第二章 零件变形失效

第一节:变形的基本形式 第一节 变形的基本形式
金属受力变形分为两个阶段:弹性 弹性变形阶段和塑性 塑性变形阶段 金属受力变形 弹性 塑性 一:金属的弹性变形 金属的弹性变形 是一种应力与应变之间呈线性关系,应力消失后,变形完全消失.
一:包申格效应 包申格效应 当对一个试件预先加载变形,然后再同向加载变形时,弹性极限 升高;反向加载变形时,弹性极限降低的现象.
这种现象可以很好地解决金属变形后起弹性极限变花的问题. 消除包申格效应的办法:给予较大的残余塑性变形,或在引起金 消除包申格效应的办法 0 0 属恢复或再结晶的温度下退火.(钢在400~500 C ;铜250~270 CC)
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二:弹性后效 弹性后效 把一定大小的拉力突然加到多晶体试样上,试样立即产生的应变, 只是该力所应该引起的总应变的一部分,其余部分的应变是在该 负荷长期保持下渐渐产生的现象称为正弹性后效.当外力突然去 除时,应变也不是全部立即消失,而只是消失一部分,其余部分以 后逐渐消失的现象称为反弹性后效.这种应变总落后于应力的现 象称为弹性后效. 它与材料的性质,应力的大小,状态,稳度等有关.结构愈不均 匀,作用力愈大,稳度愈高,则弹性后效愈大.剪切力影响最为显著; 单晶体金属不存在弹性后效. 消除弹性后效的办法是长时间的回火.(钢的回火温度300~450 ) 消除弹性后效的办法
第三节:零件冷却过程中的应力和应变 第三节 零件冷却过程中的应力和应变
一:内应力的形成 内应力的形成 零件的冷却过程中,因内部相连部分体积变化不均匀,互相牵制而 产生的内应力. 1:热应力 热应力 它是由零件相连部分断面的厚簿不同,冷却速度不一致,收缩时有 先后而引起的的应力.其过程如图所视 通常厚壁受拉,薄壁受压. 2:相变应力 相变应力 它是指零件内由于组织转化,发生 体积改变引起的应力. 如灰铸铁由奥氏体转化为铁素体 和析出石墨时的体积膨胀.零件表层 冷却快,先相变而体积膨胀,当内部冷却 到相变时而膨胀时,则受外部限制,因此, 内受压而外受拉.
2:亚晶细化 亚晶细化 塑性变形时,多晶体的每个晶粒内的亚晶将发生细化,如铸态金 属的亚晶粒的边长为 102 cm ,塑性变形后细化为 104 ~ 106 cm 导致强度和硬度的增加,这是产生加工硬化的原因之一. 3:晶体缺陷的增加 晶体缺陷的增加 随塑性变形的增加,其亚晶细化,亚晶界,空位和位错的密度也将增 加,这将使金属的强度和硬度大大提高,这是金属产生加工硬化 的另一个重要原因. 三:内应力 :内应力 金属经过冷变形加工后,其内各部分因不均匀变形而产生残余内 应力.共有三类: 1:第一类内应力(宏观内应力) 由金属各部分变形不均匀产生的宽范围的内应力. 2:第二类内应力(晶间内应力) 由金属冷塑性变形时,晶粒或亚晶变形不均匀所引起的. 3:第三类内应力(晶格畸变内应力): 因冷塑变形产生的空位,位错, 亚晶界等缺限,在缺限附近引起晶格畸变而产生的内应力.
对称的两部分晶体称为孪晶,或双晶 孪晶所需剪切力较大,在密排六方结构晶体中常可发现孪 生;在体心立方体结构的晶体中只有在低温或冲击时才 会发生孪生变形;面心立方结构的金属一般不会发生孪 生变形
三:多晶体塑性变形的特点 多晶体塑性变形的特点
实际金属多为多晶体,其内既存在位向不同的相邻晶粒 位向不同的相邻晶粒 又存在晶界 晶界,其塑性变形比单晶体要复杂. 晶界 晶界:晶粒间的过度层,原子排列混乱,又常集中有杂质. 晶界 故变形抗力较大.晶界的存在增加了晶体滑移的阻力,提 高了多晶体的强度. 相邻晶粒位向不同的晶体 相邻晶粒位向不同的晶体,当某一晶粒处于有利地位开 始发生滑移时,必然会遇到周围的位向不同的其它晶粒 的阻碍,增加了多晶体滑移的阻力. 细晶粒金属的强度 硬度 塑性和韧性为什么比较高 晶 细晶粒金属的强度,硬度 塑性和韧性为什么比较高?晶 硬度,塑性和韧性为什么比较高 粒越细,这些性能越高 这些性能越高? 粒越细 这些性能越高 因存在位向不同和晶界故变形抗力较大,强度和硬度较高, 晶粒愈细,强度和硬度较高.在一定体积内的晶粒愈多,塑 性变形时位向有利于滑移的晶粒数目愈多,减少了应力 集中在少数晶粒内导致早期破坏的可能性,从而在断裂 之前可承受较大的变形,表现出较高的塑性和韧性.
滑移为什么主要发生在原子 排列在最紧密的晶面,并沿该 排列在最紧密的晶面 并沿该 晶面原子排列最紧密的方向 向滑行? 向滑行
滑移是怎样进行的? 滑移是怎样进行的
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滑移是位错在切应力作用下运动的结果.
二:孪生 孪生
晶体变形的另一种方式-----孪生.它是指晶体的一部分 在剪切应力作用下,沿一定的晶面(孪生面)和晶向(孪生 方向)进行的均匀剪切变形.如图2-8
二:内应力的影响 内应力的影响 当内应力超过零件材料的弹性极限时,零件将发生变形. 当内应力小于弹性极限时,将以残余应力形式保存于零 件中,若切去零件的一部分时,原内应力平衡遭破坏,零件 将发生变形.若零件送去热处理或被投入使用,内应力与 热处理应力或外载荷的叠加,零件也可能产生变形,甚至 断裂. 三:内应力的消除 内应力的消除 1:自然时效处理 1:自然时效处理 内应力不稳定,具有在12~20个月内,零件会慢慢发生塑性 变形, 应力逐渐消失的特点. 2:人工时效处理 人工时效处理 具有内应力的零件受高温或振动时,金属原子吸收能量,活 力加大,具有加速应力消除的特点. 铸件的退火处理是将铸件加热到接近塑性状态的温度,保 持一段时间,使铸件在残余应力作用下发生塑性变形,消 去应力.
第四节:零件在使用中变形的原因 第四节 零件在使用中变形的原因
工程机械零件产生变形的原因大致有以下几方面 工程机械零件产生变形的原因大致有以下几方面: 一:毛坯制造方面 毛坯制造方面 高温冷却过程,制成过程 二:机械加工过程 机械加工过程 一是破坏了原内应力的平衡而产生的变形,二是切削加工 过程中的残余应力在以后引起零件的变形. 三:修理质量方面 修理质量方面 工程机械修理时一要考虑变形的因素,二是修理操作应正 确.修理中的焊接,堆焊,压力加工等都会产生新的应力和 变形,应引起注意. 四:使用方面 使用方面 使用中的超载,温度过高,设计时零部布置不合理都会引零 件的变形.
第二节:塑性变形对金属组织和性能的影响 第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
一:加工硬化 加工硬化 因冷变形加工而引起金属随变形程度的增加,金属的强度和硬度 的提高,塑性和韧性下降的现象. (σ b为强度极限,δ 为延伸率,ψ 为压缩率 ) 加工硬化在生产实际中具有重要意义.
二:冷加工变形时金属组织结构的变化 冷加工变形时金属组织结构的变化 1:显微组织的变化 金属多晶体在扎制过程中,各晶粒将顺金属的变形方向被 拉长,当变形量很大时,晶粒将变成纤维状的纤维组织
思考题:P23 1.
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第二章. 第二章 零件变形失效
实践中,许多零件的磨损部位虽然恢复到原有的尺寸、形状 和表面质量,但使用效果常常大不到原有水平,使用寿命也大为 缩短.研究发现,其原因主要是零件变形造成的,使原有精度造 . 到破坏. 如有人曾对汽车零部件的变形情况进行过调查发现,不论 使用中的零件还是未使用的备件,经过一年后测量,发现所 有的零件都发生了不同程度的变形,约有80%的零件的变 形量都超过了规定的技术标准.再使用一年后再测,发现第 二年零件的变形量甚微. 因零件复杂,加之变形对机械设备的工况和使用寿命的影响 不易直接看出,常常未能引起使用者和维修者的重视.
第五节:减轻变形危害的措施 第五节 减轻变形危害的措施
一:设计方面 设计方面 1:合理布置各零部件,改善零件的受力状况,减少变形. 2:尽量使零部件厚薄均匀. 二:制造方面 制造方面 1:在毛坯制造后及机加工过程中,应安排足够的消内应力的工序. 2:粗加工与精加工应分开,并有一定的间隔时间. 三:修理方面 修理方面 工程机械大修时不能只检查配合面的磨损情况,还应检查其形状精 , 度和位置精度. 四:使用方面 使用方面 1:避免超载和局部高温 2:正确安装设备,使各部件尽量少受持续应力的作用. 3:移动部件停机时的位置应适当. 4:精密机床不能用于粗加工. 5:备品备件的存放应适当.
二. 金属的塑性变形 单晶体在剪应力作用下会发生塑性变形,其变形是通过滑移 和孪生方式进行的,其中滑移是基本方式. (一) 滑移 一 单晶体在剪切应力作用下,产生弹性变形,晶格发生微小扭曲.外力 去除后,晶格又恢复原状.若剪切应力继续增大到一定临界值后,一 部分晶体沿着晶界面相对另一部分晶体产生滑动,滑移后滑移面 两侧的原子又重新处于平衡状态,外力去除后,不能恢复原状
晶体的滑移是沿什么位置和方向发生的呢? 晶体的滑移是沿什么位置和方向发生的呢 大量试验观察表明;滑移主要发生在哪些原子排列最紧密的晶 面或较紧密的晶面,并沿该晶面上原子排列最紧密的晶向滑行
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如下图所示:A晶面原子排列密度最大,B晶面原子排列密度较 . 小.A晶面其面间距离AA与其它晶面的面间距离(BB)相比为 最大,因而面间的原子结合力最弱,最易发生滑移.
晶体的滑移过程是随着外力的增加而逐步进行的. 开 始在第一个滑移面进行,随着滑移的进行,加工硬化,在该滑 移面滑移的阻力增大最终停止.若外力继续增大,晶体又沿 着别的晶界面产生滑移,随着外力的不断的增大,滑移将沿 一系列晶界面进行,从而在宏观上表现为塑性变形现象. 右图表示单晶体在受力作用下的 变形示意图: 单晶体在拉力作用下变形时,在 滑移面上的外力将分解为垂直于 滑移面的正应力和平行于滑移面 的剪切应力,晶体在正应力作用下 发生一定的弹性变形,而在剪切应 力作用下将沿一系列晶面产生滑 移,最终结果是整个晶体沿着外力 的方向被拉长,外力去除后,只恢复 其弹性变形部分,而塑性变形部分 被保留下来.