”。抗拉强度抗拉强度：是材料的极限承载能力，是试样拉断前所能承受的：是材料的极限承载能力，是试样拉断前所能承受的最大应力值，用最大应力值，用Rm 表示，单位为表示，单位

7、为MPa。9刚度刚度：是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。：是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。弹性模量弹性模量：是指材料在弹性范围内的应力与应变的比值。：是指材料在弹性范围内的应力与应变的比值。用用E 表示，单位为表示，单位为MPa。 塑性塑性:是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。断后伸长率断后伸长率：是指试样拉断后标距长度的残余伸长（断：是指试样拉断后标距长度的残余伸长（断后标距后标距Lu与原始标距与原始标距L0之差）与原始标距长度之差）与原始标距长度L0的百分的百分比。用符号比。用符号A表示（相当于旧国家标准的表示（相当于旧国家标准的5）。）。

8、断面收缩率断面收缩率：是指断裂后试样横截面积的最大缩减量：是指断裂后试样横截面积的最大缩减量(原原始横截面积始横截面积So与断后最小横截面积与断后最小横截面积Su之差之差)与原始横截面与原始横截面积积 So之比的百分率，用符号之比的百分率，用符号Z表示。表示。10硬度：是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或硬度：是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。特点：硬度是通过硬度试验测得的。硬度试验方法简单、特点：硬度是通过硬度试验测得的。硬度试验方法简单、迅速、不需要专门的试样、不损坏工件，因此在生产和科迅速、

9、不需要专门的试样、不损坏工件，因此在生产和科研中得到广泛应用。研中得到广泛应用。 分类：测定硬度的方法很多，压入法测定的硬度值表征材分类：测定硬度的方法很多，压入法测定的硬度值表征材料表面抵抗硬物侵入的能力，常用的有布氏硬度、洛氏硬料表面抵抗硬物侵入的能力，常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验方法。度和维氏硬度试验方法。11测定原理：用直径为测定原理：用直径为D的淬火钢球或硬质合金球做压头，的淬火钢球或硬质合金球做压头，在试验力在试验力P的作用下压入被测金属表面，保持规定的时间的作用下压入被测金属表面，保持规定的时间后卸除试验力，则在金属表面留下一压坑后卸除试验力，则在金属表面留下一压坑(

10、压痕压痕)，用读数，用读数显微镜测量其压痕直径显微镜测量其压痕直径d，求出压痕表面积，用试验力，求出压痕表面积，用试验力P除以压痕表面积所得的商作为被测金属的布氏硬度值，除以压痕表面积所得的商作为被测金属的布氏硬度值，用符号用符号HB表示。表示。布氏硬度试验原理示意图布氏硬度试验原理示意图 12表示方法：当压头为淬火钢球时表示方法：当压头为淬火钢球时,布氏硬度用符号布氏硬度用符号HBS表表示，适合于测定布氏硬度值在示，适合于测定布氏硬度值在450以下的材料，如：以下的材料，如：320HBS；压头为硬质合金压头时，用；压头为硬质合金压头时，用HBW表示，适用于表示，适用于布氏硬度大于布氏硬度大于

11、450且小于且小于650的材料，如：的材料，如：540HBW。应用范围：适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及应用范围：适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度，也用于试验经淬火、回火但硬度不高有色金属的硬度，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。的钢件。特点：测量误差小、数据稳定，适合于测量组织粗大且特点：测量误差小、数据稳定，适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度不均匀的金属材料的硬度(如铸铁、轴承合金等如铸铁、轴承合金等) 。但试。但试验较费时，压痕较大，不宜用于测太薄件或成品，也不验较费时，压痕较大，不宜用于测太薄件或成品，也不能用来测太硬的材料。能用来测太硬的材料。

12、13测定原理测定原理：用一个顶角为：用一个顶角为120的金刚石圆锥体或直径为的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球为压头，在规定载荷的淬火钢球为压头，在规定载荷F作用下压入被测作用下压入被测试材料表面，通过测定压头压入的深度来确定其硬度值。试材料表面，通过测定压头压入的深度来确定其硬度值。实测时，硬度值的大小由硬度计的指示器上直接读出。实测时，硬度值的大小由硬度计的指示器上直接读出。表示方法表示方法：洛氏硬度用符号：洛氏硬度用符号HR表示，最常用的标尺为表示，最常用的标尺为HRA、 HRB、 HRC;符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺，如前面的数字为硬度值，后面为使用的标

13、尺，如55HRC表示用表示用C标尺测定的材料洛氏硬度值为标尺测定的材料洛氏硬度值为55。洛氏硬度试验原理示意图洛氏硬度试验原理示意图14硬度符号硬度符号压头类型压头类型载荷载荷/N(kgf) 硬度值有效范围硬度值有效范围使用范围使用范围HRA120金刚石圆锥金刚石圆锥558.4(60)70(相当相当350HB以上以上)适用于测量硬质合金、表适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层面淬火层或渗碳层HRB1.588mm钢球钢球980.7(100)25100(相当相当60230HB)适用于测量有色金属、退适用于测量有色金属、退火、正火钢等火、正火钢等HRC120金钢石圆锥金钢石圆锥1471(150)2

14、067(相当相当230700HB)适用于调质钢、淬火钢等适用于调质钢、淬火钢等15将顶部两相对面具有规定角将顶部两相对面具有规定角度（度（136 ）的正四棱锥体金）的正四棱锥体金刚石压头，在载荷刚石压头，在载荷P的作用的作用下压入试样表面，保持一定下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，在试样表时间后卸除载荷，在试样表面压出一个四方锥形压痕，面压出一个四方锥形压痕，试验载荷试验载荷P除以压痕表面积除以压痕表面积所得的商即为维氏硬度所得的商即为维氏硬度,用符用符号号HV表示。表示。 维氏硬度试验原理示意图维氏硬度试验原理示意图 16维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度原理维氏硬度原理维氏硬度压痕维氏硬度

15、压痕172.2.1 材料的冲击韧度材料的冲击韧度韧性韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。一次冲击弯曲试验一次冲击弯曲试验 ：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为G的摆锤安放到规定的高度的摆锤安放到规定的高度H，然后下落将试样打断，并摆过支点升，然后下落将试样打断，并摆过支点升到某一高度到某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为，试样在冲击试验力一次作用下，折

16、断时所吸收的功为冲击吸收功为冲击吸收功为Ak ，AK数值在试验机的刻度盘上直接读出。数值在试验机的刻度盘上直接读出。摆锤式冲击试验原理示意图摆锤式冲击试验原理示意图 返返18冲击韧度冲击韧度：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。冲击韧度值就是试样缺口处单位横截面能力。冲击韧度值就是试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功，即将冲击吸收功积上的冲击吸收功，即将冲击吸收功Ak除以除以试样断口处的横截面积。冲击韧度用符号试样断口处的横截面积。冲击韧度用符号k 表示，单位为表示，单位为Jcm2。19韧脆转变温度：韧脆转变温度：在某一温度范围内冲击韧度值发生急剧在某一温度范围

17、内冲击韧度值发生急剧下降的现象称为韧脆转变（或冷脆），发生韧脆转变的下降的现象称为韧脆转变（或冷脆），发生韧脆转变的温度范围称为韧脆转变温度。温度范围称为韧脆转变温度。 韧脆转变温度曲线示意图韧脆转变温度曲线示意图20多次冲击弯曲试验是将材料制成专用试样，放在多冲击多次冲击弯曲试验是将材料制成专用试样，放在多冲击试验机上，试样受到试验机锤头较小能量（试验机上，试样受到试验机锤头较小能量（1500J）多次冲击，测定在一定冲击能量下材料断裂前的冲击次多次冲击，测定在一定冲击能量下材料断裂前的冲击次数（数（N），经受的冲击次数），经受的冲击次数N代表金属的抗冲击能力。代表金属的抗冲击能力。金属材料受

18、大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下， 其多冲抗力主要取决于材料的强度和塑性。其多冲抗力主要取决于材料的强度和塑性。21交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。裂的现象成为疲劳断裂。疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、断裂。疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、断裂。一个一个

19、疲劳疲劳源源两个两个疲劳疲劳源源断口示意图断口示意图22疲劳极限疲劳极限-1：材料可经受无数：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。次应力循环而不失效的应力值。单位为单位为MPa。通常规定钢铁材。通常规定钢铁材料的循环基数料的循环基数N=107；非铁金；非铁金属的循环基数属的循环基数N=108；腐蚀介；腐蚀介质作用下的循环基数质作用下的循环基数N=106。 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 提高疲劳抗力的方法：设计上减提高疲劳抗力的方法：设计上减小应力集中；强化表面；降低表小应力集中；强化表面；降低表面粗糙度，减少热处理缺陷面粗糙度，减少热处理缺陷23断裂韧度断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆

20、性断裂的力学性能指标，是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：MPam 1/2 或者或者 MN m-3/2。应力强度因子应力强度因子KI =Y应用应用（判断构件是否安全，合理选材）（判断构件是否安全，合理选材） KI KIC 构件发生脆性断裂构件发生脆性断裂 KI KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件构件发生低应力脆性断裂的临界条件应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子

21、、大型发电机转子等。电机转子等。242.3.1 材料的物理性能材料的物理性能密度密度 熔点熔点 热膨胀性热膨胀性导电性导电性导热性导热性磁性磁性2.3.2 材料的化学性能材料的化学性能耐腐蚀性耐腐蚀性抗氧化性抗氧化性化学稳定性化学稳定性返返252.4.1 材料的铸造性能材料的铸造性能2.4.2 材料的锻造性能材料的锻造性能2.4.3 材料的焊接性能材料的焊接性能2.4.4 材料的切削加工性能材料的切削加工性能2.4.5 材料的热处理性能材料的热处理性能返返26返返金属在外力作用下会发生塑性变形。金属在外力作用下会发生塑性变形。塑性变形塑性变形是是强化金强化金属属的重要手段之一。的重要手段之一。

22、金属材料在熔炼浇注成铸锭后，通常要进行各种压力加金属材料在熔炼浇注成铸锭后，通常要进行各种压力加工，如轧制、挤压、冷拔、锻造及冲压等。如图所示。工，如轧制、挤压、冷拔、锻造及冲压等。如图所示。275万吨水压机万吨水压机28通过压力加工既可将金属材料加工成各种形状和尺寸的通过压力加工既可将金属材料加工成各种形状和尺寸的制品，还可改变材料的组织和性能。制品，还可改变材料的组织和性能。经过冷塑性变形的金属会产生组织和性能的变化，在加经过冷塑性变形的金属会产生组织和性能的变化，在加热过程中，又会使其组织发生回复、再结晶和晶粒长大热过程中，又会使其组织发生回复、再结晶和晶粒长大等一系列变化。等一系列变化

23、。了解上述过程的实质，了解各种影响因素及规律，对掌了解上述过程的实质，了解各种影响因素及规律，对掌握和改进金属材料的压力加工工艺，控制材料的组织和握和改进金属材料的压力加工工艺，控制材料的组织和性能，具有重要意义。性能，具有重要意义。29 外力使金属发生两类变形：外力使金属发生两类变形：弹性变形弹性变形：可逆，外力去除后：可逆，外力去除后 变形可完全恢复。变形可完全恢复。塑性变形塑性变形：不可逆，为永久变形。：不可逆，为永久变形。 单晶体受力后，外力在任何晶面单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。上都可分解为正应力和切应力。正应力：正应力：只能引起弹性变形及只能引起弹性变形及

24、 断裂。断裂。切应力：切应力：使金属晶体塑性变形。使金属晶体塑性变形。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锌单晶体拉伸试验锌单晶体拉伸试验 锌单晶体拉伸试验示意图锌单晶体拉伸试验示意图（a）变形前试样）变形前试样 （b）变形后试样）变形后试样 返回单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形 单晶体试样拉伸变形示意图返回单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形 金属单晶体的塑性变形有金属单晶体的塑性变形有“滑移滑移”与与“孪生（晶）孪生（晶）”等不等不同方式，但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。同方式，但一般大多数情况下都是以

25、滑移方式进行的。滑移：是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生滑移：是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动的过程。相对滑动的过程。1.1.滑移的表象（滑移的表象（滑移带）滑移带）2.2.滑移系滑移系3.滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动4. 滑移的位错机理滑移的位错机理返回1.1.滑移的表象（滑移的表象（滑移带）滑移带）发生了滑移的金属试样表面状态发生了滑移的金属试样表面状态:试样表面上会出现许多相试样表面上会出现许多相互平行的线条称为滑移带，每条滑移带是由互平行的线条称为滑移带，每条滑移带是由若干条若干条密集且相密集且相互平行的滑移线构成。互平行的滑移线构成。 滑移带

26、和滑移线示意图返回铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带1.1.滑移的表象滑移的表象如果将一个单晶体金属试样表面抛光后，经过伸长变形，再在金如果将一个单晶体金属试样表面抛光后，经过伸长变形，再在金相显微镜下观察，可以看到试样表面出现许多条纹，这些条纹就相显微镜下观察，可以看到试样表面出现许多条纹，这些条纹就是晶体在切应力的作用下，一部分相对于另一部分沿着一定的晶是晶体在切应力的作用下，一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移产生的台阶，这些面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移产生的台阶，这些条纹称为条纹称为“滑移线滑移线”。在更高倍的电子显微镜下观察，一个

27、滑移台阶实际上是一束滑移在更高倍的电子显微镜下观察，一个滑移台阶实际上是一束滑移线群的集合体，称为线群的集合体，称为“滑移带滑移带”。同时还能看到滑移带在晶体上。同时还能看到滑移带在晶体上的分布是不均匀的。的分布是不均匀的。单晶体变形时，滑移只在晶体内有限的晶面上进行，是不均匀的。单晶体变形时，滑移只在晶体内有限的晶面上进行，是不均匀的。因此单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一系列的滑移带，因此单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一系列的滑移带，其塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果在宏观上的体其塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果在宏观上的体现。现。返回2.滑移系滑移系 晶体上

28、的滑移带分布是不均匀的，即塑性变形时，位错只晶体上的滑移带分布是不均匀的，即塑性变形时，位错只沿一定的晶面和一定的晶向移动，并不是沿所有的晶面和晶向沿一定的晶面和一定的晶向移动，并不是沿所有的晶面和晶向都能移动的，这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方都能移动的，这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向，并且这些晶面和晶面都是晶体中的向，并且这些晶面和晶面都是晶体中的密排面和密排方向密排面和密排方向。因。因为密排面之间和密排方向之间的为密排面之间和密排方向之间的原子间距原子间距最大，其原子之间的最大，其原子之间的结合力最弱，所以在外力作用下最易引起相对的滑动。结合力最弱，所以在外力作用

29、下最易引起相对的滑动。 不同金属的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目不同金属的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目和位向不同，一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组和位向不同，一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组成一个成一个“滑移系滑移系”。所以不同晶体结构的金属，其滑移系的数所以不同晶体结构的金属，其滑移系的数目不同，如体心立方目不同，如体心立方12个，面心立方个，面心立方12个，密排六方个，密排六方3个，且个，且滑移系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，塑滑移系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，塑性不好，且相同滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越易滑性

30、不好，且相同滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越易滑移，塑性越好。移，塑性越好。 返回2.滑移系滑移系返回3.晶体在滑移过程中的转动晶体在滑移过程中的转动 单晶体试样在拉伸实验时，除了沿滑移面产生滑移外，晶单晶体试样在拉伸实验时，除了沿滑移面产生滑移外，晶体还会产生转动。因为晶体在拉伸过程，当滑移面上、下两部体还会产生转动。因为晶体在拉伸过程，当滑移面上、下两部分发生微小滑移时，试样两端的拉力（分发生微小滑移时，试样两端的拉力（正应力正应力）不再处于同一）不再处于同一直线上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面产生以外力方直线上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面产生以外力方向为转向，趋向于与外

31、力平行的转动。向为转向，趋向于与外力平行的转动。 可见在滑移过程中，由于晶体的转动，晶体的位向会发生可见在滑移过程中，由于晶体的转动，晶体的位向会发生变化，原来处于软取向滑移系，逐渐转向硬取向，使滑移困难，变化，原来处于软取向滑移系，逐渐转向硬取向，使滑移困难，这种现象这种现象“取向硬化取向硬化”；相反，原来硬取向的滑移系，将逐步；相反，原来硬取向的滑移系，将逐步趋于软位向，易于滑移，称为趋于软位向，易于滑移，称为“取向软化取向软化”。结果是滑移产生。结果是滑移产生转移。转移。 可见在滑移过程中可见在滑移过程中“取向软化取向软化”和和“取向硬化取向硬化”是同时进是同时进行的。行的。返回4.4.

32、滑移的位错机理滑移的位错机理晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。但晶体内晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体之间的整体相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体之间的整体刚性滑动，而是由于晶体内存在位错，因位错线两侧的原子偏刚性滑动，而是由于晶体内存在位错，因位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原子有力求达到平衡的趋势。离了平衡位置，这些原子有力求达到平衡的趋势。l晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临

33、界切移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作应力小，这种现象称作位错的易动性。位错的易动性。当晶体受外力作用时，位错（刃型位错）将沿着一定的晶面和当晶体受外力作用时，位错（刃型位错）将沿着一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个原子原子间距间距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动到晶体的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动到晶体表面所形成的台阶。表面所形成的台阶。返回4.4.滑移的位错机理滑移的位错机理 滑移机理示意图返回4.4.滑移的位错机理滑移的位错机理 弗兰克-瑞德位错

34、增殖机制返回4142 孪生孪生 孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称 孪生面。孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。 43 与滑移相比：与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变；孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快变形速度极快, 接近声速接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。孪生时相邻原子面

35、的相对位移量小于一个原子间距。44密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方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。奥氏体不锈钢中退火孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶钛合金六方相中的形变孪晶452.5.2 实际金属的塑性变形及强化

36、实际金属的塑性变形及强化单个晶粒变形与单晶体相似，多单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形比单晶体复杂。晶体变形比单晶体复杂。（1）多晶体塑性变形的特点）多晶体塑性变形的特点晶界阻碍位错运动晶界阻碍位错运动当位错运动到晶界附近时，受到当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行的塞积。要使变形继续进行, 则则必须增加外力必须增加外力, 从而使金属的变从而使金属的变形抗力提高。形抗力提高。46晶粒间的协调性（晶粒间的协调性（晶粒位向的影响）晶粒位向的影响） 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发

37、生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的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提高。塑性变形抗力提高。各晶粒变形不同时各晶粒变形不同时处于软位向的晶粒先发生滑移，处于硬位向的晶处于软位向的晶粒先发生滑移，处于硬位向的晶粒通过晶粒转动形成软位向后发生滑移。粒通过晶粒转动形成软位向后发生滑移。47（2）晶粒大小对金属力学性能的

38、影响（）晶粒大小对金属力学性能的影响（细晶强韧化细晶强韧化）金属的晶粒越细，其强度、硬度、塑性、韧性越高。金属的晶粒越细，其强度、硬度、塑性、韧性越高。因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要因为金属晶粒越细，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，使金属塑性变形的抗力越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，总的塑性变形量越大。高，总的塑性变形量越大。晶粒大小与金属强度关系晶粒大小与金属强度关系Cu-Zn合金48（3 3）合金的塑性变形与强化）合金的塑性变形与强化 合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种。合金合金可根据组织分为单相固溶

39、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。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49单相固溶体合金组织与纯金属相同，其单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称为度提高，塑性、韧性下降，称为固溶强固溶强化。化。产生固溶强化的产生固溶强化的原因原因：溶质原子与：溶质原子与位错相互作用。溶质原子不仅使晶位错相互作用。溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错格发生畸变，而且易被吸附在位错附近

40、形成柯氏气团，使位错被钉扎附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，从而使变形抗力提高。住，从而使变形抗力提高。 单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化50 当合金的组织由多相混合物组成时，当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变形除与合金基体的性质有关合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、形态、大小、数外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。量和分布有关。 第二相可以是纯金属、固溶体或化合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。物，工业合金中第二相多数是化合物。 多相合金的塑性变形与弥散强化多相合金的塑性变形与

41、弥散强化当在晶界呈当在晶界呈网状分布网状分布时，对合金的强时，对合金的强度和塑性不利。度和塑性不利。当在晶内呈当在晶内呈片状分布片状分布时，可提高强度、时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性。硬度，但会降低塑性和韧性。珠光体珠光体51当在晶内呈颗粒状当在晶内呈颗粒状弥散分布弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称种强化方法称弥散强化或沉淀强化弥散强化或沉淀强化。弥散强化的原因：硬的颗粒不易被切变，阻碍了位错的运弥散强化的原因：硬的颗粒不易被切变，阻碍了位错的运动

42、，提高了变形抗力。动，提高了变形抗力。52塑性变形对组织结构的影响塑性变形对组织结构的影响 1、金属发生塑性变形时，不仅、金属发生塑性变形时，不仅外形外形发发生变化，而且其生变化，而且其内部的晶粒也相应地内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。被拉长或压扁。当变形量很大时，晶当变形量很大时，晶粒将被拉长为粒将被拉长为纤维纤维状，晶界变得模糊状，晶界变得模糊不清。不清。l2、塑性变形还使晶粒、塑性变形还使晶粒破碎为破碎为亚晶粒亚晶粒。变形前变形前变形后变形后535%冷变形纯铝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%543、由于晶粒的转动，、由于晶粒的

43、转动，当当塑性塑性变形达到一定程度时，会变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称种现象称形变织构形变织构或或择优取向择优取向。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55 一、加工硬化一、加工硬化随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称性下降的现象称加工硬化。加工硬化。冷塑性变形量，冷塑性变形量，%屈服强度，屈服强度，MPa40钢钢(0.4%C)黄铜黄铜铜铜冷塑性变形量，冷塑性变形量，%伸长率，伸长率，%40钢钢(0.4%C)黄

44、铜黄铜铜铜56 产生加工硬化的原因是产生加工硬化的原因是:1、 随变形量增加随变形量增加, 位错密度位错密度增加，由于位错之间的交互作增加，由于位错之间的交互作用用(堆积、缠结堆积、缠结)，使变形抗力，使变形抗力增加，增加，位错强化位错强化。 2. 随变形量增加，亚结构细化随变形量增加，亚结构细化3. 随变形量增加随变形量增加, 空位密度增加空位密度增加4. 几何硬化：由晶粒转动引起几何硬化：由晶粒转动引起意意义义一一种种强强化化手手段段冷冷加加工工成成形形得得以以顺顺利利进进行行性，性，改改善善切切削削性性能能使使进进一一步步塑塑性性变变形形困困难难退退火火57意义意义 一种强化手段一种强化

45、手段 冷加工成形得以顺利进行冷加工成形得以顺利进行 使材料具有过载能力，使用安全使材料具有过载能力，使用安全 可降低塑性，改善切削性能可降低塑性，改善切削性能 使进一步塑性变形困难使进一步塑性变形困难退火退火变形变形20%纯铁中的位错纯铁中的位错未变形纯铁未变形纯铁58l纤维组织、形变织构使金属纤维组织、形变织构使金属呈现各向异性。呈现各向异性。有有形变织构形变织构的金属的金属在深冲零件时，易产在深冲零件时，易产生生“制耳制耳”现象，使零件边现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率可提高硅钢片的导磁率100。各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳

46、制耳”有有无无59内应力内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部内部变形不均匀而引起的。变形不均匀而引起的。l金属发生塑性变形时，外力所做的功只有金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力转化为内应力残留于金属中。内应力分为三类：残留于金属中。内应力分为三类：l第一类内应力第一类内应力平衡于表面与心部之间平衡于表面与心部之间 (宏观内应力宏观内应力).l第二类内应力第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间 (微观内微观内应力应力)。l第三类内应力第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力是由

47、晶格缺陷引起的畸变应力(晶格畸变内应力晶格畸变内应力).。 60第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化金属强化的的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。l内应力的存在，内应力的存在，使金属耐蚀性下降，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬引起零件加工、淬火过程中的火过程中的变形和开裂变形和开裂，使金属处于不稳定状态。因此，使金属处于不稳定状态。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降处理，以消除或降低内应力。低内应力。612.6.1 冷变形金属在

48、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变化 金属经冷变形后金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生发生回复、再结晶回复、再结晶和和晶粒长大。晶粒长大。 加热温度加热温度 黄铜黄铜返返62 1、回复、回复 回复回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错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

49、化。如近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其空位与其他缺陷合并、他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少缺陷数量减少等。等。 在回复阶段，组织变化不明显，在回复阶段，组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。高，但内应力、电阻率等显著下降。工业工业上常利用回复现象将冷变形金属上常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳低温加热，既稳定组织又保留加工硬定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称化，这种热处理方法称去应力退火去应力退火。63 2、 再结晶再结晶当变形金属被加热到较

50、高温度时，由于原子活动能力增当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为由破碎拉长的晶粒变为完整的完整的等轴晶粒等轴晶粒。580C保温保温8秒后的组织秒后的组织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64由于再结晶后组织的复原，由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化塑性、韧性提高，加工硬化消失。消失。再结晶也是晶核形成和长大的再结晶也是晶核形成和长大的过程，

51、但过程，但不是相变过程，不是相变过程，再结再结晶前后晶粒的晶格类型和成分晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。完全相同。生产中，把消除加工硬化生产中，把消除加工硬化的热处理称为的热处理称为再结晶退火再结晶退火。65再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称发生再结晶的最低温度称再结晶再结晶温度。温度。纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系：纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系： T再再（K）0.4T熔熔（K）如如Fe的的T再再=(1538+273)0.

52、4273=451663、再结晶后的晶粒长大、再结晶后的晶粒长大再结晶完成后，若继续升温或延长保温时间，再结晶完成后，若继续升温或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发过程。将发生晶粒长大，这是一个自发过程。580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580580C C保温保温1515分后的组织分后的组织黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大671、加热温度和保温时间、加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。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68 2、预先变形度、预先变形度 预先变形度的影响，实质上是