第二章1節(jié)金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、第二章第二章 金屬的塑性變金屬的塑性變形與再結(jié)晶形與再結(jié)晶第二章第一節(jié)第二章第一節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的性能：金屬材料的性能：使用性能、工藝性能使用性能、工藝性能l使用性能使用性能：材料在使用過程中表現(xiàn)出來的性能。：材料在使用過程中表現(xiàn)出來的性能。包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能。包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能。l工藝性能：工藝性能：材料在加工過程中表現(xiàn)出來的性能。材料在加工過程中表現(xiàn)出來的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、切削、熱處理性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、切削、熱處理性能。變形：變形：材料在外力作用下發(fā)生形狀和性能的改變。材料在外力作用下發(fā)生形狀和性能的改變。 彈

2、性變形彈性變形 塑性變形塑性變形常見的幾個力學(xué)性能指標(biāo)。常見的幾個力學(xué)性能指標(biāo)。l 強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性l 硬度硬度l 沖擊韌度沖擊韌度l 疲勞疲勞一、拉伸試驗(yàn)一、拉伸試驗(yàn)在萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上做拉伸實(shí)驗(yàn)在萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上做拉伸實(shí)驗(yàn)第一節(jié)第一節(jié) 強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性對試樣兩端對試樣兩端緩慢施加載荷緩慢施加載荷，試樣兩端受到軸向試樣兩端受到軸向拉力拉力，引起試樣軸身伸長，直到被引起試樣軸身伸長，直到被拉拉斷。斷。l測定試樣對外加載荷的測定試樣對外加載荷的抗力抗力，可測得可測得強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)。l測定試樣在測定試樣在破斷后塑性變形破斷后塑性變形的大小的大小，可求出材料的，可求出材料的塑性指塑性指標(biāo)。標(biāo)

3、。esb e，彈性變形彈性變形se s ，彈性、塑性變形，彈性、塑性變形，s s 時(shí)，時(shí)，塑性變形，水平線段，屈服現(xiàn)象，塑性變形，水平線段，屈服現(xiàn)象，s超過超過 b后，縮頸現(xiàn)象。后，縮頸現(xiàn)象。二、強(qiáng)度二、強(qiáng)度金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力稱為金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度強(qiáng)度。按外力作用的性質(zhì)不同，分為：按外力作用的性質(zhì)不同，分為： 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s 、抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度b 、抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度b c、抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度b等。等。 1.1.彈性極限彈性極限e：在彈性階段內(nèi)，卸力后不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力，為材料在彈性階段內(nèi)，卸力后不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力，

4、為材料的彈性伸長應(yīng)力，通常稱為彈性極限。的彈性伸長應(yīng)力，通常稱為彈性極限。 e=F Fe/A Ao o2 2、屈服點(diǎn)與屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)與屈服強(qiáng)度 金屬材料開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最低應(yīng)力值稱為金屬材料開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最低應(yīng)力值稱為屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)，用符號，用符號s s 表示。表示。s s=F=Fs s/A/Ao o 式中式中F Fs s試樣發(fā)生屈服時(shí)的載荷（試樣發(fā)生屈服時(shí)的載荷（N N）; ; A Ao o試樣的原始橫截面積（試樣的原始橫截面積（mmmm2 2）。 工業(yè)上使用的某些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵等，在拉工業(yè)上使用的某些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵等，在拉伸過程中，沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定

5、其屈服點(diǎn)伸過程中，沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服點(diǎn)s s ，按按GB/T2228GB/T2228規(guī)定，可用規(guī)定，可用屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度0.20.2來表示該材料開始產(chǎn)生來表示該材料開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的最低塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。屈服強(qiáng)度為試樣標(biāo)應(yīng)力值。屈服強(qiáng)度為試樣標(biāo)距部分產(chǎn)生距部分產(chǎn)生0.2%0.2%殘余伸長時(shí)殘余伸長時(shí)的應(yīng)力值，即的應(yīng)力值，即 0.20.2=F=F0.20.2/A/Ao o式中式中 F F0.20.2試樣標(biāo)距產(chǎn)生的試樣標(biāo)距產(chǎn)生的0.2%0.2%殘殘 余伸長時(shí)載荷（余伸長時(shí)載荷（N N）；）； A Ao o試樣的原始橫截面積（試樣的原始橫截面積（mmmm2 2）。）。屈服強(qiáng)度

6、的測定3、抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度 金屬材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值稱為抗拉強(qiáng)度，金屬材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值稱為抗拉強(qiáng)度，用符號用符號 b b表示。表示。 b b=F=Fb b/A/Ao o式中式中 F Fb b試樣在斷裂前所承受的載荷（試樣在斷裂前所承受的載荷（N N）；）； A Ao o試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（mmmm2 2）。）。三、塑性三、塑性 金屬材料的載荷作用下，斷裂前材料發(fā)生不可逆久變形的能金屬材料的載荷作用下，斷裂前材料發(fā)生不可逆久變形的能力稱為力稱為塑性塑性。（或者是材料發(fā)生塑性變形而不破壞的能力）。（或者是材料發(fā)生塑性變形而不破壞的能力） 通過拉伸試驗(yàn)可

7、測定材料的塑性。通過拉伸試驗(yàn)可測定材料的塑性。 常用的塑性指標(biāo)有常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長率斷后伸長率和和斷面收縮率斷面收縮率。 =(L1-L0)/L0 =(A0-A1)/A0第二節(jié)第二節(jié) 硬度硬度 硬度硬度是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。壓痕或劃痕的能力。 是恒量金屬軟硬的指標(biāo)是恒量金屬軟硬的指標(biāo) 可用硬度計(jì)試驗(yàn)機(jī)測定，可用硬度計(jì)試驗(yàn)機(jī)測定， 常用的硬度指標(biāo)：布氏硬度常用的硬度指標(biāo)：布氏硬度HBWHBW、HBSHBS 洛氏硬度（洛氏硬度（HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC等）等） 維氏硬度維氏硬度HVHV。 布氏硬度布

8、氏硬度 壓頭為壓頭為鋼球鋼球時(shí)，布氏硬度用符號時(shí)，布氏硬度用符號HBS表示，適用于表示，適用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下以下的材料。的材料。 壓頭為壓頭為硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號時(shí)，用符號HBW表示，適用于表示，適用于布氏硬度值在布氏硬度值在650以下以下的材料。的材料。 符號符號HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。持時(shí)間。例：例：120HBS10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kbf（9.807kN）載荷作用下保

9、持）載荷作用下保持30s測得的布測得的布氏硬度值為氏硬度值為120優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。硬的材料。洛氏硬度洛氏硬度HR 洛氏硬度標(biāo)尺：常用洛氏硬度標(biāo)尺：常用A、B、C。是各種總試驗(yàn)力和。是各種總試驗(yàn)力和各種洛氏壓頭的組合而成的標(biāo)尺各種洛氏壓頭的組合而成的標(biāo)尺 HRA用于測量高硬度材料，如用于測量高硬度材料，如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。 HRB用于測量低硬度材料，如用于測量低硬度材料，如有色金屬和退火、正火鋼等。有色金屬和退火、正火鋼等

10、。 HRC用于測量中等硬度材料，用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕小。適操作簡便，壓痕小。適用范圍廣。用范圍廣。維氏硬度維氏硬度第三節(jié)、沖擊韌度第三節(jié)、沖擊韌度韌性：韌性：金屬材料斷裂前吸收的變形能量的能力。其常金屬材料斷裂前吸收的變形能量的能力。其常用指標(biāo)為用指標(biāo)為沖擊韌度。沖擊韌度。 試驗(yàn)時(shí)，將試樣放在試驗(yàn)機(jī)兩支座上，。把質(zhì)量為試驗(yàn)時(shí)，將試樣放在試驗(yàn)機(jī)兩支座上，。把質(zhì)量為m m的擺錘的擺錘抬到高抬到高H H，使擺錘具有位能為，使擺錘具有位能為mHgmHg。擺錘落下沖斷試樣后升。擺錘落下沖斷試樣后升至至h h高度高度, ,具有位能為具有

11、位能為mhgmhg，故擺錘沖斷試樣推動的位能為，故擺錘沖斷試樣推動的位能為mHgmhgmHgmhg，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功稱為，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功稱為沖擊吸沖擊吸收功收功A AK K，即，即A AK=K=mg(H-h)mg(H-h) 用試樣的斷口處截面積用試樣的斷口處截面積S SN N（cmcm2 2）去除）去除A AK K（J J）即得到）即得到?jīng)_擊韌沖擊韌度度，用，用a ak k表示，單位為表示，單位為J/cmJ/cm2 2. . a aK K=A=AK K/S/SN N第四節(jié)、疲勞第四節(jié)、疲勞一、疲勞概念一、疲勞概念 雖然零件所承受的交變應(yīng)力數(shù)值小于材料的屈服強(qiáng)度，但

12、雖然零件所承受的交變應(yīng)力數(shù)值小于材料的屈服強(qiáng)度，但在長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為在長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂疲勞斷裂。 對稱循環(huán)交變應(yīng)力對稱循環(huán)交變應(yīng)力 二、疲勞曲線與疲勞極限二、疲勞曲線與疲勞極限 試驗(yàn)證明，金屬材料所受最大交變應(yīng)力試驗(yàn)證明，金屬材料所受最大交變應(yīng)力maxmax 愈大，愈大，則斷裂前所受的循環(huán)周次則斷裂前所受的循環(huán)周次N N（定義為疲勞壽命）愈（定義為疲勞壽命）愈少，這種交變應(yīng)力少，這種交變應(yīng)力maxmax 與疲勞壽命與疲勞壽命N N的關(guān)系曲線稱的關(guān)系曲線稱疲勞曲線疲勞曲線或或SNSN曲線曲線 工程上規(guī)定，材料經(jīng)受相當(dāng)循環(huán)周次不發(fā)生斷裂的工程上規(guī)

13、定，材料經(jīng)受相當(dāng)循環(huán)周次不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為最大應(yīng)力稱為疲勞極限，疲勞極限，以符號以符號-1-1表示。表示。 疲勞曲線-1Nn21N1N2NnNc鋼鐵材料：107次非鐵合金：108次部分工程材料的疲勞極限-1（MPa）三、提高材料疲勞極限的途徑三、提高材料疲勞極限的途徑1 1、設(shè)計(jì)方面設(shè)計(jì)方面 盡量使用零件避免交角、缺口和截面突變，盡量使用零件避免交角、缺口和截面突變，以避免應(yīng)力集中及其所引起的疲勞裂紋。以避免應(yīng)力集中及其所引起的疲勞裂紋。2 2、材料方面材料方面 通常應(yīng)使晶粒細(xì)化，減少材料內(nèi)部存在的夾通常應(yīng)使晶粒細(xì)化，減少材料內(nèi)部存在的夾雜物和由于熱加工不當(dāng)引起的缺陷。如疏松、氣孔和表面雜物和由于熱