金属材料性能与塑性变形

金属材料性能与塑性变形1第一页，共八十四页，编辑于2023年，星期六

材料的性能是零件设计中选材的依据，也是技术工人在加工维修过程中合理选择材料以及加工方法的重要依据。材料的性能包括：力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性和断裂韧性等）工艺性能（铸造、锻压、焊接、切削加工和热处理等）2第二页，共八十四页，编辑于2023年，星期六

§1.金属材料的损坏与塑性变形1.常见损坏形式a）变形零件在外力作用下形状和尺寸所发生的变化。（包括：弹性变形和塑性变形）b）断裂零件在外力作用下发生开裂或折断的现象。c）磨损因摩擦使得零件形状、尺寸和表面质量发生变化的现象。3第三页，共八十四页，编辑于2023年，星期六

2.常见塑性变形形式1）轧制（板材、线材、棒材、型材、管材）板材轧制4第四页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2）挤压

（低碳钢、有色金属等型材）5第五页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3）拉拔（碳钢、有色金属等线材、型材、管材）线材拉拔管材拉拔6第六页，共八十四页，编辑于2023年，星期六4）锻压（碳钢、合金钢、特种钢坯料）自由锻模锻7第七页，共八十四页，编辑于2023年，星期六5）冷冲压

（低碳钢、合金钢板材）8第八页，共八十四页，编辑于2023年，星期六一、塑性变形的基本概念1.载荷（1）定义金属材料在加工及使用过程中所受的外力。（2）类型

根据载荷作用性质不同：a）静载荷—没有变化；b）动载荷—瞬间变化；c）交变载荷—不断变化。9第九页，共八十四页，编辑于2023年，星期六根据载荷作用性质不同：

a）拉深载荷--拉力b）压缩载荷—压力c）弯曲载荷--弯力d）剪切载荷--剪切力e）扭转载荷--扭转力10第十页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2.内力（1）定义工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力。（2）大小内力大小与外力相等。（3）注意内力和外力不同于作用力和反作用力。11第十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3.应力（1）定义

单位面积上所受到的力。（2）计算公式

σ=F/S（MPa/mm2

）式中：σ——应力；

F——外力；

S——横截面面积。12第十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期六二、金属的变形金属在外力作用下的变形三阶段：弹性变形弹-塑性变形断裂。1.特点

弹性变形：

金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。

塑性变形：

金属经塑性变形后其组织和性能将发生变化。2.变形原理金属在外力作用下，发生塑性变形是由于晶体内部缺陷—位错运动的结果，宏观表现为外形和尺寸变化。13第十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3.影响因素1）晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，将产生有利和不利的不均匀的变形，导致内应力的产生。2）晶界的作用

晶界阻碍位错运动，使金属的塑性变形阻力增大。3）晶粒大小的影响单位体积内金属晶粒越细小，晶界越多，金属越难进行塑性变形，获得细晶强化。

是金属材料获得强韧化的重要手段。14第十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期六三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化1.冷塑性变形结果

外部：晶粒形状发生变化——沿着变形方向被压扁或拉长；

内部:晶粒内部位错密度增加，晶格畸变加剧；

性能:金属强度和硬度提高，塑性和韧性下降。这种现象——称为“形变强化”或“加工硬化”。15第十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2.加工硬化的应用

对于不能通过热处理强化的金属是一种重要的强化手段，可提高材料抗突然超载的能力。意义：

1）是一种材料强化手段—形变强化；2）有利于塑性变形均匀进行；3）有利于金属构件的工作安全性。16第十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3.加工硬化的不利1）影响材料力学性能不利：使得再变形困难；使得金属的切削加工，冲压加工带来困难。解决办法：在冷加工之间进行中间热处理——再结晶退火。2）影响材料物理性能和化学性能不利：电阻增加，导电、导磁性下降；化学活性增大；耐腐蚀性下降。解决办法：去应力退火。17第十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期六§2.金属的力学性能1.定义：金属材料在承受外力（静、冲击、交变）作用下，没有超过许可变形或不破坏的能力——称作金属的力学性能。2.力学性能指标

主要包括：

强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度。力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。18第十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期六一、强度1）定义金属在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。2）分类根据载荷作用方式不同：

a）抗拉强度——主要的常用强度指标；

b）抗压强度；

c）抗剪强度；

d）抗扭强度；

e）抗弯强度。19第十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期六1.拉伸试样形状：根据国家标准（GB/T228——2002）有：圆形、矩形、六方形。20第二十页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2.力-伸长曲线（F~ΔL）

表示：拉力与伸长量之间的关系曲线。拉伸过程：

弹性变形阶段屈服阶段强化阶段缩颈阶段断裂。断裂形式：

韧性断裂——纤维状断口

脆性断裂——冰糖块状断口

疲劳断裂——贝壳状断口

拉伸曲线图21第二十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3.强度指标（σe

；σs

；σb）1）弹性极限定义：指在外力作用下由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。或指完全卸载后不产生永久变形时所能承受的最大应力。公式：式中：

Fe

—试样不出现任何明显塑性变形时所受的最大载荷，即拉伸曲线中e点所对应的外力（N）；

S0

—试样原始横截面面积（mm2）。22第二十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2）屈服强度定义：--指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。公式：式中：

Fs--试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷，即拉伸曲线中S点所对应的外力（N）；

S0

--试样原始横截面面积（mm2）。23第二十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期六

对于大多数没有明显的屈服现象的金属材料。定义：条件屈服强度：（

σ0.2

）

规定：产生0.2%残余伸长时的应力作为条件屈服强度。指出：是工程技术中最重要的机械性能指标之一；是设计零件时作为选用金属材料的重要依据。24第二十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3）抗拉强度定义：指在外力作用下由产生大量塑性变形到断裂前所承受的最大应力，故又称强度极限。公式：式中：

Fb—指试样被拉断前所承受的最大外力，即拉伸曲线上b点所对应的外力（N）。

S0

—试样原始横截面面积（mm2）25第二十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期六二、塑性指标（δ%；Ψ%）定义：

塑性—材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力。(1)断后伸长率

公式：δ%

=

（Lu-L0）/L0

×100%

式中：

L0—试样原标距的长度（mm）

Lu—试样拉断后的标距长度（mm）(2)断面收缩率公式：

Ψ%

=

（S0-Su）/S0×100%

式中：S0—试样原始横截面面积（mm2）

Su—试样拉断后缩颈处的最小横截面面积（mm2）规律：（δ

%；Ψ

%

）的数值越大，表示其塑性越好；

良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。26第二十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期六三、硬度指标1.定义：硬度—金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。它是材料性能的一个综合物理量。表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。2.实验方法1）布氏硬度（HB）；2）洛氏硬度（HR）；3）维氏硬度（HV）27第二十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期六1.布氏硬度（HB）1）定义使用一定直径的钢球（D=1.588mm），以规定实验力压入试样表面，并保持规定时间（t=10~30s）后卸除实验力，然后测量表面压痕直径（d），再查相应的表（压痕~硬度对照表）得到测定的硬度值。压痕直径（d）越小，数值越大，表示硬度越高。28第二十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2）应用范围

主要用于：测定铸铁、有色金属及退火、正火、

调质处理后的各种软钢或硬度较低的材料。3）优、缺点

优点：压痕直径较大，能比较正确反映材料的平均性能；适合对毛坯及半成品测定。

缺点：操作时间比较长，不适宜测定硬度高的材料；压痕较大不适合对成品及薄壁零件的测定。29第二十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛1）定义

采用金刚石压头直接测量压痕深度来表示材料的硬度值。2）表示方法例：45HRC表示：测得洛氏硬度值为45；数值越大，表示硬度越高。30第三十页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3）常用洛氏硬度标尺及适用范围标尺压头总载荷/Kg有效值被测试材料HRA金刚石（圆锥体）10060～85硬质合金、表面淬火钢HRC

金刚石（圆锥体）15020～67一般淬火钢4）优、缺点优点：操作简单、快速，可直接在表盘上读出硬度值，适宜测定成品及较薄零件及硬度高的材料；缺点：但由于压痕较小，硬度代表性差些，如果材料中有偏析或组织不均匀的情况，测得的硬度值重复性较差，一般要求在不同部位测试多次，并取平均值。31第三十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3.维氏硬度（HV）1）特点：

压头为金刚石的正四棱锥体，根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值。

根据试样大小、厚薄选择载荷：（F=0.098～9.8N）适合测定极薄试样表面的硬度和表面硬化层的硬度高低。2）表示方法：

例：640HV30表示：实验力：30Kg；时间：10~15s

表面的硬度值：640HV同样数值越大，表示硬度越高。32第三十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期六四、冲击韧性（瞬间动载荷）33第三十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期六1）定义

金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性。2）冲击试样尺寸和形状尺寸：10mm×

10mm×

55mm形状：U形-脆性材料V形-韧性材料3）表示方法

ak=AK/S0（J·cm-2）式中：

Ak—冲断试样所消耗的冲击功（J）

So—试样缺口处的横截面面积（cm2）可知：ak值越大，表示材料的冲击韧性越好。34第三十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期六五、疲劳强度（σ-1）1.定义：

疲劳强度—当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。2.表示方法：通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上进行σ-1的测定

。

循环基数（N）：一般钢材：N=107，有色金属和某些超高强度钢：N=108。35第三十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3.产生疲劳断裂破坏的原因一般认为：是由于材料内部有夹杂、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷。

据统计：约有80％的机件失效为疲劳断裂破坏。4.破坏的形式通常在疲劳破坏前没有明显的变形，断裂前没有预兆，所以疲劳破坏经常造成重大事故。36第三十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期六5.改善方法：1）合理选择材料；2）细化晶粒；3）均匀组织；4）减少材料内部缺陷；5）改善零件的结构形式；6）减少零件的表面粗糙度，提高表面光洁度；7）采取各种表面强化的方法（例：表面淬火，喷丸等）37第三十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期六§3.金属单晶体的塑性变形1.塑性变形方式：滑移；孪生2.滑移及相关概念①滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分发生相对的平行滑动，滑动的距离为原子间距的整数倍。这种变形方式称为~。38第三十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期六②滑移特点⑴发生在最密排晶面，滑移方向为最密排晶向；⑵只在切应力下发生，存在临界分切应力—τk

。断裂弹性伸长στσσττστ弹性歪扭塑性变形（滑移）39第三十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期六⑶滑移两部分相对移动的距离是原子间距的整数倍，但滑移后滑移面两边的晶体位向仍保持一致；③影响τk

的因素：⑴取决于金属本性，与外力无关，取向无关；⑵组织敏感参数：当金属不纯，变形速度愈大，变形温度愈低，τk

愈大。④影响σs的因素：⑴主要与τk有关；⑵与外力及取向有关。

40第四十页，共八十四页，编辑于2023年，星期六⑷伴随晶体的转动和旋转，滑移面转向与外力平行的方向，滑移方向旋向最大的切应力方向；滑移面滑移前PP滑移后力偶41第四十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3.滑移系及滑移系数的实际意义（1）各晶体结构的滑移系体心立方(b.c.c)面心立方(f.c.c)(110)〔111〕(111)〔110〕滑移面：｛110｝(110)、(011)、(101)(110)、(011)、(101)滑移方向：〈111〉滑移系数：6×2=12滑移面：｛111｝(111)、(111)、(111)、(111)滑移方向：〈110〉滑移系数:4×3=1242第四十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期六（2）滑移系数目的实际意义—判断塑性变形能力滑移系数目愈多，塑性愈好；滑移系数相同时，滑移方向多则表示塑性较好。塑性变形的能力比较：f.c.c>b.c.c>h.c.p43第四十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期六4.孪生

晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（孪生面）产生一定角度的切变。44第四十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期六§4.金属多晶体的塑性变形特点：⑴单个晶粒与单晶体一致；⑵各晶粒的变形具有不同时性：分批、逐次。原因：取向不同。⑶变形具有不均匀性:晶粒内部与边界或晶粒之间。晶界45第四十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期六⑷多晶体变形抗(阻)力>单晶体①晶界阻碍位错运动；②位向差→晶粒之间须协调└意义：产生晶界强化46第四十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期六§5.塑性变形对金属组织和性能的影响1、塑性变形对组织结构影响（1）晶粒变形：等轴状→拉长成纤维组织、带状组织└性能各向异性（2）亚结构的细化铸态：d=

cm；塑变后：d=cm原因：位错受阻后塞积、缠结→亚晶界→晶粒分化为许多位向略有差异的小晶块。└变形中的晶粒碎化47第四十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期六（3）产生形变织构定义：金属塑性变形到很大程度（>70%）时，晶粒发生转动，各晶粒的位向趋于一致，形成有序化的结构。有利：增加导磁性，制成高等级硅钢片。轧制方向48第四十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期六不利：织构造成性能各向异性，使得变形不均匀，冲压产品易产生“制耳”现象。49第四十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2、塑性变形对金属性能的影响1.加工硬化定义：随变形度增大，金属的强硬度显著增高而塑韧性明显下降的现象~。50第五十页，共八十四页，编辑于2023年，星期六原因：位错增殖理论。意义：（1）纯金属的强化手段—形变强化；（2）有利于塑性变形均匀进行；（3）有利于金属构件的工作安全性；不利：再变形困难└解决办法：在冷加工之间进行再结晶退火。51第五十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期六⑴第一类内应力——宏观内应力工件不同部位—1%；⑵第二类内应力——微观内应力晶粒之间或晶内不同区域—9~10%；⑶第三类内应力——点阵畸变(位错、空位)是变形金属中的主要内应力，也使金属强化的主要原因。—80~90%；3.残余应力消除方法：去应力退火4.残余应力的应用：喷丸处理——产生压应力提高表面强度。2产生残余应力52第五十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期六5.性能出现方向性←形变织构，形变量>70%6.其它性能的影响物理：电阻↑，导电、导磁性↓化学：化学活性↑，耐蚀性↓消除：去应力退火

53第五十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期六§6金属及合金的回复与再结晶1.形变金属与合金在加热过程中的变化（1）组织转变的原因：T>Ac1：相变驱动力（体积自由能）T<Ac1：形变储存能（晶格畸变能80~90%）形变后的不稳定组织。（2）组织与性能的变化根据组织变化不同，分为三个阶段：回复再结晶晶粒长大54第五十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期六根据组织变化不同，导致性能产生很大变化：55第五十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2.回复（1）定义：冷变形后的金属在加热温度不高时，其光学组织未发生明显改变时所产生的某些亚结构和性能的变化过程。（2）特点：①加热温度低：T回=(0.25~0.3)T熔；②显微组织无明显变化：③晶粒内部亚结构发生变化：主要是：点缺陷↓↓；位错密度↓发生：异号位错的合并；同号位错的规整化：形成回复亚晶，——“多边形化”└仍保留高位错密度56第五十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期六④性能变化：HB、σb略↓，δ%、ψ%略↑；R↓↓；原因：晶格畸变↓⑤内应力大大下降力学性能变化不大，物理、化学性能变化较大；加工硬化效果基本保持。3.回复的应用钢结构件的去应力退火：250~300℃目的：消除内应力;保持高强度、高硬度水平;恢复物理、化学性能。

57第五十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3.再结晶（1）定义：冷变形金属加热到较高的温度下，通过新晶核的形成与长大，由畸变晶粒变为等轴晶粒的过程。（2）特点：①加热温度较高：T>T再理论：T再≈0.4T熔；实际:T再+100~200℃②显微组织显著变化—形成等轴无畸变新晶粒；③亚结构：位错密度大大降低；④性能显著变化：HB、σb↓↓；δ%、ψ%↑↑⑤内应力完全消除。58第五十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期六影响T再的因素①T熔：T熔↑，T再↑如：Fe:1538℃→450℃;Sn:200℃→0℃;W:3300℃→1200℃原因：原子间结合力强，难扩散。②纯度：纯度↓，杂质量↑，T再↑③变形程度：变形程度↑，T再↓原因：储存能↑，驱动力↑。59第五十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期六5.晶粒长大随着：T↑，t↑，晶粒不断长大。（1）驱动力：界面能（2）长大方式：①“大吃小”；②晶界拉直:呈120°，形成近六边形晶粒（直晶界最稳定，是一个自发过程）。60第六十页，共八十四页，编辑于2023年，星期六61第六十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期六6.影响再结晶晶粒度的因素（1）加热温度：T↑，d↑原因：原子扩散能力强，晶界易迁移。（2）预先变形量：均匀度ε=10~90%：ε↑、d↓；ε=2~10%：异常长大；ε>90%：异常长大。原因：a.驱动力因素b.形核因素c.形变织构因素形成二次再结晶：当形变量很大时(>90~95%)或在较高温度下某些晶粒的异常长大过程。└尽量避开临界变形量（2~10%）

62第六十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期六（3）合金元素、杂质及第二相质点存在，均阻碍晶界运动→细化；并且分布愈弥散、细小、量多→细化效果好。（四）再结晶退火的应用目的：①中间退火：消除加工硬化冷拔Fe-Cr-Al电阻丝生产中：采用氢气保护再结晶退火②无相变金属的细晶强化（如：Al、Cu等）冷塑变+再结晶退火→获得细化的再结晶晶粒63第六十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期六§7金属的热加工（1）金属热加工与冷加工区别金属学概念热加工：T>T再；冷加工：T<T再；冷、热加工的相对性例：W在1000℃的加工为非热加工；Sn、Pb在室温的加工为热加工；（2）热加工对组织与性能影响1）消除铸态组织缺陷：（a）气孔、疏松、微裂纹的焊合——组织致密化；（b）破碎粗大的铸态晶粒，经再结晶过程——晶粒细化；（c）减轻枝晶偏析实际热加工温度远高于再结晶温度——成分均匀化使得塑韧性↑，因此热加工组织优于铸态组织。64第六十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2）经热锻与热轧可改善第二相、夹杂的分布形成纤维组织（流线）：使铸态组织的枝晶偏析、夹杂物分布，沿加工方向延伸形成细碎的组织——流线与力性方向分布合理。65第六十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3缺陷：形成带状组织与区域偏析组织带状组织：复相合金中各个相沿热加工方向交替呈带或层状组织，使钢的横向塑性和冲击韧性明显下降。区域偏析组织：(成分偏析、夹杂物分布)沿加工方向延伸形成的组织——力性的各向异性（金属流线组织）（带状组织）66第六十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期六§1.金属的工艺性能

表示金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。具体表现在：

结构合理性；选材合理性；加工方法合理性。

流动性

塑性

67第六十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期六

（金属材料的一般加工过程）冶炼铸件铸锭铸造热锻板材、棒材、型材、管材焊接机加工热轧锻件机加工机加工零件冷轧、冷拔、冷冲68第六十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期六

金属材料的工艺性能

主要包括：

铸造性能；锻压性能；焊接性能；切削加工性能；热处理性能。

69第六十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期六

一、铸造性能

1.定义：

是指铸造成形过程中获得外形正确、内部健全铸件的能力。

70第七十页，共八十四页，编辑于2023年，星期六铸造产品71第七十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期六铸造产品72第七十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2.相关指标：（流动性、收缩性、偏析倾向性）1）流动性

液态合金充满型腔，获得形状完整轮廓清晰的铸件的能力。在常用铸造合金中：

灰铸铁＞铝合金＞铸钢。

73第七十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期六2）收缩性铸造合金由液态凝固和冷却到室温的过程中，体积和尺寸减小的现象。在铁碳合金中：灰口铸铁＜铸钢。

74第七十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期六3）偏析倾向性金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀的现象。产生危害：使得铸件各部分的力学性能产生很大差异，降低铸件