金属力学性能及其他性能

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1、8. 金属的力学性能及其他性能,81 金属的应力与应变 82 弹性性能 83 金属单晶体的塑性形变 84 金属多晶体的塑性变形 85 合金的塑性变形 86 塑性变形对合金组织和性能的影响 87 金属及合金的回复与再结晶 88 金属的断裂 89 金属的疲劳 810 金属的蠕变和持久强度 811 硬度 812 金属的磨损 813 金属的物理和化学性能 814 金属的工艺性能 小结,金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。 使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能； 工艺性能是指制造过程中材料适应加工的性能。,金属材料的性能,金属材料的力学性能亦称机械性能

2、，指金属材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，其形式如图所示。,载荷的形式,(a)拉伸载荷 (b)压缩载荷 (c)弯曲载荷 (d)剪切载荷 (e)扭转载荷,金属材料的力学性能,81 金属的应力与应变,金属在外力（载荷）作用下，首先发 生弹性变形，载荷增加到一定大小，发生塑性变形，达到一定大小后，便发生断裂。金属在外力作用下的上述表现，可以反映在应力-应变曲线上。,8.1.1 拉伸的应力与应变,将一截面为圆形的低碳钢或铸铁拉伸试样在材料试验机上进行拉伸, 可测得应力-应变曲线。,图中 为应力, （MPa） 为应变, 式中：P为所加载

3、荷, Ao为试样原始截面积, l0为试样的原始标距长度, l为试样变形后的标距长度, l为伸长量。,圆形拉伸试样 （a）拉伸前；(b) 拉伸后,低碳钢和铸铁的-曲线 低碳钢 ；(b)铸铁,1拉伸变形的几个阶段,Oe: 弹性变形阶段 试样变形量与外加载荷成正比, 载荷卸掉后试样恢复到原来的尺寸。 es: 屈服阶段 不仅有弹性变形, 还发生了塑性变形。即载荷卸掉后, 一部分形变恢复, 一部分形变不能恢复, 形变不能恢复的变形称为塑性变形。 sb: 强化阶段 载荷不断增加, 塑性变形增大, 材料变形抗力也逐渐增加。 bz: 缩颈阶段 当载荷达到最大值时, 试样直径发生局部收缩, 称为“缩颈”。此时变

4、形所需的载荷逐渐降低。 z点: 试样断裂 试样在此点发生断裂。,低碳钢和铸铁的-曲线 (a)低碳钢 ；(b)铸铁,2强度,根据变形特点，强度指标有： （1）弹性极限值 材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大应力, 是弹性零件 的设计依据。 （2）屈服极限(屈服强度) 金属开始发生明显塑性变形的抗力, 有些材料（如铸铁）没有明显的屈服现象, 则用条件屈服极限来表示: 产生0.2%残余应变时的应力值, 用 表示。 （3）强度极限(抗拉强度) 金属受拉时所能承受的最大应力。,3塑性,断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性, 用延伸率和断面收缩率来表示。 （1）延伸率 式中： 为试样拉断后的标距(

5、mm) , 为试样的原始标距(mm), 为 最大伸长量。 (2) 断面收缩率 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比 称为断面收缩率, 用符号 表示。 式中：S1为试样拉断后缩颈处最小横截面积(mm2), S0为试样的原始 横断面积(mm2), 为试样缩颈处截面积的最大缩减量(mm2)。,8.1.2 压缩的应力与应变,铸铁等脆性材料试样达到最大载荷Pbc时就突然发生断裂。低碳钢等塑性材料，在比例极限负荷Ppc后，开始出现变形增长较快的一小段，表示达到了屈服负荷Psc，但并不象拉伸那样有明显的屈服阶段。此后曲线继续上升，这是因为塑性变形迅速增长，试样截面积也随之增大，增大的面

6、积能承受更大的负荷。其上的虚线表示材料被压扁但不断裂。由压缩曲线可以得出压缩强度指标 （抗压强度）和塑性指标 （相对压缩率）、 （相对断面扩展率），可分别采用下述公式计算： 式中：Pbc为压缩断裂载荷；S0、Sk为试样的原始截 面积和破坏时的截面积；h0、hk为试样的原始 高度和破坏时的高度。,铸铁和低碳钢的压缩曲线 1-铸铁；2-低碳钢,8.1.3 弯曲的应力与应变,弯曲试验中的加荷方法 （a）三点加载；（b）四点加载 弯曲力矩-挠度曲线,当试验进行到P点时，弯曲力矩M与挠度f仍保持正比关系；进行到e点时，挠度f仍为弹性变形；超过e点，则除弹性变形外同时将产生一定的塑性变形；到达b点时，弯曲

7、力矩为最大值Mb。超过此点，弯曲力矩将逐渐下降，直至试样破断。这一关系曲线和应力-应变曲线及扭矩-扭转角关系曲线颇为相似，只是它们的坐标不相同而已。 根据材料力学的弯曲公式并参考图所示各点，可以得到抗弯弹性极限及产生一定微量塑性变形的抗弯屈服强度。当试样发生较大塑性变形时，试样中应力分布趋于复杂，弯曲公式不再有效。 材料的塑性可用弯曲最大挠度fmax表示。,8.1.4 剪切的应力与应变,构件在剪切时受力和变形特点,作用在构件两侧面上外力的合力大小相等、方向相反、作用线相距较近，并将各自作用的构件部分沿着与合力作用线平行的受剪面（m-m截面）发生错动。构件在剪切时，受剪面上的内力称为剪力，相应的

8、受剪面上将有剪应力，通常假设受剪面上各点处的剪应力相等，因此，它实际上就是截面上的平均应力，剪应力用 表示。,试样受剪情况及压式剪切器 （a）受剪情况；（b）压式剪切器,双剪试验是最常用的剪切试验。双剪试验时，试样在两截面-，-上同时受剪力作用（图中（a）。双剪试验时所用的剪切器有拉式及压式两种。图（b）为压式剪切器示意图。 双剪试验时，剪切强度 以下式计算：,式中: P为试样被剪断时的最大负荷，N； d0为试样直径，mm。,8.1.5 扭转的应力与应变,圆柱体受扭矩作用产生扭转角 M-曲线,把一对扭矩M施加于一圆柱体，将产生一扭转角 。如把M和相应的 值绘成曲线，则得如图所示的扭矩-扭转角曲

9、线（M- 曲线）。它与拉伸试验中的应力-应变曲线极为相似。这是由于在试验过程中，试样形状几乎保持不变，即使进入塑性阶段，扭矩M仍逐步增加，直至试样断裂。,扭转性能,退火低碳钢的扭转图,（1）扭转比例极限 扭转曲线开始偏离直线（ON）时的扭矩Mp与试样的断面系数W之比。对圆柱形试样， （d0为试样直径）。 （2）扭转条件强度极限 亦称为抗剪强度，为试样扭断前的最大扭矩Mb与试样断面系数W的比值。 （3）扭转屈服强度 其数值为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩M0.3与试样断面系数W之比。 （4）切变弹性模量G,式中：l0为试样原始标距； 为试样在弹性变 形阶段的相对扭转角；M为试样在弹性 变形阶段

10、的扭矩,82 弹性性能,在弹性变形范围内，应力和应变的关系符合虎克定律： =E 或=G 式中,为正应力和切应力；,为正应变和切应变；E , G为正弹性模量和切弹性模量。上式可改写为： E=/或 G=/ 所以，弹性模量E、G是应力应变曲线上的斜率。金属的弹性模量E 、G是表示材料对弹性变形的抗力，即表示零件或构件保持原有形状与尺寸的能力，也称为材料的刚度，材料的弹性模量E愈大，它的刚度愈大。 单晶体的弹性模数E是有方向性的。 多晶体表现出伪无方向性。,8.3 金属单晶体的塑性形变,单晶体塑性变形的基本方式有两种：滑移和孪生。 8.3.1 滑移 滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面

11、（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动。,1. 滑移特征,1）滑移线与滑移带 左图中那些相互平行的细线，通常称为滑移带。 组成滑移带的那些细线称为滑移线。滑移线及滑移带的示意图如右图所示。,纯铝试样的滑移带,滑移线和滑移带示意图,2） 滑移系,金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的。这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。,滑移面和滑移方向往往是金属晶体中 原子面密度最大的晶面（密排面）和其上 线密度最大的晶向（密排方向）。,一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。 金属晶体中的滑移系愈多，滑移时可能选择的空间取向愈多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。 滑

12、移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好，而密排六方晶格金属由于滑移系数目少，塑性较差。 三种常见晶格的滑移系,三种常见晶格的滑移系,3）滑移的临界分切应力,金属晶体受外力作用时，外力在晶体内部均可分解为垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。滑移面上沿着滑移方向的分切应力达到某一临界值时，晶体开始滑移。,单晶体在滑移变形时的应力分解图,式中：P为外力，F为晶体横截面积，为滑移方向与外力 轴线的夹角， 为滑移面的法线与外力轴线的夹角。,当滑移开始时，上页公式中的达到临界值c。这时在宏观上金属开始屈服，P/F应当等于s，将其代入上页公式，即得 式中: c

13、称为金属晶体的临界分切应力； 称为取向因子或施密特（Schmid）因子，取 向因子大的称软取向；取向因子小的称硬取 向。,滑移的临界分切应力,4）金属晶体在滑移时的转动,随着滑移的进行，金属晶体还会产生转动，从而使金属晶体的空间取向发生变化。在拉伸时，晶体转动的结果是使其滑移方向逐渐转到与应力轴相平行的方向；而在压缩时，晶体转动是使其滑移面逐渐转到与应力轴相垂直的方向。,金属晶体在滑移时的转动 （a）拉伸时；（b）压缩时,在拉伸时金属晶体发生转动的机制示意图,以拉伸为例分析金属晶体在滑移时产生转动的原因,滑移时产生转动的原因,2滑移机理,滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶

14、体两部分沿滑移面作整体的刚性滑动，而是通过位错的运动来实现的。在切应力作用下，一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动，即位错自左向右移动时，晶体产生滑移。,位错运动造成滑移,位错的运动实质上是原子的运动，它不是整个滑移面上全部原子一齐移动，而是通过位错中原子的逐一递进（像接力赛跑一样），将位错中心由一个平衡位置转移到另一个平衡位置而进行的。通过位错的逐步滑移比整体滑移所需的临界切应力要小得多。正是位错运动的这一特点，使金属晶体具有良好的塑性变形能力。,刃型位错的滑移过程,位错运动与滑移,8.3.2 孪生,在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变的变

15、形过程称为孪生。发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子分布形成对称。,通常认为，孪生是一个发生在晶体内部的均匀切变过程， 切变区的宽度较小，在金相显微镜下一般呈带状（有时为透镜状），称为孪晶带。,面心立方晶体是由一系列（111）面沿着111方向按照ABCABCA的规律堆垛而成的。在有切应力作用时，若晶体内局部区域的（111）晶面沿着 方向（即图中的AB方向）产生一个切动距离为 的均匀切变，即可得到如图所示的情况。,面心立方晶体中 的孪生面及孪生方向,面心立方晶体中的孪生,在孪生变形中，已发生均匀切变的那部分晶体称为孪晶（或孪晶带），均匀切变区与未切变区的分界面（即二

16、者的镜面对称面）称为孪晶界。发生均匀切变的晶面称为孪生面，在图中为（111）面；孪生面切动的方向则称为孪生方向，在图中为 晶向。 在孪生变形中，对应于一定类型的晶体结构有着固定的切变面（孪生面）与切变方向（孪生方向），诸切变面切变移动的距离互不相等，也不是切变方向原子间距的整数倍，而是正比于晶面与孪晶界的距离。,面心立方晶体孪 生切变过程示意图,孪生变形的特点,8.4 金属多晶体的塑性变形,8.4.1 多晶体塑性变形的特点 8.4.2 晶粒大小对变形的影响,8.4.1 多晶体塑性变形的特点,(1) 首先在那些取向因子m最大，即沿此滑移系的分切应力已优先达到其临界值的晶粒中开始滑移（图中A晶粒）. (2) 位错在晶界附近塞积，会使邻近的晶粒B和C中某些滑移系中的位错也开动起来而发生相应的滑移。 (3) A中的位