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。
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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。
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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。