机械工程材料课件(从塑性变形和再结晶开始)

1、轧制轧制模锻模锻拉拔拉拔第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶第一节第一节 金属的变形过程金属的变形过程第二节第二节 塑性变形对金属组织塑性变形对金属组织第三节第三节 金属的回复与再结晶金属的回复与再结晶第四节第四节 金属的热加工金属的热加工第五节第五节 金属的断裂金属的断裂与性能的影响与性能的影响材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为化，称为变形变形。外力去除后外力去除后能够恢复能够恢复的的变形称为变形称为弹性变形弹性变形。外力去除后外力去除后不能恢复不能恢复的的变形称为变形称为塑性变形塑性变形。第一节第一节 金属的变形过程金属的

2、变形过程一、金属的弹性变形一、金属的弹性变形PPPP原子间作用力与原子间距的关系原子间作用力与原子间距的关系金属弹性变形主要的三个特点：金属弹性变形主要的三个特点：1、可逆性；、可逆性；2、变形量小；、变形量小；3、应力应变呈线性关系：、应力应变呈线性关系：=E=E. .弹性模量取决于原子间结合力弹性模量取决于原子间结合力二、金属的塑性变形二、金属的塑性变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片光滑试样在拉伸光滑试样在拉伸过程中，表面会过程中，表面会出现许多相平行出现许多相平行的倾斜线条的痕的倾斜线条的痕迹，称迹，称滑移带。滑移带。滑移：一部分滑移：一部分晶体沿着某一晶体沿着某一晶面和晶向相晶面和晶

3、向相对于另一部分对于另一部分晶体滑动晶体滑动,滑移滑移带间的晶体结带间的晶体结构未发生改变。构未发生改变。1、外力在单晶体任何晶、外力在单晶体任何晶面上都可分解为面上都可分解为正应正应力力和和切应力切应力。正应力正应力引起弹性变形引起弹性变形及解理断裂。及解理断裂。切应力切应力的作用下金属的作用下金属晶体产生塑性变形。晶体产生塑性变形。外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片滑移变形特点：滑移变形特点：2、滑移常沿晶体中、滑移常沿晶体中原子密度原子密度最大的晶面和晶向最大的晶面和晶向发生。发生。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移滑移

4、面面和和滑移方向滑移方向。通常是晶体中的密排面和。通常是晶体中的密排面和密排方向。密排方向。 一个滑移面和一个滑移面和其上的一个滑其上的一个滑移方向构成一移方向构成一个个滑移系滑移系。体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格110111110111晶格晶格滑移面滑移面滑移滑移方向方向滑移系滑移系三种典型金属晶格的滑移系三种典型金属晶格的滑移系滑移系越多，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。性也越好。金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。体心立方晶

5、格好于密排六方晶格。3、滑移的结果在晶体表面形成台阶，称、滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑滑移线移线，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。 铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带压缩时晶体滑移转动示意图4、两部分晶体的转动、两部分晶体的转动转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。量组成了力偶。A0A1FF晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少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，因而所需临界切应力小，这种

6、现象称作间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错位错的易动性的易动性。滑移的机理滑移的机理PP刃位错的运动晶体滑移所需的晶体滑移所需的最小切应力最小切应力实际是滑移面内实际是滑移面内位错移动时所需的力位错移动时所需的力，又称，又称位错移动的临界位错移动的临界应力。应力。单晶体的位错移动临界应力取决于：单晶体的位错移动临界应力取决于：金属本金属本性性（原子间结合力和晶体结构类型等）、（原子间结合力和晶体结构类型等）、位位错数量错数量、位错与点缺陷和线缺陷的相互作用位错与点缺陷和线缺陷的相互作用。多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形晶界的影响晶界的影响位错运动到晶界附近时位错运动到晶界附近

7、时,受到晶界的阻碍而堆积起受到晶界的阻碍而堆积起来来,称称位错的塞积位错的塞积。要使变形继续进行要使变形继续进行, 则必须则必须增加外力增加外力, 从而使金属的变从而使金属的变形抗力提高。形抗力提高。Cu-4.5Al合金晶界的合金晶界的位错塞积位错塞积金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。晶粒大小与金属强度关系晶粒大小与金属强度关系金属的晶粒越细，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。第二节第二节 塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响 一、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性一、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性金属在较

8、大的塑性变形后，金属在较大的塑性变形后，内部晶粒会被拉长成为细内部晶粒会被拉长成为细条状或纤维状，这种组织条状或纤维状，这种组织称称纤维状组织纤维状组织。性能各向异性。性能各向异性。如：纵向强度和塑如：纵向强度和塑性远大于横向。性远大于横向。(a) 正火态正火态(c) 变形变形80%(b) 变形变形40%位错密度增加，导致金属强度和硬度的提高，塑位错密度增加，导致金属强度和硬度的提高，塑性和韧性下降，称为性和韧性下降，称为加工硬化加工硬化或或形变强化形变强化。二、位错密度增加，产生加工硬化二、位错密度增加，产生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，

9、%伸长率，%1040钢(0.4%C)黄铜铜v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，位错密度增加，由于位错之间随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交互作用的交互作用(堆积、缠结堆积、缠结)，使变形抗力增加，使变形抗力增加. 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v2. 随变形量增加，亚结构细化随变形量增加，亚结构细化v3. 随变形量增加，随变形量增加， 空位密度增加空位密度增加v4. 几何硬化：由晶粒转动引起几何硬化：由晶粒转动引起加工硬化使一些压力加工硬化使一些压力加工工艺得以实现。加工工艺得以实现。加工硬化不利的一面：加工硬化不利的一面：1、增

10、加继续变形的动力；、增加继续变形的动力；2、冷变形过程中需中间处理工艺，增加、冷变形过程中需中间处理工艺，增加生产周期；生产周期；3、改变物化性能，如电阻增加，抗腐蚀、改变物化性能，如电阻增加，抗腐蚀能力减弱。能力减弱。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由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会由于晶粒的转动，当塑性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，使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称这种现象称变形织构变形织构或或择优取向择优取向。三、织构现象的产生三、织构现象的产生形变织构使金属呈现形变织构使金属呈现各向异性各向异性，在深

11、冲零件时，易，在深冲零件时，易产生产生“制耳制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳”有有无无v残余内应力：塑性变形时，各部分不均匀变形残余内应力：塑性变形时，各部分不均匀变形引起的应力。引起的应力。第一类内应力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 (宏观内应宏观内应力力)；第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间之间 (微观内应力微观内应力)；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。 四、残余内应力四、残余内应力

12、第三节第三节 金属的回复与再结晶金属的回复与再结晶加热温度加热温度 黄铜黄铜金属经冷变形后，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， 有有自发恢复到稳定状态的倾向。自发恢复到稳定状态的倾向。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。回复、再结晶和晶粒长大。v回复回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点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。缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。 内应力显著降低；点缺陷显著减少；位错密度内应力显著降低；点缺陷显著减少；位错密度变化小，但排列向

13、稳定阶段过渡。变化小，但排列向稳定阶段过渡。回复回复点阵畸变消除点阵畸变消除，内应力显著，内应力显著降低，强度和硬度略有降低。降低，强度和硬度略有降低。回复退火又称回复退火又称去应力退火去应力退火，常用于去除冷加工金属件内常用于去除冷加工金属件内的残余内应力。的残余内应力。 再结晶再结晶铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热变形金属被加热到较变形金属被加热到较高温度时，由于高温度时，由于原子原子活动能力增大活动能力增大，晶粒，晶粒的形状开始发生变的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒变为完整的等轴晶粒。粒。这种冷变形组织在加这种冷变形组织在加热

14、时重新彻底改变的热时重新彻底改变的过程称过程称再结晶再结晶。再结晶也是一个晶核形成再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后变过程，再结晶前后新旧新旧晶粒的晶格类型和成分完晶粒的晶格类型和成分完全相同全相同。冷变形奥氏体不锈钢加热冷变形奥氏体不锈钢加热时的再结晶形核时的再结晶形核SEM-再结晶晶粒在原再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核变形组织晶界上形核TEM-再结晶晶粒形核再结晶晶粒形核于高密度位错基体上于高密度位错基体上与结晶区别：没有新相生成。与结晶区别：没有新相生成。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

15、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再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大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，将发生晶粒长大，这间，将发生晶粒长大，这是一

16、个自发的过程。是一个自发的过程。晶粒的长大是晶粒的长大是通过晶界迁移通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低其是塑性和韧性降低 。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

17、组织再结晶温度再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度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，开始，在一个温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温度再结晶温度。或变形量或变形量70%以上的金属，以上的金属，1h保温后能够保温后能够完全再结晶的温度。完全再结晶的温度。T再再与与的关系的关系影响再结晶温度的因素影响再结晶温度的因素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0.35-0.4T熔熔 （绝对温度）（绝对温度）l金属熔点越高金属熔点越高, T再再也越高也越高.T

18、再再 = (T熔熔+273)0.4273，如，如Fe的的T再再=(1538+273)0.4273=4511、金属的预先变形程度、金属的预先变形程度金属预先变形程度越大，金属预先变形程度越大， 再结晶温度越低。当变再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称值，称最低再结晶温度最低再结晶温度。2、金属的纯度、金属的纯度金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元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，使再结晶温度素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高显著提高.3、再结晶加热速度和加热时间、再结晶加热速

19、度和加热时间l提高加热速度提高加热速度会使再结晶推迟到会使再结晶推迟到较高温度较高温度发生；发生； 延长加热时间延长加热时间, 使原子扩散充分使原子扩散充分, 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生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退再结晶退火火。再结晶退火温度比再结晶温度高。再结晶退火温度比再结晶温度高100200。 黄铜黄铜580C保温保温8秒后的组织秒后的组织黄铜黄铜580C保温保温15分后的组织分后的组织影响再结晶退火后晶粒度的因素 1、加热温度加热温度和保温时间和保温时间加热温度越高加热温度越高，保温时间越，保温时间越长，金属的长，金属的晶粒越粗大晶

20、粒越粗大，加，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预先变形度的影响，实质是变形均匀程度的影响。预先变形度的影响，实质是变形均匀程度的影响。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、预先变形度当变形达到当变形达到2-10%2-10%时，时，只有部分晶粒变形，变只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶形极不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大相吞并和长大, ,再结晶再结晶后晶粒特别粗大，这个后晶粒特别粗大，这个变形度称变形度称临界变形度临界变形度。变形度很小时，晶格畸变

21、小，不足以引起再结晶。变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。当超过临界变形度后，当超过临界变形度后，随变形程度增加，变随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。之后，晶粒度基本不变。 3%变形后变形后经经550退退火火6%变形后变形后经经550退退火火9%变形后变形后经经550退退火火12%变形变形后经后经550退火退火15%变形变形后经后经550退火退火冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响（纯铝片试样）冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响

22、（纯铝片试样）第四节第四节 金属的热加工金属的热加工 一、冷加工与热加工的区别一、冷加工与热加工的区别随温度升高，金属的强度、硬度下降，而塑性升高。随温度升高，金属的强度、硬度下降，而塑性升高。模锻模锻拉拔拉拔冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再低于再结晶温度的加工称为结晶温度的加工称为冷加工冷加工，而高于再结晶温度的，而高于再结晶温度的加工称为加工称为热加工热加工。如如 Fe 的再结晶温度为的再结晶温度为451，其在，其在400 以以下的加工仍为冷加工。而下的加工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为的再结晶温度为-71，则其在室温下的加工为热加工

23、。，则其在室温下的加工为热加工。热加工时产生的热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。，因而热加工不会带来加工硬化效果。巨型自由锻件巨型自由锻件热加工对金属组织和性能的影响热加工对金属组织和性能的影响 v1、热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊、热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使使组织致密、成分均匀、晶粒细化，使金属性组织致密、成分均匀、晶粒细化，使金属性能呈现各向异性能呈现各向异性。 锻压锻压热加工动态再热加工动态再结晶示意图结晶示意图2、热

24、加工使铸态金属、热加工使铸态金属中的中的非金属夹杂沿变非金属夹杂沿变形方向拉长形方向拉长，形成彼，形成彼此平行的宏观条纹，此平行的宏观条纹，称作称作流线流线，由这种流，由这种流线体现的组织称线体现的组织称纤维纤维组织组织。 它使钢产生各向异性，它使钢产生各向异性，制定加工工艺时，应制定加工工艺时，应使流线尽量与拉应力使流线尽量与拉应力方向一致。方向一致。 滚压成型后螺纹内部的纤维分布滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊钩中的纤维组织吊钩中的纤维组织v在加工亚共析钢时，在加工亚共析钢时，发现钢中的发现钢中的F与与P呈呈带状分布，这种组织带状分布，这种组织称称带状组织带状组织。l降低强度和韧性，降低强度

25、和韧性，可通过多次正火或可通过多次正火或扩散退火消除扩散退火消除.正火组织正火组织带状组织带状组织v热加工能量消耗小，热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下变形量大、在室温下加工困难的工件。加工困难的工件。v而冷加工一般用于而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。度要求高的工件。蒸汽蒸汽- -空气锤空气锤金属的冷热加工模锻模锻自由锻自由锻轧制轧制正挤压正挤压反挤压反挤压拉拔拉拔冲压冲压第五节第五节 金属的断裂金属的断裂根据材料断裂前所产生的宏观塑性变形量

26、大小确根据材料断裂前所产生的宏观塑性变形量大小确定断裂类型，分为定断裂类型，分为韧性断裂韧性断裂与与脆性断裂脆性断裂。根据裂纹扩展路径，分为根据裂纹扩展路径，分为穿晶断裂穿晶断裂与与沿晶断裂沿晶断裂。韧性断裂的特征是断裂前发生明显宏观塑性变形，韧性断裂的特征是断裂前发生明显宏观塑性变形，断口断口呈暗灰色纤维状呈暗灰色纤维状。脆性断裂的特征是无明显宏观塑性变形，断口平脆性断裂的特征是无明显宏观塑性变形，断口平齐而光亮，常齐而光亮，常呈人字纹或放射花样呈人字纹或放射花样。韧性断口韧性断口脆性解理断口脆性解理断口韧性断口：暗灰色纤韧性断口：暗灰色纤维状。维状。脆性断口：呈人字纹脆性断口：呈人字纹或放

27、射花样。或放射花样。TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板第四章第四章 评价金属材料在应力、评价金属材料在应力、介质作用下的性能指标介质作用下的性能指标v零件工作条件：应力零件工作条件：应力(载荷载荷)、介质及温度。、介质及温度。v载荷：静载荷、动载荷、冲击载荷及摩擦。载荷：静载荷、动载荷、冲击载荷及摩擦。v结构强度：指零件短时承载能力及长期的使用寿结构强度：指零件短时承载能力及长期的使用寿命，受结构、材料

28、、加工工艺等因素影响。命，受结构、材料、加工工艺等因素影响。第一节第一节 金属材料在静载荷作用下的金属材料在静载荷作用下的第二节第二节 金属材料在其它载荷金属材料在其它载荷第三节第三节 金属的缺口效应与性能指标金属的缺口效应与性能指标第四节第四节 金属的磨损与接触疲劳金属的磨损与接触疲劳第五节第五节 应力腐蚀与氢脆应力腐蚀与氢脆作用下的性能指标作用下的性能指标性能指标性能指标第一节第一节 金属材料在静载荷作用下的性能指标金属材料在静载荷作用下的性能指标静载荷静载荷是指作用于材料上的载荷方向与作用时是指作用于材料上的载荷方向与作用时间无关的载荷。间无关的载荷。单向单向的拉伸、压缩、弯曲、扭转等。

29、的拉伸、压缩、弯曲、扭转等。静载荷作用下，金属材料将发生静载荷作用下，金属材料将发生弹性变形弹性变形、塑塑性变形性变形及及断裂断裂三个基本过程。三个基本过程。机械性能机械性能是指材料在外力作用时是指材料在外力作用时抵抗变形和破抵抗变形和破坏的能力坏的能力。刚性刚性(刚度刚度)、弹性弹性、强度强度和和塑性塑性等。等。低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸试验机拉伸试验机应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l0长试样：长试样：L0=10d0短试样：短试样：L0=5d01、刚度、刚度v刚度刚度：材料受力时抵抗弹：材料受力时抵抗弹性变形的能力。性变形的能力。刚度指标刚度指标为

30、弹性模量为弹性模量E E。 e(2)(2)增加横截面积或减小长度可提高零件刚度。增加横截面积或减小长度可提高零件刚度。 (1)(1)弹性模量的大小主要取决于弹性模量的大小主要取决于材料的本性材料的本性，除，除随随温度升高而逐渐降低温度升高而逐渐降低外，其他强化手段如热处理、外，其他强化手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。）（MPatgE 0 00 00 00 0L LF FE EL LF FL LP PQ Q2、弹性、弹性v弹性弹性：材料在载荷作：材料在载荷作用下产生变形，载荷用下产生变形，载荷去除后，变形可消失去除后，变形可消失而恢复

31、原状的性能。而恢复原状的性能。 ev弹性指标弹性指标为弹性极限或为弹性极限或比例极限比例极限 P P( (材料承受最材料承受最大弹性变形时的应力。大弹性变形时的应力。) )(0MPaFPpPp弹性极限弹性极限e e：开始产生塑性：开始产生塑性变形的抗力。变形的抗力。国标规定弹性极限国标规定弹性极限0.010.01：残残余伸长率余伸长率为为0.01%0.01%的应力。的应力。)(0MPaFPee3、强度、强度强度（塑变抗力）强度（塑变抗力）：材料在载：材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能荷作用下抵抗变形和破坏的能力。包括：力。包括：屈服强度屈服强度和和抗拉强度抗拉强度s屈服强度屈服强度 s：材料发

32、生微量塑性变形时的应力值。：材料发生微量塑性变形时的应力值。拉伸过程中，出现载荷不增加或开始下降，而试样拉伸过程中，出现载荷不增加或开始下降，而试样还继续伸长的现象称还继续伸长的现象称屈服现象。屈服现象。屈服时对应的应力为屈服时对应的应力为屈服点屈服点或或屈服强度屈服强度，又称，又称屈服屈服极限极限。条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形量为残余变形量为0.2%时的应力值时的应力值)(0MPaFPSS0.2抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前：材料断裂前所承受的最大应力值。所承受的最大应力值。s拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象)(0MPaFPbb抗拉强度抗拉强度的物理意义的物理意义：表征材

33、料对最：表征材料对最大均匀变形的抗力，是材料在拉伸条大均匀变形的抗力，是材料在拉伸条件下所能承受的最大载荷的应力值。件下所能承受的最大载荷的应力值。试样断裂时的载荷为试样断裂时的载荷为断裂载荷断裂载荷Pk，此，此时的断面面积为时的断面面积为Fk。)(MPaFPSkkk塑性塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 伸长率：伸长率：%100001 lll %100010 FFF 断面收缩率：断面收缩率：断裂后断裂后指标为：指标为：4、塑性、塑性说明：说明： 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 直径直径d0

34、 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为为 常数时，塑性值才有可比性。常数时，塑性值才有可比性。当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 10 表示；表示；当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 10 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征除刚度外，均为组织敏感性指标。除刚度外，均为组织敏感性指标。静载荷还包括其他的指标。静载荷还包括其他的指标。抗压强度抗压强度扭转比例极限扭转比例极限扭转屈服极限扭转屈服极限扭转强度极限扭转强度极限硬度硬度：材料抵抗外来物体嵌入的能力，或

35、抵抗表面：材料抵抗外来物体嵌入的能力，或抵抗表面局部塑性变形的能力。局部塑性变形的能力。常用检测方法：常用检测方法：布氏硬度布氏硬度、洛氏硬度洛氏硬度和和维氏硬度维氏硬度。布氏硬度计布氏硬度计5、硬度、硬度v布氏硬度布氏硬度HBHB 布氏硬度压痕布氏硬度压痕)(2102. 022dDDDPHB v压头为压头为钢球钢球时，布氏硬度用符号时，布氏硬度用符号HBS表示表示;v压头为压头为硬质合金球硬质合金球时，用符号时，用符号HBW表示。表示。符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值之前的数字表示硬度值, 符号符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载

36、荷保持时间。载荷保持时间。如如:120HBS10/1000/30 表表示直径为示直径为10mm的钢的钢球在球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持）载荷作用下保持30s测测得的布氏硬度值为得的布氏硬度值为120。v布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。v缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。比压头还硬的材料。v适于测量退火、正火、调质钢，适于测量退火、正火、调质钢， 铸铁及有色铸铁及有色金属的硬度。金属的硬度。v材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢:

37、 b(MPa)0.36HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b(MPa)0.34HB洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计v洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示表示v根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为用的标尺为A、B、C。 v符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如如有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正

38、火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕v维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。载荷保持时间。v根据载荷范围不同，规定了

39、三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度试验。v维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为指标为冲击韧性值冲击韧性值ak(通过冲击实验测得通过冲击实验测得)。第二节第二节 金属材料在其他载荷作用下的性能指标金属材料在其他载荷作用下的性能指标一、冲击载荷作用下的性能指标一、冲击载荷作用下的性能指标冲击载荷作用与静载荷作用相比：冲击载荷作用与静载荷作用相比：与静载荷作用类

40、似：材料表现出弹性变形、与静载荷作用类似：材料表现出弹性变形、塑性变形和断裂。塑性变形和断裂。与静载荷作用差别：加速度大，塑性变形不与静载荷作用差别：加速度大，塑性变形不充分，有脆断倾向。充分，有脆断倾向。韧性韧性代表材料在破坏或断裂时在单位体积内所能代表材料在破坏或断裂时在单位体积内所能吸收的能量大小。吸收的能量大小。)/(/2cmJFAkkk韧脆转变温度v材料的冲击韧性随材料的冲击韧性随温度下降而下降。温度下降而下降。韧发生韧脆转变的温度范围称发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度温度。材料的。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。使用温度应高于韧脆转变温度。在某一温度范围内冲在某一温度

41、范围内冲击韧性值急剧下降的击韧性值急剧下降的现象称现象称韧脆转变韧脆转变。材料在低于屈服极限材料在低于屈服极限 s的重复的重复交变应力交变应力作用下发作用下发生断裂的现象称生断裂的现象称疲劳疲劳。二、交变载荷作用下的性能指标二、交变载荷作用下的性能指标s特点特点1、疲劳破坏的应力低。甚至低于弹性极限。、疲劳破坏的应力低。甚至低于弹性极限。2、在交变应力下产生。若干次的交变应力下完成。、在交变应力下产生。若干次的交变应力下完成。3、宏观脆性断裂，需用特殊的探伤设备检测。、宏观脆性断裂，需用特殊的探伤设备检测。4、局部组织发生变化。、局部组织发生变化。5、疲劳断口分为两部分。、疲劳断口分为两部分。

42、光滑的疲劳裂纹扩展区光滑的疲劳裂纹扩展区最后突然断裂区最后突然断裂区6、循环应力循环应力造成局部塑性变形而引起开裂；造成局部塑性变形而引起开裂；拉伸应力拉伸应力促进裂纹扩展。促进裂纹扩展。7、疲劳断裂三阶段：、疲劳断裂三阶段：裂纹形成裂纹形成、裂纹扩展裂纹扩展和和最终失稳扩展最终失稳扩展。8、在应力对称系数相同时，应力振幅越大，、在应力对称系数相同时，应力振幅越大，断前循环次数越少。断前循环次数越少。循环次数循环次数/N疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图当应力低于一定值，应当应力低于一定值，应力交变到无数次也不发力交变到无数次也不发生疲劳断裂，此应力为生疲劳断裂，此应力为材料的疲劳极限材料的疲劳极限

43、-1-1，即即疲劳抗力的性能指标。疲劳抗力的性能指标。曲线倾斜部分表明了材料的曲线倾斜部分表明了材料的过负载持久值过负载持久值。曲线倾斜越陡峭，过负载持久值越大，负载曲线倾斜越陡峭，过负载持久值越大，负载抗力越大。抗力越大。第三节第三节 金属的缺口效应与断裂韧性金属的缺口效应与断裂韧性缺口尺寸小于临界值缺口尺寸小于临界值asc时：缺口试样的抗时：缺口试样的抗拉强度拉强度 bn大于屈服极大于屈服极限限 s，试样表现宏观，试样表现宏观塑性断裂。塑性断裂。缺口尺寸大于临界值缺口尺寸大于临界值asc时：时： bn小小于屈服极于屈服极限限 s，试样不产生宏试样不产生宏观塑性断裂。观塑性断裂。缺口为降低材

44、料韧性的一个脆化因素。缺口为降低材料韧性的一个脆化因素。缺口改变受力条件，引起应力集中，导致裂纹出缺口改变受力条件，引起应力集中，导致裂纹出现、扩展和最后断裂。现、扩展和最后断裂。缺口越大，断裂所需的应力越小。缺口越大，断裂所需的应力越小。造成两向或三向应力造成两向或三向应力yxz、 x z yPP材料强度越高，材料强度越高，缺口顶端愈尖，缺口顶端愈尖，愈容易产生脆性愈容易产生脆性断裂。断裂。缺口试样的拉伸试验缺口试样的拉伸试验评价材料对缺口的敏感程度：评价材料对缺口的敏感程度：在光滑拉伸试样的基础上开一个缺口进行拉伸在光滑拉伸试样的基础上开一个缺口进行拉伸试验。试验。NSR1 b用缺口试样的

45、用缺口试样的抗拉强抗拉强度度 bn与光滑试样的与光滑试样的抗抗拉强度拉强度 b之比来表示。之比来表示。NSR= bn/ b断裂韧性断裂韧性大尺寸的构件和零件会发生低应力脆断，而大尺寸的构件和零件会发生低应力脆断，而导致灾难性后果。导致灾难性后果。其原因：内部存在裂纹及类似裂纹的缺陷。其原因：内部存在裂纹及类似裂纹的缺陷。 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北极星导弹北极星导弹aYKCICYac2/1)(12/1)( ac断裂韧性断裂韧性KIC：材料抵抗内材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。部裂纹失稳扩展的能力。含裂纹试样含裂纹试样实际断裂应力实际断裂应力C C低于无裂纹试样低于无裂

46、纹试样。裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式对于特定工艺状态下的对于特定工艺状态下的材料：材料：对于选定的材料，裂纹大小（对于选定的材料，裂纹大小（a）一定，）一定，Y值一定，值一定，此时此时KIC越大，越大，C C越大，材料越不易发生脆断。越大，材料越不易发生脆断。第四节第四节 金属的磨损与接触疲劳金属的磨损与接触疲劳一、金属的磨损一、金属的磨损相互接触的零件间产生摩擦，由于表面产生物相互接触的零件间产生摩擦，由于表面产生物理、化学及力的作用，导致零件形状和尺寸的理、化学及力的作用，导致零件形状和尺寸的变化，从而产生磨损。变化，从而产生磨损。产生磨损的过程：产生磨损的过程：摩擦是磨损的起因，

47、磨损是摩擦的必然结果。摩擦是磨损的起因，磨损是摩擦的必然结果。按磨损的破坏机理，磨损可分为：按磨损的破坏机理，磨损可分为：粘着磨损粘着磨损、磨粒磨损磨粒磨损和和腐蚀磨损。腐蚀磨损。1、粘着磨损、粘着磨损(咬合磨损咬合磨损)粘着点的形成和破坏造成了粘粘着点的形成和破坏造成了粘着磨损。着磨损。齿轮表面的粘着磨损齿轮表面的粘着磨损条件：接触应力大、无润滑或条件：接触应力大、无润滑或润滑条件差。润滑条件差。2、磨粒磨损、磨粒磨损(磨料磨损磨料磨损)条件：摩擦副硬度相差较大或两摩擦面间存在硬条件：摩擦副硬度相差较大或两摩擦面间存在硬度大的颗粒。度大的颗粒。特征：接触面上有明显的切削痕迹。特征：接触面上有

48、明显的切削痕迹。齿轮表面的磨粒磨损齿轮表面的磨粒磨损白色块状为白色块状为WC质点质点磨粒磨损表面形貌磨粒磨损表面形貌3、腐蚀磨损、腐蚀磨损条件：存在摩擦面与腐蚀环境条件：存在摩擦面与腐蚀环境的交互作用。的交互作用。两个阶段：两个阶段：(1)两摩擦表面和环境反应，反应结果是在两个两摩擦表面和环境反应，反应结果是在两个摩擦表面形成结合较弱的反应物；摩擦表面形成结合较弱的反应物；(2)摩擦表面相互接触时，反应产物受力而形成摩擦表面相互接触时，反应产物受力而形成裂纹，最后被磨去。裂纹，最后被磨去。齿轮表面的腐蚀磨损齿轮表面的腐蚀磨损利用利用耐磨性耐磨性评价材料磨损性能的好坏。评价材料磨损性能的好坏。耐磨性用耐磨性用磨损量磨损量表示。表示。磨损量可为试样表面的磨损量可为试样表面的磨损厚度磨损厚度，也可用，也可用体体积或重量的减少量积或重量的减少量表示。表示。滚动轴承、齿轮等机器零件相互接触时，表面滚动轴承、齿轮等机器零