第二章 金属材料的塑性变形与性能

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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。
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 —没有变化； b）动载荷 —瞬间变化； c）交变载荷—不断变化。
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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。 公式：
b
Fb S0
MP a
式中： 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） 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。
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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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。 （3）注意 内力和外力不同于作用力和反作用力。
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。 解决办法：去应力退火 。
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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 强化手段，可提高材料抗突然超载的能力。
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。 公式：
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）
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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）。
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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。
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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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 弹-塑性变形 断裂。 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体内部 缺陷—位错运动的结果，宏观表现为外形和尺寸变化。