第三章---材料的力学行为、塑性变形和再结晶

第3章材料的力学行为、塑性变形与再结晶,第一节力学行为与变形,3.1.1材料常用的力学性能指标一.定义:力学性能是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。二.指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。,三.拉伸试验,拉伸试样,拉伸试验机,拉伸试样的颈缩现象,四.拉伸曲线,南山学院,1、oe段：直线、弹性变形阶段,2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形,5、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。形成缩颈、局部变形阶段,3、ss段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。,4、sb曲线：变形强化阶段，弹性变形+均匀塑性变形,1.弹性(elasticity):金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能（可逆性）,2.弹性变形(elasticdeformation):随载荷撤除而消失的变形。,3.(1)弹性模量：在弹性变形阶段，此阶段的应力和应变的比值，称为弹性模量。单位是Mpa,在工程上也叫材料的刚度，表征对弹性变形的抗力。,4.强度(strength):材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。,种类:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。,(2)屈服强度(yieldstrength):表征材料对明显塑性变形的抗力。,(3)条件屈服强度(塑性变形量为0.2%),(4)抗拉强度(tensilestrength):试样在断裂前所能承受的最大应力。,5.塑性(plasticity):是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。,(1)断面收缩率(percentagereductioninarea):是指试样拉断处横截面积Sk的收缩量与原始横截面积S0之比。,(2)伸长率(延伸率)specificelongation:是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。,10%属塑性材料,五.冲击韧性(notchtoughness):,材料的韧性是在冲击载荷作用下、抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:,Ak=mgHmgh(J),冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。,六.疲劳强度(fatiguestrength):表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。,钢材的循环次数一般取N=107,有色金属的循环次数一般取N=108,七.硬度(hardness):是指材料对局部塑性变形的抗力。,布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV显微硬度HM,常用测量硬度的方法,(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness),(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness),适用范围:,450HB,压头：淬火钢球,(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness),符号HBS之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness),南山学院,1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）,原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。,2、洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC,4、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.,3、优缺点（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。,三种标尺：HRA、HRB、HRC,HRA：测量硬质合金、表面淬火层和渗碳层。HRB：测量有色金属和退火、正火钢等。HRC：测量调质钢、淬火钢。,(3)维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness),适用范围:,测量薄板类;,南山学院,1、维氏硬度试验,原理:用夹角为136的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。,2、维氏硬度值用压痕对角线长度表示。如：640HV。,4、测量范围常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。,3、优缺点（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。,1943年美国T-2油轮发生断裂,苏州堰月桥断裂（2002.4.7）,八.断裂韧性,KI应力场强度因子。当时，裂纹会失稳扩展而断裂。是表示材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。KIC是材料本身的特性，只决定于材料本身的成分、热处理条件及加工工艺。Y:与裂纹形状、加载方式和试样的几何尺寸有关的系数；a:裂纹的半长。,九金属材料的其他性能,物理和化学性能：相对密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性、耐腐蚀性、高温抗氧化性工艺性能:铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性,材料的力学性能指标及应用,屈服强度和塑性：一般零件的抗断裂设计。,刚度：刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件,弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等,硬度：在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承等.,3.1.2金属的塑性变形,什么是塑性变形金属单晶体的塑性变形多晶体金属的塑性变形冷塑性变形对金属组织和性能的影响,塑性变形,金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形。生产中常利用塑性变形对金属材料进行压力加工。金属的塑性变形可分为：在这章里我们主要讲金属的冷塑性变形。,冷塑性变形,热塑性变形,塑性变形,压力加工方法示意图,金属单晶体的塑性变形,金属单晶体的塑性变形的方式主要有“滑移”与“孪生”两种，但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。我们重点学习单晶体塑性变形的基本方式滑移。滑移变形的特点滑移的机理,(一)滑移,发生了滑移的金属试样表面状态如图所示,滑移：晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对另一部分发生滑动位移的现象。,1.滑移变形的特点,滑移只能在切应力的作用下发生。,在金属晶体受外力作用时，不论外力的大小、方向与作用方向如何,都可以将其分解为垂直于某一滑移面的正应力与沿此晶面的切应力。,正应力只能引起晶格的弹性伸长或拉断,滑移是在切应力作用下发生的，只有在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时，滑移才能发生，产生滑移的最小分切应力称为临界分切应力,滑移总是沿着原子排列最密的晶面与晶向发生。能产生滑移的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向,原子密度最大的晶面或晶向间的距离最大，原子间的结合力最弱,滑移总是沿着原子排列最密的晶面与晶向发生。能产生滑移的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向滑移系：一个滑移面与此面上的一个滑移方向构成一个滑移系。晶体中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取向就越多，这种金属的塑性就越好。,在金属的塑性变形中，滑移方向对金属塑性变形能力的作用要比滑移面更重要，因此，当滑移系相同时，滑移方向多的，塑性要好。因此，面心体心密排,滑移量为原子间距的整数倍。滑移前后晶体位向不发生变化。滑移会在金属表面造成台阶。滑移线，滑移带滑移的同时伴随着晶体的转动。,F,F,F,F,滑移方向S,滑移方向S,2.滑移的微观机制,滑移机理示意图,滑移是位错在滑移面上逐步移动的结果。,刃位错的运动,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分所发生的切变。,注：滑移和孪生的区别1）孪生晶格位向改变，呈镜面对称关系；而滑移不引起晶格位向的改变。2）孪生时，相邻原子面的相对位移小于一个原子间距，而滑移则是原子间距的整数倍。3）孪生所需的切应力比滑移大得多。,奥氏体晶内孪晶,单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂。晶界及晶粒位向差的影响1、晶界的影响当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行,则必须增加外力,从而使金属的变形抗力提高。,多晶体的塑性变形,晶界对塑性变形的影响,Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积,2、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。这种弹性变形,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，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。,拉伸试样变形示意图,经拉伸后晶界处呈竹节状,多晶体塑性变形的特点是：晶粒变形的不同时性和变形的相互协调性,塑性变形也具有不均匀性,各个晶粒变形不均匀,每个晶粒变形不均匀,多晶体金属的塑性变形过程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45的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由,一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。,晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。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。,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。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，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。,通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。,合金的塑性变形与强化,单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化塑性变形过程与多晶体的纯金属基本相同固溶强化：溶质浓度的增加，材料的强度硬度升高，塑性韧性下降。固溶强化的原因：,（1）溶质原子溶入，使固溶体晶格畸变，对在滑移面上的位错有阻碍作用,（2）位错线上偏聚溶质原子，降低了位错的可动性，增加了固溶体合金塑性变形抗力。,单相的固溶体固溶体基体上分布着金属间化合物,合金组织,Cu-Ni合金成分与性能关系,多相合金的塑性变形与弥散强化,（1）合金中两相晶粒尺寸相近，变形性能相近，合金的变形性能为两相的平均值,（2）合金中两相性能相差很大,硬而脆的第二相呈连续网状分布在塑性相的晶界上,脆性第二相呈片状或层状分布在塑性相的基体上,脆性第二相在塑性相中呈颗粒状分布,弥散强化,=+,除了与成分有关，很大程度上取决于硬脆相的分布,当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；,珠光体,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、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。,颗粒钉扎作用的电镜照片,电镜观察,位错切割第二相粒子示意图,无机非金属材料的变形特点,弹性变形后直接发生脆性断裂,弹性模量比金属大得多,聚合物材料的变形特点,聚合物的力学状态,根据力学性质随温度变化的特征，把非晶态聚合物按温度区域划分为三种力学状态,玻璃态（TbTg）,高弹态（TgTf）,粘流态（TfTd）,玻璃态,聚合物分子运动的能量很低，不足以克服分子内旋转势垒，大分子链段（约由4050个链节组成）和整个分子链的运动是冻结的，只有小的运动单元（如侧基、支链）可以运动。此时，聚合物的力学性质和玻璃相似，因此称为玻璃态。在外力的作用下，只能使主链的键长和键角有微小的改变，变形很小，且形变与外力的大小成正比，外力除去后，形变能立即回复，符合虎克定律。,高弹态,大分子已具有足够的能量，虽然整个大分子尚不能运动，但分子热运动的能量已足以克服内旋转的位垒，链段已开始运动。这时，聚合物在外力作用下，大分子链可以通过链段的运动改变构象以适应外力的作用。分子在受外力拉伸时，可以从卷曲的线团状态变为伸展的状态。表现出很大的形变,约1000。当外力去除后，大分子链又可以通过链段的运动回复到卷曲的线团状态。在外力作用下这种大的且逐渐回复特征的形变，称为高弹性。高分子材料具有高弹态是它区别于低分子材料的重要标志。,粘流态,分子具有很高的能量，这时不仅链段能够运动，而且整个大分子链都能运动。聚合物在外力作用下将呈现粘性流动，分子间发生相对滑动。这种形变和低分子液体的粘性流动相似，是不可逆的。当外力撤除时，形变不能回复。聚合物由于存在着多重运动单元，在不同温度下，呈现不同的力学状态。玻璃态聚合物在升高到一定温度时可以转变为高弹态，这一转变温度称为玻璃化转变温度，或简称玻璃化温度，常以Tg表示。高弹态到粘流态的转变温度称为粘流温度，常以Tf表示。,聚合物材料的变形特点:时间和温度依赖性,聚合物的粘弹性变形：粘弹性变形后逐渐恢复。,线型聚合物的变形特点：,一、冷变形加工对组织结构的影响显微组织的变化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。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。,第2节冷变形加工对金属组织和性能的影响,亚结构的碎化由于位错运动及位错间的相互作用，位错分布不均，并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。,1、位错的密度增大；2、发生交互作用,变形织构在金属塑性变形到很大程度(70%以上)时，随着变形程度的增加，各个晶粒从原来互不相同的取向逐渐向主变形方向转动。当变形量很大时，各个晶粒在空间取向上将呈现出一定程度的一致性，这一现象称为晶粒的择优取向，形变金属中的这种组织状态称为变形织构。,形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。,二、冷变形加工对金属性能的影响-加工硬化,定义：随着塑性变形量的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象。,原因：1）位错密度随变形量的增加而增加，从而使变形抗力增加。2）变形增加，亚结构细化，亚晶界对位错有阻碍作用。,利：提高强度、提高使用过程中的安全性弊：耗费能源、使继续变形困难、需要增加中间退火,残余应力金属在塑性变形时，外力所做的功除大部分转化为热之外，由于金属内部的转变不均匀以及存在点阵畸变，这使得有一小部分能量以畸变能的形式储存在形变金属内，称为储存能，表现为材料的残余应力。材料的残余应力可分为三种，即（1）第一类内应力（宏观内应力）因不同部位之间变形不协调而形成，占形变储能的1以下，但破坏性很强。（2）第二类内应力（微观内应力）因不同晶粒间变形不协调形成，占形变储能的1020，有一定破坏性。（3）第三类内应力（晶格畸变）因晶体缺陷增殖而形成，占形变储能的8090，是加工硬化的主要原因。,三、产生残余内应力,第3节冷变形加工的金属在加热时组织与性能的变化,金属经过塑性变形后，有残余应力出现，处于亚稳定状态。随着加热温度的提高，加工硬化的组织和性能会发生显著的变化，变化的过程可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。,变形金属加热时组织和性能变化示意图,一、回复,定义：加热温度较低时，在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化。性能变化：金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能显著降低。应用：因此对冷变形金属进行的这种低温加热退火只能用在保留加工硬化而降低内应力改善其它的物理性能的场合。比如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生的高强度，此外，由于残余内应力对其使用有不利的影响，所以采用低温退火以消除残余应力。,二、再结晶,通过回复，虽然金属中的点缺陷大为减少，晶格畸变有所降低，但整个变形金属的晶粒破碎拉长的状态仍未改变，组织仍处于不稳定的状态。当它被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。,再结晶过程同样是通过形核和长大两个过程进行的。再结晶结束后，金属中内应力全部消除，显微组织恢复到变形前的状态，其所有性能也恢复到变形前的数值，消除了加工硬化。所以再结晶退火主要用于金属在变形之后或在变形的过程中，使其硬度降低，塑性提高，便于进一步加工。,1、再结晶过程,2、再结晶温度,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，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。,纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系:T再0.4T熔其中T再、T熔为绝对温度.金属熔点越高,T再也越高.,影响因素：1）金属的预先变形程度预变形程度大，再结晶温度低2）金属的纯度纯度越高，再结晶温度越低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位错迁移作用，使再结晶温度显著提高.,3）再结晶加热的速度和加热时间,提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生,延长加热时间,使原子扩散充分,再结晶温度降低。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100200。,预先变形程度的影响,由于此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶核少，且晶粒极易相互吞并长大，因而再结晶后晶粒粗大，这种变形度即为临界变形度。,预先变形度对再结晶晶粒度的影响,当变形量很小时，由于晶格畸变很小，不足以引起再结晶，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保持原来的大小，当变形度达到某一临界值时，,当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，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，晶粒度基本不变。,注意避免在临界变形度范围内加工,3、再结晶退火后的晶粒度,加热温度和