金属材料性能与塑性变形

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Lu—试样拉断后的标距长度(mm)
(2)断面收缩率 公式: Ψ % = (S0 - Su)/S0 ×100%
式中: S0—试样原始横截面面积(mm2)
Su—试样拉断后缩颈处的最小横截面面积(mm2)
规律:( δ % ;Ψ % )的数值越大,表示其塑性越好;
良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。 26
强化手段,可提高材料抗突然超载的能力。
意义:
1)是一种材料强化手段—形变强化;
2)有利于塑性变形均匀进行; 3)有利于金属构件的工作安全性。
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3.加工硬化的不利
1)影响材料力学性能
不利:使得再变形困难;
使得金属的切削加工,冲压加工带来困难。 解决办法: 在冷加工之间进行中间热处理——再结晶退火。 2)影响材料物理性能和化学性能 不利:电阻增加,导电、导磁性下降; 化学活性增大;耐腐蚀性下降。
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§4.金属多晶体的塑性变形
特点:
⑴ 单个晶粒与单晶体一致; ⑵ 各晶粒的变形具有不同时性:分批、逐次。
原因:取向不同。
⑶ 变形具有不均匀性: 晶粒内部与边界或晶粒之间。
晶界
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⑷ 多晶体变形抗(阻)力 > 单晶体
① 晶界阻碍位错运动;
② 位向差→晶粒之间须协调 └ 意义: 产生晶界强化
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§5. 塑性变形对金属组织和性能的影响
来计算硬度值。
根据试样大小、厚薄选择载荷:(F=0.098~9.8N) 适合测定极薄试样表面的硬度和表面硬化层的硬度高低。 2)表示方法: 例:640HV30 表示:实验力:30Kg;时间:10~15s 表面的硬度值:640HV
同样数值越大,表示硬度越高。
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四、冲击韧性
(瞬间动载荷)
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1)定义
(3)注意
内力和外力不同于作用力和反作用力。
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3.应力
(1)定义
单位面积上所受到的力。
(2)计算公式
σ= F/ S( MPa/mm2 )
式中: σ——应力;
F ——外力;
S ——横截面面积。
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二、金属的变形 金属在外力作用下的变形三阶段:
弹性变形 1.特点 弹性变形: 弹-塑性变形 断裂。
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体内部 缺陷—位错运动的结果,宏观表现为外形和尺寸变化。 13
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② 滑移特点
⑴ 发生在最密排晶面,滑移方向为最密排晶向;
⑵ 只在切应力下发生,存在临界分切应力—τk 。 ζ 弹 性 伸 长 ζ 弹 性 歪 扭 塑性变形 (滑移)
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ζ
ζ η
断裂
η
η
η
⑶ 滑移两部分相对移动的距离是原子间距的整数
倍,但滑移后滑移面两边的晶体位向仍保持一致;
③影响τk 的因素:
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性。 2)冲击试样尺寸和形状 尺寸:10mm × 10mm × 55mm 形状:U形 - 脆性材料
V形 - 韧性材料
3)表示方法 ak = AK /S0 (J· -2) cm 式中: Ak—冲断试样所消耗的冲击功(J)
3)均匀组织;
4)减少材料内部缺陷;
5)改善零件的结构形式;
6)减少零件的表面粗糙度,提高表面光洁度;
7)采取各种表面强化的方法(例:表面淬火,喷丸等)
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§3.金属单晶体的塑性变形 1.塑性变形方式:滑移;孪生 2.滑移及相关概念 ① 滑移: 晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分发生相 对的平行滑动,滑动的距离为原子间距的整数倍。这种变形 方式称为~。
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对于大多数没有明显的屈服现象的金属材料。 定义:条件屈服强度: ( σ0.2 ) 规定:产生0.2%残余伸长时的应力作为条件屈服强度。
指出:
是工程技术中最重要的机械性能指标之一; 是设计零件时作为选用金属材料的重要依据。
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3)抗拉强度
定义:指在外力作用下由产生大量塑性变形到断裂前所承受的
最大应力,故又称强度极限。
弹性变形阶段
缩颈阶段
屈服阶段
断裂。
强化阶段
断裂形式:
韧性断裂——纤维状断口 脆性断裂——冰糖块状断口 疲劳断裂——贝壳状断口
拉伸曲线图
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3.强度指标( σe ;σs ;σb)
1)弹性极限
定义:指在外力作用下由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。 或指完全卸载后不产生永久变形时所能承受的最大应力。
1、 塑性变形对组织结构影响 (1)晶粒变形:等轴状→拉长成纤维组织、带状组织 └ 性能各向异性 ( 2)亚结构的细化 铸态:d = cm;塑变后:d = cm 原因:位错受阻后塞积、缠结→亚晶界 → 晶粒分化为许多 位向略有差异的小晶块。 └ 变形中的晶粒碎化
a)变形
零件在外力作用下形状和尺寸所发生的变化。 (包括:弹性变形和塑性变形)
b)断裂
零件在外力作用下发生开裂或折断的现象。
c)磨损
因摩擦使得零件形状、尺寸和表面质量发生变化的现象。
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2.常见塑性变形形式
1)轧制 (板材、线材、棒材、型材、管材)
板材轧制
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2)挤压
(低碳钢、有色金属等型材)
5
3)拉拔
(碳钢、有色金属等线材、型材、管材)
线材拉拔
管材拉拔
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4)锻压 (碳钢、合金钢、特种钢坯料)
自由锻
模锻
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5)冷冲压
(低碳钢、合金钢板材)
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一、塑性变形的基本概念
1.载荷
(1)定义
金属材料在加工及使用过程中所受的外力。
(2)类型
根据载荷作用性质不同:
a)静载荷 b)动载荷 —没有变化; —瞬间变化;
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三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
1.冷塑性变形结果
外部:晶粒形状发生变化——沿着变形方向被压扁或拉长;
内部: 晶粒内部位错密度增加,晶格畸变加剧;
性能: 金属强度和硬度提高,塑性和韧性下降。 这种现象——称为“形变强化”或“加工硬化”。
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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
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3.滑移系及滑移系数的实际意义
(1)各晶体结构的滑移系
体心立方 (b.c.c) 面心立方 (f.c.c)
〔111〕 (110)
(111) 〔110〕
滑移面:{110} (110)、(011)、(101) (110)、(011)、(101) 滑移方向:〈111〉 滑移系数:6×2=12
滑移面:{111} (111)、(111)、(111)、(111)
公式:
பைடு நூலகம்b
式中:
Fb S0
MP a
Fb— 指试样被拉断前所承受的最大外力, 即拉伸曲线上b点所对应的外力(N)。
S0 — 试样原始横截面面积(mm2)
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二、塑性指标( δ%;Ψ %)
定义: 塑性—材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力。 (1)断后伸长率 公式: δ% = (Lu- L0)/L0 ×100% 式中: L0—试样原标距的长度(mm)
4)优、缺点
优点:操作简单、快速,可直接在表盘上读出硬度值,
适宜测定成品及较薄零件及硬度高的材料; 缺点:但由于压痕较小,硬度代表性差些,如果材料中有偏析 或组织不均匀的情况,测得的硬度值重复性较差, 一般要求在不同部位测试多次,并取平均值。
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3.维氏硬度(HV)
1)特点: 压头为金刚石的正四棱锥体,根据压痕单位面积上的载荷
三、硬度指标
1.定义: 硬度—金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。
它是材料性能的一个综合物理量。表示金属材料在一个小
的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。 2.实验方法 1)布氏硬度(HB);2)洛氏硬度(HR);3)维氏硬度(HV)
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1.布氏硬度(HB)
1)定义 使用一定直径的钢球(D=1.588mm),以规定实验力压入 试样表面,并保持规定时间(t =10~30s)后卸除实验力,然后测 量表面压痕直径(d),再查相应的表(压痕~硬度对照表)得到 测定的硬度值。 压痕直径(d)越小,数值越大,表示硬度越高。
解决办法:去应力退火 。
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§2.金属的力学性能 1.定义:
金属材料在承受外力(静、冲击、交变)作用下,没 有超过许可变形或不破坏的能力——称作金属的力学性能。
2.力学性能指标
主要包括: 强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度。
力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。
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一、强度 1)定义
金属在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。
采用金刚石压头直接测量压痕深度来表示材料的硬度值。
2)表示方法
h3 HR 100 0.002
例:45HRC
表示: 测得洛氏硬度值为45; 数值越大,表示硬度越高。
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3)常用洛氏硬度标尺及适用范围
标尺 HRA HRC 压头 金刚石(圆锥体) 金刚石(圆锥体) 总载荷/Kg 100 150 有效值 60~85 20~67 被测试材料 硬质合金、表面淬火钢 一般淬火钢
滑移方向:〈110〉
滑移系数: 4×3=12
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(2)滑移系数目的实际意义—判断塑性变形能力 滑移系数目愈多,塑性愈好; 滑移系数相同时,滑移方向多则表示塑性较好。 塑性变形的能力比较:f.c.c>b.c.c>h.c.p
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4.孪生 晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(孪生面) 产生一定角度的切变。
So—试样缺口处的横截面面积(cm2)
可知:ak值越大,表示材料的冲击韧性越好。
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五、疲劳强度(σ-1)
1.定义: 疲劳强度—当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不 致引起断裂的最大应力。
2.表示方法:
通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上进行σ-1的测定 。
循环基数(N):一般钢材: N= 107, 有色金属和某些超高强度钢: N=108。
⑴取决于金属本性,与外力无关,取向无关; ⑵ 组织敏感参数: 当金属不纯,变形速度愈大, 变形温度愈低,τk 愈大。 ④影响σs的因素: ⑴主要与τk 有关; ⑵与外力及取向有关。
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⑷ 伴随晶体的转动和旋转,滑移面转向与外力平行的方向,
滑移方向旋向最大的切应力方向;
P 滑移面
滑移前 P
力偶
滑移后
2)分类
根据载荷作用方式不同: a)抗拉强度——主要的常用强度指标; b)抗压强度; c)抗剪强度; d)抗扭强度; e)抗弯强度。
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1.拉伸试样
形状:根据国家标准(GB/T228——2002) 有:圆形、矩形、六方形。
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2.力-伸长曲线(F ~ΔL)
表示:拉力与伸长量之间的关系曲线。
拉伸过程:
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2)应用范围
主要用于:测定铸铁、有色金属及退火、正火、
调质处理后的各种软钢或硬度较低的
材料。
3)优、缺点
优点:压痕直径较大,能比较正确反映材料的平均
性能;适合对毛坯及半成品测定。
缺点:操作时间比较长,不适宜测定硬度高的材料; 压痕较大不适合对成品及薄壁零件的测定。
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2.洛氏硬度(HR)——生产上应用较广泛 1)定义
c)交变载荷—不断变化。
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根据载荷作用性质不同:
a)拉深载荷 --拉力
b)压缩载荷 —压力
c)弯曲载荷 --弯力
d)剪切载荷--剪切力
e)扭转载荷--扭转力
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2.内力
(1)定义
工件或材料在受到外部载荷作用时,为使其不 变形,在材料内部产生的一种与外力相对抗的力。 (2)大小
内力大小与外力相等。
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3.产生疲劳断裂破坏的原因
一般认为: 是由于材料内部有夹杂、表面划痕及其它能引 起应力集中的缺陷。 据统计:约有80%的机件失效为疲劳断裂破坏。 4.破坏的形式 通常在疲劳破坏前没有明显的变形,断裂前没有 预兆,所以疲劳破坏经常造成重大事故。
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5.改善方法:
1)合理选择材料;
2)细化晶粒;
3.影响因素 1)晶粒位向的影响 由于多晶体中各个晶粒的位向不同,在外力作用下, 将产生有利和不利的不均匀的变形,导致内应力 的产生。 2)晶界的作用 晶界阻碍位错运动,使金属的塑性变形阻力增大。
3)晶粒大小的影响
单位体积内金属晶粒越细小,晶界越多,金属越难 进行塑性变形,获得细晶强化。 是金属材料获得强韧化的重要手段。
公式:
Fe e S0
MP a
式中:
Fe —试样不出现任何明显塑性变形时所受的最大载荷, 即拉伸曲线中e点所对应的外力(N); S0 —试样原始横截面面积(mm2)。
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2)屈服强度
定义:--指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。
公式:
Fs s S0
MP a
式中:
Fs--试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷, 即拉伸曲线中S点所对应的外力(N); S0 --试样原始横截面面积(mm2)。
第二章 金属材料的塑性变形与性能
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材料的性能是零件设计中选材的依据,也是
技术工人在加工维修过程中合理选择材料以及加 工方法的重要依据。 材料的性能包括:
力学性能 (强度、塑性、硬度、冲击韧性和断裂韧性等) 工艺性能 (铸造、锻压、焊接、切削加工和热处理等)
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§1.金属材料的损坏与塑性变形
1.常见损坏形式
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