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1、2017/9/26,1,金属材料与热处理,任务二 金属材料的性能,金属材料的损坏与塑性变形,建议：2课时,学习活动1,一、金属材料的损坏形式:变形、断裂、磨损,1、变形: 零件在外力作用下，形状和尺寸发生的变化称为变形,变形,弹性变形 - 外力消除后能够恢复的变形,塑性变形-外力消除后不能（无法）恢复的永久变形,造成零件损坏的变形都是塑性变形。,想一想塑性变形没有一点好处（优点）？弹性变形有好处和坏处之分吗？,金属变形的方式1.弹性变形2.塑性变形3.断 裂,成形,失效,常见的各种外载荷,19,低碳钢的应力应变图,工程应力应变曲线,2、断裂：材料在外力作用下发生开裂或折断的现象。,3、磨损：因
2、摩擦而使零件尺寸、表面形状和表面质量发生变化的现象。,塑性变形也有有益的一面：可作为零件成形和强化的重要手段。锻造、挤压、轧制、冷拔、冷冲压等利用塑性变形使产品成形并改变其组织和性能。,分别举例说明：弹性变形好的一面和坏处的一面。,材料为什么会变形、断裂、磨损？,二、与变形相关的几个概念,载荷：金属材料在加工及使用过程中所受到外力。静载荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。交变载荷：大小、方向或大小和方向随时间发现周期性变化的载荷。,根据载荷作用形式不同，载荷又可分为：拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷。,举例说明：拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷、扭转载荷的应用。,冲击载荷：
3、金属材料所受的冲击力,内力：工件或零件受到外部载荷作用时，为使其不变形，在材料内部产生一种与外力相对抗的力。,应力：单位面积上的内力。R=F/S,人被打，为什么感到痛？痛处揉揉后，痛感为何要好些？,金属在外来作用下，首先发现弹性变形；载荷增到一定值后，除了发现弹性变形还发现塑性变形；继续增大载荷，塑性变形也续渐增大，直到发现断裂。金属在外力作用下的变形分为：弹性变形、弹-塑性变形、断裂三个连续阶段。,内力与外力是作用力与反作用力吗？为什么？,三、单晶体的塑性变形,F,从单晶体到多晶体的塑性变形 塑性变形方式：滑移；孪生,1. 塑性变形 金属在外力作用下，内部产生应力和应变。当应力小于屈服强度时
4、，内部只发生弹性应变；当应力超过屈服强度时，迫使组成金属的晶粒内部产生滑移或孪晶，同时晶粒间也产生滑移和转动，因而形成了宏观的塑性变形。,单晶体正应力拉伸,1）弹性变形及破断 当金属受外力作用时，外力可分为正应力和切应力，正应力使金属产生弹性变形或破断,见动画1。,3）孪生,孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分原子相对于另一部分原子沿某个晶面转动，使未转动部分与转动部分的原子排列呈镜面对称。单晶体在切应力 作用下的孪生变形过程见右动画。,动画3 孪生变形,（一）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
5、为。,2 、滑移特点, 发生在最密排晶面，滑移方向为最密排晶向；, 只在切应力下发生，存在临界分切应力。,弹性伸长,弹性歪扭,断裂,F,塑性变形（滑移）,k 的影响因素： 取决于金属本性，与外力无关，取向无关；s的影响因素： 与k有关； 与取向有关。 滑移两部分相对移动的距离是原子间距的整数倍，滑移后滑移面两边的晶体位向仍保持一致；(本质：位错的运动),（二）位错运动,近代塑性理论研究与实践证明，晶体内的滑移或孪生不是晶体两部分之间的整体刚性滑动或转动，而是通过位错运动来实现的。位错是晶体内部的一种线缺陷，是局部晶体内某一列或若干列原子发生错排而造成的晶格扭曲现象，如动画4所示。,由于位错运动
6、只是少量原子的微量移动，因而其所需的临界切应力远远小于刚性滑移，这也就是塑性变形在外力远未达到理论临界切应力时就已大量发生的原因所在。,位错运动, 伴随晶体的转动和旋转，滑移面转向与外力平行方向，滑移方向旋向最大切应力方向；,四、多晶体的塑性变形,多晶体塑性变形特点 单个晶粒与单晶体一致； 各晶粒的变形具不同时性：分批、逐次。原因：取向不同。 变形具不均匀性: 晶粒内部与边界；晶粒之间, 多晶体变形抗(阻)力 单晶体 晶界阻碍位错运动； 位向差晶粒之间须协调 意义： 晶界强化,五、影响金属塑性变形的因素,1、晶粒位相的影响,多晶体中各个晶粒的位相不同，在外力作用下，当处于有利于滑移位置的晶粒要
7、进行滑移时，必然受到周围位相不同的其它晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。同时，多晶体各晶粒在塑性变形时受到周围位相不同的晶粒与晶界的影响，使多晶体的塑性变形呈逐步扩展和不均匀的形式，产生内应力。,2、晶界的作用,晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移，很显然，晶界越多，则晶体的塑性变形抗力越大。,3、晶粒大小的影响,在一定体积的晶体内，晶粒数目越多，晶界就越多，晶粒就越细，并且不同位相的晶粒也越多，因而塑性变形抗力也越大。细晶粒的多晶体不仅强度较高，而且塑性、韧性也较好。故，生产中总是尽可能地细化晶粒,为什么细晶粒的多晶体不仅强度较高，而且塑性、韧性也较好
8、？,塑性变形对组织结构影响 1、晶粒变形：等轴状拉长 纤维组织、带状组织 性能各向异性,2、亚结构的细化 铸态d = 10-2 cm；塑变后d = 10-410-6 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,晶格较完整的亚晶块,严重畸变区,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，这种有序化的结构。,织构造成性能各向异性，变形不均匀，产品产生“制耳”现象。,六、加工硬化：,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。,1、原因：位错增殖理论,2、意义： 1）强化手段形变强化；
9、 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：再变形难； 解决办法：冷加工之间的再结晶退火,s,退火态 ( =106108cm-2),理论强度值,金属须,位错,加工硬化态(=10111012cm-2),对金属性能的影响,2 、不利- 产生残余应力, 第一类内应力宏观内应力 工件不同部位 第二类内应力微观内应力 晶粒之间或内部不同区域 第三类内应力点阵畸变(位错、空位) 。,残余应力消除方法：去应力退火残余应力的应用：喷丸处理提高表面强度,压,拉,S,拉 s 压,3、性能出现方向性 形变织构，70%4、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
10、： 去应力退火,塑性变形：除了影响力学性能外，还影响其物理性能、化学性能；使得其电阻增大，化学活性增大，耐蚀性降低,形变强化是一种重要的技术强化手段，对于那些不能用热处理强化的金属尤为重要。此外，它还可以使金属具有偶然抗超载能力。塑性好的金属材料在发生变形后，由于变形强化的作用，必须承受更大的外部载荷才会发现破坏，这在一定程度上提高了金属构件在使用中的安全性。如压力容器的罐底总是做成向内凸起的形状，其目的就是当内部压力过大时，可在罐底产生塑性变形而不致突然破坏。,但另一方面：金属发现加工硬化也给金属切削加工或进一步的变形加工带来困难，为了改善发生加工硬化金属的加工条件，生产中必须进行中间热处理
11、，以消除加工硬化带来的不利影响。,举例说明加工硬化不利的一面,总 结,1、机械零件常见的损坏形式2、塑性变形与弹性变性3、与变形相关的几个概念：载荷-静载荷、冲击载荷、交变载荷、内力与应力4、材料变形的成因5、变形强化：除影响力学性能外，还会使金属材料的物理性能、化学性能发生变化，如电阻增加、化学活性增大、耐蚀性降低等,观察与分析,1、观察零件磨损情况，分析其磨损原因及过程，写出观察报告2、观察零件变形情况，分析其变形原因及过程，写出观察报告3、观察零件断裂情况，分析其断裂原因及过程，写出观察报告,作 业,1、机械零件的损坏形式有哪几种？2、什么是载荷？根据性质不同可分哪几种？3、金属的塑性变形受到哪些因素的影响？4、什么是加工硬化？加工硬化有何利弊？,
