1、編輯課件19.金屬材料的變形與再結(jié)晶編輯課件2金屬材料的變形與再結(jié)晶123金屬熱變形、蠕變與超塑性金屬熱變形、蠕變與超塑性4金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線金屬的塑性變形金屬的塑性變形回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶編輯課件3單向靜拉伸試驗單向靜拉伸試驗n是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗方法之一。n1）可揭示材料在靜載下的力學(xué)行為（三種失效形式）：n即：過量彈性變形過量彈性變形、塑性變形塑性變形、斷裂斷裂。n2）還可標(biāo)定出材料的最基本力學(xué)性能指標(biāo)：n如：屈服強度屈服強度、抗拉強度抗拉強度、伸長率伸長率、斷面收縮率斷面收縮率等。 9-1 金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線編輯課件41、拉伸力伸長曲線、拉

2、伸力伸長曲線n1 1、拉伸曲線、拉伸曲線n拉伸力拉伸力F絕對伸長絕對伸長L的關(guān)系曲線。n在拉伸力的作用下，退火低碳鋼的變形過程四個階段：n1）彈性變形彈性變形：Oen2）不均勻屈服塑性變形不均勻屈服塑性變形：ACn3）均勻塑性變形均勻塑性變形：CBn4）不均勻集中塑性變形不均勻集中塑性變形：Bkn5）最后發(fā)生斷裂。k低碳鋼的拉伸力與伸長曲線編輯課件52、工程應(yīng)力、工程應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變曲線曲線（工程）應(yīng)力（工程）應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變曲線，曲線，曲線形狀不變。n由此，可建立材料在靜拉伸下的力學(xué)性能指標(biāo)。n應(yīng)力應(yīng)力：物體受外載荷作用時，單位截面積上內(nèi)力。0FA000LLLLL工程應(yīng)力應(yīng)變曲線工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

3、n應(yīng)變應(yīng)變：單位長度上的伸長。試樣原截面積 A0試樣標(biāo)距 L0n彈性變形：應(yīng)力去除后能夠彈性變形：應(yīng)力去除后能夠恢復(fù)的變形?；謴?fù)的變形。=E=En彈性模量：彈性模量： E En彈性極限：彈性極限： e en屈服極限：屈服極限：s s， 0.20.2n加工硬化（應(yīng)變硬化）加工硬化（應(yīng)變硬化）n抗拉強度：抗拉強度： b bn斷裂強度：斷裂強度： k kn延伸率：延伸率：=(L=(Lk k-L-L0 0)/L)/L0 0n斷面收縮率：斷面收縮率：=（F F0 0-F-Fk k)/F)/F0 0編輯課件6n用靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，可得出許多重要性能指標(biāo):n彈性模量彈性模量 E ：主要用于零件的剛度設(shè)計。

4、n屈服強度屈服強度s s 和抗拉強度和抗拉強度b b ：主要用于零件的強度設(shè)計。n特別是：抗拉強度抗拉強度b b 和彎曲疲勞強度彎曲疲勞強度有一定比例關(guān)系，進一步為零件在交變載荷下使用提供參考。n而材料的塑性材料的塑性，斷裂前的應(yīng)變量斷裂前的應(yīng)變量：主要是為材料在冷熱變形時的工藝性能作參考。2、工程應(yīng)力、工程應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變曲線曲線編輯課件7n工程應(yīng)力工程應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變曲線：曲線：n不能真實反映試件拉伸過程中應(yīng)力和應(yīng)變的變化關(guān)系。n實際拉伸中，隨載荷F 增加，長度 L0 伸長，截面積 A0 相應(yīng)減少。0FA工程應(yīng)力應(yīng)變曲線工程應(yīng)力應(yīng)變曲線000LLLLL2、工程應(yīng)力、工程應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變曲線曲線低鋼

5、、正火、退火調(diào)質(zhì)中鋼，低、中C合金鋼某些Al合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。鑄鐵、陶瓷：只有第I階段中、高碳鋼：沒有第II階段編輯課件83、真應(yīng)力、真應(yīng)力S真應(yīng)變真應(yīng)變e 曲線曲線n3 3、真應(yīng)力、真應(yīng)力S真應(yīng)變真應(yīng)變e 曲線：（流變曲線）曲線：（流變曲線）n在實踐的塑性變形中，試樣的截面積與長度也在不斷發(fā)生著變化，在研究金屬塑性變形時，為了獲得真實的變形特性，應(yīng)當(dāng)按真應(yīng)力和真應(yīng)變來進行分析。n流變曲線真實反映變形過程中，隨應(yīng)變量增大，材料性質(zhì)的變化。工程應(yīng)力應(yīng)變曲線工程應(yīng)力應(yīng)變曲線編輯課件9真應(yīng)力真應(yīng)力S與真應(yīng)變與真應(yīng)變en1 1）真應(yīng)力）真應(yīng)力 S ：試件在某一瞬時承受的拉伸應(yīng)力。n

6、2）真應(yīng)變）真應(yīng)變 e ：試件瞬時伸長量 / 瞬時長度。n若拉伸過程各階段試件伸長量為一微小增量dL，則試件從L0伸長到Ln，總應(yīng)變?yōu)椋?00LLLLL工程應(yīng)變0AF工程應(yīng)力初始長度最終長度lnln01120010LLLdLLLLLLLeLL試件瞬時截面積瞬時載荷iiAFS編輯課件10n3）真應(yīng)力真應(yīng)力S 與工程應(yīng)力工程應(yīng)力關(guān)系關(guān)系n當(dāng)材料拉伸變形是等體積變化（等體積變化（A0L0=AL）過程時，n真應(yīng)力真應(yīng)力S 和工程應(yīng)力工程應(yīng)力 之間存在如下關(guān)系：n這說明，S 。（-工程應(yīng)變工程應(yīng)變）（1S00000()(1)FFLFLLSAA LAL編輯課件11n4）真應(yīng)變真應(yīng)變e 與工程應(yīng)變工程應(yīng)變關(guān)

7、系關(guān)系n顯然，總是 e ，且變形量越大，二者的差距越大。0ln0LLLdLeLL000LLLLL000lnlnlnLLLeLL （1 ）編輯課件124、定義真應(yīng)力、定義真應(yīng)力S（應(yīng)變（應(yīng)變e）的意義）的意義n1 1）真應(yīng)力）真應(yīng)力 S 和真應(yīng)變和真應(yīng)變 e 的定義：的定義：n承認(rèn)了在變形過程中試件長度和直徑間相互變化的事實。承認(rèn)了在變形過程中試件長度和直徑間相互變化的事實。n因變形過程中體積保持不變，因此n即長度伸長了，其實際截面積 A 就會相應(yīng)減少，因此，常數(shù)2211LALA工程應(yīng)力真應(yīng)力SiiFSA瞬時載荷試件瞬時截面積0AF編輯課件134、定義真應(yīng)力、定義真應(yīng)力S （應(yīng)變（應(yīng)變e ）的意

8、義）的意義n2 2）之所以如此定義真應(yīng)變：）之所以如此定義真應(yīng)變：n 因為每一時刻實際應(yīng)變e 與瞬時標(biāo)距長度瞬時標(biāo)距長度L Li i 有關(guān)。n若固定每一位移增量L ，瞬時長度 Li 就隨之增加，相應(yīng)地，應(yīng)變增量應(yīng)變增量就會減少。n（因隨附加每一位移增量L，瞬時標(biāo)距長度Li 都要隨之增加 ）。n 由試件總長度變化來定義其真應(yīng)變真應(yīng)變e e，就有可能認(rèn)為該長度變化是一步達到的，或任意多步達到的。試件初始長度試件最終長度lnln01120010LLLdLLLLLLLeLL編輯課件14n因此，若試件分幾次拉伸（如分2次拉伸），則n各次拉伸各次拉伸工程應(yīng)變量工程應(yīng)變量之和之和不等于不等于一次拉伸的工程應(yīng)

9、變量。一次拉伸的工程應(yīng)變量。n但是，各次拉伸各次拉伸真應(yīng)變量真應(yīng)變量e之和之和等于等于一次拉伸的真應(yīng)變量。一次拉伸的真應(yīng)變量。002112001LLLLLLLLL021201lnlnlnLLLLLL編輯課件155、不同類型材料典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線、不同類型材料典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線n1）第）第種類型：完全彈性種類型：完全彈性n可用虎克定律虎克定律描述其應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變成比例的材料特性。En特點：特點：具有可逆應(yīng)力應(yīng)變曲線和不出現(xiàn)塑性變形的特征。n典型材料：典型材料：如玻璃、巖石、多種陶瓷、高交聯(lián)度的高聚合物和低溫下的某些金屬材料。n此類材料抗脆性（低能量）斷裂的能力是極需注意的問題。E材料

10、的彈性模量（楊氏模量）編輯課件16n蘇打石灰玻璃：蘇打石灰玻璃：應(yīng)力-應(yīng)變曲線只顯示彈性變形，沒有塑性變形立即斷裂，這是完全脆斷的情形。n工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料：工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料：如Al2O3，SiC等，淬火態(tài)高碳鋼、普通灰鑄鐵也屬這種情況。 編輯課件17n完全彈性材料：完全彈性材料：n不適用于在拉伸載荷下的工程應(yīng)用，但用于承受壓縮載荷時，卻是一種理想的材料。因為脆性材料受壓時強度比受拉時強度要大好幾倍。n如：混凝土材料混凝土材料是其極好的例子，廣泛用于受壓的情況。n但工程中承受純壓縮載荷是極少的，一般或多或少地同時承受拉伸載荷，因此完全彈性材料（脆性材料）應(yīng)用于工程上應(yīng)考慮提高其抵抗拉伸載荷的措施

11、。n如：在混凝土材料中通過配鋼筋來混凝土材料中通過配鋼筋來提高其抗拉伸性能。編輯課件18n高分子材料，聚氯乙烯：高分子材料，聚氯乙烯：在拉伸開始時，應(yīng)力和應(yīng)變不成直線關(guān)系，即不服從虎克定律，而且變形表現(xiàn)為粘彈性粘彈性。n粘彈性：粘彈性：是指材料在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機理同時存在的力學(xué)行為。n其其特征特征是應(yīng)變對應(yīng)力的響應(yīng)（或反之)不是瞬時完成的（應(yīng)變落后于應(yīng)力），需要需要通過一個弛豫過程通過一個弛豫過程，但卸裁后，應(yīng)變恢復(fù)到初始值，不應(yīng)變恢復(fù)到初始值，不留下殘余變形留下殘余變形。編輯課件19n2 2）第）第種類型：彈性均勻塑性種類型：彈性均勻塑性n若材料具有不可逆的塑性變形能力，在彈

12、性變形后，接著有一個均勻變形階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)為第第類型類型。第種類型的應(yīng)力應(yīng)變曲線 n應(yīng)力很小時，仍有彈性變形區(qū)彈性變形區(qū)，接著一段光滑的拋物線，其相應(yīng)于均勻塑性變形過程均勻塑性變形過程。n均勻塑性變形：均勻塑性變形：n表明塑性變形需要不斷增加外力才能繼續(xù)進行，即材料有阻止繼續(xù)塑變的能力（應(yīng)變硬化（應(yīng)變硬化性能）性能）。編輯課件20n多數(shù)塑性金屬材料多數(shù)塑性金屬材料，如鋁鎂合金、銅合金、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼（經(jīng)淬火中高溫回火）其應(yīng)力-應(yīng)變曲線也是如此。n材料由彈性連續(xù)過渡到塑性變形，塑性變形時無鋸齒形平臺，變形時總伴隨著加工硬化。編輯課件21n3）第）第種類型：彈性不均勻塑性變形種類型：彈性

13、不均勻塑性變形n在正常彈性后，有一系列鋸齒疊加在拋物線型曲線上。n此類材料特性：是由于材料內(nèi)部不均勻變形所致。n出現(xiàn)的情況：出現(xiàn)的情況：n（1）面心立方金屬在低溫和高應(yīng)）面心立方金屬在低溫和高應(yīng)變率下，其塑變通過孿生進行。變率下，其塑變通過孿生進行。n標(biāo)距的長度隨孿生帶的成核和生長間歇地突然伸長，當(dāng)試樣中瞬時應(yīng)變率超過試驗機夾頭運動速率，則載荷就下降。編輯課件22n（2 2）含碳的體心立方鐵基固溶體及鋁的低溶質(zhì)固溶體。）含碳的體心立方鐵基固溶體及鋁的低溶質(zhì)固溶體。n由于溶質(zhì)原子或空位與晶格位錯相互作用的結(jié)果所致。n若應(yīng)力足夠大，位錯可從溶質(zhì)原子簇中掙脫，載荷就下降。n若溶質(zhì)原子足夠快地擴散開，

14、就可將位錯重新鎖住，則須再增大載荷才使變形繼續(xù)下去。編輯課件23n4）第）第種類型：彈性種類型：彈性不均勻塑性不均勻塑性均勻塑性變形均勻塑性變形n許多體心立方鐵基合金和有色合金，應(yīng)力應(yīng)變曲線在彈性彈性與均勻塑性變形均勻塑性變形間有一狹窄一段屬不均勻塑變區(qū)不均勻塑變區(qū)。即從彈性向塑性變形的過渡明顯。n主要表現(xiàn)：主要表現(xiàn)：在試驗中，外力不增加（保持恒定）試樣仍繼續(xù)伸長；或外力增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動下，試樣繼續(xù)伸長變形。這便是“屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象”。編輯課件24n5）第）第種類型：種類型：彈性不均勻塑性均勻塑性變形彈性不均勻塑性均勻塑性變形n它有一個上屈服點上屈服點A，

15、接著載荷下降。n其中：OA彈性彈性；AB不均勻塑變不均勻塑變；BC均勻塑變均勻塑變。n到達B點后，試件出現(xiàn)“縮頸縮頸”，但并很快失效。n典型的結(jié)晶高聚合物材料結(jié)晶高聚合物材料具有此特征，這與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。n以B點為界，整個塑變出現(xiàn)兩種不同趨勢。nAB應(yīng)力隨應(yīng)變增大而下降，BC則隨應(yīng)變增大而上升。ABC編輯課件25不同類型材料典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線不同類型材料典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線n退火低碳鋼：退火低碳鋼：n在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，出現(xiàn)屈服平臺，平臺的延伸長度隨鋼的含碳量增加而減少。n當(dāng)含碳量增至0.6%以上，平臺消失。編輯課件26其它類型材料的應(yīng)力其它類型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線彈性變形、彈性變形、塑性變形塑性變形彈性變形彈性變形非線性非線性彈性變彈性變形形1純金屬純金屬（Al、Cu、Ag等）等）2高彈性材料高彈性材料（橡膠）（橡膠）3脆性材料脆性材料（陶瓷、白口鑄鐵、淬火高碳鋼）（陶瓷、白口鑄鐵、淬火高碳鋼）1234102030 (%)0100200300400500600700800900 (MPa)1、錳鋼、錳鋼 2、硬鋁、硬鋁 3、退火球墨鑄鐵、退火球墨鑄鐵 4、低碳鋼、低碳鋼特點：特點：d d 較大，為塑性材料。 無明顯屈服階段。編輯課件276 6、溫度溫度和和應(yīng)變速率