2.1金属材料的损坏与塑性变形

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金属材料的塑性变形

§3．2 金属的形变强化
3.2.1 形变强化现象金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生
很大的变化，最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高，其塑性却随之有较大的降低，这种现象称为形变强化，也称为加工硬化或冷作硬化。
加工硬化（形变强化 —— 强化材料的手段之一）
金属在冷变形时，强度、硬度↑ ，塑性、韧性↓。
3.2.2 塑性变形后金属的组织结构变化
⑴晶粒碎化，亚结构增多。
⑵晶粒拉长，出现纤维状组织。
塑性变形会使多晶体金属的晶粒、晶界形状、晶界上杂质元素的分布都出现沿变形方向的延伸。如果塑性变形量很大，晶界会变得模糊不清，只剩下沿变形方向的一条条纤维状条纹。这种组织称为纤维状组织。多晶体金属塑性变形时各个晶粒的取向还会发生一定的变化，即处于软位向的晶粒会边变形边向硬位向转动。所以当塑性变形量很大时还会使各个晶粒的取向基本一致而产生织构，并造成各向异性。
金属材料的塑性变形
实际上，单晶体的滑移变形除了晶体内两部分彼此以刚性的整体相对滑移外，晶体内部的各种缺陷（尤其是位错）的运动更容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体表面时，晶体就产生了塑性变形。
2．孪生
晶体变形的另一种方式是孪生。孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分对应于一定的晶面（孪晶面）沿一定方向进行的相对移动。原子移动的距离与原子离开孪晶面的距离成正比，每个相邻原子间的位移只有一个原子间距的几分之一，但许多层晶面累积起来的位移便可形成比原子间距大许多的变形。
3.3.1 回复
加工硬化后的金属，在加热到一定温度后，原子获得热能，使原子得以恢复正常排列，消除了晶格扭曲，可使加工硬化得到部分消除。这一过程称为回复。

金材-第二章

二、锻压性能
用锻压成形方法得优良锻件的难易程度。常用塑性变形抗力塑性和变形抗力塑性变形抗力两个指标来综合衡量。
三、焊接性能
金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。对碳钢和低合金钢而言，焊接性能主要与其化学成分化学成分有关（其中碳的影响最大）。
金属的塑性变形，在外形变化的同时，晶粒的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压扁或拉长。
塑性变形后的金属组织
§2－2 金属的力学性能
一、强度二、塑性三、硬度四、冲击韧性 *五、疲劳强度
任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能力学性能。力学性能
FeL ReL = S0
ReL ——试样的下屈服强度，N/mm2； FeL ——试样屈服时的最小载荷，N； S0 ——试样原始横截面面积，mm2。
规定产生0.2%残余伸长时的应力为条件屈服强度 p0.2，条件屈服强度R 条件屈服强度替代ReL，称为条件（名义）屈服强度条件（条件名义）屈服强度。
载荷的作用形式
2．内力
内力——工件或材料在受到外部载荷作用时，为保持内力其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为。
3．应力 3
应力——假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分应力布，单位横截面积上的内力。
F R= S
R：应力，Pa； F：外力，N； S：横截面面积，m2。
二、金属的变形
2．热处理性能
淬透性淬硬性过热敏感性变形开裂倾向回火脆性倾向氧化脱碳倾向

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。

第二章金属材料的性能-《金属材料与热处理》中职通用第七版

(2)洛氏硬度的表示方法符号HR前面的数字表示硬度值，后面的字母表示不
同洛氏硬度标尺。 (3)洛氏硬度试验法的优缺点
洛氏硬度试验操作简单、迅速，可直接从表盘上读出硬度值;压痕直径很小，可以测量成品及较薄工件;测试的硬度值范围较大，可测从很软到很硬的金属材料，所以在生产中广为应用，其中HRC的应用尤为广泛。但由于压痕小，当材料组织不均匀时，测量值的代表性差，一般需在不同的部位测试几次，取读数的平均值代表材料的硬度。
§2-5 力学性能试验
的情况下，采用横截面单位面积上的内力应力来加以判定。材料受拉伸或压缩载荷作用时，其应力按下式计算:
二、金属的变形
1. 晶粒位向的影响多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，当处
于有利于滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。同时，多晶体各晶粒在塑性变形时受到周围位向不同的晶粒与晶界的影响，使多晶体的塑性变形呈逐步扩展和不均匀的形式，产生内应力。 2. 晶界的作用
现将本节介绍的常用的力学性能指标及其含义总结于表。
§2-3 金属材料的物理性能与化学性能
一、物理性能
1.密度密度是指在一定温度下单位体积物质的质量。
2.熔点熔点是材料从固态转变为液态的温度，金属等晶体材料
一般具有固定的熔点，而高分子材料等非晶体材料一般没有固定的熔点。 3.导电性
传导电流的能力称为导电性，用电阻率来衡量。 4.导热性
金属材料的一般加工过程
一、铸造性能
铸造性能是铸造成形过程中获得外形准确、内部无明显缺陷铸件的能力。
铸造成形过程
1. 流动性熔融金属的流动力称为流动性。
2. 收缩性铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过程中，体积

吉林大学工程材料第2章金属的塑性变形和再结晶

实质——晶界迁移过程
1、晶粒正常长大：再结晶后的晶粒均匀、稳速地长大的现象。发生在
再结晶晶粒细小且均匀时。（希望的长大方式）
2、晶粒异常长大：
再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。在再结晶粒大小不均时，大晶粒吞并小晶粒，将得到异常粗大的晶粒，也称“二次再结晶”。
d晶↑ 晶界面积↓ 能量↓∴晶粒长大是自发的过程。因为粗晶是弱化，所以要避免晶粒长大，特别要
方向 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(%) ψ(%) αk(KJ/M2)
平行 701 垂直 659
460
17．5 62．8
608
431
10．0 31．0
294
34
四、热加工的不足
在实际生产中，热加工与冷加工相比也有不足处
（1）热加工需要加热，不如冷加工简单易行。（2）热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易于控制。
目的：1. 消除加工硬化使、σ、HB↓ δ%、 %、ak↑ 2. 消除内应力，但保留加工硬化，使理化性能↑
对于冷加工后的金属，由于10%的变形能储存在金属中，在加热时，随着温度的升高，原子活动能力提高，在变形能的作用下，就要发生组织和性能的变化，其主要包括三个阶段：回复、再结晶及晶粒长大。
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底面对角线
1 面×3 方向=3
7
4、滑移机理
临界切应力（c）：能够发生滑移的最小切应
力叫做为)。当切应力（）满足 c时滑移才能发生。
铜的滑移临界切应力：理论计算 1500 Mpa 实际测试 1 MPa
滑移是由于滑移面上的位错运动造成的。
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位错运动造成滑移示意图
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二、多晶体金属的塑性变形
700℃

2-1 金属冷态下的塑性变形

金属的晶体结构和组织
塑性成形的金属材料绝大部分是多晶体，其变形过程较单晶体的复杂得多，这主要是与多晶体的结构特点有关。多晶体：由许多大小、形状和位向都不同的晶粒组成，晶粒之间存在晶界。变形的不均匀性和各晶粒变形的相互协调性是其变形的主要特点。
单晶体与多晶体
金属塑性成形原理
大角晶界
亚晶界
小角晶界
滑移系越多材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显！滑移面对温度具有敏感性,高温下可能出现新的滑移系,塑性增加.
金属塑性成形原理
滑移是金属的一部分相对于另一部分沿滑移面和滑移方向的剪切变形，需要一定的驱动力来克服滑移运动的阻力，这个驱动力即是外力在滑移面、滑移方向作用的切应力分量。当此分切应力的数值达到一定大小时，晶体在这个滑移系统上进行滑移。临界切应力：能引起滑移的这个切应力分量，以τk表示。
最容易发生交滑移的是体心立方金属，因其可以在{110}{112}{123}晶面上滑移，而滑移方向总是[111]
单滑移
多滑移
交滑移
2．孪生
孪生变形：在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程。
发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子分布形成对称。
cos cos
取向因子
软取向：=0.5或接近于0.5的取向（==45）硬取向：=0或接近于0的取向（ φ=90,λ=0或φ=0,λ=90 ）
注：单晶体的临界切应力，跟取向无关，不随取向因子的变化而变化
金属塑性成形原理
练习题：P56 第2题设有一简单立方结构的双晶体，该金属的滑移系是{100}<100>，在应力作用下，哪个晶体首先滑移？为什么？

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。

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塑性变形的应用
• 锻压：对金属坯料（不含板材）施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件、工具或毛坯的成形加工方法。
塑性变形的应用
• 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。
菏泽高级技工学校
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§2-1金属材料的损坏与塑性变形
机械零件的损坏: 在生产中，机器零件的性能往往达不到理想要求，许多零件在使用过程中会发生损坏，不但严重影响生产，甚至造成人身事故。
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想一想：
• 机械零件在使用中常见的损坏形式有哪几种呢？
编辑版3Biblioteka 1.常见损坏形式 a）变形
零件在外力作用下形状和尺寸所发生
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想一想：
• 既然塑性变形这么多有害的方面，那他们有没有可以利用或者有用的方面呢？
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塑性变形的应用
• 轧制：将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产型材、板材、管材。有热轧和冷轧两种。
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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小结
• 1.机械零件常见的损坏形式：变形、断裂、磨损
• 2.三种载荷：静载荷、冲击载荷、交变载荷 • 3.应力
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作业
• 课后练习题第1、2小题P44
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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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弹性变形与塑性变形
变形分为弹性变形与塑性变形。 • 弹性变形是指外力消除后能够恢复的变形。
如弹簧的工作压缩、桌面支撑物品的变形等。 • 塑性变形是指外力消除后无法恢复的永久性变形。造成零件损坏的变形，通常是指塑性变形。如钢筋的弯折、零件的冲压等。
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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加工硬化的概念：冷塑性变形除了使晶粒的外形发生变化外，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变形量的增加，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为“形变强化”或“加工硬化”。
轧制
塑性变形的应用
• 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。
挤压及其应用
塑性变形的应用
• 冷拔：用外力作用于被拉金属的前端，将金属坯料从小于坯料断面的模孔中拉出，使其断面减小而长度增加的方法。冷拔的产品较之于热成型有：尺寸精度高和表面光洁度好的优点。
塑性变形也有有利的一面。
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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。
分根静载荷：如吊车悬吊重物。
类据
作
用冲击载荷：列车通过桥梁。
性
质交变载荷：火编车辑版车轮。
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分根
拉伸载荷
类据作
压缩载荷
用
形弯曲载荷
断裂：破坏，不能再恢复。
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• 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。
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3.影响因素
1）晶粒位向的影响
式不剪切载荷
同
扭转载荷
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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。
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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 ）
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。
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三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
式中：R (σ)——应力；Pa,1Pa=1N/m2,
1MPa=1N/mm2=106Pa
F ——外力,N;
S ——横截面面编辑积版 ,m2或mm2。
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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。
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。
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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。
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：