金属材料损坏与变形
大学材料科学基础第八章材料的变形与断裂(1)
六方晶系则需画图判定。
滑移系数量与金属的塑性 滑移系代表了晶体滑移时可能采取的空间取向，晶 体中滑移系数量越多，滑移时可能采取的空间取向就 越多，滑移就越容易进行，金属的塑性便越好。 面 心 立 方 金 属 ： Cu，Al，Au，Ag,，Ni，γ－Fe， 奥氏体钢，体心立方金属α－Fe，铁素体，Mo，Nb的 塑性很好，而密排六方金属Mg，Zr，Be，Zn的塑性 则较差。当然滑移系数量并不是决定金属塑性高低唯 一的因素，合金的成分、强度的高低、加工硬化的能 力等也会影响到金属的塑性。试验表明，奥氏体钢的 塑性要优于铁素体钢。
金属拉伸曲线分析。 1 弹性变形阶段：ζ－ε呈直线关系。
（弹）塑性变形阶段： ζ-ε不遵循虎克定律
2 均匀塑性变形阶段：屈服阶段：ε增加，ζ基本保 持不变， ζ－ε呈非线性关系。 3 颈缩阶段（局部变形阶段）：变形集中在局部区 域。 4 断裂阶段：从颈缩到断裂。
拉伸试验可以得到以下强度指标和塑性指标：
拉伸条件下滑移系上分切应力的计算。
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
θ－滑移面法线与拉伸轴的夹角
4 力轴作用在任意方向
二、孪晶（孪生）变形
孪生也是金属塑性变形的一种形式，一般情况下， 金属晶体优先以滑移的方式进行塑性变形，但是当滑 移难以进行时，塑性变形就会以生成孪晶的方式进行， 称为孪生。例如滑移系较少的密排六方晶格金属，当 处于硬取向时，滑移系难以开动，就常以孪生方式进 行变形。滑移系较多的fcc、bcc结构的金属一般不发 生孪生变形，但在极低的温度下变形或是形变速度极 快时，也会以孪生的方式进行塑性变形。 定义：晶体在难以进行滑移时而发生的另一种塑 性变形方式，其特点是变形以晶体整体切变的形式 进行而不是沿滑移系发生相对位移。
21金属材料的损坏与塑性变形
断裂。
弹性变形：外力消失后变形消失，金属恢复到原 来的形状。
弹—塑性变形：一部分发生弹性变形，一部分发 生塑性变形。
断裂：破坏，不能再恢复。
• 1.特点 弹性变形： 金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。 塑性变形： 金属经塑性变形后其组织和性能将发生变化。
• 2.变形原理 金属在外力作用下，发生塑性变形是由于晶
21金属材料的损坏与 塑性变形
• 课后练习题第1、2小题P44
3.应力 （1）定义：
单位横截面积上的内力。 （2）计算公式：
R(σ)= F/ S（ MPa ） 式中：R (σ)——应力；Pa,1Pa=1N/m2,
1MPa=1N/mm2=106Pa F ——外力,N; S ——横截面面积,m2或mm2。
二、金属的变形 金属在外力作用下的变形三阶段：
弹性变形
弹-塑性变形
21金属材料的损坏与塑性变形
• 冷冲压：借助于常规或专用冲 压设备的动力，使板料在模具 里直接受到变形力并进行变形， 从而获得一定形状、尺寸和性 能的产品零件的生产技术。
塑性变形也有有利的一面。
一、与变形相关的几个概念
1、载荷
金属材料在加工及使用过程中所受的
外力称为载荷。
根 据
静载荷：如吊车悬吊重物。
21金属材料的损坏与塑性变形
21金属材料的损坏与塑性变形
• 挤压：用冲头或凸模对放置在 凹模中的坯料加压，使之产生 塑性流动，从而获得相应于模 具的型孔或凹凸模形状的制件 的锻压方法。可制作长杆、深 孔、薄壁、异型断面零件，是 重要的少无切削加工工艺。
21金属材料的损坏与塑性变形
21金属材料的损坏与塑性变形
2.加工硬化的应用
对于不能通过热处理强化的金属是一种重要的
金属在使用过程中形变发生的因素
金属，在日常生活和工业生产中被广泛使用。
然而，在使用过程中，金属往往会发生形变。
形变是指金属在外力作用下，发生尺寸、形状和结构的变化。
这些形变可能会影响金属的使用性能，并最终导致金属零部件的破坏。
了解金属形变发生的因素对于避免金属零部件失效具有重要意义。
本文将从以下几个方面探讨金属在使用过程中形变发生的主要因素。
1. 外力作用：金属在受到外力作用下会发生形变。
外力可以是拉力、压力、剪切力等，这些外力会使金属内部原子结构重新排列，从而导致金属形变。
在拉伸金属材料时，原子之间的键将被撕裂，金属材料会发生延长，产生塑性变形。
压缩金属材料时，原子之间的键将受到挤压，金属材料会发生压缩，产生塑性变形。
剪切金属材料时，原子间的键将被切断，金属材料会产生滑移，从而发生形变。
2. 温度变化：金属在不同温度下会发生形变。
温度的变化会影响金属原子的热运动，进而影响金属的强度和韧性。
一般来说，温度升高会使金属变软，易于发生形变，而温度降低会使金属变硬，难以发生形变。
温度的变化还会引起金属内部晶格结构的变化，从而影响金属的塑性变形性能。
3. 冷加工和热加工：金属在冷加工和热加工过程中都会发生形变。
冷加工是指在常温下对金属材料进行塑性变形加工，如冷拔、冷轧、冷挤压等。
冷加工会使金属产生塑性变形，但也容易造成金属的工艺性能下降。
热加工是指在高温下对金属材料进行塑性变形加工，如热锻、热轧、热挤压等。
热加工可以降低金属的强度和硬度，提高金属的塑性变形性能，但也容易使金属产生晶粒长大和组织松散等问题。
4. 疲劳和腐蚀：金属在长期使用过程中会发生疲劳和腐蚀，从而导致形变。
疲劳是指金属在受到交变应力作用下，经历多次应力变化后发生裂纹和破坏。
腐蚀是指金属与周围介质发生化学反应而导致表面金属被侵蚀和损坏。
疲劳和腐蚀都会降低金属的强度和韧性，使金属产生形变，并最终导致金属零部件的失效。
5. 内部缺陷：金属在生产过程中可能存在内部缺陷，如夹杂、气泡、晶界错位等。
金属材料强度及变形性能分析
金属材料强度及变形性能分析简介：金属材料的强度和变形性能是决定材料使用和应用范围的重要性能指标。
强度指材料抵抗外力破坏的能力，而变形性能则表征材料在外力作用下的形变特性。
本文将重点分析金属材料的强度和变形性能，并对其影响因素进行深入探讨。
一、金属材料的强度分析：1. 抗拉强度：金属材料的抗拉强度是指材料在拉伸力作用下抵抗破坏的能力。
抗拉强度取决于材料的原子结构、晶粒尺寸、晶体缺陷等因素。
常见的金属材料如钢、铝、铜等具有不同的抗拉强度。
2. 屈服强度：屈服强度是金属材料在拉伸过程中，从线性弹性阶段到非线性弹性阶段的临界点。
屈服强度是材料首次发生可见塑性变形的应力水平。
屈服强度反映了金属材料在外力作用下的抗变形能力。
3. 延伸率和断裂伸长率：延伸率和断裂伸长率是反映材料延展性能的重要参数。
延伸率指的是材料在断裂前的拉伸程度，断裂伸长率是指材料在断裂时相对于原始长度的变化程度。
较高的延伸率和断裂伸长率意味着材料具有良好的可塑性和变形能力。
二、金属材料的变形性能分析：1. 弹性变形：弹性变形是指金属材料在外力作用下具有恢复性的形变。
弹性变形区域内，材料的形状通过去除外力而恢复到初始状态。
弹性变形的特点是应变与应力呈线性关系，且应力和应变之间的关系服从胡克定律。
2. 塑性变形：塑性变形是指金属材料在外力作用下发生的不可逆形变，形变后无法完全恢复到初始状态。
金属材料的塑性变形可以通过冷加工、热加工等方式实现。
塑性变形主要由材料内部的晶格滑移、位错等现象引起。
3. 硬化和回弹：硬化是指金属材料在塑性变形过程中变得更加坚硬和脆性的现象。
在连续塑性变形中，材料会经历晶格被位错锁定的过程，导致材料的硬度增加。
回弹是指金属材料在去除外力后，部分形变恢复到原始状态的现象。
三、影响金属材料强度和变形性能的因素：1. 材料的组成和制备工艺：不同元素的添加和不同的制备工艺会对金属材料的强度和变形性能产生重要影响。
2. 晶体结构和晶粒尺寸：晶体结构的不同会导致材料的强度和塑性发生变化，较大的晶粒尺寸能够提高材料的强度，但会降低塑性。
金属材料的晶体缺陷与塑性变形
金属材料的晶体缺陷与塑性变形金属材料是我们日常生活中使用最广泛的材料之一，它们具有出色的强度、导电性和耐腐蚀性能。
然而，这些材料中经常会出现各种各样的晶体缺陷，比如空位、过垫、位错等。
这些缺陷对于材料的力学性能和物理性质会产生深远影响，尤其是对于金属材料的塑性变形来说，晶体缺陷更是至关重要的因素。
1. 晶体缺陷的分类晶体缺陷是指晶体中由于各种因素导致的结构上的缺陷或变异。
从不同角度来进行分类，晶体缺陷可以分为以下类型：1.1 点缺陷点缺陷是指晶体中的空位、过垫和杂质原子等点状缺陷。
其中空位是最常见的一种点缺陷，其可以影响晶体的热力学性质，例如分子扩散、热导率和蒸发等。
1.2 线缺陷线缺陷是指晶体中的位错和螺旋线等。
位错是晶体中空间中某些原子排列错误的位置，随着应力的作用，位错可以在晶体中移动，导致晶体的塑性变形。
螺旋线则是由于晶体的外在形状而形成的缺陷，对于晶体的磁学性能有一定的影响。
1.3 面缺陷面缺陷是指而晶体中的晶粒边界和晶体表面等面状缺陷。
晶粒边界是不同晶粒之间的界面，晶体形成时会存在不同的晶粒之间的排列错误，从而形成晶粒边界。
晶粒边界有利于调整晶体中不同晶粒的方向和结构，从而达到材料强度和硬度之间的平衡。
2. 晶体缺陷与塑性变形晶体缺陷在材料的机械性能中起着至关重要的作用，其中最重要的是晶体缺陷与塑性变形之间的关系。
塑性变形是指材料结构的变形过程中一个结构单元从一种能量状态变为另一种，通常是由于位错的滑移或形成使受力部分发生塑性变形。
塑性变形取决于材料的塑性机制，即材料中塑性形变所依赖的机制，和材料的内部结构。
晶体缺陷会影响材料内部的塑性机制和材料的内在结构，从而影响材料的强度、韧性和延展性等力学性质。
2.1 种类与数量晶体缺陷的种类和数量是影响材料塑性变形的关键因素。
通常情况下，材料中的晶体缺陷越多越多样化，材料的塑性变形就越容易发生。
例如，在晶体中形成许多杂质原子可以增加位错的丰度，从而使材料的塑性发生改变。
金属材料应力-应变曲线
个重要指标。
• (3)强化阶段 抗拉强度 b
经过屈服阶段后，曲线从c点又开始逐渐上升，说
明要使应变增加，必须增加应力，材料又恢复了抵抗变 形的能力，这种现象称作强化，ce段称为强化阶段（加 工硬化）。曲线最高点所对应的应力值记作， 称为材
料个重的要抗指拉标强。度(或强度极限)，b 它是衡量材料强度的又一
bt
o
σbt—拉伸强度极限（约为140MPa）。它是 衡量脆性材料（铸铁）拉伸的唯一强度指标。
二、压缩时的应力——应变曲线 1、试样及试验条件
常 温 、 静 载
§9-5
2、低碳钢压缩实验
(MPa) 400
低碳钢压缩 应力应变曲线
E(b)
C(s上)
f1(f)
低碳钢拉伸
g
(e) B
D(s下)
应力应变曲线
力学性质：在外力作用下材料在变形和破坏方面所 表现出的力学性能
一、拉伸时的应力——应变曲线
试
件
和
实
验 条 件
常 温 、
静
载
1、 试件
（1）材料类型：
低碳钢： 塑性材料的典型代表； 灰铸铁： 脆性材料的典型代表；
标距
L0
（2）标准试件：
d0
标点
尺寸符合国标的试件；
2．标用标距于准：测试试件的：等截面部分长度；
(4)缩颈断裂阶段
曲线到达e点前，试件的变形是均匀发生的， 曲线到达e点，在试件比较薄弱的某一局部(材 质不均匀或有缺陷处)，变形显著增加，有效横 截面急剧减小，出现了缩颈现象，试件很快被 拉断，所以ef段称为缩颈断裂阶段。
4.塑性指标 试件拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保 留标。常用的塑性指标有两个:
第三章金属构件常见失效形式及其
第三章金属构件常见失效形式及其金属构件在使用过程中常常会发生各种失效，导致工件不能正常工作或失去使用价值。
常见的金属构件失效形式包括疲劳失效、蠕变失效、腐蚀失效、磨损失效和断裂失效等。
下面将对这些失效形式进行详细介绍。
疲劳失效是金属构件在经过多次循环加载下，由于应力集中、存在缺陷或工作环境存在震动等因素造成的失效。
这种失效形式往往是逐渐积累的，表现为构件出现裂纹，并逐渐扩展至断裂。
疲劳失效可以发生在各种工件上，如弯曲构件、轴类构件等。
为了防止疲劳失效，可以通过增加构件的强度、改变工作环境或提高构件的表面光洁度来减少应力集中。
蠕变失效是金属在高温和持续加载下的失效，主要表现为构件的材料发生塑性变形，导致尺寸增大、变形失效或破坏。
蠕变失效常见于高温合金构件、锅炉管道等工作在高温环境下的设备。
为了防止蠕变失效，可以通过提高材料的抗蠕变能力、降低工作温度或减少加载应力等措施来防止。
腐蚀失效是金属在化学环境中和电化学作用的影响下逐渐腐蚀产生的失效。
腐蚀失效可以表现为构件的表面出现腐蚀坑、腐蚀皮膜等，导致金属的强度和刚度降低，最终导致构件失效。
腐蚀失效在大气中、水中、酸碱溶液中等多种环境下都会发生。
为了防止腐蚀失效，可以通过材料的表面处理、涂层保护、选择抗腐蚀材料等措施来减少腐蚀的发生。
磨损失效是金属构件在与其他构件摩擦和磨擦过程中逐渐损耗，最终导致表面的粗糙度增加、尺寸的减小和形状的改变。
磨损失效常见于轴承、齿轮、刀具等工作在高速、高负荷和高温环境下的设备。
为了防止磨损失效，可以通过润滑剂的使用、提高表面硬度、减少工作条件下的振动和冲击等措施来减少磨损。
断裂失效是金属构件在受到应力超限或存在明显缺陷的情况下，由于应力集中、承受能力不足等原因导致的突然破裂。
断裂失效常见于焊接接头、薄壁结构等，造成的后果往往是灾难性的。
为了防止断裂失效，可以通过增加构件的强度、改善焊接质量、增加材料的韧性等措施来提高构件的承载能力。
变形失效的名词解释
变形失效的名词解释在工程学和材料科学领域，变形失效是一个重要的概念。
它指的是材料或构件在承受外部载荷或应力时，因为超过其可承受的极限而产生破坏或功能损坏的现象。
变形失效是材料工程中极为关键的研究领域，理解其机理对于设计更可靠的产品和结构至关重要。
一、材料变形要理解变形失效，首先需要了解材料的变形特性。
在力学中，材料的变形可以分为弹性变形和塑性变形两种。
弹性变形是指材料在受到外部力作用下，能够恢复到原来形状和尺寸，而不产生永久变形。
塑性变形则是指材料在受到外部力作用下，会产生永久性变形，并且无法完全恢复到原来的形状。
变形失效通常发生在材料的塑性变形阶段。
二、材料的变形失效形式1. 塑性失效塑性失效是指材料在受到外部应力作用下，产生大量永久性变形，超出其可承受范围而发生破坏。
这种失效形式常见于金属、聚合物等可塑性材料，在受到高应力或长时间加载的情况下容易发生。
塑性失效表现为构件的局部塑性变形、裂缝生成和扩展，最终导致构件的完全破坏。
例如，汽车发动机中的曲轴在长时间高速运转下，可能会发生塑性失效而导致断裂。
2. 疲劳失效疲劳失效是材料在反复加载下逐渐产生的失效形式。
当材料处于周期性或循环性应力作用下，即使其应力值远低于材料的静态强度，也会逐渐累积裂纹并最终导致破坏。
这种失效形式常见于金属构件，如桥梁、飞机翼等长时间受到交变载荷的结构上。
疲劳失效的特点是破坏过程较为隐蔽，需要通过疲劳寿命评估和结构健康监测来预测和预防。
3. 蠕变失效蠕变是指材料在高温下，并在受到连续应力作用时逐渐发生的塑性变形。
当材料在高温条件下长时间受到应力后，由于晶体结构的变形和原子间扩散的影响，将逐渐发生蠕变变形。
蠕变失效是一种随着时间而发生的失效形式，常见于高温下的金属和陶瓷材料。
这种失效形式对于高温设备和结构的长期运行安全具有重要意义。
三、变形失效的原因和预防措施变形失效除了材料本身的特性外，还与外部环境、应力状态、加载速率等因素密切相关。
金属材料的变形行为与性能评价
金属材料的变形行为与性能评价随着工业技术的进步和发展，金属材料得到了广泛应用。
金属材料包括各种金属和其合金，其性能表现种类繁多。
其中，试验室经常测试的性能指标有强度、延伸率、硬度和韧性等。
这些性能的表现与材料的变形行为密切相关。
因此，本文将从变形行为出发，探讨金属材料的性能评价。
一、金属材料的变形行为金属材料在受力时，通常会发生塑性变形和弹性变形。
弹性变形是可逆的，当材料停止受力时，可以恢复原来的形状和大小。
而塑性变形则是不可逆的，材料在受到应力后会进行塑性变形，直到出现裂纹或变形峰值。
若继续施加应力，金属材料就会开始破裂。
强度指金属材料所能承受的最大应力，它与材料的抗拉强度相关。
抗拉强度越大，说明金属材料在受力时越难发生塑性变形。
但是，一般的强度指标不能完全反映金属材料的抗拉能力。
例如，在实际工程中，金属材料在受力时，还可能会出现压缩、剪切和扭矩等多种形式的变形，这需要引入其他指标来描述。
延伸率指金属材料在受力时能够发生多大程度的塑性变形。
它表示材料在断裂前可以有多少变形程度。
一般来说，延伸率越高，材料的弹性变形和塑性变形越显著。
硬度指材料抵抗剪切变形的能力。
硬度越大，金属材料在加载时做功的能力就越强。
硬度指标是金属材料性能评价中最常见的指标之一。
它可以通过Rockwell、Vickers或Brinell硬度测试等方法测量。
韧性指材料在受力时承受大应变时，金属材料不会破裂或断裂的程度。
这个性能指标是指材料在受到一定的应力后不能崩裂的能力。
韧性取决于固态材料的塑性韧性和韧性。
二、金属材料的性能评价金属材料的性能评价需要通过一定的试验手段来进行。
在研究新材料、开发新工艺、指导现场品控等多个层面上都需要借助科学的评价手段，对材料的性能进行测试。
静态拉伸试验是一种测量金属材料强度和延伸率的重要工具。
在静态拉伸试验中，材料的初始长度被测量，之后施加恒定的载荷，并记录所施加的载荷与伸长量的关系。
通过这些数据可以确定金属材料的强度和延伸率两项性能指标。
金属材料的变形机制从弹性到塑性的转变
金属材料的变形机制从弹性到塑性的转变金属材料是广泛应用于工业和日常生活中的材料之一。
当外力作用于金属材料时，它会发生变形。
金属材料的变形过程从弹性到塑性的转变是一个重要的研究领域。
本文将探讨金属材料的变形机制以及从弹性到塑性的转变过程。
1. 弹性变形弹性变形是金属材料受力后短暂的变形，一旦外力消失，金属材料能够恢复到初始形状。
这是因为金属材料在受力时，金属晶格发生略微的变形，但并未发生永久改变。
弹性变形的机制可以通过胡克定律来描述，即应力与应变成正比。
当应力施加到金属材料上时，应变发生，但是一旦应力减小或消失，金属材料能够恢复到初始状态。
2. 塑性变形塑性变形是金属材料受力后产生的永久性变形。
当外力作用于金属材料时，金属材料的晶体结构发生改变，产生滑移或扭转。
滑移是一种原子层面的运动，通过原子层之间的滑移面相对缓慢地移动来实现。
金属材料内部的滑移导致晶体发生塑性变形。
这种变形是永久性的，即使外力消失，金属材料也无法完全恢复到初始状态。
3. 从弹性到塑性的转变当外力作用于金属材料时，初始阶段金属材料呈现弹性变形。
这是因为受力初期，外力较小时，金属材料的晶体结构能够弹性地变形。
然而，随着外力的增加，金属材料发生塑性变形。
这是因为当外力超过某个临界值时，滑移开始在金属材料中发生，导致塑性变形。
一旦滑移开始，金属材料将不可逆地发生形状改变，即从弹性变形转变为塑性变形。
在金属材料的变形机制中，还存在一些影响因素。
其中一个重要因素是温度。
在高温下，金属材料的滑移速率增加，塑性变形更容易发生。
另一个因素是晶粒结构和晶界。
细小的晶粒和多晶晶界可以促进滑移的发生，从而导致更容易的塑性变形。
总结起来，金属材料的变形机制从弹性到塑性的转变是一个复杂的过程。
弹性变形是一种可逆的临时变形，而塑性变形则是永久性的变形。
当外力作用于金属材料时，初始阶段呈现弹性变形，随着外力的增加，金属材料发生塑性变形。
这种转变通常受温度和晶粒结构等因素的影响。
长期在高温条件下工作的钢材，会产生哪些损坏-
长期在高温条件下工作的钢材，会产生哪些损坏?
关键词:
工作
高温
钢材
火力发电厂的锅炉、汽轮机、主蒸汽管道等部件，是长期在高温'>高温条件下工作'>工作的。
金属材料长期处于高温'>高温、高应力和高速转动的状态下，由于外部介质的腐蚀与磨损，金属内部组织与性能的劣化，会导致设备部件的失效损坏。
长期在高温条件下工作'>工作的钢材'>钢材，主要产生以下形式的损坏：
（1）脆性断裂：金属材料在外载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂，且断裂前没有明显的塑性变形，称为脆性断裂。
（2）蠕变损伤：由于金属产生过量的蠕变变形，致使部件不能使用甚至爆裂的损坏，叫做蠕变损伤。
（3）氧化与腐蚀：金属由于长期接触高温烟气或汽水，以及一些腐蚀介质，金属的表面不断受到各种浸蚀，有时还会侵入金属内部，造成部件的破裂损坏。
（4）金属内部显微组织变劣：由于金属材料长期处于高温状态，其内部显微组织发生变化，如珠光体球化、石墨化、固溶体中合金元素的贫化等。
金属内部显微组织的变劣，也使材料的综合性能变差。
（5）疲劳损坏：机械部件在交变载荷的作用下，经较长时间的工作而发生断裂损坏的现象，称为金属材料的疲劳损坏。
第六章 金属材料性能与塑性变形
？？？
减震
恒力碟簧支吊架
第二节 弹性变形
1.2.5 滞弹性
（1）突然加载OA，产生瞬时应 变Oa ,而后产生附加应变Ah （2）快速卸载Be，产生瞬时应 变He 而后产生附加应变eO
滞弹性
在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附 加弹性应变的现象。
产生原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。 在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑滞弹性问题。
P 载 荷 (N)
b
e p Pp s
(MPa) k
Pk
0
lk b （低碳钢的拉伸力-伸长曲线）
l
lu
l伸长 0 (mm)
p
b
k
u
（低碳钢的应力-应变曲线）
k
(%)
低碳钢的应力-应变曲线 (M Pa) b k
a
a′
0a段 aa ′段 a ′b段
弹性变形 阶段 塑性变形 阶段
但是，通常拉开n分之一个原子间距就发生了塑性变形——塑性变 形机理取代弹性变形
第二节 弹性变形
1.2.2 胡克定律
(一) 简单应力状态的胡克定律 1．单向拉伸
y
y
2．剪切和扭转
x z y
E
y
E
（1-1）
G
E G 3．E、G的关系 2(1 )
断口特征
第一节 应力－应变曲线
1.1.1 脆性材料的拉伸性能
在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形 强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁
材料完全脆性的－ 曲线
弹性变形阶段 应力-应变成正比
E G
金属的塑性变形和断裂分析课件
腐蚀速率
金属腐蚀的速度，通常以单位 时间内腐蚀的深度或质量损失
表示。
腐蚀防护采用涂层、电镀、缓来自剂等措 施来减缓金属的腐蚀速率。
提高金属抗疲劳和抗腐蚀的方法
材料选择
选择具有优异抗疲劳和抗腐蚀 性能的材料，如不锈钢、钛合
金等。
表面处理
采用喷涂、电镀、化学镀等表 面处理技术，提高金属表面的 耐腐蚀性能。
金属的塑性变形和断 裂分析课件
目录
CONTENTS
• 金属的塑性变形 • 金属的断裂分析 • 金属的塑性和韧性 • 金属的强度和硬度 • 金属的疲劳和腐蚀
01 金属的塑性变形
塑性变形的定义
塑性变形：金属在受到外力作用 时，发生的不可逆的形状变化。
塑性变形是一种不可逆的永久变 形，即使外力撤去，也无法恢复
温度
温度对金属的塑性变形有显著影响，温度升高， 金属的塑性增加，更容易发生塑性变形。
应变速率
应变速率越快，金属的塑性越差；应变速率越慢 ，金属的塑性越好。这是因为应变速率快时，金 属内部的应变硬化速度跟不上应变速率，导致金 属容易发生断裂。
02 金属的断裂分析
断裂的定义和分类
总结词
断裂是金属材料在受力过程中发生的永久性结构变化，通常表现为突然的开裂或分离。
强度和硬度在一定程度上可以相互转换，但转换公式因材料和测试方法 而异。
强度和硬度的关系对于材料的选择和应用具有重要的指导意义，例如在 机械零件的设计和制造中，需要根据零件的工作条件和要求合理选择材 料的强度和硬度。
05 金属的疲劳和腐蚀
金属的疲劳
疲劳定义
金属在循环应力作用下 ，经过一段时间后发生
提高金属塑性和韧性的方法
合金化
金属材料在高温高压条件下的变形与破裂行为
金属材料在高温高压条件下的变形与破裂行为金属材料在工程领域中被广泛应用。
但是，在高温高压的条件下，金属材料的力学性质会发生变化，影响到材料的应用效果。
因此，对于金属材料在高温高压条件下的变形与破裂行为的研究，对于加强材料的应用效果，提升材料的力学性能具有重要的意义。
1、高温下金属材料的塑性变形规律在高温下，金属材料的强度表现出下降趋势，而延展性则表现出增强趋势。
增强的延展性使得高温下金属材料的塑性变形规律发生了变化。
在高温下，金属材料的晶粒会在受到较小的应变之后就开始形变。
这个变形会导致晶格的畸变和晶粒边界的移动。
随着温度的升高，晶粒尺寸会减小，晶体内的应力会分布到晶界。
晶界会因为各向异性而出现剪切变形，进而出现局部滑移，从而导致材料整体的塑性变形。
2、高压下金属材料的力学性质在高压下，金属材料的体积变化会显著影响材料的力学性质。
高压下，材料中的空隙和缺陷会变小或者消失，使得材料的强度得以提升。
此外，高压会引起材料的相变，导致材料的晶体结构发生改变，进而影响材料的力学性质。
例如，高压下，某些晶体结构由立方结构变为六方结构，这会导致材料强度的下降和塑性变形的增强。
3、高温高压下金属材料的破裂行为在高温高压的条件下，金属材料的外在载荷和材料内部的应力状态都会发生变化，从而导致材料的破裂行为发生变化。
在高温下，金属材料的脆性趋势增加，因此容易发生热裂纹现象。
高压下，材料的脆性也会增加，从而容易发生晶体断裂和压缩破坏。
此外，在高温高压的条件下，金属材料还容易出现蠕变破坏、疲劳破坏和氢脆现象等。
4、金属材料的热处理对其在高温高压条件下的性能影响金属材料的热处理对其在高温高压条件下的性能影响较大。
常见的热处理方式包括退火、淬火、正火和调质等。
热处理可以改变金属材料的组织结构和化学成分，进而影响材料的力学性质。
例如，退火可以降低材料的硬度和强度，但是可以提高材料的韧性。
淬火可以提高材料的硬度和强度，但是会降低其韧性。
金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能
金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能金属材料是重要的现代工程材料，能够满足工程结构部件设计时对强度、刚度、塑性及耐久性等物理性能要求，是实现当今高速运转和高强度、高微细加工、复杂构件的基础。
本文旨在研究金属材料在载荷作用下，抵抗破坏的性能。
金属材料的破坏行为受到质量状态、材料形状、材料参数、载荷模式及环境条件等多方面因素的影响。
材料在载荷作用下，前期一般是受到屈服和塑性变形的影响，中期则是裂纹的发展形成，后期是破坏的表现。
首先是屈服，当材料处于载荷作用时，材料发生屈服现象，这表明材料弹性应力极限已达到，材料金属原子团簇的弹性应力不等于力的大小，因此材料的弹性部分发生屈服，损伤会出现局部塑性变形，其展现在极限应力状态下，材料形变实际上是平缓的，而不是急剧的，当应力达到屈服应力时，材料仍只垂直于应力轴变形，具有极高的弹性，发生屈服的应力就是材料的弹性极限，也就是所谓的“屈服点”，屈服点与材料的本质参数有关，如晶体结构、原子含量及原子式等。
其次是塑性变形，当材料处于载荷作用时，受应力的影响，变形会发生微小的塑性变形，材料的重构性能表现为晶体结构的应力失稳，节点位置发生改变，晶粒自成内应力，从而使晶粒内部产生滑移，在一定温度、应力和时间条件下，晶体结构及其基本组成开始发生微小的改变，变形即出现，从而达到抗破坏的目的。
最后是破坏，特定的材料，在特定的条件下，其应力极限也是有限的，当超出极限应力或应变时，材料就会发生断裂破坏，一般可分为压破、拉断、剪切和航断等形式，从而使材料无法抵抗外力，最终导致材料被破坏，或出现部件损坏。
综上所述，金属材料在受到载荷作用时，能够抵抗破坏，首先是材料受到屈服和塑性变形，然后是裂纹发展形成，最后是破坏的表现，其中受到的因素有：质量状态、材料形状、材料参数、载荷模式及环境条件等。
因此，在设计过程中，需要考虑到材料的不同性质及载荷状态，使材料能够在有效的破坏应力下得到有效抵抗破坏。
关于金属材料的变形机理研究
关于金属材料的变形机理研究金属材料可以说是现代工业和科技发展中不可或缺的材料之一，其在汽车、航空航天、轨道交通等领域都有广泛的应用。
金属材料的机械性能是其应用的重要性能指标之一，而材料的变形行为是影响机械性能的主要因素之一。
因此，对金属材料的变形机理研究有重要的理论意义和实际应用价值。
一、金属材料变形机理的基本概念金属材料的变形是指在受外力作用下改变其形状或大小的过程。
在金属材料中，一个力的作用会引起金属晶体内部的位移和形变，从而使整个材料发生变形。
晶体变形是外部力作用下金属材料内部原子的位置发生改变，进而引起原子间的相互关系发生变化，新的位错密度产生。
位错是晶体中的一种原子错位，是形成蠕变和屈服的主要原因。
位错密度越大，金属材料的力学性能越差。
材料的变形机理可以通过位错理论进行解释。
受外界力作用，位错随着晶体的滑移产生位移，使晶格的原子发生相对位移，从而引起晶体的塑性变形。
位错的产生、运动和相互作用是金属材料的变形行为的基础。
用位错密度来描述材料的变形状态，材料改变形状时位错会增加，而塑性变形产生后位错密度开始减小。
二、金属材料变形机理的影响因素金属材料变形机理的影响因素主要有以下几个方面：1. 温度：温度对材料的变形机制有很大的影响。
在高温下，材料可以经历更大的变形而不发生裂纹。
原因是高温下位错容易移动，从而降低材料的应力。
2. 应力：应力越大，位错密度越大，材料发生屈服的可能性就越大。
超过一定应力水平，材料就会出现塑性变形。
要注意的是，应变速率越快，材料越难发生变形。
3. 金属材料的化学成分：不同金属材料的化学成分会影响其力学性能和变形机制。
例如，材料中添加合适的合金元素能提高其强度和硬度，从而改善其抗变形性能。
4. 负载方向：在单轴受力的过程中，当应力轴与密排方向垂直时位错移动会受到阻碍，从而导致屈服点偏移和变形发生的应力增加，这被称为“差异应力”。
三、金属材料变形机理的研究方法为了深入研究金属材料的变形机理，可以采用多种手段进行实验和模拟。
金属材料的塑性变形与断裂机理
金属材料的塑性变形与断裂机理金属材料是广泛应用于工业和制造领域的重要材料之一。
塑性变形和断裂机理是金属材料力学行为的基本特征，对于理解金属材料的性能和改善其工程应用具有重要意义。
本文将从塑性变形和断裂机理两个方面进行论述，以帮助读者更好地理解金属材料的性质和行为。
一、塑性变形机理1.1 密排层错结构金属材料中晶体的构造对其塑性变形性能具有重要影响。
密排层错结构是金属材料中晶体排列的一种常见结构。
该结构可以使晶体在受力时发生滑移，从而引发材料的塑性变形。
滑移过程中，晶体内的原子相互滑动，使材料发生变形，从而增加其塑性。
1.2 双曲面交错结构双曲面交错结构是另一种常见的金属材料晶体排列方式。
在受力作用下，晶体发生双曲面滑移，从而引起材料的塑性变形。
该结构可以增加晶体滑移的方向，提高材料的塑性。
1.3 变形机制金属材料的塑性变形机制主要包括滑移、孪晶形成和机械孪生等。
滑移是晶体中原子相互滑动引起的变形机制，主要通过滑移面和滑移方向来确定滑移产生的位置。
孪晶形成是在某些条件下晶体内部形成镜像结构，从而产生变形。
机械孪生是晶体中发生变形所产生的一种特殊形态。
二、断裂机理2.1 断裂类型金属材料的断裂类型包括韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。
韧性断裂是材料发生延性断裂，即在承受一定载荷后，材料仍能继续变形；脆性断裂是材料在承受载荷后突然断裂，变形能力较差；疲劳断裂是材料在长时间重复加载的作用下产生的断裂现象。
2.2 断裂因素金属材料的断裂受到多种因素的影响，主要包括应力、环境和缺陷等。
应力是导致材料发生断裂的最主要因素，当应力超过材料的承受能力时，断裂就会发生。
环境因素如温度、湿度等也会对金属材料的断裂行为产生影响。
此外，材料内部的缺陷如裂纹、夹杂等也会加速材料的断裂。
2.3 断裂表征方法断裂行为的表征对于评估材料的性能具有重要意义。
常见的断裂表征方法包括断口形貌观察、断口分析和断裂韧性测试等。
通过观察断口形貌可以了解材料的断裂模式，进一步深入分析可以推测断裂的原因。
金属材料热处理过程变形及开裂问题分析
金属材料热处理过程变形及开裂问题分析摘要：金属材料在人们日常生产生活中具有重要作用，追溯金属材料处理工艺历史可知，一直在随着时代发展而变化。
尤其是近年来，我国社会飞速发展和建设，在社会经济影响下，促使各领域对金属材料的要求以及需求不断提高，这使得金属材料加工、处理以及应用更为广泛。
而热处理工艺技术的应用能够对金属材料进行深加工，有助于增强材料综合性能，可从目前热处理过程中看，由于多方面因素影响，导致出现变形、开裂情况，直接影响了金属材料热处理效果。
针对此，本文首先分析了热处理过程金属材料变形及开裂的影响因素，明确提出金属材料热处理技术基本原则，遵循科学、实用、可操作的基本原则，提出金属材料热处理变形及开裂问题的有效解决措施。
关键词：金属材料；热处理；变形开裂；影响因素；解决方法引言：从各个领域中金属材料的应用看，表现出较多优点，如较高的耐用性、价格适宜，同时，具备较强的可塑性强，正是因为这些优点使得金属材料被作为生产原料广泛应用于机械制造业、装备制造业。
而在金属材料加工处理环节，热处理工艺较为常见，通过热处理能够改变金属材料规格、性状，目的在于使金属材料能够符合生产所需的功能。
在热处理工艺实施过程中，如果方法不当，极有可能损伤金属材料，直接影响到加工零件、机械设备性能，影响企业利益。
所以，有必要深入分析金属材料热加工处理过程，科学合理的把控好各个热处理环节，防止出现金属材料变形、开裂问题。
一、热处理过程金属材料变形及开裂的影响因素（一）金属材料原始组织分析金属材料可知，其中包含了较多原始组织，比如合金元素纤维方向、碳化物性状等，这些原始组织都会在热处理过程中影响金属材料。
从目前金属制造行业实际情况看，将对应的化学元素加入到金属材料热处理过程中，意在提升金属材料中的原始组织规律性，进而更好控制金属材料在热处理过程中出现的形变、开裂等问题。
（二）冷处理过程从金属材料热处理过程看，冷处理工艺以及时效会直接影响金属材料本身。
金属构件常见失效形式
要方式有表面滑移带形成,第二相、夹杂物或其界面开裂,晶界 或亚晶界开裂及各类冶金缺陷,工艺缺陷等.
图3-29 滑移带中产生的 “挤入”及“挤出”示意
42
★疲劳裂纹的扩展 是一个包括滑移塑性形变与不稳定断裂 交替作用的复杂过程,通常有切向扩展和正向扩展两个阶段.
预防应力松弛失效的措施：
选用松弛稳定性好的材料；
对使用过程中的构件进行 一 次或多次再紧固.
图 3-6 金属的应力松弛曲线
§3.2 断 裂 失 效
12
§3.2 断裂失效
断裂 是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连
的两个或两个以上部分的现象.
断裂的危害：甚大,特别是脆性断裂.
断裂过程：裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及失稳扩展、 断裂.
境
荷
应力 大小
高应力疲劳 低应力疲劳
38
四 疲劳断裂
拉伸疲劳 拉压疲劳 弯曲疲劳 扭转疲劳 混合疲劳
1. 疲劳断裂的现象及特征
1) 载荷是交变负荷.
39
1 疲劳断裂特征
40
2) 疲劳断裂是在负荷多次循环后发生的<累进式>.
疲劳曲线
3) 疲劳断裂是劳裂纹萌生、扩展和瞬时断裂三个阶段.
几乎所有的解理断口上均有二次裂纹.
★ 河流条纹 河流流向是裂纹的扩展方向,上游是裂纹源.
33
★ 舌状花样 材料脆性大、温度低,临界
变形困难时, 晶体变形以形变孪 晶方式进行, 易形成解理舌状花 样.
图3-23 解理舌状花样形成示意图
★ 其它花样
34
图3-24 青鱼骨状花样 SEM 2000X
河流花样
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金属材料与热处理陈健
晶体的缺陷第二章金属材料的性能
⑴了解金属材料的失效形式，
⑵了解塑性变形的基本原理，
⑶提高对金属材料的性能的认识。
正确理解载荷，内力、应力的含义。
应力的应用意义。
⑴与变形相关的概念
⑵金属的变形
讲授、提问引导、图片展示、举例分析、
一，晶体的缺陷：
1点缺陷：间隙原子，空位原子，置代原子，在材料上表现为：使材料强度，硬度和电阻增加。
2线缺陷：刃位错（如图：P-6），在材料上表现为：使得金属材料的塑性变形更加容易。
3面缺陷：有晶界面缺陷和亚晶界面缺陷，表现为金属的塑性变形阻力增大，内部具有更高的强度和硬度。
因此晶界越多，金属材料的力学性能越好。
第二章金属材料的性能
导入新课：
我们经常见到一些机械零件因受力过大被破坏，而失去了工作能力。
大家能否举些身边的例子呢？
——如：弯曲的自行车辐条，断掉的锯条、滑牙的螺栓等。
机械零件常见的损坏形式有三种：
变形：如铁钉的弯曲。
断裂：如刀具的断崩。
磨损：如螺栓的滑扣。
本次课给大家介绍金属材料损坏的形式、变形概念与本质等等，首先我们来了解一些基本概念。
一、与变形相关的概念
㈠、载荷
1、概念
金属材料在加工及使用过程中所受的外力。
2、分类：根据载荷作用性质分，三种：
⑴、静载荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。
——如：桌上粉笔盒的受力，用双手拉住一根粉笔两端慢慢施力等。
⑵、冲击载荷：突然增加的载荷。
——如：用一只手捏住粉笔的一端，然后用手去弹击粉笔。
⑶、变交载荷：大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。
——如：通过在黑板上绘图分析自行车轮转动时辐条的受力。
根据载荷作用形式分，载荷又可以分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭曲载荷等。
拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷
剪切载荷扭曲载荷
㈡、内力
见车工工艺书
P32，
图2—20
车削一般轴类工件，尤其是较重的工件时，可将工件的一端用三爪卡盘或四爪单动卡盘夹紧，另一端用后顶尖支顶（见图1），这种装夹方法为一夹一顶装夹。
有两装夹方法如下：
①为防止进给力的作用使工件产生轴向位移，在主轴前
锥孔内装限位。
②利用工件的台阶进行限位。
4、两顶尖装夹
图2
这种装夹方法适用于较长的工件或必须经过多次装夹才能加工好的工件。
优点：装夹方便，不需找正，装夹精度高。
缺点：刚度低，影响切削用量的提高。
使用一夹一顶装夹和用两顶尖装夹工件时应注意事项：（1）轴线要一至。
（2）尾座套筒尽量缩短
（3）中心孔形状要正确，粗糙度小
（4）用死顶尖时要用黄油润滑。
（5）配合松紧合适。
见车工工艺书P33 （6）
图2——22
. .
二中心钻及顶尖
1、中心孔的形状和作用
A型圆锥孔和圆柱孔组成，锥角为60度
B型在A型上加一个120度护锥。
C型在B型上加一个螺孔。
R型A型相似，把圆锥面改成60度圆弧面。
中心孔折断的原因和预防：
①轴线与旋转中心不一致。
②工件端面不平。
③切削用量选用不合适
④中心钻磨钝
⑤没有充分浇注切削液或排屑不及时。
2、顶尖
常用的顶尖有死顶尖和活顶尖两种，如图3所示。
（固定顶尖）图3（回转顶尖）
①前顶尖工作时前顶尖随同工件一起旋转，与中心孔无相对运动，因此不产生摩擦。
②后顶尖有固定和回转两种，固定顶尖适用
低加工精度较高的工件。
回转顶尖能高速工作，但有积累误差。
.
车工工艺陈健
08数控（1），（2）
2
轴类工件的检测
1.掌握游标卡尺和千分尺的使用。
2.了解游标卡尺和千分尺的结构。
1.游标卡尺的读数方法。
2.分千尺的读数方法。
读数的三个步骤
游标卡尺和千分尺
习题集P17—19
1.游标卡尺和千分尺的检测要求。
2.游标卡尺上量爪和下量爪的应用。
3.读数主法。
讲授与示范
.
一长度单位
国家标准规定，在机械工程图样中所标注的线性尺寸一般以毫米（mm）为单位..
二游标卡尺
游标卡尺是车工最常用的中等精度的通用量具，其结构简单，使用方便。
游标卡尺可分为三用游标尺和双面游标卡尺。
1、游标卡尺的结构：
①由上量爪、下量爪、紧固螺钉、游标、尺身、深度尺、微调查装置、等组成的。
②使用范围：使用时，旋松紧固螺钉即可测量。
下量爪
测量外径和长度，上量爪测量孔径和槽宽，深度尺是测量工件的深度和台阶。
.
2、游标卡尺的读数方法
测量范围分为0 ～125；0 ～150；0 ～200；0 ～300等，以游标的“0”线为基准进行读数的。
分为三个步骤：
①首先读出尺身上游标“0”线左边的整数毫米值。
②用与尺身某刻线对齐的游标上的刻线格数乘以游
标的读数值。
③整数加小数既为被测表面的尺寸。
三千分尺
1、千分尺的结构：
它是由尺架、固定测砧、测微螺杆、测力装置和锁紧装置组成的。
2、千分尺的读数方法
.
千分尺的固定套管上刻基准线，在基准线的上下侧有两排刻线，上下两条相邻刻线的间距为每格0.5mm。
微分筒的外圆锥面上刻有50格刻度，微分筒每转动一格，测微螺杆移动0.01mm,所以千分尺的分度值为0.01mm。
千分尺的读数分为三个步骤：
①读出固定套筒上露出刻线的整数毫米数和半毫米
数。
②读出与固定套管基准线对准的微分筒上的格数，
并乘以分度值0.01mm.
③两项相加即为被测量表面的尺寸。