第8章 金属和陶瓷的力学性能1

1、金属中的应力和应变金属中的应力和应变拉伸试验和应力拉伸试验和应力-应变图应变图金属单晶体、多晶体的塑性变形金属单晶体、多晶体的塑性变形冷变形金属的回复和再结晶冷变形金属的回复和再结晶金属的断裂、疲劳金属的断裂、疲劳金属的蠕变和持久强度金属的蠕变和持久强度陶瓷材料力学性能的特点和变形机制陶瓷材料力学性能的特点和变形机制陶瓷材料的应力陶瓷材料的应力-应变行为应变行为影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素第八章第八章 金属和陶瓷的力学性能金属和陶瓷的力学性能主主要要内内容容8.1 金属中的应力和应变金属中的应力和应变l 机械零件在工作中要承受外力或负载的作用，例如用铝合金机械零件在工作中要承受

2、外力或负载的作用，例如用铝合金制成的飞机机翼，用陶瓷制成的航天飞机防护瓦等。这些零件制成的飞机机翼，用陶瓷制成的航天飞机防护瓦等。这些零件在工作中引起的任何变形都不能超过允许量，更不应发生断裂。在工作中引起的任何变形都不能超过允许量，更不应发生断裂。力学性能反映了材料对外力作用的响应，重要的力学性能有强力学性能反映了材料对外力作用的响应，重要的力学性能有强度、硬度，延性和韧性等度、硬度，延性和韧性等。l 力学性能可以通过专门设计的试验设备来测定力学性能可以通过专门设计的试验设备来测定，试验时要考，试验时要考虑到外力的性质和持续时间，以及环境条件等。虑到外力的性质和持续时间，以及环境条件等。负荷

3、可以是拉仲、压缩或切变性质的。其大小可以不随时间负荷可以是拉仲、压缩或切变性质的。其大小可以不随时间变化变化;也可以由零以一定的速率增加，直到断裂也可以由零以一定的速率增加，直到断裂;还可以局期地还可以局期地变化。负荷作用的时间可以只有几分之一秒，也可以延续数年变化。负荷作用的时间可以只有几分之一秒，也可以延续数年之久。试验温度也是一个重要因素。之久。试验温度也是一个重要因素。v1、轴向拉伸时的应力与应变：、轴向拉伸时的应力与应变：v2、应力与应变之间的关系、应力与应变之间的关系（在（在弹性范围内）弹性范围内）图图8.1金属棒在单轴拉伸外力金属棒在单轴拉伸外力F作用下的伸长作用下的伸长应力应力

4、：8.1 金属中的应力和应变金属中的应力和应变单位单位:兆帕兆帕(MPa)应变应变:v3、剪切变形时的应力、剪切变形时的应力与应变：与应变：v4、应力与应变之间的、应力与应变之间的关系关系（在弹性范围内）（在弹性范围内）对于纯弹性切变，切应力与对于纯弹性切变，切应力与切应变的关系为：切应变的关系为：8.1 金属中的应力和应变金属中的应力和应变8.2 拉伸试验和应力拉伸试验和应力-应变图应变图v 拉伸试验可用来测定金属材料的力学性能。在拉伸试拉伸试验可用来测定金属材料的力学性能。在拉伸试验中，试样在比较短的时间内，以恒定的速率受到拉验中，试样在比较短的时间内，以恒定的速率受到拉伸直至断裂。伸直至

5、断裂。v直径为直径为10 mm的圆试样的圆试样, 长度长度50mmv负荷负荷-伸长曲线可以转换为伸长曲线可以转换为应力应力-应变曲线应变曲线, 又称又称应力应力-应变图应变图v拉伸试验可获得的拉伸试验可获得的力学性能指标：力学性能指标：v1、弹性模量：、弹性模量：v2、规定非比例伸、规定非比例伸长应力：长应力：v是金属材料有明显是金属材料有明显塑性变形时的强度塑性变形时的强度v3、抗拉强度：、抗拉强度：v4、断后伸长率：、断后伸长率：v5、截面收缩率：、截面收缩率：8.3 金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形l单晶体的塑性变形的基本方式有两种：单晶体的塑性变形的基本方式有两种： 滑移、孪生

6、滑移、孪生。l金属金属常以滑移方式常以滑移方式发生塑性变形。发生塑性变形。1. 滑移滑移 v任何晶面上都可分解为任何晶面上都可分解为正应力正应力和和切应力切应力。正应。正应力只能引起晶格的弹性力只能引起晶格的弹性变形及将晶粒拉断。变形及将晶粒拉断。只只有在切应力的作用下金有在切应力的作用下金属晶体的晶格在发生弹属晶体的晶格在发生弹性扭曲后进一步造成滑性扭曲后进一步造成滑移而产生塑性变形。移而产生塑性变形。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v 滑移滑移是晶体在切应力的作用下是晶体在切应力的作用下, 晶体的一部分相对于另一部分沿

7、晶体的一部分相对于另一部分沿一定的一定的晶面晶面(滑移面滑移面)和晶向和晶向发生发生滑动位移滑动位移的现象的现象。8.3 金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形滑移变形的特点滑移变形的特点 ： 滑移常沿晶体中原子密度最大的滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因为原子密度最大晶面和晶向发生。因为原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。合力最弱，产生滑移所需切应力最小。 滑移只能在切应力的作用下发生。滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力产生滑移的最小切应力-临界切应力临界切应力. l沿其发生滑移的晶面和晶

8、向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。 晶面间距示意图晶面间距示意图8.3 金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。(以以下以体心立方晶格为例下以体心立方晶格为例)8.3 金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形v滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中其中滑移方向滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。对塑性的贡献比滑移面更大。v因而金属的塑性

9、，因而金属的塑性，面心立方面心立方晶格好于晶格好于体心立方体心立方晶格晶格, 体心立体心立方晶格好于方晶格好于密排六方密排六方晶格。晶格。面心立方密排六方v滑移时，晶体两部分的相对滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍位移量是原子间距的整数倍.v滑移的结果在晶体表面形成台滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。组成一个滑移带。v（在光学显微镜下无法分辨出在光学显微镜下无法分辨出滑移带内滑移台阶，因此，滑移带内滑移台阶，因此，滑滑移带也常常称为滑移线移带也常常称为滑移线）v从滑移带的结构可知，金属即从滑移带的结构可知，金属即使进行了

10、大量的塑性变形，这使进行了大量的塑性变形，这些变形也只是集中在一小部分些变形也只是集中在一小部分的滑移面，许多潜在的滑移面的滑移面，许多潜在的滑移面上并没有进行滑移，大多数原上并没有进行滑移，大多数原子对于其邻居来讲并移动。子对于其邻居来讲并移动。v 滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随着晶体的转动v如图所示：当外力作用如图所示：当外力作用于单晶体试样时，它在于单晶体试样时，它在某些相邻层晶面上所分某些相邻层晶面上所分解的切应力使晶体发生解的切应力使晶体发生滑移，而滑移，而正应力正应力则组成则组成一一力偶力偶，使晶体在滑移，使晶体在滑移的同时的同时向外力方向发生向外力方向发生转动转动。外力

11、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v把滑移看作是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移是不把滑移看作是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移是不对的，大量研究表明：对的，大量研究表明：滑移是通过滑移面上位错的运动来实滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。现的。(P188)v滑移的机理：滑移的机理：n晶体通过位错运动产生滑移时，并不需要整个晶体的上半晶体通过位错运动产生滑移时，并不需要整个晶体的上半部分原子相对于下半部分原子一起位移部分原子相对于下半部分原子一起位移,而只有少数原子产而只有少数原子产生滑移，因而所需临界切应力小生滑移，

12、因而所需临界切应力小刃形位错在切应力作用下在滑移面上的运动刃形位错在切应力作用下在滑移面上的运动v2、孪生：、孪生：v孪生孪生是指晶体的一部分沿是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的一部分所发生的切变。切变。v发生切变的部分称发生切变的部分称孪生带孪生带或或孪晶孪晶，沿其发生孪生的，沿其发生孪生的晶面称晶面称孪生面孪生面。v孪生的结果孪生的结果:使孪生面两使孪生面两侧的原子排列呈镜面对称。侧的原子排列呈镜面对称。 u孪生使晶格位向发生改变；孪生使晶格位向发生改变；u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

13、;u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的相对位移量小于一个原子间距.v金属表面的基本差别：滑移产生一系列台阶，而孪金属表面的基本差别：滑移产生一系列台阶，而孪生则产生一个小的、范围确定的变形区生则产生一个小的、范围确定的变形区.n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。体心立方晶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。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，这是由格金属，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

14、排列时发生错排而产生的，称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。v孪生与滑移相比：孪生与滑移相比：8.4 金属多晶体的塑性变形金属多晶体的塑性变形v1. 晶界及晶粒位向差的影响：晶界及晶粒位向差的影响：(1)晶界的影响：晶界的影响：l当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,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, 则必须增加外力则必须增加外力, 从从而使金属的变形抗力提高。而使金属的变形抗力提高。多晶粒构成的试样的拉伸多晶粒构成的试样的拉伸试验的竹节现象试验的竹节现象（2）晶粒位向的影响

15、）晶粒位向的影响v由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，必然会受到它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍，各必然会受到它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍，各晶粒必须相互协调，相互适应，才能发生变形。晶粒必须相互协调，相互适应，才能发生变形。由于晶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粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力总是高于单晶体。总是高于单晶体。 u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（切应力最大）。的晶粒（切应力最大）。v当塞

16、积位错前端的应力达到一定程度，当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上滑移时晶粒的转动，促使另一批加上滑移时晶粒的转动，促使另一批晶粒开始滑移变形，晶粒开始滑移变形，v从而使滑移由一批晶粒传递到另一批从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，从少量晶粒开始逐步扩大到大晶粒，从少量晶粒开始逐步扩大到大量晶粒，从不均匀变形逐步发展到比量晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀变形。当有大量晶粒发生滑移较均匀变形。当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。后，金属便显示出明显的塑性变形。 v3. 晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响v金属的晶粒越细，其强金属的晶粒越细，其强度和硬

17、度越高。度和硬度越高。v因为金属晶粒越细，晶因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力使金属塑性变形的抗力越高。越高。晶粒大小与金属强度关系晶粒大小与金属强度关系v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。v因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶因为晶粒越细，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，而不致造成应力集中，引起粒数目也越多，变形越均匀，而不致造成应力集中，引起裂纹的过早产生和发展，因此在断裂前可发生

18、较大的塑性裂纹的过早产生和发展，因此在断裂前可发生较大的塑性变形，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。变形，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。v通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性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的方法称细晶强化细晶强化。v塑性变形对组织和性能的影响塑性变形对组织和性能的影响u1、塑性变形对组织结构的影响、塑性变形对组织结构的影响 u金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶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。粒也相应地被拉长或压扁。u当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤

19、维状，晶界变得模糊不当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。清。l塑性变形还使晶粒破碎为亚塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。晶粒。工业纯铁在塑性变形前后的组织变化工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%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%v由于晶粒的转动，当塑性变形达到由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的一定程度时，会使绝大部分晶粒的位向与变形方向趋于一致，这种现位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。象称织构或择优取向。v形变织构使金属呈现各形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，

20、向异性，在深冲零件时，易产生易产生“制耳制耳”现象，使现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导但织构可提高硅钢片的导磁率。磁率。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2、加工硬化、加工硬化v随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称下降的现象称加工硬化加工硬化。冷塑性变形量，%屈服强度，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%伸长率，%1040钢(0.4%C)黄铜铜v产生加工硬化的原因产生加工硬化的原

21、因：（分析）分析）v1、随变形量增加，位错密度增加、随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交互，由于位错之间的交互作用作用(堆积、缠结堆积、缠结)，使变形抗力增加。，使变形抗力增加。v2. 随变形量增加，随变形量增加，亚结构亚结构细化。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。v加工硬化的结果加工硬化的结果:v给金属的进一步加工带来困难。给金属的进一步加工带来困难。v解决的办法：解决的办法：v在加工过程中安排一些在加工过程中安排一些中间退火中间退火工序，通过加热消除其工序，通过加热消除其加工硬化现象，以恢复它进一步变形的能力。加工硬化现象，以恢复它进一步变形的能

22、力。v加工硬化使金属材料的塑性韧性下降，强度、硬度增加，加工硬化使金属材料的塑性韧性下降，强度、硬度增加，是强化金属的重要手段之一是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的纯对于不能热处理强化的纯金属和合金尤为重要。例如金属和合金尤为重要。例如:v（1）冷拉高强度钢丝、冷卷弹簧等主要是利用冷加工冷拉高强度钢丝、冷卷弹簧等主要是利用冷加工变形来提高它们的强度和弹性极限。变形来提高它们的强度和弹性极限。v（2）坦克和拖拉机的履带、破碎机的额板、铁路的道）坦克和拖拉机的履带、破碎机的额板、铁路的道岔等都是利用加工硬化来提高它们的硬度及耐磨性。岔等都是利用加工硬化来提高它们的硬度及耐磨性。 加工硬

23、化不仅使材料的加工硬化不仅使材料的机械性能发生显著变化机械性能发生显著变化，而且，而且物理、化学性能物理、化学性能也会发生显著变化，如电阻率增加、耐腐也会发生显著变化，如电阻率增加、耐腐蚀性降低等，所有这些在设计和制造各种金属零件或制品蚀性降低等，所有这些在设计和制造各种金属零件或制品时应予以充分考虑。时应予以充分考虑。8.5 冷变形金属的回复和再结晶冷变形金属的回复和再结晶v（1）冷变形金属在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： v金属经冷变形后金属经冷变形后,外力所做的功有外力所做的功有10%转化为内应力残留转化为内应力残留于金属中于金属中,使材料的内能增加，处于

24、高能量状态的冷变形使材料的内能增加，处于高能量状态的冷变形金属组织处于不稳定状态金属组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状态的倾向。有自发恢复到稳定状态的倾向。v固一旦对金属加热，可使原子扩散能力增加，便必然会发固一旦对金属加热，可使原子扩散能力增加，便必然会发生一系列组织和性能的变化，随着加热温度的不同，大致生一系列组织和性能的变化，随着加热温度的不同，大致可以分为三个阶段：可以分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大回复、再结晶和晶粒长大。 加热温度加热温度 黄铜黄铜v回复：回复：v回复是指在回复是指在加热温度较低时加热温度较低时，由于金属中的，由于金属中的点缺陷及位点缺陷及位错近距离迁移错

25、近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数缺陷数量减少量减少等，使材料处于一种低能状态。等，使材料处于一种低能状态。v由于位错运动使其由冷塑性由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直变形时的无序状态变为垂直分布，形成分布，形成亚晶界亚晶界，亚晶界，亚晶界的形成使一个变形晶粒内部的形成使一个变形晶粒内部产生许多亚晶粒，这一过程产生许多亚晶粒，这一过程称称多边形化多边形化。v在回复阶段，金属组织变在回复阶段，金属组织变化不明显，其化不明显，其强度、硬度强度、硬度

26、略有下降，塑性略有提高，略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著但内应力、电阻率等显著下降下降。v工业上，工业上，常利用回复现象常利用回复现象将冷变形金属低温加热，将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬既稳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去应力退火应力退火。v再结晶：再结晶：v当变形金属被加热到较高当变形金属被加热到较高温度时，温度时，由于原子活动能由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始力增大，晶粒的形状开始发生变化，发生变化，由破碎拉长的由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒晶粒变为完整的等轴晶粒。v这种这种冷变形组织在加热时冷变形组织在加热时重新彻底改组的

27、过程称重新彻底改组的过程称再再结晶结晶。铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热v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总结：总结： 再结晶过程也是通过成核、长大过程来实现的。当变形再结晶过程也是通过成核、长大过程来实现的。当变形金属被加热到一定温度时，原子的活动能力教强，会在变形金属被加热到一定温

28、度时，原子的活动能力教强，会在变形晶粒的晶粒的晶界晶界或晶粒内部的或晶粒内部的亚晶界处以不同于一般结晶亚晶界处以不同于一般结晶的特殊的特殊成核方式产生新晶核，随着原子的扩散移动，成核方式产生新晶核，随着原子的扩散移动，新晶核的边界新晶核的边界不断向变形的原晶粒中推进，使新晶核不断消耗变形晶粒而不断向变形的原晶粒中推进，使新晶核不断消耗变形晶粒而长大长大。最终是一批新的等轴晶粒取代了原先变形的晶粒，完。最终是一批新的等轴晶粒取代了原先变形的晶粒，完成了一次新的结晶过程。成了一次新的结晶过程。 但是，它没有发生晶格类型的变化，只是晶体形态和但是，它没有发生晶格类型的变化，只是晶体形态和大小的变化。

29、也可以说，只有显微组织变化而没有晶格结构，大小的变化。也可以说，只有显微组织变化而没有晶格结构，故称为故称为再结晶再结晶。结论：结论： 再结晶也是成核、长大过程，但不是相变过程，再结晶再结晶也是成核、长大过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。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580580C C保温保温1515分后的组织分后的组织700700C C保温保温1010分后的组织分后的组织v再结晶后的晶粒长大：再结晶后的晶粒长大：v再结晶完成后，若继续再结晶完成后，若继续升高升高加热温度或加

30、热温度或延长保温时间，延长保温时间，将发生晶粒长大，将发生晶粒长大，这是一个这是一个自发的过程。自发的过程。v晶粒的长大是通过晶粒的长大是通过晶界迁移晶界迁移进行的，是大晶粒吞进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤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

31、580C保温保温15分后的组织分后的组织 700C保温保温10分后的组织分后的组织（2）再结晶温度）再结晶温度v再结晶不是一个恒温过程，它是随着温度的升高而大致从再结晶不是一个恒温过程，它是随着温度的升高而大致从某一温度开始进行的过程，某一温度开始进行的过程，发生再结晶的最低温度发生再结晶的最低温度称称再结再结晶温度晶温度。（。（没有经过冷加工变形的金属在加热时是不会发没有经过冷加工变形的金属在加热时是不会发生再结晶的生再结晶的）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冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜的再结晶黄

32、铜的再结晶8.6 金属的断裂金属的断裂n 金属在金属在应力的作用应力的作用下分为两部分的现象称为断裂。下分为两部分的现象称为断裂。n一般可分为一般可分为延性断裂和脆性断裂延性断裂和脆性断裂两类，也可二者兼有。两类，也可二者兼有。 1. 延性断裂延性断裂圆形截面拉伸试样的延性断裂：圆形截面拉伸试样的延性断裂：应力超过其抗拉强度应力超过其抗拉强度-断裂断裂延性断裂可以分为三个阶段延性断裂可以分为三个阶段:试样形成试样形成缩颈缩颈，随后，随后孔洞在颈缩区形孔洞在颈缩区形成成;颈缩处的颈缩处的孔洞孔洞在试样的中心处在试样的中心处聚集形聚集形成裂纹成裂纹，并沿垂直于外加应力的方向向，并沿垂直于外加应力的

33、方向向试样表面试样表面扩展扩展;当裂纹接近表面时，其当裂纹接近表面时，其方向改变方向改变与拉与拉伸轴成伸轴成45度角度角，结果形成了，结果形成了杯锥状断口杯锥状断口。n脆性断裂脆性断裂: 塑性变形非常小塑性变形非常小, 通常通常沿特定的晶面沿特定的晶面(又称解理面又称解理面)进进行，作用的应力垂直于解理面。许多具有密排六方结构的金属，行，作用的应力垂直于解理面。许多具有密排六方结构的金属，由于其滑移系的数目有限而进行脆性断裂。由于其滑移系的数目有限而进行脆性断裂。 2. 脆性断裂脆性断裂如密排六方锌单晶体、另体心立方金属如如密排六方锌单晶体、另体心立方金属如-Fe, 钼，钨等也发生脆性断裂钼，

34、钨等也发生脆性断裂多晶体金属大多数是穿晶断裂多晶体金属大多数是穿晶断裂。但如果晶界区有脆性膜或是晶。但如果晶界区有脆性膜或是晶界区由于有害杂质的偏聚，脆性断裂也可以沿晶界进行。界区由于有害杂质的偏聚，脆性断裂也可以沿晶界进行。脆性断裂可分成脆性断裂可分成三个阶段三个阶段: 塑性变形使塑性变形使位错沿滑移面集中在障碍物处位错沿滑移面集中在障碍物处。位错受阻处的切应力增大，造成位错受阻处的切应力增大，造成显微裂纹萌生显微裂纹萌生。进一步加力进一步加力显微裂纹扩展显微裂纹扩展，储存的弹性应变能也促使裂纹扩展。，储存的弹性应变能也促使裂纹扩展。低温和高应变率有利于脆性断裂。此外，三轴应力状态也能促使低

35、温和高应变率有利于脆性断裂。此外，三轴应力状态也能促使进行脆性断裂。进行脆性断裂。n延性断裂和脆性断裂延性断裂和脆性断裂特点：特点：延性断裂延性断裂是在进行了大量是在进行了大量塑性变形后塑性变形后发生的，其特征是发生的，其特征是裂纹扩展缓慢，裂纹扩展缓慢，断口呈杯锥状断口呈杯锥状。脆性断裂脆性断裂则相反，通常都是则相反，通常都是沿特定的晶面沿特定的晶面(又称解理面又称解理面)进行进行，裂纹的扩，裂纹的扩展迅速。展迅速。v韧性是材料在断裂以前能够吸收的能量大小的度量。韧性是材料在断裂以前能够吸收的能量大小的度量。v当需要考虑材料在承受冲击负载不发生断裂的能力时，韧当需要考虑材料在承受冲击负载不发

36、生断裂的能力时，韧性就具有工程重要性。性就具有工程重要性。3. 韧性和冲击试验韧性和冲击试验测量韧性的一个最简单的方法就是使用测量韧性的一个最简单的方法就是使用冲击试验设备冲击试验设备。温度对不同类型材料冲击功的影晌温度对不同类型材料冲击功的影晌8.7 金属的疲劳金属的疲劳u金属在金属在循环载荷循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为也会发生断裂，这种现象称为疲劳疲劳。u疲劳断裂：一般疲劳断裂：一般不发生明显的塑性变形不发生明显的塑性变形, 难以检测和预防难以检测和预防, 因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。因而机

37、件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。 v零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂.如图示意。v 疲劳断裂由疲劳裂纹产生扩展瞬时断裂三个阶段组成。v 测定材料疲劳寿命的试验有许多种测定材料疲劳寿命的试验有许多种.最常用的一种是旋转梁最常用的一种是旋转梁试验，试样在旋转时交替承受大小相等的交变拉压应力。试验，试样在旋转时交替承受大小相等的交变拉压应力。v可绘成可绘成SN曲线，曲线，S为产生失效的应力，为产生失效的应力，N为应力循环次数。为应力循环次数。图图8. 25所示为高碳钢和高强度铝合金的典型所示为高碳钢和高强度铝合金的

38、典型SN曲线。曲线。u金属的疲劳强度除了与其金属的疲劳强度除了与其化学成分化学成分有关外，还受其它一些因有关外，还受其它一些因素的影响素的影响:(1)应力集中：应力集中：存在应力集中处，疲劳强度会大大降低存在应力集中处，疲劳强度会大大降低(2)表面粗糙度表面粗糙度: 金属试样表面愈光滑，疲劳强度就愈高。金属试样表面愈光滑，疲劳强度就愈高。粗糙的表面会造成应力集中处，有利于疲劳裂纹的形成。粗糙的表面会造成应力集中处，有利于疲劳裂纹的形成。(3)表面状态表面状态: 由于大多数疲劳失效起源于金属表面，任何由于大多数疲劳失效起源于金属表面，任何表面状态的主要变化都会影响到疲劳强度。例如，钢的表表面状态

39、的主要变化都会影响到疲劳强度。例如，钢的表面硬化处理面硬化处理(渗碳、氮化渗碳、氮化)使表面硬度提高，从而提高了疲劳使表面硬度提高，从而提高了疲劳寿命。寿命。(4)环境环境: 金属在承受周期应力时处于腐蚀性环境，所造成金属在承受周期应力时处于腐蚀性环境，所造成的腐蚀会大大加速裂纹扩展速率。腐蚀和周期应力对金属的腐蚀会大大加速裂纹扩展速率。腐蚀和周期应力对金属的综合作用又称的综合作用又称腐蚀疲劳腐蚀疲劳。8.8 金属的蠕变和持久强度金属的蠕变和持久强度v在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形的现象称为金属的形的现象称为金属的蠕变

40、蠕变。引起蠕变的这一应力称。引起蠕变的这一应力称蠕变应力蠕变应力；在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终可以导致断在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终可以导致断裂，这种断裂称裂，这种断裂称蠕变断裂蠕变断裂。u材料的蠕变是决定提高工作温度的限制因素。材料的蠕变是决定提高工作温度的限制因素。蠕变曲线 第第I阶段：减速蠕变阶段阶段：减速蠕变阶段，在加载的，在加载的瞬间产生弹性变形瞬间产生弹性变形e0，随加载时间延，随加载时间延续变形进行，变形速率不断降低；续变形进行，变形速率不断降低； 第第II阶段：恒定蠕变阶段阶段：恒定蠕变阶段，此阶段蠕，此阶段蠕变变形速率随加载时间的延续而保持变变

41、形速率随加载时间的延续而保持恒定，且为最小蠕变速率；恒定，且为最小蠕变速率； 第第III阶段：加速蠕变阶段，阶段：加速蠕变阶段，随蠕变过随蠕变过程的进行，蠕变速率显著增加，直至程的进行，蠕变速率显著增加，直至最终产生蠕变断裂。最终产生蠕变断裂。最小蠕变速率1. 金属的蠕变金属的蠕变n 在较低温度在较低温度(低于低于0.4TM)和较低应力下，由于温度太低，不能进和较低应力下，由于温度太低，不能进行有扩散的回复蠕变，金属只进行第一阶段蠕变。行有扩散的回复蠕变，金属只进行第一阶段蠕变。图图8.27为应力对蠕变曲线形状的影响。为应力对蠕变曲线形状的影响。n当使金属进行蠕变的应力和温度增加当使金属进行蠕

42、变的应力和温度增加时，应变速率也会增加。时，应变速率也会增加。2. 持久强度试验持久强度试验持久强度试验与蠕变试验基本相同，所持久强度试验与蠕变试验基本相同，所用的负荷大用的负荷大, 并一直进行到试样破断并一直进行到试样破断.n破断所需时间随应力和温破断所需时间随应力和温度的增加而减少。度的增加而减少。n由于由于再结晶、氧化、腐蚀再结晶、氧化、腐蚀或相变或相变等因素引起曲线斜率等因素引起曲线斜率的改变的改变8.98.9、硬度、硬度v材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形的能力。的能力。v布氏硬度布氏硬度HBWHBW布氏硬度计布氏硬度计)(222dDDDgFHBW布氏硬度的单位为布氏硬

43、度的单位为N/mm2，但习惯上只写数值而不标出单位，但习惯上只写数值而不标出单位，硬度值越高，表明材料越硬。硬度值越高，表明材料越硬。布氏硬度的表示方法：硬度值写在符号布氏硬度的表示方法：硬度值写在符号HBW之前，符号之后之前，符号之后按下列顺序用数值表示试验条件：按下列顺序用数值表示试验条件：球体直径（球体直径（mm）；）；试试验力（验力（Kgf）；）；力保持时间（力保持时间（s），如），如600HBW 1/30/20。布氏硬度压痕布氏硬度压痕洛氏硬度洛氏硬度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，HR=k-(h1-h0

44、)/0.002v根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为常用的标尺为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

45、，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v洛氏硬度（洛氏硬度（HR）测试当被测样品过小或者布氏）测试当被测样品过小或者布氏硬度硬度（HB）大于大于450时，就改用洛氏硬度计量。试验方法是用一个顶角时，就改用洛氏硬度计量。试验方法是用一个顶角为为120度的度的金刚石金刚石圆锥体或直径为圆锥体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球，的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度深度求出材料的硬求出材料的硬度。根据度。根据实验材料实验材料硬度的不同，可分为三种不同标度来表示

46、：硬度的不同，可分为三种不同标度来表示： vHRA 是采用是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度极高的材料。例如：硬质合金。硬度极高的材料。例如：硬质合金。 vHRB 是采用是采用100Kg载荷和直径载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、 铸铁等。铸铁等。 vHRC 是采用是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等 v洛氏硬度中洛氏硬度中HRA、HRB、H

47、RC中的中的A、B、C为三种不为三种不同的标准。称为标尺同的标准。称为标尺A、标尺、标尺B、标尺、标尺C。洛氏硬度实验是现。洛氏硬度实验是现今所有使用的几种普通今所有使用的几种普通压痕硬度压痕硬度实验的一种。三种标尺的初实验的一种。三种标尺的初始压力均为始压力均为98.07N（10Kgf)，最后根据压痕深度计算，最后根据压痕深度计算硬度硬度值值。标尺。标尺A使用的是球锥菱形压头，然后加压至使用的是球锥菱形压头，然后加压至588.4N（60Kgf）；标尺）；标尺B使用的是直径为使用的是直径为1.588mm（1/16英寸）英寸）的钢球作为压头，然后加压至的钢球作为压头，然后加压至1471N（150

48、Kgf），因此标），因此标尺尺B适用于较软的适用于较软的材料检测材料检测。标尺。标尺C适用于较硬的材料检测。适用于较硬的材料检测。 维氏硬度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，表示，符号前的数字为硬度值，后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载荷保持时间。面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。v根据载荷范围不同，规定了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维氏硬度试验试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。v维氏硬度保留

49、了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计显微奴氏硬度显微奴氏硬度v用用HKHK表示表示8.10 陶瓷材料力学性能的特点和变形机制陶瓷材料力学性能的特点和变形机制n陶瓷材料是比较脆的。不同陶瓷材料抗拉强度的差别很大，只陶瓷材料是比较脆的。不同陶瓷材料抗拉强度的差别很大，只有少数陶瓷的抗拉强度超过有少数陶瓷的抗拉强度超过172 MPa. n一般陶瓷材料的抗压强度约为抗拉强度的一般陶瓷材料的抗压强度约为抗拉强度的510倍。倍。此外，许多此外，许多陶瓷材料由于具有离子键和共价键而陶瓷材料由于具有离子键和共价键而

50、比较硬并具有低的冲击抗力比较硬并具有低的冲击抗力。l例外情况如增塑粘土，软而容易变形。例外情况如增塑粘土，软而容易变形。n共价键键合陶瓷，原子之间的键合是特定的并具有方向性，包括共价键键合陶瓷，原子之间的键合是特定的并具有方向性，包括电子之间的电荷交换。当受力达到一定程度时，由于电子对键的电子之间的电荷交换。当受力达到一定程度时，由于电子对键的分离不能再恢复，晶体产生脆性断裂。因此，共价键键合的陶瓷，分离不能再恢复，晶体产生脆性断裂。因此，共价键键合的陶瓷，不论是单晶体还是多晶体，都是脆的。不论是单晶体还是多晶体，都是脆的。晶态陶瓷缺乏塑性是由于其离子键和共价键造成的。晶态陶瓷缺乏塑性是由于其

51、离子键和共价键造成的。l离子键离子键单晶陶瓷单晶陶瓷，室温受压应力作用可进行相当多的塑性变形。，室温受压应力作用可进行相当多的塑性变形。l离子键离子键多晶陶瓷多晶陶瓷则是脆的，并在晶界形成裂纹。则是脆的，并在晶界形成裂纹。一个晶面的离子相对于另一晶面的一个晶面的离子相对于另一晶面的离子进行滑移时，带不同电荷的离子离子进行滑移时，带不同电荷的离子会接触，从而可能产生吸力或斥力。会接触，从而可能产生吸力或斥力。因此因此单晶体陶瓷单晶体陶瓷具有相当好的塑性具有相当好的塑性n离子晶体的变形离子晶体的变形多晶陶瓷变形多晶陶瓷变形时，相邻晶粒必须协调地改变形状，由于滑移系时，相邻晶粒必须协调地改变形状，由于滑移系统较少而难以实现，结果在统较少而难以实现，结果在晶界产生开裂晶界产生开裂，最后导致脆性断裂。，最后导致脆性断裂。大多数工业重要陶瓷都是多晶体，因此大多数陶瓷材料都是脆大多数工业重要陶瓷都是多晶体，因此大多数陶瓷材料都是脆的。的。8.11 陶瓷材料的应力陶瓷材料的应力-应变行为应变行为1