05 金属材料热处理 第五章 金属及合金的塑性变形 教案
最新金属材料与热处理——铁碳合金05教学教案
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铁碳合金(第五课时)A:课题:铁碳合金相图B:课型:新授C:教学目的与要求:1、掌握铁碳合金相图,简化图各区域组织符号及名称。
2、掌握铁碳合金相图重要点线的含义,特别是共晶点,共析点及转变式。
3、熟悉掌握铁碳合金的分类。
D、教学重点及难点。
1、教学重点是简化相图各区域的组织符号及转变。
2、难点是共晶、共析转变成的写法及共晶、共析转变线。
E:教学过程:二、铁碳合金相图。
1、铁碳合金相图的组成。
见P41 图4-162、Fe——Fe3C相图中点、线的含义。
(1)点的含义:A点:纯铁的熔点,15380CD点:渗碳体的熔点,12270CC点:共晶点,11480C L C−←C−→11480(A+Fe3Ci) E点:C在γ-Fe中最大溶解度,C=2.11%G点:纯铁的同素异构转变点,9120C,α-Fe⇔γ-FeS点:共析点,As−←C−→7270P=(F+Fe3CⅠ)(2)线的含义:ACD线:液相线,在此线的上方所有的铁碳合金都为液体。
AECF线:固相线,在此线的下方所有的铁碳合金都为固体。
在ACD线与AECF线之间是结晶区,即过渡区。
GS线:从A中析出F的开始线,又称A3线ES线:C在A中溶解度曲线,亦称为Acm线。
ECF:共晶线,温度为11487270C。
PSK线:共析线,7270C ,A1线3、铁碳合金的分类(1)钢:0.0218%<C<2.11%的铁碳合金亚共析钢:0.0718%<C<0.77%共析钢:C=0.77%过共析钢:0.77%<C<2.11% (2)白口铸铁:2.11%≤C<6.69%亚共晶白口铸铁:2.11%≤C<4.3%共晶白口铸铁:C=4.3%过晶白口铸铁:4.3%<C<6.69%F:小结G:布置作业:复习。
第5章金属材料及热处理概论
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第5章金属材料及热处理概论 (3)热膨胀性。金属在温度升高时体积膨胀的现象称 为热膨胀性,用线膨胀系数α表示,其单位是1/℃或1/K, 即温度每升高1℃,其单位长度的膨胀量。α值越大,金属的 尺寸或体积随温度变化而变化的程度就越大。
第5章金属材料及热处理概论
2.金属材料的化学性能
金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温条件下
全性,因此必须同时考虑金属材料的冲击韧度。 目前,工程上一般用金属夏比冲击试验来测定金属材料 的冲击韧度值αk。 金属夏比冲击试验是先将被测的金属材料制成一定形状
和尺寸的试样(图5-1(a)为u形缺口冲击试样),将其安放在冲
击试验机上,把具有一定重量G的摆锤提到h1高度后,使摆锤 自由下落(见图5-1(b))。
第5章金属材料及热处理概论 3)塑性 塑性是指金属材料在外力作用下,产生永久变形而不致
破裂的能力。
许多零件或毛坯是通过塑性变形而成形的,要求材料有
较高的塑性,并且为防止零件工作时脆断,也要求材料有一
定的塑性。塑性也是金属材料的主要力学性能指标之一,常 用的塑性指标有断后伸长率δ 和断面收缩率ψ 。关于塑性
第5章金属材料及热处理概论 (2)收缩性。收缩性是指铸件在冷却凝固时,体积和线 性尺寸收缩的程度。收缩不利于金属铸造,它将使铸件产生
缩孔、缩松、变形等缺陷。
第五章-材料的形变和再结晶
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— 应变角;
扭转变形情况与剪切相似
静载:转矩T;
应变:转角
精选2021版课件
5
拉伸实验 Tensile Test
测试仪器
标准样品
Tensile Strength
(抗拉强度)
Fracture
(断裂)
Necking
(颈缩)
精选2021版课件
6
拉伸实验 Tensile Test
不同而不同。
滑移带观察:试样预先抛光(不腐蚀),进行塑性变形,表面
上出现一个个台阶,即滑移带。
精选2021版课件
35
单晶体滑移特点
• 滑移变形是不均匀的,常集中在一部分晶面上,而
处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移。
• 滑移带的发展过程,首先是出现细滑移线,后来才
发展成带,而且,滑移线的数目随应变程度的增大
循环韧性
若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限,则可
得到塑性滞后环。
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力,叫
循环韧性。 循环韧性又称为消振性。
循环韧性不好测量,常用振动振幅衰减的自然对数来
表示循环韧性的大小。
循环韧性的应用
减振材料(机床床身、缸体等);
乐器要求循环韧性小。
四、 黏弹性
弹性变形的特征
(1)可逆性:理想的弹性变形是加载时变形,卸载时变形
消失并恢复原状。
弹性变形量比较小,一般不超过0.5%~1%。
(2)在弹性变形范围内,其应力与应变之间保持线性函数
关系,即服从虎克(Hooke)定律:
式中,、分别为正应力和切应力;
、分别为正应变和切应变;
E,G分别为弹性模量和切变模量
金属材料与热处理教案
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金属材料与热处理教案第一章:金属材料的概述教学目标:1. 了解金属材料的定义和分类。
2. 掌握金属材料的性质和用途。
教学内容:1. 金属材料的定义:金属材料是指由金属元素或金属合金组成的材料。
2. 金属材料的分类:金属材料主要包括纯金属和合金两大类。
3. 金属材料的性质:金属材料具有优良的导电性、导热性和韧性等。
4. 金属材料的用途:金属材料广泛应用于建筑、机械、电子等领域。
教学活动:1. 引入金属材料的概念,引导学生思考金属材料的日常应用。
2. 介绍金属材料的分类,让学生了解不同类型的金属材料。
3. 通过实例讲解金属材料的性质,如导电性、导热性和韧性等。
4. 探讨金属材料的用途,让学生了解金属材料在各个领域的重要性。
第二章:金属的结晶与晶体结构教学目标:1. 了解金属的结晶过程和晶体结构。
2. 掌握金属的晶体类型和性质。
教学内容:1. 金属的结晶过程:金属从液态转变为固态的过程称为结晶。
2. 金属的晶体结构:金属晶体主要由金属原子通过金属键相互连接而成。
3. 金属的晶体类型:金属晶体主要分为面心立方晶格和体心立方晶格两种类型。
4. 金属的晶体性质:不同晶体结构的金属具有不同的性质,如硬度和延展性等。
教学活动:1. 引入金属的结晶过程,引导学生了解结晶的基本概念。
2. 介绍金属的晶体结构,让学生掌握金属原子的排列方式。
3. 通过示意图讲解金属的晶体类型,如面心立方晶格和体心立方晶格。
4. 探讨金属的晶体性质,让学生了解不同晶体结构对金属性质的影响。
第三章:金属的塑性变形与再结晶教学目标:1. 了解金属的塑性变形和再结晶过程。
2. 掌握金属的塑性变形方式和再结晶的条件。
教学内容:1. 金属的塑性变形:金属在外力作用下发生形状改变而不断裂的过程。
2. 金属的塑性变形方式:主要包括拉伸、压缩、弯曲和扭转等。
3. 再结晶:金属在加热和冷却过程中,晶体结构发生改变的现象。
4. 再结晶的条件:再结晶发生的温度、应变量和时间等因素。
金属材料及热处理教案
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根据载荷作用性质的不同分为:
(1)静载荷:指大小不变或变化过程极其缓慢的载荷
(2)冲击载荷:指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷
(3)交变载荷:指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷
根据载荷作用形式的不同分为:
拉、压、弯曲、剪切以及扭转等
(注:使用不同类型的试样(V型缺口或U型缺口)进行试验时,冲击韧度分别标记为akv或aku)
2、小能量多次冲击
实践表明:承受冲击载荷的机械零件,大多数情况下是因小能量多次冲击而遭到破坏的,所以对材料进行小能量多次冲击试验是很重要的。一次冲击韧度高的材料,小能量多次冲击抗力不一定高,反之也一样。金属材料受大能量冲击载荷作用时,其冲击抗力主要取决于冲击韧度ak的大小,而在小能量多次冲击条件下,其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。
教学难点
如何明确学习这门课的目的和内容
教学用具
利用教室中的各种金属物体
教学方法
阅读教学法、归纳法、举例分析法
教学过程设计
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
一、组织教学
二、导入新课
三、新课教学
绪论是本课程的第一节课,也是学好本课程的动员课。因此,讲好本节课对学生以后的学习好本课程具有非常重要的意义。让学生明确学习本课程的目的,了解本课程的性质、任务及内容范围,并了解我国在金属材料及热处理方面的发展概况及所取的成就,以提高学生的学习兴趣。
200至200学年第学期
_____________________课程
教
案
课程编码:______________________________________
金属及合金的塑性变形
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应力-应变曲线分析
弹性阶段
在应力作用下,金属首先发生 弹性变形,应力与应变成正比
关系,遵循胡克定律。
屈服阶段
当应力达到金属的屈服强度时, 金属开始发生塑性变形,应力-应 变曲线出现屈服平台或屈服点。
强化阶段
随着应变的增加,金属的加工 硬化效应逐渐显现,应力随之 上升,呈现强化现象。
断裂阶段
当应力达到金属的抗拉强度时 ,金属发生断裂。
03
形
多晶体结构特点及影响因素
结构特点
多晶体由许多取向不同的小晶体(晶粒)组成,晶粒之间存在晶界。
影响因素
晶粒大小、晶界结构、第二相粒子、温度、应变速率等。
晶界在塑性变形中作用
要点一
阻碍位错运动
晶界是位错运动的障碍,使位错在晶界处塞积,引起应力 集中。
要点二
协调变形
晶界能协调不同晶粒之间的变形,使多晶体能够保持连续 性变形。
新型塑性变形机制的探索
随着新材料和新技术的不断涌现,未来可能会出现新的塑性变形机制。探索这些新型塑性变形机 制将有助于拓展金属及合金的应用领域并提升其性能。
THANKS.
加工硬化现象及机制
加工硬化现象
金属在塑性变形过程中,随着变形量的增加,其强度和硬度逐渐提高,而塑性 和韧性逐渐降低的现象。
机制
加工硬化的机制主要包括位错增殖、晶粒细化和相变等。其中,位错增殖是金 属塑性变形过程中加工硬化的主要原因,位错密度增加导致金属强化。
金属单晶体的塑性变
02
形
单晶体滑移与孪生过程
金属及合金的塑性变形
目录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属单晶体的塑性变形 • 金属多晶体的塑性变形 • 合金的塑性变形行为及特点 • 塑性变形对金属及合金性能影响 • 总结与展望
金属材料与热处理教案
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金属材料的损坏和塑性变形一、教学目标专业能力:了解金属材料的失效形式,塑性变形的基本原理,提高对金属材料的性能的认识。
社会能力:培养学生探索知识的能力,分析问题和解决问题的能力,并培养学生之间的配合互助,动手能力,以及团队精神。
方法能力:通过举例分析,让学生能触类旁通,达到灵活运用知识。
二,分析教材《金属材料与热处理》:全国中等职业技术学校机械类通用教材,中国劳动社会保障局出版社出版。
《金属材料的损坏与塑性变形》是理解金属材料性能的基础,内容抽象,理论性强。
学生对内力、应力的理解存在一定的难度,教师在教学过程中,可以例举生活实例旁通讲解,便于学生理解掌握。
通过多媒体课件,以及各种实验的演示,以及让学生动手实操,一可以活跃课堂气氛,二可以提高学生的学习兴趣,三可以提高学生的感观认识,并培养学生的观察问题、分析问题和解决问题的能力。
三、分析教学对象四、教学重点与难点教学重点:正确理解内力、应力的含义。
教学难点:应力的应用意义。
五、教学方法讲授、提问引导、图片展示、举例分析、实验/课件演示、任务驱动、小组竞赛六、教学课时2个课时八、学内容与过程来用学生便于理【新课讲授】§2-1 金属材料的损坏与塑性变形一、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,载荷分三种: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(通过自己的动手,清楚分清载荷的分类)剪切载荷扭曲载荷㈡、内力1、概念材料受外力作用时,为保持其不变形,在材料内部产生的与外力相对抗的力。
《金属材料及热处理》-5.铁碳合金相图
![《金属材料及热处理》-5.铁碳合金相图](https://img.taocdn.com/s3/m/8f7b37baf121dd36a32d8260.png)
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者:陈儒军
Material Science
二元合金相图的建立方法
• 配制一组不同成分的合金。 • 用热分析法测定各组合金的冷却曲线。 • 找出各冷却曲线上的相变点。 • 建温度—成分坐标。 • 找成分点、画成分线。 • 标相变点。 • 将相同意义的点用一条光滑的曲线连接起来。 • 在每个分区标上相或组织名称。
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者:陈儒军
Material Science
根据以下资料建立PbSn合金的二元合金相图
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者:陈儒军
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者:陈儒军
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者:陈儒军
2、二元合金相图的基本类型
Material Science
(1)包晶相图
包晶转变 一定成分的液相和一定成分的固相在恒温下转变成为另一固
相。 以Pt-Ag相图为例: LC +αD à βP
(2)匀晶相图
匀晶转变 由液相直接析出单相固溶体的过程。(Làα)
(典型:Cu-Ni相图)
(3)共晶相图
(2)共晶相图
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者:陈儒军
(a)共晶合金
Material Science
此时所发生的反应均为共晶反应,共晶反应生成共晶体。 即:Le→(αm +βn)
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者:陈儒军
金属塑性变形
![金属塑性变形](https://img.taocdn.com/s3/m/94bff4c76137ee06eff918b4.png)
(2) 弥散型两相合金的塑性变形 A、不可变形微粒的强化作用:位错绕过机制
Gb
第二相微粒间距越小,强化效果越好。 B、可变形微粒的强化作用:位错切过机制
• 需要错排能 • 需要反相畴界能 • 需要表面能 • 弹性应力场与位错作用,阻碍其运动 • 位错能量、线张力变化
8、塑性变形对金属组织和性能的影响
0 k 0
2 真应力-真应变曲线
真实应力:瞬时载荷与瞬时 截面积之比。S=P/F 真应变e:de=dl/l 总应变: l dl e de l ln(1 ) l
0
流变曲线: S ke n: 加工硬化指数,n越大, 强化效果越大。
n
3、单晶体的塑性变形
金属塑性变形的方式主要有:滑移和孪生
§6 金属塑性变形
塑性是金属材料的重要特性; 金属材料通过冶炼、铸造,获得铸锭后,可通 过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和 力学性能的型材、板材、管材或线材,以及零 件毛坯或零件。 塑性加工包括锻压、轧制、 挤压、拉拔、冲压 等方法。
金属在承受塑性加工时, 产生塑性变形, 宏观上改变了材料的形状和尺寸;
通过位错的移动实现滑移时: 1、只有位错线附近的少数原子移动; 2、原子移动的距离小于一个原子间距; 所以通过位错实现滑移时,需要的力较小; 金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的,而滑移又是 通过位错的移动实现的。所以,只要阻碍位错的移动就 可以阻碍滑移的进行,从而提高了塑性变形的抗力,使 强度提高。金属材料常用的五种强化手段(固溶强化、 加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化)都是通过 这种机理实现的。
滑移变形的特点: 滑移变形只能在切应力作用下才会发生,不同金属产生滑移的最小切应力(称滑 移临界切应力)大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。 滑移变形是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿 滑移面作整体的相对滑移,而是通过位错的运动来实现的。 由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量,因此晶体发生的总变形 量一定是这个方向上的原子间距整数倍。
第五章金属的塑性和变形抗力
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第五章 金属的塑性和变形抗力从金属成形工艺的角度出发,我们总希望变形的金属或合金具有高的塑性和低的变形抗力。
随着生产的发展,出现了许多低塑性、高强度的新材料,需要采取相应的新工艺进行加工。
因此研究金属的塑性和变形抗力,是一个十分重要的问题。
本章的目的在于阐明金属塑性和变形抗力的概念,讨论各种因素对它们的影响。
§5.1 塑性、塑性指标、塑性图和变形抗力的概念所谓塑性,是指固体材料在外力作用下发生永久变形而又不破坏其完整性的能力。
人们常常容易把金属的塑性和硬度看作成反比的关系,即认为凡是硬度高的金属其塑性就差。
当然,有些金属是这样的,但并非都是如此,例如下列金属的情况: Fe HB =80 ψ=80%Ni HB =60 ψ=60%Mg HB =8 ψ=3%Sb HB =30 ψ=0%可见Fe 、Ni 不但硬度高,塑性也很好;而Mg 、Sb 虽然硬度低,但塑性也很差。
塑性是和硬度无关的一种性能。
同样,人们也常把塑性和材料的变形抗力对立起来,认为变形抗力高塑性就低,变形抗力低塑性就高,这也是和事实不符合的。
例如奥氏体不锈钢在室温下可以经受很大的变形而不破坏,既这种钢具有很高的塑性,但是使它变形却需要很大的压力,即同时它有很高的变形抗力。
可见,塑性和变形抗力是两个独立的指标。
为了衡量金属塑性的高低,需要一种数量上的指标来表示,称塑性指标。
塑性指标是以金属材料开始破坏时的塑性变形量来表示。
常用的塑性指标是拉伸试验时的延伸率δ和断面缩小率ψ,δ和ψ由下式确定: %100l l l 00k ×−=δ (5.1) %100F F F 0K 0×−=ψ (5.2) 式中l 0、F 0——试样的原始标距长度和原始横截面积;l K 、F K ——试样断裂后标距长度和试样断裂处最小横截面积。
实际上,这两个指标只能表示材料在单向拉伸条件下的塑性变形能力。
金属的塑性指标除了用拉伸试验之外,还可以用镦粗试验、扭转试验等来测定。
第五章 材料的变形
![第五章 材料的变形](https://img.taocdn.com/s3/m/5c0b1def05087632311212d8.png)
三、塑性变形对材料组织性能的影响 显微组织的变化 晶粒拉长,纤维状组织 形变织构 在金属塑性变形时,随着变形程度的增加,各个晶粒从原来 互不相同的取向逐渐向主变形方向转动。当变形量很大时,各个 晶粒在空间取向上将呈现出一定程度的一致性,这一现象称为晶 粒的择优取向,形变金属中的这种组织状态称为形变织构。
第二节 金属及合金的回复与再结晶
金属经冷塑性变形后,组织和性能都发生了明显变化。金属晶体 中缺陷密度增大,自由焓升高,并且变形金属中储存能的存在, 使得金属处于一种热力学亚稳定状态,其组织和结构具有恢复到 稳定状态的倾向。在常温下,由于原子的活力很小,原子的扩散 速度很慢,这种变化很小。如果温度升高,使金属原子获得足够 的活力,则冷变形金属就会由亚稳状态向稳态转变,并发生一系 列组织和性能的变化。这种转变可分为三个过程,即回复、再结 晶和晶粒长大。
公式:
τ0 =σscosλcosφ
晶体在滑移时的转动 晶体的塑性变形是由于滑移面沿着滑移方向运动产生的,在滑 移的同时,晶体也会发生转变,从而使晶体的空间取向发生了变化。 如果晶体受拉伸产生滑移时,如果两端不受限制,在滑移过程中, 为使滑移面和滑移方向保持不变,晶体轴线就会发生偏移。但是, 拉伸时,在夹头的作用下,晶体轴线不能自由偏斜,这就迫使滑移 面发生转动,使位向发生了改变。
金属热加工后的组织 • 纤维组织(热加工流线) 在热加工过程中,钢锭中的粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸 长,这样就使铸锭中枝晶间富集的杂质和非金属夹杂的走向逐渐与变形 方向一致,使它们变成条带状、线状(脆性夹杂变成链状)或片层状, 在宏观试样上沿着变形方向呈现一条一条的细线,这就是热加工钢中的 流线,由一条条流线勾画出来的热加工钢中的这种组织就是纤维组织。 纤维组织的出现将使钢的机械性能呈现各向异性,在沿着纤维伸展 的方向上具有较高的机械性能,而在垂直于纤维伸展的方向性能则较差。 在制定工件的加工工艺时,必须合理的控制流线的分布情况,尽量使纤 维与应力方向一致。
金属及合金的塑性变形与断裂PPT课件
![金属及合金的塑性变形与断裂PPT课件](https://img.taocdn.com/s3/m/a0731a892dc58bd63186bceb19e8b8f67c1cef37.png)
03
02
延性断裂的断口呈纤维状,色泽灰暗,表面 有明显的塑性变形。
04Biblioteka 脆性断裂:材料在断裂前几乎没有塑性变 形,断裂突然发生。
脆性断裂的断口呈结晶状,色泽光亮,没 有明显的塑性变形。
05
06
脆性断裂多发生在脆性材料中,如玻璃、 陶瓷等。
疲劳断裂与环境断裂
疲劳断裂:材料在循环载荷作用下发 生的断裂现象。
THANKS.
塑性变形机制
滑移
金属晶体在切应力作用下,晶体的一 部分相对于另一部分沿一定的晶面和 一定的晶向相对移动的现象。
孪生
金属晶体在切应力作用下,沿一定的 晶面和一定的晶向发生切变的现象。
晶界滑移
在多晶体金属中,晶界在切应力作用 下发生相对移动的现象。
晶界滑移与位错交互作用
晶界滑移与位错运动之间的相互作用, 影响金属的塑性变形行为。
金属及合金的塑性变形与断裂 涉及到材料科学、物理学、力 学等多个学科领域,开展跨学 科研究有助于深入理解其内在 机制,推动相关领域的发展。
通过实验与计算模拟相结合的 方法,可以更全面地揭示金属 及合金的塑性变形与断裂行为 ,为实际应用提供更准确的指 导。
将智能化与自动化技术应用于 金属及合金的塑性变形与断裂 研究中,可以提高研究效率, 降低实验成本,为实际生产提 供有力支持。
屈服准则
描述材料开始进入塑性变形的应力条件 。例如,Tresca和Von Mises屈服准则。
VS
应力-应变关系
描述金属或合金在塑性变形过程中应力与 应变之间的关系,通常呈现非线性特征。
加工硬化与软化现象
加工硬化
随着塑性变形的增加,金属或合金的强度和 硬度提高,但延展性和韧性下降的现象。
金属及合金的塑性变形
![金属及合金的塑性变形](https://img.taocdn.com/s3/m/db19117aae45b307e87101f69e3143323968f59c.png)
亚结构形成 金属经大量的塑性变形后,由于位错密度的增大和位错间的交互作用,使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区,并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块,即亚晶粒。
孪生与滑移变形比较
孪生:均匀切变。滑移:塑性变形是不均勺的。 孪生:各晶面移动量与其离孪晶面距离成正比,相邻晶团相对移动距离通常只是原子间距的几分之一。滑移:变形时,滑移距离则是原于间距的整倍数。 孪生:晶体变形部分的位向发生变化,并且孪晶面与未变形部分对称。滑移时,晶体位向并不发生变化。 孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型。 孪生临界分切应力值大,因此,只在很难滑移的条件下,晶体才发生孪生。 滑移系少的密排六方金属,常以孪生方式变形。
σ—ε形式与材料塑性有关
有机玻璃:硬而脆 纤维增强热固塑料: 尼龙:硬而韧 聚四氟乙烯:软而韧
退火低碳钢 正火中碳钢 高碳钢
三 弹性模量与刚度
σ=E·ε;τ=G·γ;----弹性模量
意义:
拉伸曲线上,斜率;
弹性变形难易;
组织不敏感:取决于原子间结合力
材料种类;晶格常数;原子间距
刚度
构件刚度:A·E ——弹性变形难易
φ =45°时: 取向因子获最大值1/2 取向因子大——软取向 φ 或λ=90°时: 取向因子为0 , τ=0, 取向因子小——硬取向
cosλ· cos φ=cos(90°-φ)· cos φ
与τK对应的σ即为σs σs的影响因素: 与τk有关; 与外力取向有关: σs= τK/(cosλ· cos φ)
第二相塑性优于基体,则:↑δ而↓σ; 硬脆相: 分布合理,则 → 阻碍位错 → ↑σ 不合理 ,则→ 不能塑变 → 应力集中 → 开裂 →↓δ、ak甚至σ
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金属及合金的塑性变形与断裂
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晶粒。
工业纯铁在塑性变形前后的组织变化
(a) 正火态
(b) 变形40%
(c) 变形80%
5%冷变形纯铝中的位错网
塑性变形对金属组织的影响
晶粒拉长,纤维组织 → 各向异性 (沿纤维方向的强度、塑性最大)
变形10% 100×
变形80% 纤维组织
100×
变形40% 100×
工业纯铁 不同变形度 的显微组织
2.位错的增殖
位错增值模型.swf 螺位错双交滑移增殖模型.swf
3.位错的交割与塞积
位错在障碍物前的塞积
位错:AB 、CD (固定不动)
mn⊥b2
位错
当两条位错线交割时,每条位错线上都可能出 现长度相当于另一条位错线b的割阶,这就增加
了位错长度,是位错能量升高,是变形所需的
总能量升高; 另外,当割阶垂直于滑移面时, 此割阶有阻止位错运动的作用,会使晶体进一 步滑移的抗力增加,这是加工硬化的主要原因。
量和分布有关。第二相
可以是纯金属、固溶体
或化合物,工业合金中
第二相多数是化合物。
+钛合金(固溶体第二相)
当在晶内呈颗粒状弥散分布时,第二相颗粒越细, 分布越均匀,合金的强度、硬度越高,塑性、韧性 略有下降,这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。 弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变,因而 阻碍了位错的运动,提高了变形抗力。
固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错 的运动。即溶质原子与位错弹性交互作用的结果,如下图所示,使 溶质原子趋于聚集在位错的周围,以减小畸变,使系统更加稳定, 此即称为柯氏(cotrell)气团。显然,柯氏气团对位错有“钉扎”作用。 为了使位错挣脱气团而运动,必须施加更大的外力。因此,固溶体 合金的塑性变形抗力要高于纯金属。
第5章_金属及合金的形变(5-6-7)
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第五章金属及合金的形变(第五、六、七节)第五章金属及合金的形变U第一节应力与应变U第二节弹性形变U第三节范性形变的表象U第四节单晶体的滑移ª第五节孪生及扭折ª第六节多晶体的范性形变ª第七节范性形变后金属的结构、组织和性能第五节孪生及扭折滑移是形变的主要形式,孪生及扭折也是形变的不同形式。
一、孪生孪生━晶体受力后,以产生孪晶的方式而进行的切变过程,称为孪生。
孪晶━以共格界面相联结,晶体学取向成镜面对称关系的这样一对晶体(或晶粒)的合称。
孪生前后晶体的形变晶体受到切应力后,沿着一定的晶面(孪生面) 和一定的晶向(孪生方向) 在一个区域内发生连续的顺序的切变。
滑移≠孪生滑移时晶体两部分相对滑移面的(整体) 切变量是原子间距的整数倍。
孪生时各晶面相对于孪生面的切变量与该晶面和孪生面的距离成正比,是原子间距的分数值。
第五节孪生及扭折孪生也是通过位错运动来实现的。
产生孪生的位错的柏氏矢量必须小于一个原子间距━部分位错。
每层原子都有一个不相等的部分位错。
逐层横扫、形成孪晶。
孪生比滑移困难:n晶体学条件必须满足孪生后取向关系,只能沿确定的晶面和晶向进行切变;o孪生所需切应力往往比滑移大许多倍。
孪生核心大多产生于晶体内的局部高应力、高应变区,即在滑移已进行到相当程度、并受到严重阻碍的区域。
对于一些滑移系较多,而孪生与滑移的临界分切应力又相差很大的晶体来说,要使晶体不发生滑移而进行孪生,是相当困难的。
Z HCP金属(Mg、Zn) 是最常见出现孪晶的。
六方晶系的滑移系很少,滑移困难,容易出现孪晶。
FCC 金属很少进行孪生,只有很少金属(Cu、Ag)在极低温度下滑移很困难时才发生孪生。
BCC 金属(αFe)在室温时,只有在冲击载荷下,才进行孪生。
第五节孪生及扭折二、扭折扭折是在滑移受阻、孪生也不利的条件下,晶体所作的不均匀局部塑性变形来适应外力的作用,是位错汇集引起协调性的形变。
和孪生不同,扭折区晶体的取向发生了不对称的变化,扭折带大多是由折曲(ABCD)和弯曲(左右两侧)两部分组成。
金属学与讲义热处理第五章课件
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3.2 再结晶形核
再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试 用经典的形核理论来处理再结晶过程,但计算 得到的临界晶核半径过大,与试验结果不符。
大量实验表明,再结晶晶核总是在塑性变形引 起的最大畸变处形成,并且回复阶段发生的多 边形化是再结晶形核的必要准备。
3.2.1 亚晶粒长大形核机制
2.3 回复应用
去应力退火
降低应力 (保持加工硬化效果)
防止工件变形、开 裂,提高耐蚀性。
第三节 再结晶
3.1 再结晶的基本过程
冷变形后的金属加热到一定温度(一般大于0.4Tm) 或保温足够时间后,在原来的变形组织中产生了 无畸变的新晶粒;
新生成的晶粒逐渐全部取代塑性变形过的晶粒, 位错密度显著降低,性能发生显著变化并恢复到 冷变形前的水平,这个过程称为再结晶。
1.4 内应力变化
回 复 阶段: 大部分或全部消除第一类内应力, 部分消除第二、三类内应力;
再结晶阶段: 内应力可完全消除。
第二节 回 复
所谓回复,即在加热温度较低时,仅因金属 中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些 晶内的变化。回复阶段一般加热温度在0.4Tm 以下。
2.1 回复机制
低温阶段 —点缺陷的迁移和减少, 表现为:
3.4 Байду номын сангаас响再结晶的因素
工艺因素
① 加热温度愈高,再结晶速度愈快; ② 变形量大,弹性畸变能大,再结晶速度也快。
变形量过小,形变储能不能满足形核的基本要求时,再结 晶就不能发生。
发生再结晶需要一定的变形量,称为临界变形量δC,大多 金属材料的临界变形量在2—10%之间。
第四节 晶粒长大
再结晶刚完成时,得到的是 等轴细晶粒组织。继续提高 退火温度或延长保温时间, 就会发生晶粒相互吞并而长 大的现象,晶粒长大包括均 匀长大的正常长大过程和反 常的长大过程。
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第五章 金属及合金的塑性变形一、教学目的1 阐明金属塑性变形的主要特点及本质;2 指出塑性变形对金属组织和性能的影响;3 揭示加工硬化的本质与意义。
二、 教学内容(1)拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标;(2)塑性变形的宏观变形规律与微观机制;(3)加工硬化的本质及实际意义;(4)塑性变形对金属与合金组织、性能的影响:(5)金属材料的强化机制。
三、 重点与难点重点:(1)塑性变形的宏观变形规律与微观机制(2)晶体缺陷对塑性变形的影响;(3)金属塑性变形后的组织与性能;(4)加工硬化的本质及实际意义,残余应力;难点:(1)塑性变形的位错机制(2)形变织构与纤维组织的差别§5-1 金属的变形特性一、应力-应变曲线拉伸曲线:表示金属在拉伸时伸长量与外力的关系曲线。
应力-应变曲线:为了对不同长短、粗细的试样进行比较,将拉伸曲线中的纵、横坐标分别改为应力(σ=P/A0)和应变(ε=(l-l0)/l0),即为应力-应变曲线。
由于拉伸时,横截面积每时每刻都在改变,而计算应力是一直用原始横截面积A 0,故所得应力不是真实应力,因此也称为名义应力-应变曲线。
二、真应力-应变曲线当拉伸一个l 0长的均匀圆柱体时,其真应变εT 应按每一瞬时的长度(l 1,l 2,l 3,…)计算:022*******ln )(0l l l dl l l l l l l l l l l l T ==+−+−+=∑∫−L ε (1)该式表明,采用真应变时,总应变与逐步递增的应变之和相等,但按工程应变计算时,两者并不相等。
例如:两试样一次拉伸l 0→l 2或分两次拉伸l 0→l 1→l 2,若按真应变计算,存在:021201ln ln ln l l l l l l =+ 若按工程应变计算,则:002112001l l l l l l l l l −≠−+− 在拉伸试样出现颈缩之前,真应变εT 与工程应变ε之间有以下关系:1,10000+=−=−=εεl l l l l l l 则Q )1ln(ln 0+==∴εεl l T (2)此外,真应力σT 的计算定义为:A P T =σ (3)同样,计算真应力时,由于有:A 0l 0=A l =常数,故:)1(0000+====εσσl l A P A A A P A P T (4)二、弹性变形与弹性模量在应力-应变曲线的起始弹性变形阶段,应力与应变呈线性关系,且具有可逆性,即遵循虎克定律。
在拉伸条件下,弹性范围内的真应力与真应变关系为σT =C εT ,其中比例常数C 为拉伸曲线的起始斜率,称为弹性模量,它反映材料抵抗弹性变形的能力。
由于工程应力-应变曲线与真应力-应变曲线在弹性区基本一致,故习惯上用σ=E ε表示,而切变条件下,该关系为:τ=G γ。
其中,E 和G 分别为正弹性模量和切变弹性模量,两者关系为:)1(2ν+=E G (5)式中,ν为泊松比,表示单轴拉伸时横向缩短与纵向伸长的比值,一般金属多在0.30~0.35之间。
当晶体发生弹性变形时,外力所做的功W 相当于应力-应变曲线的弹性直线段下所包围的面积,它几乎完全以弹性应变能的方式存储在晶体的内部。
在单向拉伸条件下,单位体积的弹性应变能W/V 为:22121εσεE V W == (6)而切变条件,则为:22121γτγG V W == (7)弹性模量的大小主要取决于原子间的结合力,而与材料内部组织结构无关,即属于结构不敏感的性能。
§5-2 单晶体的塑性变形晶体只有在切应力作用下才发生塑性变形。
一、滑移1、滑移带与滑移线滑移:晶体一部分沿一定晶面和一定晶向与另一部分产生相对滑动。
单晶体表面变形是所显示的滑移条纹,称为滑移带,而滑移带又是由一簇相互平行的滑移线组成。
2、滑移系晶体的一个滑移面与该面上的一个滑移方向,组成一个滑移系。
滑移面是晶体中原子排列最紧密的面,而滑移方向是原子排列最紧密的方向。
一般情况下,滑移系越多,金属的塑性越好。
3、滑移的临界分切应力如图:A 为晶体横截面积,φ为滑移面与横截面夹角,λ为外力F 与滑移方向的夹角。
于是,外力在该滑移面沿滑移方向的分切应力τ可写成:λφφλτcos cos cos A F A F == 式中,cos φcos λ称为取向因子或施密特因子。
若滑移方向位于外力与滑移面法向所组成的平面上(φ+λ=90o ),则分切应力的最大值相当于φ=45o ,称为软取向,反之,若取向因子小,则称为硬取向。
4、单晶体滑移时的转动单晶体滑移时,往往伴随晶体的转动。
转动机理如下图所示:5、多系滑移滑移在多组滑移系中同时进行或交替进行。
6、滑移的位错机制(1)位错运动与晶体滑移利用刚性滑移计算出的金属的屈服强度值与实测值有较大的差异,说明金属的滑移不是刚性滑移,而是利用金属中的位错进行的。
(2)位错的增殖在晶体滑移过程中,存在着位错不断增殖的现象,典型的如弗兰克-瑞德位错源。
(3)位错的交割与塞积不同滑移面上运动着的位错相遇时,发生互相交割并形成割阶,这一方面增加位错线长度,另一方面可能形成一种位错难以运动的固定割阶,成为后续位错运动的阻碍。
在切应力作用下,弗兰克-瑞德位错源产生的大量位错沿滑移面的运动过程中,若遇到障碍物(固定位错、杂质粒子、晶界等),领先位错在障碍前被阻止,后续位错被堵塞起来,形成位错塞积。
二、孪生孪生是冷塑性变形的另一种重要形式,常作为滑移不易进行时的补充。
一些密排六方的金属如Cd, Zn,Mg等常发生孪生变形。
体心立方及面心立方结构的金属在形变温度很低.形变速率极快时,也会通过孪生方式进行塑变。
孪生是发生在晶体内部的均匀切变过程,总是沿晶体的一定晶面(孪晶面),沿一定方向(孪生方向)发生,变形后晶体的变形部分与未变形部分以孪晶面为分界面构成了镜面对称的位向关系.金相显微镜下一般呈带状,有时为透镜状。
孪生:晶体一部分相对于另一部分在切应力作用下沿特定晶面与晶向产生一定角度的均匀切变。
孪生与滑移有如下差别:(1)孪生使一部分晶体发生了均匀切变,而滑移只集中在一些滑移面上进行。
(2)孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变,滑移后晶体各部分位向均未改变。
(3)孪生变形时,孪晶带中每层原子沿孪生方向的位移量都是原子间距的分数值,而滑移为原子间距的整数倍。
(4)孪生变形所需的切应力比滑移变形大得多,故孪生变形大多发生在滑移比较困难的情况下,如密排六方金属、体心立方金属在低温下的变形或受冲击时。
孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多。
§5-3 多晶体的塑性变形一、多晶体的塑性变形过程实际使用的材料通常是由多晶体组成的。
室温下,多晶体中每个晶粒变形的基本方式与单晶体相同,但由于相邻晶粒之间取向不同,以及晶界的存在,因而多晶体的变形既需克服晶界的阻碍,又要求各晶粒的变形相互协调与配合,故多晶体的塑性变形较为复杂。
多晶体塑性变形还存在不均匀性,如图所示:二、晶粒取向的影响多晶体由不同取向的晶粒组成,塑性变形时,有的晶粒处于软取向,有的处于硬取向,故滑移时,晶粒之间会相互制约、相互影响。
三、晶粒大小的影响1、常温下晶界的强化作用霍尔-佩奇公式:210−+=kd s σσ 晶界强化是金属材料的一种极为重要的强化方法,细化晶粒不但可以提高材料的强度,同时还可以改善材料的塑性和韧性。
2、高温下晶界的弱化作用§5-4 合金的塑性变形一、单相固溶体的塑性变形和纯金属相比最大的区别在于单相固溶体合金中存在溶质原子。
溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在固溶强化作用,提高了塑性变形的阻力。
溶质原子的存在及其固溶度的增加,使基体金属的变形抗力随之提高。
不同溶质原子所引起的固溶强化效果存在很大差别。
(1)溶质原子的原子数分数越高,强化作用也越大,特别是当原子数分数很低时的强化效应更为显著。
(2)溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大,强化作用也越大。
(3)间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。
(4)溶质原子与基体金属的价电子数相差越大,固溶强化作用越显著。
二、多相合金的塑性变形由于第二相的数量、尺寸、形状和分布不同,它与基体相的结合状况不一、以及第二相的形变特征与基体相的差异,使得多相合金的塑性变形更加复杂。
根据第二相粒子的尺寸大小可将合金分成两大类:一类是第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级,两相变形性能也相近;另一类是由变形性能好的固溶体基体和在它上面分布的硬脆的第二相组成。
(一)合金中两相性能相近当组成合金的两相含量相差不大,晶粒尺寸属同一数量级,且都为塑性相时,则合金的变形能力取决于两相的体积分数。
φβαασϕσϕσ+= (二)合金中两相性能相差较大1、硬而脆的第二相呈连续网状分布在塑性相的晶界上这种情况最恶劣,会使合金塑性与韧性急剧下降。
生产上可以通过热加工和热处理相互配合来破坏或消除网状分布。
2、脆性第二相呈片状或层状分布在塑性基体上如钢中珠光体组织,此时,材料性能与两相片层间距有关,也可用霍尔-佩奇公式描述:210−+=s k s i s σσ 3、脆性相在塑性相中呈颗粒状分布当脆性相在塑性相中呈颗粒状分布时,会使强度降低,而塑性和韧性得到显著改善;若第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时,则会产生显著的强化作用。
第二相粒子的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来的。
这又分两种情况:(1)位错绕过第二相粒子(2)位错切过第二相粒子§5-5 塑性变形对金属组织和性能的影响一、塑性变形对组织结构的影响(一)、显微组织的变化经塑性变形后,金属材料的显微组织发生明显的改变。
除了每个晶粒内部出现大量的滑移带或孪晶带外,随着变形度的增加,原来的等轴晶粒将逐渐沿其变形方向伸长。
当变形量很大时,晶粒变得模糊不清,晶粒已难以分辨而呈现出一片如纤维状的条纹,称为纤维组织。
纤维的分布方向即是材料流变伸展的方向。
(二)、亚结构的变化金属晶体在塑性变形的过程中由于应力的作用而使位错不断增殖,同时晶粒的碎化也将产生大量位错。
因此,随变形度的增大,晶体中位错密度迅速提高。
一般金属经剧烈冷变形后,其位错密度可由变形前的106~107/cm2(退火态)增至1011~1012/cm2。
金属经一定量的塑性变形后,晶粒中的位错线通过运动与交互作用,开始呈现纷乱的不均匀分布,形成位错缠结;进一步增加变形度时,大量位错发生聚集,并由缠结的位错组成胞状亚结构,即高密度的缠结位错主要集中于胞的周围,构成了胞壁,而胞内的位错密度很低。
随变形度增加,变形胞数量增多、尺寸减小。
(三)变形织构在冷变形时,不同位向的晶粒随着变形程度的增加,在先后进行滑移过程中其滑移系逐渐趋于受力方向转动。
而当变形达到一定程度后,各晶粒的取向基本一致,该过程称为择优取向,而变形金属产生择优取向的结构,称为变形织构。