(整理)金属材料损坏与变形
第8章 金属高温下的变形与断裂
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典型的蠕变曲线
金属蠕变过程用蠕变曲线来描述。 金属蠕变过程用蠕变曲线来描述。典型的蠕变曲线如图。 （1）Oa线段：是试样在t 温度下承受恒定拉应力σ时所产 线段： 线段 生的起始伸长率δq。 若应力超过金属在该温度下的屈服强度，则δq包括弹性伸长 弹性伸长 塑性伸长率两部分。 率和塑性伸长率 塑性伸长率 此应变还不算蠕变 应变还不算蠕变，而是由外载荷引起的一般变形过程。 应变还不算蠕变
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(二)扩散蠕变
(二)扩散蠕变 扩散蠕变： 扩散蠕变：是在较高温度(约比温度(T／Tm)远超过0.5)下的 ( 一种蠕变变形机理。 它是在高温下大量原子和空位定向移动造成的 高温下大量原子和空位定向移动造成的。 高温下大量原子和空位定向移动造成的 在不受外力情况下，原子和空位的移动无方向性，因而宏观 上不显示塑性变形。 但当受拉应力σ作用时，在多晶体内产生不均匀的应力场 产生不均匀的应力场。 产生不均匀的应力场
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刃位错攀移克服障碍的几种模型： 刃位错攀移克服障碍的几种模型： 可见，塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移 面上运动（a），或与异号位错相遇而对消（b），或形成亚 晶界（c），或被晶界所吸收（d）。
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当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时，位错源便可能 再次开动而放出一个位错，从而形成动态回复过程 动态回复过程。 动态回复过程 这一过程不断进行，蠕变得以不断发展。
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本章介绍内容： 本章介绍内容： 阐述金属材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象 蠕变现象。 蠕变现象 讨论蠕变变形和断裂的机理 蠕变变形和断裂的机理。 蠕变变形和断裂的机理 介绍高温力学性能指标及影响因素。 为正确选用高温金属材料和合理制定其热处理工艺提供基础 知识。
(整理)第6章金属及合金的塑性变形
第6章 金属及合金的塑性变形6-1 金属的变形特性金属在外力作用下的变形行为可用拉伸曲线来描述。
设拉力为P ，试样伸长量为dl ，则应力σ和应变ε分别为：A P σ=； ldl ε= 式中，A 为试样的截面积。
在拉伸过程中，A 和l 是变化的，在工程上，为了简化问题，A 常用A 0来代替，ε也用平均值表示ε=(l －l 0)/l 0，这样测得的σ-ε曲线称工程σ-ε曲线。
一、工程σ-ε曲线P161图1是低碳钢拉伸时的工程σ-ε曲线。
当应力低于σs 时，没有残留变形，大于σs 时，开始发生塑性变形。
所以，σs 是发生塑性变形的最小应力，称屈服强度。
屈服强度也是弹性极限σe （弹性变形的最大应力）。
在弹性变形阶段，当应力小于σp 时，σ-ε呈线性，服从虎克定律： εE σ=式中，E 是直线的斜率，称材料的弹性模量。
开始偏离直线的应力σp 称比例极限。
当应力超过σs 时，开始发生塑性变形。
随着塑性变形的增加，应力增大，这种现象称加工硬化。
当应力达到最大值σb 时，开始下降，直到断裂。
最大值σb 称材料的抗拉强度。
超过此值，试样发生局部颈缩，即发生了不均匀塑性变形。
所以，σb 是材料发生均匀塑性变形的最大应力。
注意，应力超过σb 后下降，并不是加工硬化失效。
在结构材料中，我们关心的力学指标是σs 和σb ，它们和硬度一起称做强度指标。
在实际应用中，σs 值是无法测量的，通常用发生0.2%塑性变形时对应的应力值来表示屈服强度，称条件屈服强度。
通常我们所说的材料的力学性能，除了上述强度指标外，还有两个塑性指标，延伸率、断面收缩率。
延伸率是指发生断裂时，试样的伸长率：%10000⨯-=l l l δσσ断面收缩率是指发生断裂时，试样截面积的变化率：%10000⨯-=A A A ψ 二、真应力-真应变曲线（T T εσ-曲线） 工程应力与真实应力之间的不同是容易发现的。
下面看看工程应变与真实应变的不同。
拉伸一个试样，使其伸长一倍，则工程应变1/)2(000=-=l l l ε；若是压缩，要获得同样数值的负应变，理应压缩到原长度的一半。
浅析金属材料热处理过程变形及开裂问题
172管理及其他M anagement and other浅析金属材料热处理过程变形及开裂问题张均红（武汉市汉阳区武汉船舶职业技术学院，湖北 武汉 430050）摘 要：社会经济的迅速发展为机械设备制造行业的发展注入了充足的动力，随着各个行业对金属材料需求量的不断增加，相关企业必须加大金属材料的生产，才能从根本上满足我国工业化发展的需求。
热处理技术作为当前金属材料深加工过程中最常用的改变金属材料结构特点与使用性能的技术，该技术的应用虽然有助于金属材料稳定性能的增强。
但是由于金属材料在热处理的过程中经常出现变形或者开裂的问题，导致金属元件的性能、强度以及硬度等都受到了不同程度的影响。
因此，操作人员必须准确的把握金属材料热处理工艺的温度，才能在提升金属材料整体质量的前提下，降低金属材料的变形量。
文章主要是就金属材料热处理过程中的变形与开裂问题进行了分析与探讨。
关键词：金属材料；热处理；变形；开裂中图分类号：TG156 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2020）17-0172-2收稿日期：2020-09作者简介：张均红，男，生于1973年，汉族，湖北红安人，本科，工程师，研究方向：金属材料与热处理。
金属材料热处理实际上采用特定工艺对金属材料进行加热，保温或者冷却，改变固态金属的形态，然后在机械或化学的作用下，优化和改善金属材料内部结构与性能，从而达到提高金属产品制造质量的目的[1]。
1 金属材料热处理工艺的优点为了达到提升金属材料性能的目的，工作人员必须通过对金属材料进行热处理加工的方式，在多种方式的淬炼下，降低金属材料中可能出现的网状碳化物等杂质，然后通过对金属材料颗粒的细化，消除金属材料的内应力，促进金属材料强度与韧性的全面提升，才能发挥出金属材料在工业生产中应用的效果。
通过对金属材料进行热处理，帮助金属材料塑形，然后在热应力与重力势能的双重作业下，破坏原子结构，从而达到降低金属材料塑型难度的目的。
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。
金属材料的微观结构与变形行为
金属材料的微观结构与变形行为金属材料是日常生活中广泛使用的一种材料，它具有很高的强度、韧性和导电性能。
它们可以用来制造各种家具、建筑结构、机械和电子设备等。
金属材料的应用如此广泛，是因为它们具有非常特殊的微观结构，可以通过加工过程进行调整以达到设计要求。
一. 微观结构金属材料的微观结构由晶粒、晶界和位错组成。
晶粒是金属材料中的基本单元，它是由原子结构规则堆积而成的。
晶界是相邻的晶粒之间的边界，它们的原子结构不同，存在一些缺陷和杂质元素。
位错是晶体结构中的一种缺陷，是由于反向或错位而引起的局部应变。
有时，通过控制位错，可以在金属材料中引入更多的弹性和塑性，从而使它们更适合特定的应用环境。
二. 变形行为金属材料的变形行为是由微观结构的性质和应变率决定的。
当金属材料向外施加力时，所有的原子和分子会受到刺激，从而引起局部的位移。
随着原子的移动，由于晶格的协调，势能会逐渐降低，因此，位错会在晶体中引起一些局部塑性变形。
在材料的应变率较低时，金属材料的晶粒可以通过变形和位错扩散轻松地将形变向周围传导。
但是，当应变率达到某个临界值时，晶粒的自由运动会受到限制，晶粒的形变将变得更加困难。
此时，应变率增加会导致晶粒的形变之间发生着重大的互动，最终导致金属材料的局部破坏。
三. 塑性加工金属材料的微观结构和变形行为对于塑性加工非常重要。
塑性加工是一种将金属材料变形并制造成物体的过程。
在塑性加工过程中，金属材料的微观结构会发生改变，从而影响材料的性质。
在这个过程中，位错并被引入到金属材料之中，这是为了增加金属材料的弹性和塑性。
在塑性加工过程中，金属材料中的晶粒会逐渐变形。
在一定程度上，这种变形可以增加金属材料的强度和塑性。
但是，如果变形过度，位错过多，金属材料可能会发生塑性流动失控，失去原有的完整性。
小结：金属材料的微观结构和变形行为是控制其性能和应用的关键。
晶粒、晶界和位错是金属材料的基本结构单元，控制这些结构单元的变化可以用于改善材料的性能。
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。
金属材料的高温材料损伤与失效
金属材料的高温材料损伤与失效随着工业化的不断发展，许多重要的机械和设备需要在高温环境下使用。
比如，高温炉、蒸汽炉、发电厂、汽车引擎等都需要长期在高温环境下运行。
这种高温环境下运行的设备对材料的性能和寿命提出了很高的要求。
因此，我们必须深入了解金属材料在高温环境下的损伤与失效机理，以便调整材料结构和制造工艺，提高材料的使用性能和寿命。
首先，高温材料的损伤形式大致分为两类：塑性变形和蠕变变形。
塑性变形发生在较低的温度下，通常在簇晶粒界或晶粒内部发生。
这种塑性变形通常以非晶化、晶粒生长等方式发生，并且会导致材料的硬度下降、强度下降和塑性下降。
而蠕变变形则是发生于较高温度下，在高温下金属结晶体内原子的扩散会越来越明显，会导致材料分子之间的交互作用加强，从而会发生持续性的变形和滞后变形，最终导致材料失效。
其次，高温环境下金属材料失效的主要原因是氧化和热蠕变。
氧化是指热金属材料在高温环境下与氧气接触，发生氧化反应，形成金属氧化物层，并且在此过程中释放出热量。
金属氧化物层通常是一种薄膜，它能够抵御进一步的氧化和化学侵蚀。
但是，如果氧化速率很快，或者氧化层中存在缺陷，那么氧化将会加速，并可能导致材料失效。
热蠕变则是指在高温下，金属材料会不断变形，导致材料最终失效。
这种变形通常既包括塑性变形，又包括蠕变变形。
为了避免高温环境下金属材料的失效，我们可以采用多种方法。
一种方法是改变材料的结构，使其在高温环境下能够更好地抵御氧化和热蠕变的影响。
例如，增加合金元素的含量、增加晶粒的尺寸、制造金属纳米复合材料等方法，都可以使金属材料在高温环境下具有更好的耐蚀性和耐热性。
另一种方法是改变材料的制备工艺，使其在高温环境下的性能更加优异。
例如，通过控制热处理和热变形的过程，可以产生定向的织构和晶粒边界，从而增强材料的抗变形和蠕变变形的性能。
除此之外，我们也可以运用先进的材料测试技术来研究高温材料的损伤与失效机理。
例如，电子显微镜、原子力显微镜、X光衍射、红外热成像等技术，都可以用来观察材料内部的微观变化，以便更好地理解其损伤和失效的原因。
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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，
精品文档
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
见车工工艺书
P32，
图2—20
精品文档
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
精品文档
（6）
见车工工艺书P33
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
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。