《材料力学性能塑性变形课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学性能塑性变形课件（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材料力学性能 第三章 塑性变形,3.1 金属材料塑性变形机制及特点,3.1.1 金属塑性变形的机制,常见的塑性变形方式为滑移和孪生 滑移是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。 滑移面滑移方向=滑移系 滑移系越多,塑性 孪生是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式,孪生变形可以调整滑移面的方向,使新的滑移系开动,间接对塑性变形有贡献。(滑移受阻孪生,变形速度加快),3.1.2 多晶体材料塑性变形的特点,1、各晶粒塑性变形的非同时性和不均一性 2、各晶粒塑性变形的相互制约性与协调性,材料力学性能 第三章 塑性变形,3.2 屈服现象及其本质,材料力学性能 第三章 塑性变形,3
2、.2.1 物理屈服现象,3.2.2 屈服现象的本质 位错增殖理论,低碳钢的物理屈服点及屈服传播,3.2.3 应变时效,材料力学性能 第三章 塑性变形,如果在屈服后一定塑性变形处卸载，随即再拉伸加载，则屈服现象不再出现，若在卸载后在室温或较高温度停留较长时间后再拉伸，即物理屈服现象重现、且新的屈服平台高于卸载时应力应变曲线。这种现象称为应变时效。,3.3 真应力应变曲线及形变强化规律,真应力真应变加线可用Hollomon方程来表示： K强化系数；n应变强化指数。 由上式可知，n值越大，材料对继续塑性变形得抗力愈高。大多数金属材料的应变硬化系数为0.050.5之间。 应变强化速率与n意义的区别：,
3、材料力学性能 第三章 塑性变形,材料力学性能 第三章 塑性变形,应变硬化速率,在相同变形量的情况下，n越大，加工硬化速率也高。,3.3.2 颈缩条件分析,颈缩是预示材料断裂的危险信号。,材料力学性能 第三章 塑性变形,出现颈缩时正是负荷变形曲线上的最大载荷处。应有：,又按体积不变定理：,故有：,材料力学性能 第三章 塑性变形,上式就是颈缩条件。,当加工硬化速率等于该处的真应力时，就开始颈缩。,dS/dS时，硬化作用明显； dS/dS时，加工硬化能力微弱，颈缩开始。,又：,材料力学性能 第三章 塑性变形,得,说明颈缩开始时的真应变在数值上等于应变强化系数n。,当出现颈缩后，材料的受力状态从单向拉
4、伸变成三向拉伸，Bridgman对颈部应力状态及分布放心后，得到了一个修正式：,3.3.3 形变强化的实际意义,金属的加工硬化，对冷加工成型工艺是很重要的。 对于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，零件具有抵抗偶然超载的能力，是安全使用的可靠保证。 形变强化是提高材料强度的重要手段，尤其对不能进行热处理强化的材料。,材料力学性能 第三章 塑性变形,3.3.4 韧性的概念及静力韧度分析,定义：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。,材料力学性能 第三章 塑性变形,静力韧度表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。,材料力学性能 第三章 塑性变形,计算得：,提高屈服强度
5、将导致材料韧性降低，材料强度得提高是以牺牲韧性为代价。,3.4 应力状态对塑性变形的影响,3.4.1 应力状态柔度系数 为了表示应力状态对材料塑性变形的影响，引入了应力状态柔度系数a，它的定义为： 应力状态柔度系数a，表征应力状态的软硬。,材料力学性能 第三章 塑性变形,3.4.2 扭转试验,1、 应力应变分析,材料力学性能 第三章 塑性变形,2、扭转试验及测定的力学性能,材料力学性能 第三章 塑性变形,根据扭转图，利用材料力学公式, 可以计算出:,切变模量,扭转比例极限,截面系数,扭转屈服强度,条件抗扭强度,真实抗扭强度,材料力学性能 第三章 塑性变形,材料力学性能 第三章 塑性变形,扭转切
6、应变,对于塑性材料，因塑性变形很大，弹性变形可忽略，上式求出的总应变看作残余切应变；对于脆性材料和低塑性材料，弹性变形不能忽略，残余切应变还应减去弹性切应变y。,3、扭转试验的特点及应用,测定拉伸时表现为脆性材料的有关塑性变形抗力指标。 精确测定高塑性材料的变形能力和抗力指标。 不能显示材料的体积缺陷，对表面缺陷及硬化层的性能敏感。 明确区分金属材料最终断裂方式。,材料力学性能 第三章 塑性变形,3.4.3 弯曲试验,材料力学性能 第三章 塑性变形,1、弯曲试验分为三点弯曲和四点弯曲，试样主要有矩形截面和圆形截面。,试验时，在试件跨距的中心测定绕度，绘成Pfmax关系曲线，即弯曲图。,材料力学
7、性能 第三章 塑性变形,由左图可知，塑性材料的力学性能由拉伸试验测定，而不采用弯曲试验；脆性材料根据弯曲图求得：,2、弯曲试验的应用,材料力学性能 第三章 塑性变形,1、用于测定灰铸铁的抗弯强度,2、用于测定硬质合金的抗弯强度,3、用于陶瓷材料的抗弯强度的测定,3.4.4 压缩试验,材料力学性能 第三章 塑性变形,公式 bc 是条件抗压强度。真抗压强度小于或等于条件抗压强度。,材料力学性能 第三章 塑性变形,3.4.5 硬度,材料力学性能 第三章 塑性变形,硬度不是金属独立的基本性能，它是指金属在表面上的不大体积内抵抗变形或者破裂的能力。 硬度试验按其试验方法的物理意义可分为刻划硬度、回跳硬度
8、(肖氏硬度)和压入硬度。刻划硬度主要表征材料对切断式破坏的抗力；回跳硬度主要表征材料弹性比功大小；压入法型硬度试验则表征金属抵抗变形的能力。 压入法型(侧压)加载方式属于极“软”性的应力状态，a2，即最大切应力远远大于最大正应力，所以在这种加载方式下几乎所有金属材料都会发生塑性变形，而起始塑性变形抗力和继续塑性变形的抗力(即形变强化能力)就直接决定压 入硬度值的大小。,1、布氏硬度,材料力学性能 第三章 塑性变形,布氏硬度试验的基本原理,在直径D的钢珠（淬火钢或硬质合金球）上，加一定负荷P，压入被试金属的表面，保持规定时间卸除压力，根据金属表面压痕的陷凹面积F凹计算出应力值，以此值作为硬度值大
9、小的计量指标。,2、布氏硬度试验规程,材料力学性能 第三章 塑性变形,布氏硬度试验的基本条件是负荷P和钢球直径D必须事先确定，这样所得数据才能进行比较。 压痕直径d和钢球直径D的比值也不能太大或太小，否则所得HB值失真，只有二者的比值在一定范围(0.2Dd0.5D)才能得到可靠的数据。因此，在生产上应用这一试验时，就要求采用不同的P和D的搭配。 现在问题是，如果采用不同的P和D的搭配进行试验时，对P和D应该采取什么样的规定条件才能保证同一材料得到同样的HB值？,相似原理,材料力学性能 第三章 塑性变形,如果要得到相等的 HB值，就必须使二者的压人角相等，要保证所得压人角相等，必须使P/D2为一
10、常数，只有这样才能保证对同一材料得到相同的HB值。这就是对P和D必须规定的条件。,3、布氏硬度试验的优缺点和适用范围,材料力学性能 第三章 塑性变形,优点：代表性全面，因为其压痕面积较大，能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数据，故特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相 的金属材料。试验数据稳定。试验数据从小到大都可以统一起来。,缺点：钢球本身变形问题。对HB450以上的太硬材料，因钢球变形已很显著，影响所测数据的正确性，因此不能使用。由于压痕较大，不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于薄件试验。此外，因需测量d值，故被测处要求平稳，操 作和测量都需
11、较长时间，故在要求迅速检定大量成品时不适合。,2、洛氏硬度,材料力学性能 第三章 塑性变形,洛氏硬度的测量原理,洛氏硬度是以压痕陷凹深度作为计量硬度值的指标。,洛氏硬度的压头分硬质和软质两种。硬质的由顶角为120的金钢石圆锥体制成，适于测定淬火钢材等较硬的金属材料；软质的为直径1/16“(1.5875mm)或1/8”(3.175mm)的钢球，适于退火钢、有色金属等较软材料硬度值的测定。洛氏硬度所加负荷根据被试金属本身硬软不等作不同规定，随不同压头和所加不同负荷的搭配出现了各种称号的洛氏硬度级。 生产上用得最多的是A级、B级和C级，即HRA(金钢石圆锥压头、60kgf负荷)，HRB(1/16钢球
12、压头、100kgf负荷)和HRC(金钢石圆锥压头、150kgf负荷)，而其中又以HRC用得最普遍。,洛氏硬度的测量方法,材料力学性能 第三章 塑性变形,洛氏硬度试验过程示意图,洛氏硬度试验的优缺点,材料力学性能 第三章 塑性变形,洛氏硬度试验避免了布氏硬度试验所存在的缺点。它的优点是： 1)因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题； 2)压痕小，不伤工件表面； 3)操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。 缺点是：用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。,维氏硬度,材料力学性能 第三章 塑性变形,维氏硬度试验法开始于1925年
13、。维氏硬度的测定原理和布氏硬度相同,也是根据单位压痕陷凹面积上承受的负荷，即应力值作为硬度值的计量指标。,所不同的是维氏硬度采用锥面夹角为136的四方角锥体，由金钢石制成。,采用四方角锥，是针对布氏硬度的负荷P和钢球直径D之间必须遵循P/D2为定值的这一制约关系的缺点而提出来的。采用了四方角锥，当负荷改变时压人角不变，因此负荷可以任意选择，这是维氏硬度试验最主要的特点，也是最大的优点。,材料力学性能 第三章 塑性变形,维氏硬度的优缺点,材料力学性能 第三章 塑性变形,不存在布氏那种负荷P和压头直径D的规定条件的约束，以及压头变形问题；也不存在洛氏那种硬度值无法统一的问题；它和洛氏一样可以试验任
14、何软硬的材料，并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)的硬度此外洛氏由于是以压痕深度为计量指标，而压痕深度总比压痕宽度要小些，故其相对误差也越大些。 维氏硬度试验具有另外两种试验的优点而摒弃了它们的缺点，此外还有它本身突出的特点负荷大小可任意选择。唯一缺点是硬度值需通过测量对角线后才能计算(或查表)出来，因此生产效率没有洛氏高。,4、显微硬度,材料力学性能 第三章 塑性变形,前面介绍的三种硬度试验法由于测定载荷较大，只能测得材料组织的平均硬度值。,测定极小范围内物质的硬度或者研究扩散层组织、偏析相、硬化层深度以及极薄板等等、陶瓷等脆性材料的硬度就需要使用显微硬度。所谓显微硬度试验一般是指测试载荷
15、小于2N力的硬度试验。常用的有显微维氏硬度和努氏硬度二种。,显微维氏硬度,材料力学性能 第三章 塑性变形,显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度拭验相同，故硬度值可用式(48)计算，并仍用符号HV表示。但由于测试载荷小，载荷与压痕之间的关系就不一定像维氏硬度试验那样符合几何相似原理。因此测试结果必须注明载荷大小，以便能进行有效地比较：如340 HV0.1表示用1N的载荷侧得的维氏显微硬度为340而340HV0.05则是表示用0.05N的载荷测得的硬度为340。,努氏硬度,材料力学性能 第三章 塑性变形,努氏压头是一菱形的金刚锥体，在纵向上锥体的顶角为172.5 ，
16、横向上锥体的顶角为130，压痕的长短对角线长度之比约7：1，压痕的深度约为其长度的1/30。努氏硬度按以下公式计算:,(1)在测量渗碳(或氮化)淬硬层的硬度分布时，努氏压痕的排列与分布较维氏更紧凑； (2)在相同的对角线长度下(努氏压痕以长对角线计)，努氏压痕的深度与面积只有维氏压痕的15，这对测量薄层硬度，例如电镀层特别适宜，而在测量脆性材料如玻璃，陶瓷的硬度时，在压痕周围不容易碎裂，因为断裂倾向是和受应力材料的体积成正比的，所以努氏硬度在些特定的场合下使用时更方便。,5、肖氏硬度,材料力学性能 第三章 塑性变形,肖氏硬度又叫回跳硬度其测定原理是将定重量的具有金刚石圆头或钢球的标准冲头从一定高度h0自由下落到试件表面，然后由于试件的弹性变形使其回跳到某一高度h，用这两个高度的比值来计算肖氏硬度值，即 ：,硬度值的大小取决于材料的弹性性质。因此，弹性模数不同的材料，其结果不能相互比较。,肖氏硬度具有操作简便，测量迅速，压痕小携带方便，可到现场进行测试等特点，主要用于检验轧辊的质量和一些大型工件如机床床面、导轨，曲轴、大齿轮等的
