华南师范大学材料科学与工程教程第八章 材料的变形与断裂(二).ppt

1第八章材料的变形与断裂(一) 2 各种材料的变形特性可有很大不同各种材料的变形特性可有很大不同??金属材料金属材料————有良好的塑性变形能力,也有较高的强有良好的塑性变形能力,也有较高的强度,常被加工成各种形状的产品零件度,常被加工成各种形状的产品零件??陶瓷材料陶瓷材料————有高的高温强度、耐磨性能、抗腐蚀性有高的高温强度、耐磨性能、抗腐蚀性能,但脆性大,难加工成能,但脆性大,难加工成型型??高分子材料高分子材料———— Tg Tg 以下是脆性的, 以下是脆性的, Tg Tg 以上可加工成型, 以上可加工成型, 但强度很低但强度很低??各种材料力学性能差别主要取决于结合键和晶体或非各种材料力学性能差别主要取决于结合键和晶体或非晶体结构晶体结构概述 3 一、金属变形概述 1 1、从两方面研究金属的变形和断裂: 、从两方面研究金属的变形和断裂: ※※研究生产制造过程中,各种冷热加工工艺(轧制、锻造、挤压、拉拔研究生产制造过程中,各种冷热加工工艺(轧制、锻造、挤压、拉拔等)对金属材料的加工成形和变形后性能的影响; 等)对金属材料的加工成形和变形后性能的影响; ※※研究制成的零部件在实际使用中可能会出现的过量变形和断裂。研究制成的零部件在实际使用中可能会出现的过量变形和断裂。 2 2、材料的强度就是指对变形和断裂的抗力、材料的强度就是指对变形和断裂的抗力通常用通常用应力应力——应变曲线应变曲线来表示金属材料的变形和断裂特性来表示金属材料的变形和断裂特性金属材料除了像铸铁、淬火高碳钢等少数脆性材料外,都有弹性变形、金属材料除了像铸铁、淬火高碳钢等少数脆性材料外,都有弹性变形、塑性变形、最后断裂等三个阶段塑性变形、最后断裂等三个阶段 4 图中, σ s表示开始塑性变形的应力,称为屈服强度, 工程上以去除外力后发生 % ~% 残留变形时的应力为标准,该点以下为弹性变形部分, σ s点以上为塑性变形,随变形程度增大,变形的抗力也增大, 要继续变形就要增加外力, 此称为加工硬化。σ b在曲线的最高点,表示材料的拉伸强度。在σ b以下时,材料只发生均匀伸长,到了σ b点,材料局部地方截面开始变细—颈缩,也称失稳。再继续拉伸,颈缩处越来越细,最后不能承受重力,迅速断裂。 5 二、金属的弹性变形 1、主要特点: ?变形可逆,去除外力后变形消失?服从虎克定律,应力—应变呈线性关系正应力下: 正应力下: σσ= =E Eεε, ,切应力下切应力下: : E E为杨氏模量为杨氏模量, , εε为应变 G G为切变模量, 为切变模量, γγ为为切应变切应变 E EG8 3)1(2 33 .0?????????泊松比( ),在材料的比例极限内,由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值! ???G?6 2、弹性模量(E、G) ?是原子间结合力的反映和量度作用能作用力平衡距离?在外力作用下发生弹性变形,内部原子间距离偏离平衡位置; ?在没有外力时,晶体内原子间的结合能和结合力可以预测?弹性变形的难易程度取决于作用力—原子间距离曲线的斜率 S 0由于金属材料的弹性变形很小( <% ), 原子间距离只能在 r 0附近变化,可把 S 0看成是常数,则弹性变形所需的外力 F = S 0(r-r 0) σ= S 0ε/ r 0, E = S 0 / r 0这就是虎克定律和弹性模量的微观解释 7 ?弹性模量是原子间结合力强弱的反映,是一个对组织不敏感的性能指标,加入少量合金元素和热处理对弹性模量影响不大例如碳钢、铸钢和各种合金钢的弹性模量都差别不大,( E ? 200GPa )但它们的屈服强度和抗拉强度可以相差很大?弹性模量在工程技术上表示材料的刚度,有些零件或工程构件主要是按刚度要求设计的,刚度条件满足,强度一般情况下也是满足的?在相同外力作用下,刚度大的材料发生弹性变形量就小如铁的弹性模量是铝的三倍,则铁的弹性变形只有铝的三分之一 8 三、滑移与孪晶变形 1、滑移观察 1)光学显微镜观察试样表面内有许多平行的或几组交叉的细线, 是相对滑移的晶体层与试样表面的交线——滑移带 2)电子显微镜观察滑移带是由是由更多的一组平行线构成——滑移线试样内的滑移带不是均匀分布的,滑移线构成的滑移台阶高约 100nm , 如果滑移 b= ,则从滑移台阶的高度可粗略估计约有 400 个位错移出了晶体表面。 9 2、滑移机制 1)位错宽度晶体中已滑移的部分与未滑移部分的分界是以位错作为表征,其分界是一个过渡区域。?位错的宽度是两种能力平衡的结果位错宽度越窄,界面能越小,而弹性畸变能越大?位错宽度增加,弹性畸变能分摊到较宽区域内的各个原子上,使每个原子列偏离其平衡位置较小,单位体积内的弹性畸变能减小?位错宽度是影响位错是否容易运动