金属和陶瓷力学性能PPT课件.ppt
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1、关于金属和陶瓷的力学性能第一张,PPT共六十四页,创作于2022年6月8.1金属中的应力和应变金属中的应力和应变l机械零件在工作中要承受外力或负载的作用,例如用铝合金制成机械零件在工作中要承受外力或负载的作用,例如用铝合金制成的飞机机翼,用陶瓷制成的航天飞机防护瓦等。这些零件在工作中的飞机机翼,用陶瓷制成的航天飞机防护瓦等。这些零件在工作中引起的任何变形都不能超过允许量,更不应发生断裂。引起的任何变形都不能超过允许量,更不应发生断裂。力学性能反力学性能反映了材料对外力作用的响应,重要的力学性能有强度、硬度,延性和韧映了材料对外力作用的响应,重要的力学性能有强度、硬度,延性和韧性等性等。l力学性
2、能可以通过专门设计的试验设备来测定力学性能可以通过专门设计的试验设备来测定,试验时要考虑到外,试验时要考虑到外力的性质和持续时间,以及环境条件等。力的性质和持续时间,以及环境条件等。负荷可以是拉仲、压缩或切变性质的。其大小可以不随时间变化负荷可以是拉仲、压缩或切变性质的。其大小可以不随时间变化;也可以也可以由零以一定的速率增加,直到断裂由零以一定的速率增加,直到断裂;还可以局期地变化。负荷作用的时间还可以局期地变化。负荷作用的时间可以只有几分之一秒,也可以延续数年之久。试验温度也是一个重要因素。可以只有几分之一秒,也可以延续数年之久。试验温度也是一个重要因素。第二张,PPT共六十四页,创作于2
3、022年6月v1、轴向拉伸时的应力与应变:、轴向拉伸时的应力与应变:v2、应力与应变之间的关系、应力与应变之间的关系(在弹性(在弹性范围内)范围内)图图8.1金属棒在单轴拉伸外力金属棒在单轴拉伸外力F作用下的伸长作用下的伸长应力应力:8.1金属中的应力和应变金属中的应力和应变单位单位:兆帕兆帕(MPa)应变应变:第三张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v3、剪切变形时的应力与、剪切变形时的应力与应变:应变:v4、应力与应变之间的关系、应力与应变之间的关系(在弹性范围内)(在弹性范围内)对于纯弹性切变,切应力与对于纯弹性切变,切应力与切应变的关系为:切应变的关系为:8.1金属中的应力和应变
4、金属中的应力和应变第四张,PPT共六十四页,创作于2022年6月8.2拉伸试验和应力拉伸试验和应力-应变图应变图v拉伸试验可用来测定金属材料的力学性能。在拉伸试验中,试拉伸试验可用来测定金属材料的力学性能。在拉伸试验中,试样在比较短的时间内,以恒定的速率受到拉伸直至断裂。样在比较短的时间内,以恒定的速率受到拉伸直至断裂。v直径为直径为10mm的圆试样的圆试样,长度长度50mmv负荷负荷-伸长曲线可以转换为伸长曲线可以转换为应力应力-应变曲线应变曲线,又称又称应力应力-应变应变图图第五张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v拉伸试验可获得的拉伸试验可获得的力学性能指标:力学性能指标:v1、弹
5、性模量:、弹性模量:v2、规定非比例伸长、规定非比例伸长应力:应力:v是金属材料有明显是金属材料有明显塑性变形时的强度塑性变形时的强度v3、抗拉强度:、抗拉强度:v4、断后伸长率:、断后伸长率:v5、截面收缩率:、截面收缩率:第六张,PPT共六十四页,创作于2022年6月8.3金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形l单晶体的塑性变形的基本方式有两种:单晶体的塑性变形的基本方式有两种:滑移、孪生滑移、孪生。l金属金属常以滑移方式常以滑移方式发生塑性变形。发生塑性变形。1.滑移滑移v任何晶面上都可分解为任何晶面上都可分解为正应力正应力和和切应力切应力。正应力只。正应力只能引起晶格的弹性变形及将能
6、引起晶格的弹性变形及将晶粒拉断。晶粒拉断。只有在切应力的只有在切应力的作用下金属晶体的晶格在发作用下金属晶体的晶格在发生弹性扭曲后进一步造成滑生弹性扭曲后进一步造成滑移而产生塑性变形。移而产生塑性变形。外外力力在在晶晶面面上上的的分分解解切切应应力力作作用用下下的的变变形形锌锌单单晶晶的的拉拉伸伸照照片片第七张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v滑移滑移是晶体在切应力的作用下是晶体在切应力的作用下,晶晶体的一部分相对于另一部分沿一定体的一部分相对于另一部分沿一定的的晶面晶面(滑移面滑移面)和晶向和晶向发生发生滑动位滑动位移移的现象的现象。8.3金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形第八
7、张,PPT共六十四页,创作于2022年6月滑移变形的特点滑移变形的特点:滑滑移移常常沿沿晶晶体体中中原原子子密密度度最最大大的的晶晶面面和和晶晶向向发发生生。因因为为原原子子密密度度最最大大的的晶晶面面和和晶晶向向之之间间原原子子间间距距最最大大,结结合合力力最最弱弱,产产生生滑滑移移所需切应力最小。所需切应力最小。滑移只能在切应力的作用下发生。滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力产生滑移的最小切应力-临界切应力临界切应力.l沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向。通通常是晶体中的密排面和密排方向。常是晶体中的密排面和密排
8、方向。晶面间距示意图晶面间距示意图8.3金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形第九张,PPT共六十四页,创作于2022年6月一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。(以下以以下以体心立方晶格为例体心立方晶格为例)8.3金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形第十张,PPT共六十四页,创作于2022年6月第十一张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性也越好,其中滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性也越好,其中滑移方向滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。对塑性的贡献比滑移面更大。v因而金属的塑性
9、,因而金属的塑性,面心立方面心立方晶格好于晶格好于体心立方体心立方晶格晶格,体心立方晶体心立方晶格好于格好于密排六方密排六方晶格。晶格。面心立方密排六方第十二张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v滑移时,晶体两部分的相对位滑移时,晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍移量是原子间距的整数倍.v滑移的结果在晶体表面形成台阶,滑移的结果在晶体表面形成台阶,称滑移线,若干条滑移线组成一个称滑移线,若干条滑移线组成一个滑移带。滑移带。v(在光学显微镜下无法分辨出滑在光学显微镜下无法分辨出滑移带内滑移台阶,因此,移带内滑移台阶,因此,滑移带也滑移带也常常称为滑移线常常称为滑移线)v从滑移带的结构
10、可知,金属即从滑移带的结构可知,金属即使进行了大量的塑性变形,这些使进行了大量的塑性变形,这些变形也只是集中在一小部分的滑变形也只是集中在一小部分的滑移面,许多潜在的滑移面上并没移面,许多潜在的滑移面上并没有进行滑移,大多数原子对于其有进行滑移,大多数原子对于其邻居来讲并移动。邻居来讲并移动。第十三张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随着晶体的转动v如图所示:当外力作用于如图所示:当外力作用于单晶体试样时,它在某些相单晶体试样时,它在某些相邻层晶面上所分解的切应力邻层晶面上所分解的切应力使晶体发生滑移,而使晶体发生滑移,而正应力正应力则组成一力偶,
11、使晶体在则组成一力偶,使晶体在滑移的同时向外力方向发滑移的同时向外力方向发生转动。生转动。外外力力在在晶晶面面上上的的分分解解切切应应力力作作用用下下的的变变形形锌锌单单晶晶的的拉拉伸伸照照片片v把滑移看作是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移是不对的,大量把滑移看作是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移是不对的,大量研究表明:滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。研究表明:滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。(P188)v滑移的机理:滑移的机理:第十四张,PPT共六十四页,创作于2022年6月n晶体通过位错运动产生滑移时,并不需要整个晶体的上半部分晶体通过位错运动产生滑移时,并不需要整个晶
12、体的上半部分原子相对于下半部分原子一起位移原子相对于下半部分原子一起位移,而只有少数原子产生滑移,因而而只有少数原子产生滑移,因而所需临界切应力小所需临界切应力小刃形位错在切应力作用下在滑移面上的运动刃形位错在切应力作用下在滑移面上的运动第十五张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v2、孪生:、孪生:v孪生孪生是指晶体的一部分沿是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的部分所发生的切变。切变。v发生切变的部分称发生切变的部分称孪生带孪生带或或孪晶孪晶,沿其发生孪生的晶面,沿其发生孪生的晶面称称孪生面孪生面。v孪生的结果孪生的结果:使孪生面两侧的使孪生面两
13、侧的原子排列呈镜面对称。原子排列呈镜面对称。第十六张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v孪生使晶格位向发生改变;孪生使晶格位向发生改变;v所需切应力比滑移大得多所需切应力比滑移大得多,变形速度极快变形速度极快,接近声速接近声速;v孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.v金属表面的基本差别:滑移产生一系列台阶,而孪生则产金属表面的基本差别:滑移产生一系列台阶,而孪生则产生一个小的、范围确定的变形区生一个小的、范围确定的变形区.n密排六方晶格金属滑移系少,常以孪生方式变形。密排六方晶格金属滑移系少,常以孪生方式变形。体心立方晶格金属体心立方
14、晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属,一般面心立方晶格金属,一般不发生孪生变形,但常发现有孪晶存在,这是由于相变过程中原子重新排不发生孪生变形,但常发现有孪晶存在,这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的,称列时发生错排而产生的,称退火孪晶。退火孪晶。v孪生与滑移相比:孪生与滑移相比:第十七张,PPT共六十四页,创作于2022年6月第十八张,PPT共六十四页,创作于2022年6月8.4金属多晶体的塑性变形金属多晶体的塑性变形v1.晶界及晶粒位向差的影响:晶界及晶粒位向差的影响:(1)晶界的影响:晶界的影响:v当位错运动到晶
15、界附近时,受到晶界的阻碍而堆积起来当位错运动到晶界附近时,受到晶界的阻碍而堆积起来,称称位错的塞积位错的塞积。要使变形继续进行。要使变形继续进行,则必须增加外力则必须增加外力,从而使从而使金属的变形抗力提高。金属的变形抗力提高。第十九张,PPT共六十四页,创作于2022年6月第二十张,PPT共六十四页,创作于2022年6月多晶粒构成的试样的拉伸试多晶粒构成的试样的拉伸试验的竹节现象验的竹节现象第二十一张,PPT共六十四页,创作于2022年6月(2)晶粒位向的影响)晶粒位向的影响v由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性变形时,必然会由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性变形时,必然会受到
16、它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍,各晶粒必须相互协受到它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍,各晶粒必须相互协调,相互适应,才能发生变形。调,相互适应,才能发生变形。由于晶粒间的这种相互约束,使由于晶粒间的这种相互约束,使得多晶体金属的塑性变形抗力总是高于单晶体。得多晶体金属的塑性变形抗力总是高于单晶体。u多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45的的晶粒(切应力最大)。晶粒(切应力最大)。第二十二张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v当塞积位错前端的应力达到一定程度,当塞积位错前端的应力达到一定程度,加上滑移时晶粒的转动,
17、促使另一批晶加上滑移时晶粒的转动,促使另一批晶粒开始滑移变形,粒开始滑移变形,v从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒,从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒,从少量晶粒开始逐步扩大到大量晶粒,从从少量晶粒开始逐步扩大到大量晶粒,从不均匀变形逐步发展到比较均匀变形。当不均匀变形逐步发展到比较均匀变形。当有大量晶粒发生滑移后,金属便显示出明有大量晶粒发生滑移后,金属便显示出明显的塑性变形。显的塑性变形。第二十三张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v3.晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响v金属的晶粒越细,其强度和金属的晶粒越细,其强度和硬度越高。硬度越高。v因为金属晶粒越细
18、,晶界因为金属晶粒越细,晶界总面积越大,位错障碍越总面积越大,位错障碍越多;需要协调的具有不同多;需要协调的具有不同位向的晶粒越多,使金属位向的晶粒越多,使金属塑性变形的抗力越高。塑性变形的抗力越高。晶晶粒粒大大小小与与金金属属强强度度关关系系第二十四张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v金属的晶粒越细,其塑性和韧性也越高。金属的晶粒越细,其塑性和韧性也越高。v因为晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多,参与变形的晶粒因为晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多,参与变形的晶粒数目也越多,变形越均匀,而不致造成应力集中,引起裂纹的数目也越多,变形越均匀,而不致造成应力集中,引起裂纹的过早产生和发展,因
19、此在断裂前可发生较大的塑性变形,金属过早产生和发展,因此在断裂前可发生较大的塑性变形,金属在断裂前消耗的功也大,因而其韧性也比较好。在断裂前消耗的功也大,因而其韧性也比较好。v通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化细晶强化。第二十五张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v塑性变形对组织和性能的影响塑性变形对组织和性能的影响v1、塑性变形对组织结构的影响、塑性变形对组织结构的影响v金属发生塑性变形时,不仅外形发生变化,而且其内部的晶粒也相应金属发生塑性变形时,不仅外形发生变化,而且其内部的晶粒也相应地被拉长
20、或压扁。地被拉长或压扁。v当变形量很大时,晶粒将被拉长为纤维状,晶界变得模糊不清。当变形量很大时,晶粒将被拉长为纤维状,晶界变得模糊不清。l塑性变形还使晶粒破碎为亚塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。晶粒。第二十六张,PPT共六十四页,创作于2022年6月工业纯铁在塑性变形前后的组织变化工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝中的位错网冷变形纯铝中的位错网(a)正火态正火态(c)变形变形80%(b)变形变形40%第二十七张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v由于晶粒的转动,当塑性变形达到一由于晶粒的转动,当塑性变形达到一定程度时,会使绝大部分晶粒的位向与定程度时,会使绝大部分晶粒的位向与
21、变形方向趋于一致,这种现象称织构或变形方向趋于一致,这种现象称织构或择优取向。择优取向。v形变织构使金属呈现各向形变织构使金属呈现各向异性,在深冲零件时,易异性,在深冲零件时,易产生产生“制耳制耳”现象,使零现象,使零件边缘不齐,厚薄不匀。件边缘不齐,厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导但织构可提高硅钢片的导磁率。磁率。板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板“制耳制耳”有有无无第二十八张,PPT共六十四页,创作于2022年6月2、加工硬化、加工硬化v随冷塑性变形量增加,金属的强度、硬度提高,塑性、韧性下降随冷塑性变形量增加,金属的强度、硬度提高,塑
22、性、韧性下降的现象称的现象称加工硬化加工硬化。冷塑性变形量,%屈服强度,MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量,%伸长率,%1040钢(0.4%C)黄铜铜第二十九张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v产生加工硬化的原因产生加工硬化的原因:(分析)分析)v1、随变形量增加,位错密度增加、随变形量增加,位错密度增加,由于位错之间的交互作用,由于位错之间的交互作用(堆积、缠结堆积、缠结),使变形抗力增加。,使变形抗力增加。v2.随变形量增加,随变形量增加,亚结构亚结构细化。细化。v3.随变形量增加随变形量增加,空位密度增加。空位密度增加。v加工硬化的结果加工硬化的结果:v给金属的进一
23、步加工带来困难。给金属的进一步加工带来困难。v解决的办法:解决的办法:v在加工过程中安排一些中间退火工序,通过加热消除其加工硬化在加工过程中安排一些中间退火工序,通过加热消除其加工硬化现象,以恢复它进一步变形的能力。现象,以恢复它进一步变形的能力。第三十张,PPT共六十四页,创作于2022年6月v加工硬化使金属材料的塑性韧性下降,强度、硬度增加,加工硬化使金属材料的塑性韧性下降,强度、硬度增加,是强化金属的重要手段之一是强化金属的重要手段之一,对于不能热处理强化的纯金属对于不能热处理强化的纯金属和合金尤为重要。例如和合金尤为重要。例如:v(1)冷拉高强度钢丝、冷卷弹簧等主要是利用冷加工变冷拉高
24、强度钢丝、冷卷弹簧等主要是利用冷加工变形来提高它们的强度和弹性极限。形来提高它们的强度和弹性极限。v(2)坦克和拖拉机的履带、破碎机的额板、铁路的道岔)坦克和拖拉机的履带、破碎机的额板、铁路的道岔等都是利用加工硬化来提高它们的硬度及耐磨性。等都是利用加工硬化来提高它们的硬度及耐磨性。加工硬化不仅使材料的加工硬化不仅使材料的机械性能发生显著变化机械性能发生显著变化,而且,而且物理、物理、化学性能化学性能也会发生显著变化,如电阻率增加、耐腐蚀性降低等,也会发生显著变化,如电阻率增加、耐腐蚀性降低等,所有这些在设计和制造各种金属零件或制品时应予以充分考虑。所有这些在设计和制造各种金属零件或制品时应予
25、以充分考虑。第三十一张,PPT共六十四页,创作于2022年6月8.5冷变形金属的回复和再结晶冷变形金属的回复和再结晶v(1)冷变形金属在加热时的组织和性能变化:)冷变形金属在加热时的组织和性能变化:v金属经冷变形后金属经冷变形后,外力所做的功有外力所做的功有10%转化为内应力残留于金转化为内应力残留于金属中属中,使材料的内能增加,处于高能量状态的冷变形金属组织使材料的内能增加,处于高能量状态的冷变形金属组织处于不稳定状态处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。有自发恢复到稳定状态的倾向。v固一旦对金属加热,可使原子扩散能力增加,便必然会发生固一旦对金属加热,可使原子扩散能力增加,便必然会发
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