金属材料性能与塑性变形

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
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。
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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。
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§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
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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
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§5. 塑性变形对金属组织和性能的影响
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。
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四、冲击韧性
（瞬间动载荷）
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1）定义
（3）注意
内力和外力不同于作用力和反作用力。
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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。
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二、金属的变形 金属在外力作用下的变形三阶段：
弹性变形 1.特点 弹性变形： 弹-塑性变形 断裂。
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
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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 。 ζ 弹 性 伸 长 ζ 弹 性 歪 扭 塑性变形 （滑移）
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ζ
ζ η
断裂
η
η
η
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：
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· -2） cm 式中： Ak—冲断试样所消耗的冲击功（J）
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）
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§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~。
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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。
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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。
弹性变形阶段
缩颈阶段
屈服阶段
断裂。
强化阶段
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
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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。
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
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。
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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
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2）挤压
（低碳钢、有色金属等型材）
5
3）拉拔
（碳钢、有色金属等线材、型材、管材）
线材拉拔
管材拉拔
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4）锻压 （碳钢、合金钢、特种钢坯料）
自由锻
模锻
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5）冷冲压
（低碳钢、合金钢板材）
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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 b）动载荷 —没有变化； —瞬间变化；
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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”。
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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
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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)
〔111〕 (110)
(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)
公式：
பைடு நூலகம்b
式中：
Fb S0
MP a
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）
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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）
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。
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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
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）
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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。
解决办法：去应力退火 。
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§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。
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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。
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
h3 HR 100 0.002
例：45HRC
表示： 测得洛氏硬度值为45； 数值越大，表示硬度越高。
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3）常用洛氏硬度标尺及适用范围
标尺 HRA HRC 压头 金刚石（圆锥体） 金刚石（圆锥体） 总载荷/Kg 100 150 有效值 60～85 20～67 被测试材料 硬质合金、表面淬火钢 一般淬火钢
滑移方向：〈110〉
滑移系数: 4×3=12
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（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.p
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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。
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。
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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。
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。
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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；
P 滑移面
滑移前 P
力偶
滑移后
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。
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1.拉伸试样
形状：根据国家标准（GB/T228——2002） 有：圆形、矩形、六方形。
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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：
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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。
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2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛 1）定义
c）交变载荷—不断变化。
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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
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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。
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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。
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5.改善方法：
1）合理选择材料；
2）细化晶粒；
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。
公式：
Fe e S0
MP a
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）。
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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：
Fs s S0
MP a
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）。
第二章 金属材料的塑性变形与性能
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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）
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§1.金属材料的损坏与塑性变形
1.常见损坏形式