金屬材料任務(wù)二 之活動1

1、2021-12-81任務(wù)二 金屬材料的性能金屬材料的性能金屬材料的損壞與塑性變形建議：2課時學習活動1一、金屬材料的損壞形式:變形、斷裂、磨損變形、斷裂、磨損1、變形變形: 零件在外力作用下，形狀和尺寸發(fā)生的變化稱為變形變形彈性變形 - 外力消除后能夠恢復(fù)的變形 塑性變形-外力消除后不能（無法）恢復(fù)的永久變形 造成零件損壞的變形都是塑性變形。造成零件損壞的變形都是塑性變形。想一想塑性變形沒有一點好處（優(yōu)點）？彈性變形有好處和壞處之分嗎？ 金屬變形的方式金屬變形的方式1.彈性變形彈性變形2.塑性變形塑性變形3.斷斷 裂裂成形成形失效失效 常見的各種外載荷19低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變圖工工程應(yīng)力應(yīng)變曲線程

2、應(yīng)力應(yīng)變曲線2、斷裂：材料在外力作用下發(fā)生開裂或折斷的現(xiàn)象。3、磨損：因摩擦而使零件尺寸、表面形狀和表面質(zhì)量發(fā)生變化的現(xiàn)象。 塑性變形也有有益的一面：可作為零件成形和強化的重要手段。鍛造、擠壓、軋制、冷拔、冷沖壓等利用塑性變形使產(chǎn)品成形并改變其組織和性能。 分別舉例說明：彈性變形好的一面和壞處的一面。材料為什么會變形、斷裂、磨損？二、與變形相關(guān)的幾個概念載荷：金屬材料在加工及使用過程中所受到外力。靜載荷：大小不變或變化過程緩慢的載荷。交變載荷：大小、方向或大小和方向隨時間發(fā)現(xiàn)周期性變化的載荷。根據(jù)載荷作用形式不同，載荷又可分為：拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。舉例說明：拉伸載

3、荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷、扭轉(zhuǎn)載荷的應(yīng)用。沖擊載荷：金屬材料所受的沖擊力內(nèi)力內(nèi)力：工件或零件受到外部載荷作用時，為使其不變形，在材料內(nèi)部產(chǎn)生一種與外力相對抗的力。應(yīng)力應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力。R=F/S人被打，為什么感到痛？痛處揉揉后，痛感為何要好些？ 金屬在外來作用下，首先發(fā)現(xiàn)彈性變形；載荷增到一定值后，除了發(fā)現(xiàn)彈性變形還發(fā)現(xiàn)塑性變形；繼續(xù)增大載荷，塑性變形也續(xù)漸增大，直到發(fā)現(xiàn)斷裂。金屬在外力作用下的變形分為：彈性變形、彈-塑性變形、斷裂三個連續(xù)階段。內(nèi)力與外力是作用力與反作用力嗎？為什么？三、單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形F從單晶體到多晶體的塑性變形從單晶體到多晶體的塑性變形 塑性

4、變形方式：滑移；孿生塑性變形方式：滑移；孿生1. 塑性變形 金屬在外力作用下，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。當應(yīng)力小于屈服強度時，內(nèi)部只發(fā)生彈性應(yīng)變；當應(yīng)力超過屈服強度時，迫使組成金屬的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生滑移或?qū)\晶，同時晶粒間也產(chǎn)生滑移和轉(zhuǎn)動，因而形成了宏觀的塑性變形。 單晶體正應(yīng)力拉伸1）彈性變形及破斷）彈性變形及破斷 當金屬受外力作用時，外力可分為正應(yīng)力和切應(yīng)力，正應(yīng)力使金屬產(chǎn)生彈性變形或破斷,見動畫1。3）孿生）孿生 孿生是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分原子相對于另一部分原子沿某個晶面轉(zhuǎn)動，使未轉(zhuǎn)動部分與轉(zhuǎn)動部分的原子排列呈鏡面對稱。單晶體在切應(yīng)力 作用下的孿生變形過程見右動畫。動畫動畫3 孿生變形孿生

5、變形（一）滑移及相關(guān)概念（一）滑移及相關(guān)概念 1、滑移：晶體的一部分沿著一、滑移：晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對另一部分發(fā)定的晶面和晶向相對另一部分發(fā)生相對的平行滑動，滑動的距離生相對的平行滑動，滑動的距離為原子間距的整數(shù)倍。這種變形為原子間距的整數(shù)倍。這種變形方式稱為方式稱為。2 、滑、滑移特點移特點 發(fā)生在發(fā)生在最密排晶面最密排晶面，滑移方向為，滑移方向為最密排晶向最密排晶向； 只在切應(yīng)力下發(fā)生，存在只在切應(yīng)力下發(fā)生，存在臨界分切應(yīng)力。臨界分切應(yīng)力。彈彈性性伸伸長長彈性歪扭彈性歪扭斷斷裂裂F塑性變形塑性變形（滑移滑移） k 的影響因素：的影響因素： 取取決于金屬本性，與外力無關(guān)，取向

6、無關(guān)；決于金屬本性，與外力無關(guān)，取向無關(guān)；s的影響因素：的影響因素： 與與k有關(guān)；有關(guān)； 與取向有關(guān)。與取向有關(guān)。 滑移兩部分相對移動的距離是原子間距的整數(shù)倍，滑移兩部分相對移動的距離是原子間距的整數(shù)倍，滑移后滑移面兩邊的晶體位向仍保持一致；滑移后滑移面兩邊的晶體位向仍保持一致；(本質(zhì)：本質(zhì)：位錯的運動位錯的運動)（二）位錯運動（二）位錯運動 近代塑性理論研究與實踐證明，晶體內(nèi)的滑移或?qū)\生不是晶體兩部分之間的整體剛性滑動或轉(zhuǎn)動，而是通過位錯運動來實現(xiàn)的。位錯是晶體內(nèi)部的一種線缺陷，是局部晶體內(nèi)某一列或若干列原子發(fā)生錯排而造成的晶格扭曲現(xiàn)象，如動畫4所示。 由于位錯運動只是少量原子的微量移動，因

7、而其所需的臨界切應(yīng)力遠遠小于剛性滑移，這也就是塑性變形在外力遠未達到理論臨界切應(yīng)力時就已大量發(fā)生的原因所在。 位錯運動位錯運動滑移面滑移面滑移前滑移前PP滑移后滑移后力偶力偶 伴隨晶體的轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)，滑移面轉(zhuǎn)向與外力平行方向，伴隨晶體的轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)，滑移面轉(zhuǎn)向與外力平行方向，滑移方向旋向最大切應(yīng)力方向滑移方向旋向最大切應(yīng)力方向；四、多四、多晶體的塑性變形晶體的塑性變形多晶體塑性變形特多晶體塑性變形特點點 單個晶粒與單晶體一致單個晶粒與單晶體一致； 各晶粒的變形具不同時性：分批、逐次。各晶粒的變形具不同時性：分批、逐次。原因：原因：取向取向不同不同。 變形具不均勻性變形具不均勻性: 晶粒內(nèi)部與邊界；

8、晶粒晶粒內(nèi)部與邊界；晶粒之之間間晶界晶界 多晶體變形抗多晶體變形抗(阻阻)力力 單晶體單晶體 晶界阻礙位錯運動；晶界阻礙位錯運動； 位向差位向差晶粒之間須協(xié)調(diào)晶粒之間須協(xié)調(diào) 意義：意義： 晶界強化晶界強化五、影響金屬塑性變形的因素1、晶粒位相的影響 多晶體中各個晶粒的位相不同，在外力作用下，當處于有利于滑移位置的晶粒要進行滑移時，必然受到周圍位相不同的其它晶粒的約束，使滑移的阻力增加，從而提高了塑性變形的抗力。同時，多晶體各晶粒在塑性變形時受到周圍位相不同的晶粒與晶界的影響，使多晶體的塑性變形呈逐步擴展和不均勻的形式，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。2、晶界的作用晶界處原子排列比較紊亂，阻礙位錯的移動，因而阻礙了

9、滑移，很顯然，晶界越多，則晶體的塑性變形抗力越大。3、晶粒大小的影響 在一定體積的晶體內(nèi)，晶粒數(shù)目越多，晶界就越多，晶粒就越細，并且不同位相的晶粒也越多，因而塑性變形抗力也越大。細晶粒的多晶體不僅強度較高，而且塑性、韌性也較好。故，生產(chǎn)中總是盡可能地細化晶粒為什么細晶粒的多晶體不僅強度較高，而且塑性、韌性也較好？塑性變形對組織結(jié)構(gòu)影響塑性變形對組織結(jié)構(gòu)影響 1、晶粒變形：等軸狀、晶粒變形：等軸狀拉長拉長 纖維組織、帶狀組織纖維組織、帶狀組織 性能各向異性性能各向異性 2、亞、亞結(jié)構(gòu)的細化結(jié)構(gòu)的細化 鑄態(tài)鑄態(tài)d = 10-2 cm；塑變后；塑變后d = 10-410-6 cm 原因：位錯受阻后塞

10、積、纏結(jié)原因：位錯受阻后塞積、纏結(jié)亞晶界亞晶界 晶粒分化為許晶粒分化為許多位向略有差異的小晶塊多位向略有差異的小晶塊 變形中的晶粒碎化變形中的晶粒碎化晶格較晶格較完整的完整的亞晶塊亞晶塊嚴重畸變區(qū)嚴重畸變區(qū)3、產(chǎn)生形變織構(gòu)、產(chǎn)生形變織構(gòu) 定義：金屬塑性變形到很大程度（定義：金屬塑性變形到很大程度（70%）時，晶粒發(fā)生）時，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，各晶粒的位向趨于一致，這種有序化的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)動，各晶粒的位向趨于一致，這種有序化的結(jié)構(gòu)。 織構(gòu)造成性能各向異性，變形不均勻，產(chǎn)品產(chǎn)生織構(gòu)造成性能各向異性，變形不均勻，產(chǎn)品產(chǎn)生“制耳制耳”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。六、加工硬化：六、加工硬化： 隨隨變形度增大，金屬的強硬變形度增大

11、，金屬的強硬度顯著增高而塑韌性明顯下降度顯著增高而塑韌性明顯下降的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。1、原因：位錯增殖理論、原因：位錯增殖理論2、意義：、意義： 1）強化手段）強化手段形變強化；形變強化； 2）有利于塑性變形均勻進行。）有利于塑性變形均勻進行。 3）有利于金屬構(gòu)件的工作安全性）有利于金屬構(gòu)件的工作安全性 不利：再變形難；不利：再變形難； 解決辦法：冷加工之間的再結(jié)晶解決辦法：冷加工之間的再結(jié)晶退火退火s 退火態(tài)退火態(tài) ( =106108cm-2)理論強度值理論強度值金屬須金屬須位錯位錯 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(=10111012cm-2)對金屬性能的影響對金屬性能的影響2 、不利、不利- 產(chǎn)生殘余應(yīng)

12、力產(chǎn)生殘余應(yīng)力 第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力 工件不同部位工件不同部位 第二類內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力 晶粒之間或內(nèi)部不同區(qū)域晶粒之間或內(nèi)部不同區(qū)域 第三類內(nèi)應(yīng)力第三類內(nèi)應(yīng)力點陣畸變點陣畸變(位錯、空位位錯、空位) 。殘余應(yīng)力消除方法：去應(yīng)力退火殘余應(yīng)力消除方法：去應(yīng)力退火殘余應(yīng)力的應(yīng)用：噴丸處理殘余應(yīng)力的應(yīng)用：噴丸處理提高表面強度提高表面強度壓壓拉拉S拉拉 s 壓壓3、性、性能出現(xiàn)方向性能出現(xiàn)方向性 形變織構(gòu)，形變織構(gòu)，70%4、其、其它性能的影響它性能的影響 物理：電阻物理：電阻，導(dǎo)電、導(dǎo)磁性，導(dǎo)電、導(dǎo)磁性 化學：化學活性化學：化學活性，耐蝕性，耐蝕性 消除：

13、消除： 去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火 塑性變形：除了影響力學性能外，還影響其物理性能、化學性能；使得其電阻增大，化學活性增大，耐蝕性降低 形變強化是一種重要的技術(shù)強化手段，對于那些不能用熱處理強化的金屬尤為重要。此外，它還可以使金屬具有偶然抗超載能力。塑性好的金屬材料在發(fā)生變形后，由于變形強化的作用，必須承受更大的外部載荷才會發(fā)現(xiàn)破壞，這在一定程度上提高了金屬構(gòu)件在使用中的安全性。如壓力容器的罐底總是做成向內(nèi)凸起的形狀，其目的就是當內(nèi)部壓力過大時，可在罐底產(chǎn)生塑性變形而不致突然破壞。 但另一方面：金屬發(fā)現(xiàn)加工硬化也給金屬切削加工或進一步的變形加工帶來困難，為了改善發(fā)生加工硬化金屬的加工條件，生產(chǎn)中必須進行中間熱處理，以消除加工硬化帶來的不利影響。舉例說明加工硬化不利的一面總 結(jié)1、機械零件常見的損壞形式2、塑性變形與彈性變性3、與變形相關(guān)的幾個概念：載荷-靜載荷、沖擊載荷、交變載荷、內(nèi)力與應(yīng)力4、材料變形的成因5、變形強化：除影響力學