金屬的變形特性（V18版）

6-1金屬的變形特征6-1Deformationbehaviourofmetal無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院無錫(中國)Contact:yujc@

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MetallgraphyⅡ6-1金屬的變形特征6-1Deformationbehaviourofmetal引言：變形，是材料制備和使用過程中所經(jīng)歷的一個必要環(huán)節(jié)。材料在制備成零件或構(gòu)件時，形變不僅使材料得到最終的形狀，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)的變化。在使用零件和構(gòu)件時也受到力的作用，在斷裂破壞前，零件和構(gòu)件經(jīng)歷一定程度的形變，因此了解變形過程中微觀組織的變化，進(jìn)行有效的組織控制，對提高使用壽命是十分必要的。金屬的力學(xué)性能，實質(zhì)上是指金屬在外力作用下的行為或表現(xiàn)。其行為或表現(xiàn)主要分為變形能力和變形抗力，即塑性和強(qiáng)度。金屬的力學(xué)性能主要以強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞極限、斷裂韌度等衡量。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal材料受力后就要發(fā)生變形，變形有三個階段：（冷變形）外力較小時發(fā)生彈性變形；外力較大時發(fā)生塑性變形：成形；外力進(jìn)一步增大時發(fā)生斷裂：失效。成型？成形？專業(yè)：材料成型及控制工程成型指原料在型腔的腔模內(nèi)成型；成形則不必使用模具之類將原材料通過其它手段加工成所需形狀。材料經(jīng)變形后，不僅外形和尺寸發(fā)生變化，內(nèi)部組織和有關(guān)性能也會發(fā)生變化，使之處于自由焓較高的狀態(tài)。這種狀態(tài)不穩(wěn)定，在重新加熱時就會發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn)象。（第七章學(xué)習(xí)內(nèi)容：熱變形）

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal金屬的力學(xué)性能主要以強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞極限、斷裂韌度等衡量。單向靜態(tài)拉伸試驗：國標(biāo)GB/T228.1-2010和GB/T228-2002。（原文件）通過拉伸試驗可以揭示金屬材料在靜載荷作用下常見的力學(xué)行為，即彈性變形、塑性變形和斷裂；還可以測定金屬材料最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，如強(qiáng)度指標(biāo)屈服強(qiáng)度σ0.2、和抗拉強(qiáng)度σb、及塑性指標(biāo)斷后伸長率δ和斷面收縮率ψ等。單向靜態(tài)拉伸試驗是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的試驗方法，其特點是溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率是確定的。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal單向靜態(tài)拉伸試驗：材料拉伸試驗機(jī)

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal單向靜態(tài)拉伸試驗：

拉伸試驗拉伸試樣

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal在實際使用中，飛機(jī)、穿甲彈、裝甲等在服役條件下要承受加載速率較高的沖擊載荷作用；汽車等在發(fā)生碰撞事故時也會受到較高沖擊載荷作用。一般來說，靜態(tài)加載的應(yīng)變速率低于10-5s-1，準(zhǔn)靜態(tài)加載的應(yīng)變速率為10-5s-1~10-1s-1，高應(yīng)變速率加載通常為102s-1~104s-1，甚至達(dá)106s-1以上。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal沖擊力學(xué)性能試驗：高速拉伸高速壓縮分離式Hopkinson桿裝置（SHPB,SHTB)

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal（工程）應(yīng)力-應(yīng)變曲線：（簡易）應(yīng)力（工程應(yīng)力或名義應(yīng)力）:σ=F/A0其中，F(xiàn)為載荷，A0為試樣的原始橫截面積。應(yīng)變（工程應(yīng)變或名義應(yīng)變）:ε=（L-L0）/L0其中，L0為試樣的原始標(biāo)距長度；L為試樣變形后的長度。真實應(yīng)力-真實應(yīng)變曲線：（精確）事實上，在拉伸過程中試樣的尺寸是在不斷變化的，此時的真實應(yīng)力S應(yīng)該是瞬時載荷（P）除以試樣的瞬時截面積（A），即：S=P/A；同樣，真實應(yīng)變e應(yīng)該是瞬時伸長量除以瞬時長度（L），即：de=dL/L。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal單向靜態(tài)拉伸試驗：材料拉伸試驗機(jī)拉伸力-伸長位移曲線應(yīng)力-應(yīng)變曲線

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal單向靜態(tài)拉伸試驗：

σ—ε：工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線σ—εS—eσε

S—e：真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用Origin軟件

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal幾種碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線（工程）：1.低碳鋼2.中碳鋼3.高碳鋼

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal塑性：是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生變形而不破壞的能力。一般情況，伸長率達(dá)5％或斷面收縮率達(dá)10％的材料，即可滿足大多數(shù)零件的使用要求。兩個塑性指標(biāo):斷面收縮率:ψ伸長率:

δ

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線（工程）：1.彈性變形2.塑性變形3.斷裂

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal1.彈性變形：即載荷卸除后能完全恢復(fù)的變形。彈性變形的主要特點——可逆性變形。對于金屬、陶瓷或結(jié)晶態(tài)的高分子聚合物在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變之間都具有以下特征：（1）、彈性變形量較?。é牛?.5～1％）；（2）、單值線性關(guān)系——即胡克定律。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal1.彈性變形：胡克定律1676年，英國物理學(xué)家胡克（RobertHooke，1635-1703）以字謎的形式發(fā)表了關(guān)于彈性力的定律，即ceiiinosssttuv。1678年，他公布了謎底，中文的意思是“有多大的伸長就有多大的力”。1665年，RobertHooke設(shè)計制造了首架光學(xué)顯微鏡，當(dāng)時放大倍數(shù)為40~140倍，并用此首次觀察并描述了植物細(xì)胞，同年發(fā)表《顯微圖譜》一書。6-1Deformationbehaviourofmetal1.彈性變形：胡克定律東漢的鄭玄（公元127-200）對此進(jìn)行了注釋，他寫道：“假令弓力勝三石，引之中三尺，弛其弦，以繩緩擐之，每加物一石，則張一尺?！保ā吨芏Y注疏》）三石dan（即90斤）

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal1.彈性變形：胡克定律Hooke'slaw：在彈性狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變之間有線性關(guān)系。正應(yīng)力下：σ=E·ε切應(yīng)力下：τ=G·γ其中，σ、τ分別為正應(yīng)力和切應(yīng)力，ε、γ分別為正應(yīng)變和切應(yīng)變，E為彈性模量（正彈性模量、楊氏模量），G為切變模量。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal1.彈性變形的物理本質(zhì)：概括說來，都是構(gòu)成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。外力引起的原子間距的變化，即位移，在宏觀上就是所謂彈性變形。外力去除后，原子復(fù)位，位移消失，彈性變形消失，從而表現(xiàn)了彈性變形的可逆性。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal1.彈性變形：正應(yīng)力下：σ=E·εE為彈性模量，楊氏模量1807年因英國醫(yī)生兼物理學(xué)家托馬斯·楊(ThomasYoung,1773-1829)所得到的結(jié)果而命名。定義：材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系（即符合胡克定律），其比例系數(shù)稱為彈性模量。彈性模量代表著使原子離開平衡位置的難易程度，是表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量。所以，彈性模量是組織不敏感參數(shù)。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal1.彈性變形：E為彈性模量的意義：（1）拉伸曲線上，斜率；（2）彈性變形難易；其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，越不容易變形；（3）對組織不敏感：取決于原子間結(jié)合力、材料種類；晶格常數(shù)；原子間距；（4）表征材料抵抗彈性變形能力和衡量材料“剛度”的指標(biāo)。剛度：將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。零件的剛度主要決定于E，材料的E越大，剛度越大。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal1.彈性變形：彈性極限e

，表示材料發(fā)生彈性變性的極限抗力。制造彈簧的材料要求高的e。通過適當(dāng)熱處理可使材料具有高的e。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal1.彈性變形：彈性的不完整性（知識擴(kuò)展）根據(jù)材料在彈性變形過程中應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)特點，彈性可以分為：(1)理想彈性（完全彈性）：應(yīng)力與應(yīng)變是線性的，瞬時的，唯一的單值函數(shù)。(2)非理想彈性（彈性不完整性）。實際上，絕大多數(shù)固體材料的彈性行為很難同時滿足上述所有條件，一般都表現(xiàn)出非理想彈性性質(zhì)：工程中的材料一般近似用理想彈性來處理進(jìn)行分析。但是當(dāng)材料的非理想彈性特征明顯時，必須加以考慮?！獪椥?、偽彈性及包申格效應(yīng)。6-1Deformationbehaviourofmetal2.塑性變形：即載荷卸除后仍殘留的變形。在外力作用下，能夠產(chǎn)生塑性變形的性能，叫塑性。塑性變形的特征：外力作用下材料發(fā)生不可逆、永久的變形。屈服現(xiàn)象：

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal2.塑性變形：屈服現(xiàn)象受力試樣中，應(yīng)力達(dá)到某一特定值后，應(yīng)力雖不增加（或在微小范圍內(nèi)波動），而變形卻急速增長的現(xiàn)象稱為屈服。它標(biāo)志著材料的力學(xué)響應(yīng)由彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段，稱為屈服現(xiàn)象。

s屈服點:試樣屈服時的應(yīng)力為材料的屈服點,是產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal2.塑性變形：工程上常用的屈服標(biāo)準(zhǔn)有三種：(1)比例極限σp

應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力。(2)彈性極限σe

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。應(yīng)力超過σe時即認(rèn)為材料開始屈服。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal2.塑性變形：(3)屈服強(qiáng)度

以下屈服應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，符號為σs。以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)，如通常以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為條件屈服強(qiáng)度，符號為σ0.2。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal2.塑性變形：屈服強(qiáng)度是一個對成分、組織極為敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，受許多內(nèi)在因素的影響。改變合金成分或熱處理工藝都可使屈服強(qiáng)度產(chǎn)生明顯變化。屈服點σs、屈服強(qiáng)度σ0.2是零件設(shè)計的主要依據(jù)；也是評定金屬強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal2.塑性變形：抗拉強(qiáng)度b

，表征材料最大均勻塑性變形的抗力。拉伸試樣在承受最大拉應(yīng)力之前，變形是均勻一致的，但超出之后，金屬開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即產(chǎn)生集中變形;對于沒有均勻塑性變形的脆性材料，它反映了材料的斷裂抗力。

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal單向靜態(tài)拉伸試驗：縮頸現(xiàn)象

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MetallgraphyⅡ6-1Deformationbehaviourofmetal3.斷裂斷裂強(qiáng)度