第一章_材料在靜拉伸載荷下的力學(xué)性能2(塑性變形)

1、2022-4-5中原工學(xué)院11.3 1.3 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形2022-4-5中原工學(xué)院22022-4-5中原工學(xué)院3n fcc、bcc和hcp三類(lèi)金屬材料都能以孿生方式產(chǎn)生塑性變形，但fcc金屬只在很低的溫度下才能產(chǎn)生孿生變形。bcc金屬在沖擊載荷或低溫下也常發(fā)生孿生變形。hcp金屬及其合金滑移系少，并且在c軸方向沒(méi)有滑移矢量，因而更易產(chǎn)生孿生變形。 孿生變形也是沿特定晶面和特定晶向進(jìn)行的。 2022-4-5中原工學(xué)院4n多晶體金屬中，每一晶?；谱冃蔚囊?guī)律與單晶體金屬相同。但由于多晶體金屬存在著晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性變形具有如下一些特點(diǎn)。 1.各晶粒變形的

2、不同時(shí)性和不均勻性 2.各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性 2022-4-5中原工學(xué)院5n外力不增加，或者下降，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象。n非均勻塑性變形n呂德斯帶布滿(mǎn)試樣時(shí)，屈服結(jié)束，進(jìn)入均勻塑性變形階段。n鋼板冷沖壓之前進(jìn)行預(yù)先冷變形（12），防止褶皺。2022-4-5中原工學(xué)院6n材料的塑性應(yīng)變速率與材料中的可動(dòng)位錯(cuò)密度，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度和位錯(cuò)柏氏矢量的關(guān)系為n在有明顯屈服點(diǎn)的材料中(含有微量間隙溶質(zhì)原子的體心立方金屬，如Fe、Mo，Nb、Ta等),由于溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，可動(dòng)位錯(cuò)密度較小，在塑性變形開(kāi)始時(shí)，可動(dòng)位錯(cuò)必須以較高速度運(yùn)動(dòng)，才能適應(yīng)試驗(yàn)機(jī)夾頭運(yùn)動(dòng)（ 一定 ） 的要求。 2022-4-5中原工

3、學(xué)院7n但位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度決定于其所受外力的大小，即 為作用于滑移面上的切應(yīng)力； 為位錯(cuò)以單位速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的切應(yīng)力；m為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率的應(yīng)力敏感性指數(shù)，表明位錯(cuò)速度對(duì)切應(yīng)力大小的依賴(lài)程度。 2022-4-5中原工學(xué)院8 因此，欲提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度，就需要較高的應(yīng)力。塑性變形一旦開(kāi)始，位錯(cuò)便大量增殖，使位錯(cuò)密度迅速增加，從而使 相應(yīng)降低和所需應(yīng)力下降。 這就是屈服開(kāi)始時(shí)觀察到的上屈服點(diǎn)及屈服降落。 n鋸齒的產(chǎn)生：位錯(cuò)相互作用，使可動(dòng)位錯(cuò)密度下降開(kāi)動(dòng)下降開(kāi)動(dòng)2022-4-5中原工學(xué)院9n位錯(cuò)速度的應(yīng)力敏感性m也是一個(gè)重要因素，m值越小，為使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度變化所需的應(yīng)力變化越大，屈服現(xiàn)象就越明顯，反之亦然。

4、如體心立方金屬，m100，因此，前者屈服現(xiàn)象明顯。 2022-4-5中原工學(xué)院10 屈服標(biāo)準(zhǔn)屈服標(biāo)準(zhǔn) S定義定義: 材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力。 根據(jù)使用場(chǎng)合不同，工程上常用的屈服標(biāo)準(zhǔn)有三種： (1)比例極限： 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上符合線(xiàn)性關(guān)系的最高應(yīng)力，國(guó)際上常采用p表示，超過(guò)p時(shí)即認(rèn)為材料開(kāi)始屈服。 SP 規(guī)定規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度S2022-4-5中原工學(xué)院11(2)彈性極限： 試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力。以e表示（ 0.01）。應(yīng)力超過(guò)e時(shí)即認(rèn)為材料開(kāi)始屈服。 eP (3)屈服強(qiáng)度： 通常

5、以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)，如常以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，符號(hào)為0.2。(注意與規(guī)定彈性極限的區(qū)別，屈服點(diǎn)明顯與不明顯的區(qū)別)2022-4-5中原工學(xué)院12影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)在因素（5條） 從位錯(cuò)理論來(lái)看，無(wú)論是內(nèi)在因素還是外在因素，之所以影響屈服強(qiáng)度，都和它們阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的情況有關(guān)。（1）金屬本性及晶格類(lèi)型：合金中的位錯(cuò)主要分布于基體相內(nèi)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力首先來(lái)自于基體相。 臨界切應(yīng)力和彈性模量G有關(guān),G值越高其臨界切應(yīng)力越大。過(guò)渡族金屬Fe、Ni等，G較高，其臨界切應(yīng)力也高，因而屈服強(qiáng)度也高。 2022-4-5中原工學(xué)院13 臨界切應(yīng)力還與晶體類(lèi)型有關(guān)。金屬滑移方向的原子間距b(

6、柏氏矢量)越大，臨界切應(yīng)力越大。如面心立方金屬Cu、Al和六方金屬M(fèi)g、Zn等b小，而體心立方金屬Fe、Cr等b大，因此，F(xiàn)e、Cr等的屈服強(qiáng)度都較Cu、Al、Zn、Mg高。以Fe為基的鋼的屈服強(qiáng)度也比奧氏體鋼的屈服強(qiáng)度高。 2022-4-5中原工學(xué)院14 根據(jù)多晶體的塑性變形滑移機(jī)構(gòu)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服晶界的阻力，因而晶粒大小會(huì)影響屈服強(qiáng)度。位錯(cuò)在基體金屬中的運(yùn)動(dòng)阻力或叫摩擦阻力，主要決定于晶體結(jié)構(gòu)（彈性模量和b）和位錯(cuò)密度決定于晶體結(jié)構(gòu)的常數(shù)晶粒直徑此乃著名的霍爾派奇公式（2）晶粒大小細(xì)晶強(qiáng)化2022-4-5中原工學(xué)院15 應(yīng)該指出，bcc金屬的ks較fcc和hcp金屬的ks高，所以bcc

7、金屬的細(xì)晶強(qiáng)化效果最好，而fcc和hcp晶系的金屬則較差。 用細(xì)化晶粒來(lái)提高金屬屈服強(qiáng)度的方法叫做細(xì)晶強(qiáng)化，它不僅可以提高強(qiáng)度，而且還可提高塑性和韌性，所以它是金屬?gòu)?qiáng)韌化的一種好辦法。 亞結(jié)構(gòu)作用和晶界相同，上式也適合。2022-4-5中原工學(xué)院16 把異類(lèi)元素原子溶入基體金屬得到固溶合金，可以有效地提高屈服強(qiáng)度。這樣的強(qiáng)化方法叫做固溶強(qiáng)化。 固溶強(qiáng)化的效果決定于溶質(zhì)原子的性質(zhì)、濃度以及與溶劑原子的直徑差等。 間隙固溶體強(qiáng)化效果大；置換固溶體強(qiáng)化效果較差。 圖中是不同合金元素對(duì)鐵素體鋼強(qiáng)化效果。可以看出其強(qiáng)化效果都隨濃度提高而增加，間隙固溶強(qiáng)化效果最高。(3)固溶強(qiáng)化2022-4-5中原工學(xué)院

8、17(4)第二相的影響 工業(yè)合金，特別是高強(qiáng)度合金，在基體上大都分布有第二相。它們一般是些硬而脆的物質(zhì)，如金屬間化合物和金屬碳化物。在合金中，雖然第二相的比例不大，但因它們是以微小顆粒分布于基體上，卻顯著地影響屈服強(qiáng)度（彌散強(qiáng)化 ）。這些第二相組織可用粉末冶金法獲得，但一般多用合金化和熱處理方法獲得（如時(shí)效強(qiáng)化）。2022-4-5中原工學(xué)院18(5)形變強(qiáng)化 金屬預(yù)先塑性變形可以提高屈服強(qiáng)度，塑性變形量越大，屈服強(qiáng)度提高幅度也越大。這種因塑性變形而提高屈服強(qiáng)度的現(xiàn)象叫做形變強(qiáng)化或加工硬化。 在金屬塑性變形階段，變形曲線(xiàn)上升可以說(shuō)明金屬的形變強(qiáng)化現(xiàn)象。 形變強(qiáng)化的本質(zhì)也是位錯(cuò)密度增大（位錯(cuò)增殖）

9、和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻（位錯(cuò)反應(yīng)和位錯(cuò)交割）的結(jié)果。 2022-4-5中原工學(xué)院19 時(shí)效強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化是工業(yè)合金中提高材料屈服強(qiáng)度的最常用的手段。 在這幾種強(qiáng)化機(jī)制中，只有細(xì)晶強(qiáng)化既能提高強(qiáng)度又能增加塑性。另外幾種機(jī)制在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，也降低了塑性。2022-4-5中原工學(xué)院20影響屈服強(qiáng)度的外在因素n影響屈服強(qiáng)度的外在因素有：溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)。n隨著溫度的降低與應(yīng)變速率的增高，材料的屈服強(qiáng)度升高，尤其是體心立方金屬對(duì)溫度和應(yīng)變速率特別敏感，這導(dǎo)致了鋼的低溫脆性和沖擊脆性。n應(yīng)力狀態(tài)的影響也很重要，切應(yīng)力分量越大的應(yīng)力狀態(tài)，越有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度越低，扭轉(zhuǎn)比拉伸屈服強(qiáng)度低，拉伸比彎曲

10、屈服強(qiáng)度低，壓縮時(shí)更低，三向壓縮最低。n通常所說(shuō)的材料的屈服強(qiáng)度一般是指在單向拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度。 2022-4-5中原工學(xué)院21S的工程意義 在傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法中，對(duì)塑性材料，以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力=s/n，安全系數(shù)n一般取2或更大；對(duì)脆性材料，以抗拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力=b/n，安全系數(shù)n一般取6。 需要注意的是，按照傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，必然會(huì)導(dǎo)致片面追求材料的高屈服強(qiáng)度，但是隨著材料屈服強(qiáng)度的提高，材料的曲強(qiáng)比增加，材料的脆斷危險(xiǎn)性增加了。（用斷裂韌性設(shè)計(jì)更全面）2022-4-5中原工學(xué)院22 屈服強(qiáng)度不僅有直接的使用意義，在工程上也是材料的其他某些力學(xué)性能和工藝性能的大致度

11、量。例如材料屈服強(qiáng)度增高，對(duì)應(yīng)力腐蝕和氫脆就敏感；材料屈服強(qiáng)度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服強(qiáng)度是材料性能中不可缺少的重要指標(biāo)。2022-4-5中原工學(xué)院23n1. 真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)應(yīng)變曲線(xiàn)n 由下圖可以看出， 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)往往不能真實(shí)反映或度量變形過(guò)程中真正的應(yīng)變和應(yīng)力。 n拉伸時(shí)工程應(yīng)變 總大于真應(yīng)變， 工程應(yīng)力小于 真應(yīng)力。2022-4-5中原工學(xué)院24 真應(yīng)力真應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系: : 從試樣開(kāi)始屈服到發(fā)生頸縮，這一段應(yīng)變范圍中真應(yīng)力和真應(yīng)變的關(guān)系，可用Hollomon 關(guān)系式描述 S S= =K Kn n n 加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù) K 強(qiáng)

12、度硬化指數(shù) S 真應(yīng)力 真應(yīng)變。 2022-4-5中原工學(xué)院25 理想的彈性體和理想的塑性體限定了一般材料加工硬化指數(shù)n的變化范圍，理想彈性體n=1為一45度斜線(xiàn)，理想塑性體n=0為一水平直線(xiàn)，n=1/2的為一拋物線(xiàn)。 金屬材料的n值一般為0.10.52022-4-5中原工學(xué)院26加工硬化的實(shí)際意義加工硬化的實(shí)際意義 形變強(qiáng)化是金屬的一個(gè)重要性能，在生產(chǎn)中具有十分重要的實(shí)際意義。1形變強(qiáng)化可使金屬機(jī)件具有一定的抗偶然過(guò)載能力，保證機(jī)件安全。機(jī)件在使用過(guò)程中，某些薄弱部位因偶然過(guò)載會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，如果此時(shí)金屬?zèng)]有形變強(qiáng)化能力去限制塑性變形繼續(xù)發(fā)展，則變形會(huì)一直流變下去，而且因變形使截面積減小

13、，過(guò)載應(yīng)力越來(lái)越高，最后會(huì)導(dǎo)致頸縮，而產(chǎn)生韌性斷裂。但是，由于金屬有形變強(qiáng)化性能，它會(huì)盡量阻止塑變繼續(xù)發(fā)展，使過(guò)載部位的塑性變形只能發(fā)展至一定程度即停止下來(lái)，保證了機(jī)件的安全使用。2022-4-5中原工學(xué)院27n金屬在塑變時(shí)，由于應(yīng)力和材料性能的不均勻性，截面上各點(diǎn)的塑變起始時(shí)間和大小各不一樣，如果沒(méi)有形變強(qiáng)化性能，則先變形的部位就會(huì)流變下去，造成嚴(yán)重的不均勻塑變，從而不能獲得合格的冷變形金屬制品。但是，由于金屬有形變強(qiáng)化能力，哪里先變形它就在那里阻止變形繼續(xù)發(fā)展，并將變形推移至別的部位去，這樣變形和強(qiáng)化交替重復(fù)(即變形和強(qiáng)化的聯(lián)合)就構(gòu)成了均勻塑性變形，從而獲得了合格的冷變形加工金屬制品。2

14、形變強(qiáng)化可使金屬塑變均勻進(jìn)行，保證冷變形工藝的順利實(shí)現(xiàn)。2022-4-5中原工學(xué)院283形變強(qiáng)化可提高金屬?gòu)?qiáng)度，和合金化、熱處形變強(qiáng)化可提高金屬?gòu)?qiáng)度，和合金化、熱處理一樣，也是強(qiáng)化金屬的重要工藝手段。理一樣，也是強(qiáng)化金屬的重要工藝手段。 這種方法可以單獨(dú)使用，也可以和其它強(qiáng)化方法聯(lián)合這種方法可以單獨(dú)使用，也可以和其它強(qiáng)化方法聯(lián)合使用，對(duì)多種金屬進(jìn)行強(qiáng)化，尤其是對(duì)于那些不能熱處理使用，對(duì)多種金屬進(jìn)行強(qiáng)化，尤其是對(duì)于那些不能熱處理強(qiáng)化的金屬材料，這種方法就成了最重要的強(qiáng)化手段。如強(qiáng)化的金屬材料，這種方法就成了最重要的強(qiáng)化手段。如18-8奧氏體不銹鋼，變形前強(qiáng)度不高奧氏體不銹鋼，變形前強(qiáng)度不高，0.

15、2=20公斤力公斤力毫米，毫米，b=60公斤力毫米。但是經(jīng)公斤力毫米。但是經(jīng)40軋制后，軋制后，0.2=80100公斤力毫米，提高公斤力毫米，提高34倍，倍，b =120公公斤力毫米，提高一倍。斤力毫米，提高一倍。高碳鋼絲經(jīng)過(guò)鉛浴等溫處理后拉高碳鋼絲經(jīng)過(guò)鉛浴等溫處理后拉拔，可以達(dá)到拔，可以達(dá)到2000MPa以上。但是，形變強(qiáng)化方法只能使以上。但是，形變強(qiáng)化方法只能使強(qiáng)度提高，強(qiáng)度提高，而塑性損失了很多而塑性損失了很多。 生產(chǎn)上常用的噴丸和表面滾壓屬于金屬表面形變強(qiáng)化，生產(chǎn)上常用的噴丸和表面滾壓屬于金屬表面形變強(qiáng)化，除了造成有利的表面殘余壓應(yīng)力外，也強(qiáng)化了表面材料，除了造成有利的表面殘余壓應(yīng)力外

16、，也強(qiáng)化了表面材料，因而可以有效地提高疲勞抗力。因而可以有效地提高疲勞抗力。2022-4-5中原工學(xué)院294形變強(qiáng)化還可降低塑性改善低碳鋼的切削加工性能。 低碳鋼因塑性好，切削時(shí)易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，表面加工質(zhì)量差，此時(shí)可利用冷變形降低塑性，使切屑容易脆離，改善切削加工性能。 2022-4-5中原工學(xué)院30應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)即開(kāi)始出現(xiàn)頸縮。在頸縮前變形沿整個(gè)試樣長(zhǎng)度是均勻的，因?yàn)椴牧蠎?yīng)變硬化使試樣承載能力增加，可以補(bǔ)償因試樣截面減小使其承載力的下降。在B點(diǎn)之后，由于應(yīng)變硬化跟不上塑性變形的發(fā)展，使變形集中于試樣局部區(qū)域產(chǎn)生縮頸。 B點(diǎn)是最大力點(diǎn)，也是局部塑性變形開(kāi)始點(diǎn)，亦稱(chēng)拉伸失穩(wěn)點(diǎn)

17、或塑性失穩(wěn)點(diǎn)。2022-4-5中原工學(xué)院31 出現(xiàn)頸縮時(shí)正是相當(dāng)于負(fù)荷-變形曲線(xiàn)上的最大載荷處，因此，應(yīng)有dF=0 F=AS dF=d(SA)=AdS+SdA=0 即 -dA/A=dS/S 根據(jù)塑性變形時(shí)體積不變條件，即dV=0 V=LA LdA+AdL=0 dL/L=-dA/A=d 故 dS/d=S 這就是出現(xiàn)頸縮的條件，即當(dāng)加工硬化速率等于該處的真應(yīng)力時(shí)就開(kāi)始頸縮。 2022-4-5中原工學(xué)院32 依據(jù)頸縮條件，倘若已有真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，并作出相應(yīng)的應(yīng)變硬化速率和應(yīng)變的關(guān)系，這兩個(gè)曲線(xiàn)的交點(diǎn)即表示在該應(yīng)變量下將要開(kāi)始頸縮，在交點(diǎn)的左方dS/dS，硬化作用較強(qiáng)，足以補(bǔ)償因截面之減小所引起的應(yīng)

18、力升高，而在交點(diǎn)的右方dS/dS，加工硬化的能力已經(jīng)失去或已十分微弱，導(dǎo)致頸縮發(fā)生。dS/d=S2022-4-5中原工學(xué)院33n在縮頸點(diǎn)(拉伸失穩(wěn)點(diǎn))處Hollomon關(guān)系成立 Sb為試樣的真實(shí)抗拉強(qiáng)度n可以推導(dǎo)出 n這表明，當(dāng)金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)等于最大真實(shí)均勻塑性應(yīng)變量時(shí)，縮頸便會(huì)產(chǎn)生。 由此可以估計(jì)材料的均勻變形能力。由 不可能很大。2022-4-5中原工學(xué)院34n縮頸一旦產(chǎn)生，拉伸試樣原來(lái)所受的單向應(yīng)力狀態(tài)就被破壞，而在縮頸區(qū)出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)，這是由于縮頸區(qū)中心部分拉伸變形的徑向收縮受到約束所致。在三向應(yīng)力狀態(tài)下，材料塑性變形比較困難。為了繼續(xù)塑性變形，就必須提高軸向應(yīng)力，因而縮頸處

19、的軸向真實(shí)應(yīng)力高于單向受力下的軸向真實(shí)應(yīng)力，并且隨著頸部進(jìn)一步變細(xì)，真實(shí)應(yīng)力還要不斷增加。2022-4-5中原工學(xué)院35n可利用Bridgmen關(guān)系式對(duì)頸部軸向拉應(yīng)力進(jìn)行修正n S頸部軸向真實(shí)應(yīng)力(等于拉伸力除以縮頸部最小橫截面積)；ns修正后的真實(shí)應(yīng)力；nR頸部輪廓線(xiàn)曲率半徑；na頸部最小截面半徑。 2022-4-5中原工學(xué)院36抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度n抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 在材料不產(chǎn)生頸縮時(shí)抗拉強(qiáng)度代在材料不產(chǎn)生頸縮時(shí)抗拉強(qiáng)度代表斷裂抗力表斷裂抗力n脆性材料脆性材料：設(shè)計(jì)時(shí)，其許用應(yīng)力以抗拉強(qiáng)度：設(shè)計(jì)時(shí)，其許用應(yīng)力以抗拉強(qiáng)度為依據(jù)。為依據(jù)。 n塑性材料：塑性材料：雖然抗拉強(qiáng)度只代表產(chǎn)生最大均勻塑性變

20、形抗力，但它表示了材料在靜拉伸條件下的極限承載能力。對(duì)應(yīng)于抗拉強(qiáng)度b的外載荷，是試樣所能承受的最大載荷，盡管此后頸縮在不斷發(fā)展，實(shí)際應(yīng)力在不斷增加，但外載荷卻是在很快下降的。2022-4-5中原工學(xué)院37n易測(cè)定，重現(xiàn)性好：易測(cè)定，重現(xiàn)性好：作為產(chǎn)品規(guī)格說(shuō)明或質(zhì)作為產(chǎn)品規(guī)格說(shuō)明或質(zhì)量控制的標(biāo)志。量控制的標(biāo)志。nb b 能和材料的疲勞極限能和材料的疲勞極限-1-1和材料的硬度和材料的硬度H H B B 建立一定關(guān)系建立一定關(guān)系 對(duì)淬火回火鋼：對(duì)淬火回火鋼：- -1 1b b b0.345 H B n因此，因此，b b被列為材料常規(guī)力學(xué)性能的五大被列為材料常規(guī)力學(xué)性能的五大指標(biāo)之一指標(biāo)之一 n五大指標(biāo)：五大指標(biāo)：S S，b b，a a K K2022-4-5中原工學(xué)