《华南理工大学机械工程材料第三章综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华南理工大学机械工程材料第三章综述（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 第一节 金属的变形特性和常用力学性能指标 第二节 金属的塑性变形 第五节 金属的热加工 第四节 回复与再结晶 第三节 塑性变形对组织和性能的影响 2 铸态组织： 晶粒粗大、组织不均匀、成分偏析及组织疏松 第三章 金属的塑性变形与再结晶 压力加工（塑性变形）： 1、得到预期外形的工件 2、改善金属内部组织，提高金属的强度和韧性 3 三个阶段: 弹性变形、弹-塑性变形、断裂 第一节 金属的变形特性 4 1、强度指标 (1) 比例极限(P)与弹性极限(e) (2) 屈服强度(s与0.2)机械设计指标 (3) 抗拉强度(b) (4) 疲劳强度(-1) 第一节 常用力学性能指标 5 第一节 常用力学
2、性能指标 2、塑性指标：伸长率和断面收缩率 L0试样原标距长度 L1拉断后试样的标距长度 F0试样原来截面积 F1试样断后细颈处的截面积 6 第一节 常用力学性能指标 (2) 断裂韧度(Kc):工程上材料抵抗裂纹失稳扩展能力的指标 3、韧性指标 (1) 冲击韧度(k)：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力， 常用标准试样的冲击吸收功表示。 J/cm2 W为冲击破坏所消耗的功；F为标准试样断口截面积； c引起脆断的临界应力(断裂强度) a裂纹深度 7 4、硬度指标 硬度：指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。 试验方法：压入法（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度） 弹性回跳法（肖氏
3、硬度(HS)） 划痕法（莫氏硬度）三种。 常用来测定硬度的方法有布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。 第一节 常用力学性能指标 8 第一节 常用力学性能指标 布氏硬度试验法 如图所示采用直径为D的硬质合金球，在规定载荷F的作用下，压入 被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，测定压痕直径，求出压痕球 形的表面积，压痕单位表面积上所承受的平均压力（F/A）即为布氏硬 度值，用HBW表示。例如450HBW。 布氏硬度计 9 布氏硬度HB 符号HBW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 120HBW10/1000/30 表示直径为10mm的硬质合金球 在1
4、000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏 硬度值为120。 10 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材 料。 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。 材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁： b(MPa)1HB 或 b(MPa) 0.6(HB-40) HB b(MPa) 钢 黄铜 球墨铸铁 第一节 常用力学性能指标 11 h1-h0 洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计 洛氏硬度试验法 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/
5、0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的 标尺为A、B、C。 第一节 常用力学性能指标 12 符号HR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, 如硬质 合金、表淬层和渗碳层。 lHRB用于测量低硬度材料, 如有色 金属和退火、正火钢等。 lHRC用于测量中等硬度材料，如调 质钢、淬火钢等。 l洛氏硬度的优点：操作简便，压痕 小，适用范围广。 l缺点：测量结果分散度大。 钢球压头与 金刚石压头 洛氏硬度压痕 第一节 常用力学性能指标 13 维氏硬度试验法 维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕 第一节 常用力学性能指标 14 维氏硬度用符号HV表示
6、，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。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验 、 小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计 显微维氏硬度计 第一节 常用力学性能指标 15 第一节 常用力学性能指标 16 第二节 金属的塑性变形 滑移主要变形方式 晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(滑移面)和晶 向(滑移方向)发生相对位移。 一、单晶体的塑性变形滑移、孪生 单晶体滑移示意图 锌单晶的拉伸照片 17 (1) 只能在切应力作用下发生。 n产生滑移的最小切应力称临界 切应力. 外力分解： 切应力
7、：平行于滑移面 。使晶格在发生弹性歪扭之 后进一步造成滑移。 正应力：垂直于滑移面 ，使晶格弹性伸长，甚至进 一步把晶体拉断（正断）。 一、单晶体的塑性变形滑移的特点 第二节 金属的塑性变形 18 (2) 沿晶体中原子密度最大的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)发生 因为最密排晶面之间的面间距和最密排晶向之间的原子列间 距最大，因而原子结合力最弱，所以在最小的切应力下便能引起 它们之间的相对滑动。 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通 常是晶体中的密排面和密排方向。 一、单晶体的塑性变形滑移的特点 第二节 金属的塑性变形 在体心立方晶格中，具有最大原子密度的晶面是110，具有 最
8、大原子密度的晶向是 在面心立方晶格中，具有最大原子密度的晶面是111，具有 最大原子密度的晶向是 19 滑 移 系：一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系。 滑移系数：滑移面数滑移面上的滑移方向数 滑移系数（滑移系相同时滑移方向），塑性 一、单晶体的塑性变形滑移的特点 第二节 金属的塑性变形 晶体结结构材料滑移面滑移方向 面心立方Al、Cu、Ni1 1 1 体心立方-Fe1 1 01 1 21 2 3 Mo、Nb、Ta1 1 0 密排六方Be、Co、Mg、Zn、Cd0 0 0 1 -Ti1 0 1 0 20 bcc: 110 6 2 = 12 fcc: 111 4 3 = 12 第二节
9、金属的塑性变形 bccfcc 21 第二节 金属的塑性变形 hcp hcp: 0001 1 3 = 3 22 一、单晶体的塑性变形滑移的特点 第二节 金属的塑性变形 体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格 110111 110 111 晶格 滑移面 滑移 方向 滑移系 三种典型金属晶格的滑移系 bcc: 110 6 2 = 12 fcc: 111 4 3 = 12 hcp: 0001 1 3 = 3 23 滑移系数越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好， 其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方 晶格好于密排六方晶格。 第二节 金属的塑
10、性变形 24 (3) 滑移是由于滑移面上的位错运动造成的 滑移线： 因位错滑移导致大量的位错线不断 移出而在晶体表面形成的滑移台阶。 位错运动方向 额外半原子面 额外半原子面 一、单晶体的塑性变形滑移的特点 第二节 金属的塑性变形 额外半原子面 25 l晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数 原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距 ，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动 性。 l当一根位错移动到晶体表面时，便产生一个原子间距 的滑移量，同一滑移面上，若有大量位错移出，则在 晶体表面形成一条滑移线。 滑移带：多根滑移线构成一条滑移带。 一、单晶体的塑性变形滑移的特点 第二
11、节 金属的塑性变形 26 滑移的临界分切应力临界分切应力开始滑移所需要的最小分切应力 一、单晶体的塑性变形滑移的特点 第二节 金属的塑性变形 设：一圆柱形单晶体受到轴向拉力F的 作用，晶体的横截面积为A，F与滑移方 向的夹角为，那么滑移面的面积为 A/cos，F在滑移方向上的分力为Fcos 。 外力F在滑移方向上的分切应力为： 当外力F增加，使某一滑移系上的分切应力达到某一临界值， 滑移就会在该滑移系上进行，此时，F/A=s（屈服极限）。 27 滑移的临界分切应力临界分切应力( ( k k ) )开始滑移所需要的最小分切应力。 软位向：=45, =45. 当滑移面法线、滑移方向、外力轴处于 同
12、一平面，且=45、=45，取向因子 =0.5，分切应力最大，最有利于滑移。 硬位向： =900或=900 外力滑移面(=900)或垂直 (=900)时，取向因子=0，s=，滑移无法进行。 一、单晶体的塑性变形滑移的特点 第二节 金属的塑性变形 28 (4) 滑移的同时伴随着晶体的转动。 一、单晶体的塑性变形滑移的特点 第二节 金属的塑性变形 外力作用在单晶体上，它在某晶面 上所分解的切应力使晶体发生滑移 ，而正应力则组成一力偶，使晶体 滑移面向外力方向转动，滑移方向 向最大切应力方向转动。 A 0 A 1 F F 滑移时晶体转动示意图 转动的原因：晶体滑移后 使正应力分量和切应力分 量组成了力
13、偶。 29 (4) 滑移的同时伴随着晶体的转动 因晶体的转动使滑移面法向 与外力轴的夹角越来越远离45 ，滑移越来越困难，这种现象称 为“几何硬化” 一、单晶体的塑性变形滑移的特点 第二节 金属的塑性变形 A 0 A 1 F F 滑移时晶体转动示意图 (5) 滑移前后晶体点阵类型不变， 晶体位向也不变。 30 在切应力的作用下晶体的一部分沿一定的晶面(孪生面) 和一定的晶向(孪生方向)相对于另一部分作均匀切变。 一、单晶体的塑性变形孪生 第二节 金属的塑性变形 孪生变形示意图 31 在切变区域内，与孪晶面平行的每层原子的切变量与它距孪 晶面的距离成正比，并且不是原子间距的整数倍。 这种切变不会
14、改变晶体的点阵类型，但可使变形部分的位向 发生变化。 变形部分与未变形部分的晶体以孪晶面为分界面构成镜面对 称的位向关系。通常把对称的两部分晶体称为孪晶或双晶。 形成孪晶的过程称为孪生。 一、单晶体的塑性变形孪生 第二节 金属的塑性变形 32 与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。 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排列时发生错排而产生的，称
15、 退火孪晶。 第二节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形孪生 33 基本形式：滑移、孪生 不同点：晶界、位向差 特点: (1) 不同时性逐批进行 (2) 相互协调性变形抗力比单晶体高 (3) 不均匀性造成内应力 二、多晶体的塑性变形 第二节 金属的塑性变形 立体图前视图 一、单晶体的两种塑性变形比较 34 晶粒大小的影响 晶粒细而均匀： (1) b: 晶界，塑变抗力，强度 晶界强化 细晶强化工业生产中重要的强化方法； (2) 塑性、韧性：变形分散、均匀，变形量塑性、 韧性； (3) 内应力。 二、多晶体的塑性变形 第二节 金属的塑性变形 35 （1）纤维组织： 金属经塑性变形后晶粒沿变形方向拉长、压扁，当变形 量时, 成细条状或纤维状 性能具有明显的方向性 第三节 塑性变形对组织和性能的影响 1、晶粒变形 全部新晶粒新形成的小晶粒 残留
