金屬和陶瓷的力學性能材料科學基礎ppt課件

1、第一節(jié)第一節(jié) 金屬和陶瓷的力學性能金屬和陶瓷的力學性能一、金屬中的應力與應變：一、金屬中的應力與應變：n1、軸向拉伸時的應、軸向拉伸時的應力與應變：力與應變：n（表達方式及單位）（表達方式及單位）n2、應力與應變之間、應力與應變之間的關系在彈性范圍的關系在彈性范圍內）內）n3、剪切變形時的應、剪切變形時的應力與應變：力與應變：n（表達方式及單位）（表達方式及單位）n4、應力與應變之間、應力與應變之間的關系在彈性范圍的關系在彈性范圍內）內）n二、拉伸試驗和應二、拉伸試驗和應力力- -應變圖：應變圖：n拉伸試驗可獲得的拉伸試驗可獲得的力學性能指標：力學性能指標：n1 1、彈性模量：、彈性模量：n2

2、 2、規(guī)定非比例伸、規(guī)定非比例伸長應力：長應力：n是金屬材料有明顯是金屬材料有明顯塑性變形時的強度塑性變形時的強度n3 3、抗拉強度：、抗拉強度：n4 4、斷后伸長率：、斷后伸長率：n5 5、截面收縮率：、截面收縮率：三、塑性變形材料學基礎三、塑性變形材料學基礎（一）、金屬單晶體的塑性變形（一）、金屬單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：滑移滑移孿生。孿生。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。1 1、 滑移滑移 n任何晶面上都可分解為任何晶面上都可分解為正應力和切應力。正應正應力和切應力。正應力只能引起晶格的彈性力只能引起晶

3、格的彈性變形及將晶粒拉斷。只變形及將晶粒拉斷。只有在切應力的作用下金有在切應力的作用下金屬晶體的晶格在發(fā)生彈屬晶體的晶格在發(fā)生彈性扭曲后進一步造成滑性扭曲后進一步造成滑移而產生塑性變形。移而產生塑性變形。外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切應力作用下的變形切應力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片鋅單晶的拉伸照片nn滑移是晶體在切應力的作用滑移是晶體在切應力的作用下下,晶體的一部分相對于另一晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面部分沿一定的晶面(滑移面滑移面)和和晶向發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象。晶向發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象。 滑移變形的特點滑移變形的特點 ：n 滑移常沿晶體中滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面原子密

4、度最大的晶面和晶向發(fā)生。因為原和晶向發(fā)生。因為原子密度最大的晶面和子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最晶向之間原子間距最大，結合力最弱，產大，結合力最弱，產生滑移所需切應力最生滑移所需切應力最小。小。 滑移只能在切應力滑移只能在切應力的作用下發(fā)生。產生的作用下發(fā)生。產生滑移的最小切應力稱滑移的最小切應力稱臨界切應力臨界切應力. l沿其發(fā)生滑移的晶面和沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。中的密排面和密排方向。晶面間距示意圖晶面間距示意圖復習：立方晶系的晶向表示方法復習：立方晶系的晶向表示方法 以圖中的晶向OA為

5、例, 說明晶向指數(shù)的標定過程。 設定一空間坐標系, 原點在欲定晶向的一結點上。 寫出該晶向上另一結點的空間坐標值:100 將坐標值按比例化為最小整數(shù)：100 將化好的整數(shù)記在方括號內:100得到晶向OA的晶向指數(shù)為100。o 同樣方法可得晶向OB、OC的晶向指數(shù)分別為110、111。o 晶向指數(shù)的一般標記為uvw。o uvw實際表示一組原子排列相同的平行晶向。o 晶向指數(shù)也可能出現(xiàn)負數(shù)。（若兩組晶向的全部指數(shù)數(shù)值相同而符號相反, 如110與 , 則它們相互平行或為同一原子列, 但方向相反。）o 若只研究該原子列的原子排列情況, 則晶向110與 可用一指數(shù)110表示。 o 原子排列情況相同而在空

6、間位向不同(即不平行)的晶向統(tǒng)稱為晶向族, 用尖括號表示, 即。如: o = 100 + 010 + 001 o 在立方晶系中, 一個晶面指數(shù)與一個晶向指數(shù)數(shù)值和符號相同時, 則該晶面與該晶向互相垂直, 如(111) 111。 以圖中的晶面ABBA為例, 晶面指數(shù)的標定過程如下： 設定一空間坐標系原點在欲定晶面外, 并使晶面在 三條坐標軸上有截距或無窮大。） 以晶格常數(shù)a為長度單位, 寫出欲定晶面在三條坐標軸上的截距:1 截距取倒數(shù)：100 截距的倒數(shù)化為最小整數(shù)：100 將三整數(shù)寫在園括號內：(100) 晶面ABBA的晶面指數(shù)即為(100)。 同樣可得晶面ACCA和ACD的晶面指數(shù)分別為(1

7、10)、(111)。o 晶面指數(shù)的一般標記為(hkl)。(hkl)實際表示一組原子排列相同的平行晶面。 o 晶面的截距可以為負數(shù), 在指數(shù)上加負號。如( )面。o 若某個晶面(hkl)的指數(shù)都乘以-1, 則得到( )晶面, 則晶面(hkl)與( ), 屬于一組平行晶面, o 如晶面ACD(111)與晶面ACB( ), 這兩個晶面一般用一個晶面指數(shù)(111)來表示。晶面族o 在立方晶系中, 由于原子的排列具有高度的對稱性, 往往存在有許多原子排列完全相同但在空間位向不同(即不平行)的晶面, 這些晶面的總稱為晶面族, 用大括號表示, 即hkl。 o 在立方晶胞中(111)、( )、( )、( )

8、同屬111晶面族。 復習復習:晶面原子密度晶面原子密度:是指其單位面積中的原子數(shù)是指其單位面積中的原子數(shù)。晶向原子密度：是指其單位長度上的原子數(shù)晶向原子密度：是指其單位長度上的原子數(shù)。不同晶體結構中不同晶面、不同晶向上原子不同晶體結構中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一樣。排列方式和排列密度不一樣。在體心立方晶格中，原子密度最大的晶面為在體心立方晶格中，原子密度最大的晶面為110,稱為密排面稱為密排面;原子密度最大的晶向為原子密度最大的晶向為,稱為密排稱為密排方向。方向。在面心立方晶格中在面心立方晶格中,密排面為密排面為111,密排密排方向為方向為。一個滑移面和其上的一個滑移方向構

9、成一個滑移一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。系。(以下以體心立方晶格為例以下以體心立方晶格為例)n滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向對塑性的貢獻比滑移性也越好，其中滑移方向對塑性的貢獻比滑移面更大。面更大。n因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格晶格, 體心立方晶格好于密排六方晶格。體心立方晶格好于密排六方晶格。面心立方密排六方n滑移時，晶體兩部分滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍距的整數(shù)倍.n滑移的結果在晶體表面滑移的結果在晶體表面形

10、成臺階，稱滑移線，形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個若干條滑移線組成一個滑移帶。滑移帶。n（在光學顯微鏡下無法（在光學顯微鏡下無法分辨出滑移帶內滑移臺分辨出滑移帶內滑移臺階，因此，滑移帶也常階，因此，滑移帶也常常稱為滑移線）常稱為滑移線）n從滑移帶的結構可知，從滑移帶的結構可知，金屬即使進行了大量的金屬即使進行了大量的塑性變形，這些變形也塑性變形，這些變形也只是集中在一小部分的只是集中在一小部分的滑移面，許多潛在的滑滑移面，許多潛在的滑移面上并沒有進行滑移移面上并沒有進行滑移，大多數(shù)原子對于其鄰，大多數(shù)原子對于其鄰居來講并移動。居來講并移動。 滑移的同時伴隨著晶體的轉動滑移的同時伴隨著晶

11、體的轉動n如下圖：當外力作用如下圖：當外力作用于單晶體試樣時，它于單晶體試樣時，它在某些相鄰層晶面上在某些相鄰層晶面上所分解的切應力使晶所分解的切應力使晶體發(fā)生滑移，而正應體發(fā)生滑移，而正應力則組成一力偶，使力則組成一力偶，使晶體在滑移的同時向晶體在滑移的同時向外力方向發(fā)生轉動。外力方向發(fā)生轉動。外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切應力作用下的變形切應力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片鋅單晶的拉伸照片n滑移的機理：滑移的機理：n把滑移看作是晶體的一部分相對于另一把滑移看作是晶體的一部分相對于另一部分的剛性滑移是不對的，大量研究表部分的剛性滑移是不對的，大量研究表明：滑移是通過滑移面上位錯的運動來

12、明：滑移是通過滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。(P188)晶體通過位錯運動產生滑晶體通過位錯運動產生滑移時，并不需要整個晶體移時，并不需要整個晶體的上半部分原子相對于下的上半部分原子相對于下半部分原子一起位移半部分原子一起位移,而而只有少數(shù)原子產生滑移，只有少數(shù)原子產生滑移，因而所需臨界切應力小，因而所需臨界切應力小，刃形位錯在切應力作用下在滑刃形位錯在切應力作用下在滑移面上的運動移面上的運動n2、孿生：、孿生：n孿生是指晶體的一部孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)相對于另一部分所發(fā)生的切變。生的切變。n發(fā)生切變的部分稱孿發(fā)生切變的部分稱孿生帶或孿晶，

13、沿其發(fā)生帶或孿晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生生孿生的晶面稱孿生面。面。n孿生的結果使孿生面孿生的結果使孿生面兩側的原子排列呈鏡兩側的原子排列呈鏡面對稱。面對稱。 n孿生與滑移相比：孿生與滑移相比：n孿生使晶格位向發(fā)生改變；孿生使晶格位向發(fā)生改變；n所需切應力比滑移大得多所需切應力比滑移大得多, 變形速度變形速度極快極快, 接近聲速接近聲速;n孿生時相鄰原子面的相對位移量小于孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距一個原子間距.n金屬表面的基本差別：滑移產生一系金屬表面的基本差別：滑移產生一系列臺階，而孿生則產生一個小的、范列臺階，而孿生則產生一個小的、范圍確定的變形區(qū)圍確定的變形區(qū)n密排六方

14、晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重新排列時發(fā)生錯排而產生的，稱這是由于相變過程中原子重新排列時發(fā)生錯排而產生的，稱退火孿晶。退火孿晶。（四）、金屬多晶體的塑性變形（四）、金屬多晶體的塑性變形n1、晶界及晶粒位向差的影響：、晶界及晶粒位向差的影響：n（1）、晶界的影響：）、晶界的影響：n當位錯運動到晶界附近

15、時，受到晶界的阻礙而當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來堆積起來,稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進行稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進行, 則必須增加外力則必須增加外力, 從而使金屬的變形抗力提高。從而使金屬的變形抗力提高。多晶粒構成的試樣的拉伸多晶粒構成的試樣的拉伸試驗的竹節(jié)現(xiàn)象試驗的竹節(jié)現(xiàn)象n（2晶粒位向的影響晶粒位向的影響n由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發(fā)生塑由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發(fā)生塑性變形時，必然會受到它周圍不同晶格位向晶性變形時，必然會受到它周圍不同晶格位向晶粒的約束和障礙，各晶粒必須相互協(xié)調，相互粒的約束和障礙，各晶粒必須相互協(xié)調，相互適應，才能發(fā)生變形。由于晶

16、粒間的這種相互適應，才能發(fā)生變形。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力總是高約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力總是高于單晶體。于單晶體。 2、 多晶體金屬的塑性變形過程多晶體金屬的塑性變形過程n多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于力夾角等于或接近于45的晶粒切應的晶粒切應力最大）。力最大）。n當塞積位錯前端的應力達到一定程度，當塞積位錯前端的應力達到一定程度，加上滑移時晶粒的轉動，促使另一批晶加上滑移時晶粒的轉動，促使另一批晶粒開始滑移變形，粒開始滑移變形，n從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶

17、粒，從少量晶粒開始逐步擴大到大量晶粒，從少量晶粒開始逐步擴大到大量晶粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻變形。當有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬變形。當有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。便顯示出明顯的塑性變形。 3、 晶粒大小對金屬力學性能的影響晶粒大小對金屬力學性能的影響n金屬的晶粒越細，其強度和硬度越高。金屬的晶粒越細，其強度和硬度越高。n因為金屬晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障因為金屬晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調的具有不同位向的晶粒越多，礙越多；需要協(xié)調的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。使金屬塑性變形的抗力越

18、高。晶粒大小與金屬強度關系晶粒大小與金屬強度關系n金屬的晶粒越細，其塑性和韌性也越高。金屬的晶粒越細，其塑性和韌性也越高。n因為晶粒越細，單位體積內晶粒數(shù)目越因為晶粒越細，單位體積內晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，而不致造成應力集中，引起裂越均勻，而不致造成應力集中，引起裂紋的過早產生和發(fā)展，因此在斷裂前可紋的過早產生和發(fā)展，因此在斷裂前可發(fā)生較大的塑性變形，金屬在斷裂前消發(fā)生較大的塑性變形，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。耗的功也大，因而其韌性也比較好。n通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬

19、度、塑性和韌性的方法稱細晶強化。硬度、塑性和韌性的方法稱細晶強化。（五合金的塑性變形（五合金的塑性變形n合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種.合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同.珠光體珠光體奧氏體奧氏體碳在碳在-Fe中中的間隙固溶體的間隙固溶體鐵素體與鐵素體與滲碳體的滲碳體的混合物混合物、單相固溶體合金的塑性變形、單相固溶體合金的塑性變形n單相固溶體的顯微組單相固溶體的顯微組織與純金屬類似，因織與純金屬類似，因此其塑性變形過程也此其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似與多晶體純金屬相似，但隨溶

20、質含量增加，但隨溶質含量增加，固溶體的強度、硬，固溶體的強度、硬度提高，塑性、韌性度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強化。下降，稱固溶強化。Cu-Ni合金成分與性能關系合金成分與性能關系n產生固溶強化的原因，是由于溶質原子與位錯相互作產生固溶強化的原因，是由于溶質原子與位錯相互作用的結果，溶質原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被用的結果，溶質原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯附近形成柯氏氣團，使位錯被釘扎住，位吸附在位錯附近形成柯氏氣團，使位錯被釘扎住，位錯要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高錯要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高. Cu-Ni合金成分與性能關系合金成分與性能關系、

21、多相合金的塑性變形與彌散強化、多相合金的塑性變形與彌散強化n當合金的組織由多相當合金的組織由多相(二相二相)混合物組成時，合混合物組成時，合金的塑性變形除與合金基體的性質有關外，還金的塑性變形除與合金基體的性質有關外，還與第二相的性質、形狀、大小、數(shù)量和分布有與第二相的性質、形狀、大小、數(shù)量和分布有關。第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，關。第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。 復習：金屬化合物復習：金屬化合物o 在合金中，當溶質含量超過固溶體的溶解度在合金中，當溶質含量超過固溶體的溶解度時，將出現(xiàn)新相。時，將出現(xiàn)新相。o 若新相的晶

22、格結構與合金中另一組成元素相若新相的晶格結構與合金中另一組成元素相同，則新相是以另一組成元素為溶劑的固溶同，則新相是以另一組成元素為溶劑的固溶體。體。o 若新相的晶格結構不同于任一組成元素，則若新相的晶格結構不同于任一組成元素，則新相將是組成元素相互作用而生成的一種新新相將是組成元素相互作用而生成的一種新物質，屬于化合物或中間相。物質，屬于化合物或中間相。o 在這些化合物中，有些具有相當程度的金屬鍵及一在這些化合物中，有些具有相當程度的金屬鍵及一定程度的金屬性質，是一種金屬化合物，稱為金屬定程度的金屬性質，是一種金屬化合物，稱為金屬間化合物；間化合物；o 有些化合物具有離子鍵，沒有金屬性質，屬

23、于一般有些化合物具有離子鍵，沒有金屬性質，屬于一般化合物，稱為非金屬化合物?；衔铮Q為非金屬化合物。o 非金屬化合物對合金性能影響很壞，一般稱為非金非金屬化合物對合金性能影響很壞，一般稱為非金屬夾雜。屬夾雜。o 金屬化合物通常能提高合金的強度、硬度及耐磨性，金屬化合物通常能提高合金的強度、硬度及耐磨性，但會降低塑性和韌性。是各類合金、硬質合金和許但會降低塑性和韌性。是各類合金、硬質合金和許多有色金屬的重要組成相。多有色金屬的重要組成相。n當在晶界呈網狀分布時，對合金的強度和塑性不利；當在晶界呈網狀分布時，對合金的強度和塑性不利；n當在晶內呈片狀分布時，可提高強度、硬度，但會降低當在晶內呈片狀

24、分布時，可提高強度、硬度，但會降低塑性和韌性；塑性和韌性；珠光體珠光體n當在晶內呈顆粒狀彌散分布時，第二相顆粒越細，當在晶內呈顆粒狀彌散分布時，第二相顆粒越細，分布越均勻，合金的強度、硬度越高，塑性、韌性分布越均勻，合金的強度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強化方法稱彌散強化或沉淀強化。略有下降，這種強化方法稱彌散強化或沉淀強化。n彌散強化的主要原因如下：當?shù)诙嘣诰w內呈彌彌散強化的主要原因如下：當?shù)诙嘣诰w內呈彌散分布時，一方面相界即晶界面積顯著增多并散分布時，一方面相界即晶界面積顯著增多并使其周圍晶格發(fā)生畸變，從而使滑移抗力增加。但使其周圍晶格發(fā)生畸變，從而使滑移抗力增加。但更重要

25、的是這些第二相質點本身成為位錯運動的障更重要的是這些第二相質點本身成為位錯運動的障礙物。阻礙了位錯的運動，提高了變形抗力。礙物。阻礙了位錯的運動，提高了變形抗力。n第二相質點以兩種明顯的方式阻礙位錯第二相質點以兩種明顯的方式阻礙位錯的運動。當位錯運動遇到第二相質點時：的運動。當位錯運動遇到第二相質點時：n質點被位錯切開軟質點）；質點被位錯切開軟質點）；n質點阻攔位錯而迫使位錯只有在加大外質點阻攔位錯而迫使位錯只有在加大外力的情況下才能通過。力的情況下才能通過。n當質點小而軟，或為軟相時，位錯能割當質點小而軟，或為軟相時，位錯能割開它并使其變形，如下圖，這時加工硬開它并使其變形，如下圖，這時加工

26、硬化小，但隨質點尺寸的增大而增加?；?，但隨質點尺寸的增大而增加。位錯切割位錯切割第二相粒第二相粒子示意圖子示意圖電鏡觀察電鏡觀察n當質點堅硬而難于被位錯切開時，位錯當質點堅硬而難于被位錯切開時，位錯不能直接越過這種第二相質點，但在外不能直接越過這種第二相質點，但在外力作用下，位錯線可以環(huán)繞第二相質點力作用下，位錯線可以環(huán)繞第二相質點發(fā)生彎曲，最后在質點周圍留下一個位發(fā)生彎曲，最后在質點周圍留下一個位錯環(huán)而讓位錯通過。錯環(huán)而讓位錯通過。n使位錯線彎曲將增加位錯影響區(qū)的晶格使位錯線彎曲將增加位錯影響區(qū)的晶格畸變能，增加位錯移動的阻力，使滑移畸變能，增加位錯移動的阻力，使滑移抗力提高。位錯線彎曲的

27、半徑越小，所抗力提高。位錯線彎曲的半徑越小，所需外力越大需外力越大 。顆粒釘扎作用的電鏡照片顆粒釘扎作用的電鏡照片n因此，在第二相數(shù)量一定的條件下，第二相質因此，在第二相數(shù)量一定的條件下，第二相質點的彌散度越大分散成很細小的質點），則點的彌散度越大分散成很細小的質點），則滑移抗力越大，合金的強化程度越高因為位滑移抗力越大，合金的強化程度越高因為位錯線的彎曲半徑，取決于質點間距離，質點細錯線的彎曲半徑，取決于質點間距離，質點細化使質點數(shù)目增多而質點空間間距減?。??；官|點數(shù)目增多而質點空間間距減?。?。n但應注意，第二相質點細化，對合金強化的貢但應注意，第二相質點細化，對合金強化的貢獻是有一個限度

28、的，當質點太細小時，質點間獻是有一個限度的，當質點太細小時，質點間的空間間距太小，這時位錯線不能彎曲，但可的空間間距太小，這時位錯線不能彎曲，但可“剛性的掃過這些極細小的質點，因而強化剛性的掃過這些極細小的質點，因而強化效果反而降低。效果反而降低。 n第二相呈彌散質點分布時，對合金塑性、第二相呈彌散質點分布時，對合金塑性、韌性影響較小，因為這樣分布的質點幾韌性影響較小，因為這樣分布的質點幾乎不影響基體相的連續(xù)性。乎不影響基體相的連續(xù)性。n塑性變形時第二相質點可隨基本相的變塑性變形時第二相質點可隨基本相的變形而形而“流動流動”，不會造成明顯應力集中，不會造成明顯應力集中，因此，合金可承受較大的變

29、形量而不致因此，合金可承受較大的變形量而不致破裂。破裂。 ( (六六) )、塑性變形對組織和性能的影響、塑性變形對組織和性能的影響 n1、塑性變形對組織結構的影響、塑性變形對組織結構的影響 n金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其內部的晶粒也相應地被拉長或壓扁。內部的晶粒也相應地被拉長或壓扁。n當變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變當變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變n得模糊不清。得模糊不清。l塑性變形還使晶塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。粒破碎為亞晶粒。工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化5%冷變形純鋁

30、中的位錯網冷變形純鋁中的位錯網(a)正火態(tài)正火態(tài)(c)變形變形80%(b)變形變形40%n由于晶粒的轉動，當塑性變由于晶粒的轉動，當塑性變形達到一定程度時，會使絕形達到一定程度時，會使絕大部分晶粒的位向與變形方大部分晶粒的位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構或擇優(yōu)取向。構或擇優(yōu)取向。l形變織構使金屬呈形變織構使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深現(xiàn)各向異性，在深沖零件時，易產生沖零件時，易產生“制耳景象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織制耳景象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構可提高硅鋼片的導磁率。構可提高硅鋼片的導磁率。板織構板織構絲織構絲織構形變織構示意圖形變織構示意圖各向異性導

31、致的銅板各向異性導致的銅板“制耳制耳”有有無無軋制鋁板的軋制鋁板的“制耳景象制耳景象2、加工硬化、加工硬化 n隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。冷塑性變形量，%屈服強度，MPa1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形量，%伸長率，%1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形與性能關系冷塑性變形與性能關系n產生加工硬化的原因是：（產生加工硬化的原因是：（分析）分析）n1、隨變形量增加，位錯密、隨變形量增加，位錯密度增加，由于位錯之間的交度增加，由于位錯之間的交互作用互作用(堆積、纏結堆

32、積、纏結)，使變，使變形抗力增加。形抗力增加。n2. 隨變形量增加，亞結構隨變形量增加，亞結構細化。細化。n3. 隨變形量增加隨變形量增加, 空位密度空位密度增加。增加。變形變形20%純鐵中的位錯純鐵中的位錯未變形純鐵未變形純鐵n加工硬化的結果加工硬化的結果: :n 給金屬的進一步加工帶來困難。給金屬的進一步加工帶來困難。n解決的辦法：解決的辦法：n 在加工過程中安排一些中間退火工序，通過加熱在加工過程中安排一些中間退火工序，通過加熱消除其加工硬化現(xiàn)象，以恢復它進一步變形的能力。消除其加工硬化現(xiàn)象，以恢復它進一步變形的能力。n加工硬化使金屬材料的塑性韌性下降，加工硬化使金屬材料的塑性韌性下降，

33、強度、硬度增加，是強化金屬的重要手強度、硬度增加，是強化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強化的純金屬段之一，對于不能熱處理強化的純金屬和合金尤為重要。和合金尤為重要。n例如例如n（1冷拉高強度鋼絲、冷卷彈簧等主要冷拉高強度鋼絲、冷卷彈簧等主要是利用冷加工變形來提高它們的強度和是利用冷加工變形來提高它們的強度和彈性極限。彈性極限。n（2坦克和拖拉機的履帶、破碎機的額坦克和拖拉機的履帶、破碎機的額板、鐵路的道岔等都是利用加工硬化來板、鐵路的道岔等都是利用加工硬化來提高它們的硬度及耐磨性。提高它們的硬度及耐磨性。 加工硬化不僅使材料的機械性能發(fā)生顯著變加工硬化不僅使材料的機械性能發(fā)生顯著變化，而且

34、物理、化學性能也會發(fā)生顯著變化，如電化，而且物理、化學性能也會發(fā)生顯著變化，如電阻率增加、耐腐蝕性降低等，所有這些在設計和制阻率增加、耐腐蝕性降低等，所有這些在設計和制造各種金屬零件或制品時應予以充分考慮。造各種金屬零件或制品時應予以充分考慮。3、殘余內應力、殘余內應力 :n內應力是指平衡于金屬內部的應力。是由于金屬受力內應力是指平衡于金屬內部的應力。是由于金屬受力時時, 內部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時內部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時,外力所做的功只有外力所做的功只有10%轉化為內應力殘留于金屬中轉化為內應力殘留于金屬中. n內應力分為三類：內應力分為三類：n第一類內應力

35、平衡于表面與心部之間第一類內應力平衡于表面與心部之間 (宏觀內應力宏觀內應力)。n第二類內應力平衡于晶粒之間或晶粒內不同區(qū)域之間第二類內應力平衡于晶粒之間或晶粒內不同區(qū)域之間, (微觀內應力微觀內應力)。n第三類內應力是由晶格缺陷引起的畸變應力。第三類內應力是由晶格缺陷引起的畸變應力。 n第三類內應力是形變金屬中的主要內應力，也是金第三類內應力是形變金屬中的主要內應力，也是金屬強化的主要原因。而第一、二類內應力都使金屬屬強化的主要原因。而第一、二類內應力都使金屬強度降低。強度降低。n內應力的存在，使金屬化學不穩(wěn)定性增加、耐蝕性內應力的存在，使金屬化學不穩(wěn)定性增加、耐蝕性下降，例如，冷加工后的黃

36、銅，由于存在內應力，下降，例如，冷加工后的黃銅，由于存在內應力，在氨氣、銨鹽、汞蒸氣以及海水中會發(fā)生嚴重的腐在氨氣、銨鹽、汞蒸氣以及海水中會發(fā)生嚴重的腐蝕破裂又稱蝕破裂又稱“季節(jié)病季節(jié)病”）；高壓鍋爐、鉚釘發(fā)生）；高壓鍋爐、鉚釘發(fā)生的腐蝕破裂等等。還會引起零件加工、淬火過程中的腐蝕破裂等等。還會引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進行退火處理，以消除或降低內應力。進行退火處理，以消除或降低內應力。n除此之外，冷變形還會除此之外，冷變形還會使金屬的導熱性降低。使金屬的導熱性降低。如銅冷變形后，其導熱如銅冷變形后，其導熱性

37、降低到性降低到78%。n冷變形還可能改變金屬冷變形還可能改變金屬材料的磁性。材料的磁性。n 金屬經冷變形后，密金屬經冷變形后，密度下降度下降(如圖如圖)。n冷變形還會使金屬的電冷變形還會使金屬的電阻發(fā)生變化，一般而言阻發(fā)生變化，一般而言，冷變形使金屬電阻有，冷變形使金屬電阻有所增加約百分之幾）所增加約百分之幾），但增加的程度則隨金，但增加的程度則隨金屬而異。屬而異。 8.928.918.908.898.888.872040608010012密密度度變形程度與密度的關系變形程度與密度的關系 4 4、回復與再結晶、回復與再結晶n（1冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化：冷變形金屬在加熱時的組織和性能

38、變化： n金屬經冷變形后金屬經冷變形后,外力所做的功有外力所做的功有10%轉化為轉化為內應力殘留于金屬中內應力殘留于金屬中,使材料的內能增加，處于使材料的內能增加，處于高能量狀態(tài)的冷變形金屬組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)高能量狀態(tài)的冷變形金屬組織處于不穩(wěn)定狀態(tài), 有自發(fā)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。固一旦對金屬有自發(fā)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。固一旦對金屬加熱，可使原子擴散能力增加，便必然會發(fā)生加熱，可使原子擴散能力增加，便必然會發(fā)生一系列組織和性能的變化，隨著加熱溫度的不一系列組織和性能的變化，隨著加熱溫度的不同，大致可以分為三個階段：回復、再結晶和同，大致可以分為三個階段：回復、再結晶和晶粒長大。晶粒長大。 加熱溫

39、度加熱溫度黃銅黃銅n回復：回復：n回復是指在加熱溫度較低時，由于金屬中的點缺陷回復是指在加熱溫度較低時，由于金屬中的點缺陷及位錯近距離遷移而引起的晶內某些變化。如空位及位錯近距離遷移而引起的晶內某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號位錯相遇合與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號位錯相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等，使材料處于一種低能狀態(tài)。并而使缺陷數(shù)量減少等，使材料處于一種低能狀態(tài)。l由于位錯運動使其由冷塑性由于位錯運動使其由冷塑性變形時的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪弊冃螘r的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植迹纬蓙喚Ы?，亞晶分布，形成亞晶界，亞晶界的形成使一個變形晶粒內界的形成使一個變形晶粒內部產生許多亞晶粒，這

40、一過部產生許多亞晶粒，這一過程稱多邊形化。程稱多邊形化。n在回復階段，金屬組織在回復階段，金屬組織變化不明顯，其強度、變化不明顯，其強度、硬度略有下降，塑性略硬度略有下降，塑性略有提高，但內應力、電有提高，但內應力、電阻率等顯著下降。阻率等顯著下降。n工業(yè)上，常利用回復現(xiàn)工業(yè)上，常利用回復現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理加工硬化，這種熱處理方法稱去應力退火。方法稱去應力退火。n再結晶：再結晶：n當變形金屬被加熱到較當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變

41、化，由破狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長的晶粒變?yōu)橥暾槔L的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。的等軸晶粒。n這種冷變形組織在加熱這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程時重新徹底改組的過程稱再結晶。稱再結晶。鐵素體變形鐵素體變形80%670加熱加熱650加熱加熱n由于再結晶后組織的復由于再結晶后組織的復原，因而金屬的強度、原，因而金屬的強度、硬度下降，塑性、韌性硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。提高，加工硬化消失。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形冷變形(變形量為變形量為38%)黃銅黃銅580C保溫保溫15分后的的再結晶組織分后的的再結晶組織總結：總結： 再結晶過程也是

42、通過成核、長大過程來實現(xiàn)的。再結晶過程也是通過成核、長大過程來實現(xiàn)的。當變形金屬被加熱到一定溫度時，原子的活動能力教當變形金屬被加熱到一定溫度時，原子的活動能力教強，會在變形晶粒的晶界或晶粒內部的亞晶界處以不強，會在變形晶粒的晶界或晶粒內部的亞晶界處以不同于一般結晶的特殊成核方式產生新晶核，隨著原子同于一般結晶的特殊成核方式產生新晶核，隨著原子的擴散移動，新晶核的邊界不斷向變形的原晶粒中推的擴散移動，新晶核的邊界不斷向變形的原晶粒中推進，使新晶核不斷消耗變形晶粒而長大。最終是一批進，使新晶核不斷消耗變形晶粒而長大。最終是一批新的等軸晶粒取代了原先變形的晶粒，完成了一次新新的等軸晶粒取代了原先變

43、形的晶粒，完成了一次新的結晶過程。的結晶過程。 但是，它沒有發(fā)生晶格類型的變化，只是晶但是，它沒有發(fā)生晶格類型的變化，只是晶體形態(tài)和大小的變化。也可以說，只有顯微組織變化體形態(tài)和大小的變化。也可以說，只有顯微組織變化而沒有晶格結構，故稱為再結晶。而沒有晶格結構，故稱為再結晶。結論：結論： 再結晶也是成核、長大過程，但不是相變過程，再結晶也是成核、長大過程，但不是相變過程，再結晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。再結晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。n再結晶后的晶粒長大：再結晶后的晶粒長大：n再結晶完成后，若繼續(xù)升再結晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時高加熱溫度或延長保溫時間，將

44、發(fā)生晶粒長大，這間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個自發(fā)的過程。是一個自發(fā)的過程。黃銅再結晶后晶粒的長大黃銅再結晶后晶粒的長大580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580C580C保溫保溫1515分后的組織分后的組織700C700C保溫保溫1010分后的組織分后的組織n晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是塑性和韌性降低塑性和韌性降低 。原子穿過原子穿過晶界擴散晶界擴散晶界遷晶界遷移方向移方向黃銅再結晶和晶粒長大各個階段的金相照片黃銅再結晶和晶粒長大各個階段的金相照

45、片冷變形量為冷變形量為38的組織的組織580C保溫保溫3秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫4秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫15分后的組織分后的組織 700C保溫保溫10分后的組織分后的組織（2再結晶溫度再結晶溫度n再結晶不是一個恒溫過程，它是隨著溫度的升高而大致從再結晶不是一個恒溫過程，它是隨著溫度的升高而大致從某一溫度開始進行的過程，發(fā)生再結晶的最低溫度稱再結某一溫度開始進行的過程，發(fā)生再結晶的最低溫度稱再結晶溫度。（沒有經過冷加工變形的金屬在加熱時是不會發(fā)晶溫度。（沒有經過冷加工變形的金屬在加熱時是不會發(fā)生再結晶的）生再結晶的）580C保溫保溫

46、3秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫4秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織冷變形冷變形(變形量為變形量為38%)黃銅的再結晶黃銅的再結晶T再與再與的關系的關系n影響再結晶溫度的因素為：影響再結晶溫度的因素為：n1、金屬的預先變形程度：金屬預先變形程度越大、金屬的預先變形程度：金屬預先變形程度越大, 再結晶溫度越低。當變形度達到一定值后，再結晶再結晶溫度越低。當變形度達到一定值后，再結晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結晶溫度。溫度趨于某一最低值，稱最低再結晶溫度。l純金屬的最低再結晶溫度純金屬的最低再結晶溫度與其熔點之間的近似關系與其熔點之間的近似關系:T再再0.4T熔熔l

47、其中其中T再、再、T熔為絕對溫熔為絕對溫度度.l金屬熔點越高金屬熔點越高,T再也越高再也越高.T再再=(T熔熔+273)0.4273，如，如Fe的的T再再=(1538+273)0.4273=451n2、金屬的純度、金屬的純度n金屬中的微量雜質或合金元素，尤其高熔點元素起金屬中的微量雜質或合金元素，尤其高熔點元素起阻礙擴散和晶界遷移作用，使再結晶溫度顯著提高阻礙擴散和晶界遷移作用，使再結晶溫度顯著提高.n 3、再結晶加熱速度和加熱時間、再結晶加熱速度和加熱時間l提高加熱速度會使再結晶推遲到較高溫度發(fā)生；提高加熱速度會使再結晶推遲到較高溫度發(fā)生；l延長加熱時間延長加熱時間,使原子擴散充分使原子擴散

48、充分,再結晶溫度降低。再結晶溫度降低。l生產中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結晶退火。生產中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結晶退火。為縮短退火周期，再結晶退火溫度常定為最低再結為縮短退火周期，再結晶退火溫度常定為最低再結晶溫度以上晶溫度以上100200。影響再結晶退火后晶粒度的因素影響再結晶退火后晶粒度的因素 :n1、加熱溫度和保溫時間、加熱溫度和保溫時間n加熱溫度越高，保溫時間越加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大，加長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。熱溫度的影響尤為顯著。再結晶退火溫度對晶粒度的影響再結晶退火溫度對晶粒度的影響n預先變形度的影響，實質上是變形均勻程度的影

49、響預先變形度的影響，實質上是變形均勻程度的影響.n當變形度很小時，晶格畸變小，不足以引起再結晶當變形度很小時，晶格畸變小，不足以引起再結晶.n當變形達到當變形達到210%時，只有部分晶粒變形，變形極時，只有部分晶粒變形，變形極預先變形度對再結晶晶粒度的影響預先變形度對再結晶晶粒度的影響2、預先變形度、預先變形度不均勻，再結晶晶不均勻，再結晶晶粒大小相差懸殊，粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大易互相吞并和長大,再結晶后晶粒特別再結晶后晶粒特別粗大，這個變形度粗大，這個變形度稱臨界變形度。稱臨界變形度。n當超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越當超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再

50、結晶時形核量大而均勻，使再結晶來越均勻，再結晶時形核量大而均勻，使再結晶后晶粒細而均勻，達到一定變形量之后，晶粒度后晶粒細而均勻，達到一定變形量之后，晶粒度基本不變?；静蛔?。 l對于某些金屬，當對于某些金屬，當變形量相當大時變形量相當大時(90%)，再結晶后，再結晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認為化現(xiàn)象，一般認為這與形成織構有關這與形成織構有關.預先變形程度對預先變形程度對再結晶晶粒尺寸再結晶晶粒尺寸的影響的影響變形變形83%變形變形88%變形變形93% 綜合以上加熱溫度和變形度兩個因素對再結晶后綜合以上加熱溫度和變形度兩個因素對再結晶后晶粒度的影響于一個立體圖中，該圖稱為

51、再結晶全圖。晶粒度的影響于一個立體圖中，該圖稱為再結晶全圖。再結晶全圖再結晶全圖:是是制訂金屬加工制訂金屬加工變形與退火工變形與退火工藝的重要參考藝的重要參考資料資料.冷加工與熱加工的區(qū)別冷加工與熱加工的區(qū)別:n在金屬學中，冷熱加工的界限是以再結晶溫度來劃在金屬學中，冷熱加工的界限是以再結晶溫度來劃分的。低于再結晶溫度的加工稱為冷加工，而高于分的。低于再結晶溫度的加工稱為冷加工，而高于再結晶溫度的加工稱為熱加工。再結晶溫度的加工稱為熱加工。四、陶瓷材料的力學性能：四、陶瓷材料的力學性能：n(1)剛度剛度 n陶瓷剛度由彈性模量衡量各類材料中最高，陶瓷剛度由彈性模量衡量各類材料中最高，因為陶瓷具有

52、很強的化學鍵離子鍵和共價鍵）。因為陶瓷具有很強的化學鍵離子鍵和共價鍵）。n各種常見材料的彈性模量和硬度各種常見材料的彈性模量和硬度n資料資料 彈性模量彈性模量/MPa 硬度硬度/HV n橡膠橡膠 6.9 很低很低 n塑料塑料 1380 17 n 鋁合金鋁合金 72300 170n 鋼鋼 207000 300800 n陶瓷陶瓷 70000500000 3000 n氣孔降低彈性模量；溫度升高彈性模量也降低。氣孔降低彈性模量；溫度升高彈性模量也降低。n陶瓷材料壓縮狀態(tài)的彈性模量一般大于拉伸狀態(tài)的陶瓷材料壓縮狀態(tài)的彈性模量一般大于拉伸狀態(tài)的彈性模量。彈性模量。n(2)硬度硬度 n陶瓷硬度是各類材料中最高的，因陶瓷硬度是各類材料中最高的，因其結合鍵強度高。其結合鍵強度高。n 陶瓷硬度為陶瓷硬度為1000HV5000HV, 淬火淬火鋼為鋼為500HV800HV, 高聚物最硬不超高聚物最硬不超過過20HV。陶瓷的硬度隨溫度的升高而降。陶瓷的硬度隨溫度的升高而降低低, 但在高溫下仍有較高的數(shù)值。但在高溫下仍有較高的數(shù)值。n(3)強度強度 n