1、金屬中的應力和應變金屬中的應力和應變拉伸試驗和應力拉伸試驗和應力-應變圖應變圖金屬單晶體、多晶體的塑性變形金屬單晶體、多晶體的塑性變形冷變形金屬的回復和再結晶冷變形金屬的回復和再結晶金屬的斷裂、疲勞金屬的斷裂、疲勞金屬的蠕變和持久強度金屬的蠕變和持久強度陶瓷材料力學性能的特點和變形機制陶瓷材料力學性能的特點和變形機制陶瓷材料的應力陶瓷材料的應力-應變行為應變行為影響陶瓷材料強度的因素影響陶瓷材料強度的因素第八章第八章 金屬和陶瓷的力學性能金屬和陶瓷的力學性能主主要要內內容容8.1 金屬中的應力和應變金屬中的應力和應變l 機械零件在工作中要承受外力或負載的作用，例如用鋁合金機械零件在工作中要承受

2、外力或負載的作用，例如用鋁合金制成的飛機機翼，用陶瓷制成的航天飛機防護瓦等。這些零件制成的飛機機翼，用陶瓷制成的航天飛機防護瓦等。這些零件在工作中引起的任何變形都不能超過允許量，更不應發生斷裂。在工作中引起的任何變形都不能超過允許量，更不應發生斷裂。力學性能反映了材料對外力作用的響應，重要的力學性能有強力學性能反映了材料對外力作用的響應，重要的力學性能有強度、硬度，延性和韌性等度、硬度，延性和韌性等。l 力學性能可以通過專門設計的試驗設備來測定力學性能可以通過專門設計的試驗設備來測定，試驗時要考，試驗時要考慮到外力的性質和持續時間，以及環境條件等。慮到外力的性質和持續時間，以及環境條件等。負荷

3、可以是拉仲、壓縮或切變性質的。其大小可以不隨時間負荷可以是拉仲、壓縮或切變性質的。其大小可以不隨時間變化變化;也可以由零以一定的速率增加，直到斷裂也可以由零以一定的速率增加，直到斷裂;還可以局期地還可以局期地變化。負荷作用的時間可以只有幾分之一秒，也可以延續數年變化。負荷作用的時間可以只有幾分之一秒，也可以延續數年之久。試驗溫度也是一個重要因素。之久。試驗溫度也是一個重要因素。v1、軸向拉伸時的應力與應變：、軸向拉伸時的應力與應變：v2、應力與應變之間的關系、應力與應變之間的關系（在（在彈性范圍內）彈性范圍內）圖圖8.1金屬棒在單軸拉伸外力金屬棒在單軸拉伸外力F作用下的伸長作用下的伸長應力應力

4、：8.1 金屬中的應力和應變金屬中的應力和應變單位單位:兆帕兆帕(MPa)應變應變:v3、剪切變形時的應力、剪切變形時的應力與應變：與應變：v4、應力與應變之間的、應力與應變之間的關系關系（在彈性范圍內）（在彈性范圍內）對于純彈性切變，切應力與對于純彈性切變，切應力與切應變的關系為：切應變的關系為：8.1 金屬中的應力和應變金屬中的應力和應變8.2 拉伸試驗和應力拉伸試驗和應力-應變圖應變圖v 拉伸試驗可用來測定金屬材料的力學性能。在拉伸試拉伸試驗可用來測定金屬材料的力學性能。在拉伸試驗中，試樣在比較短的時間內，以恒定的速率受到拉驗中，試樣在比較短的時間內，以恒定的速率受到拉伸直至斷裂。伸直至

5、斷裂。v直徑為直徑為10 mm的圓試樣的圓試樣, 長度長度50mmv負荷負荷-伸長曲線可以轉換為伸長曲線可以轉換為應力應力-應變曲線應變曲線, 又稱又稱應力應力-應變圖應變圖v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：v1、彈性模量：、彈性模量：v2、規定非比例伸、規定非比例伸長應力：長應力：v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v3、抗拉強度：、抗拉強度：v4、斷后伸長率：、斷后伸長率：v5、截面收縮率：、截面收縮率：8.3 金屬單晶體的塑性變形金屬單晶體的塑性變形l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、孿生

6、滑移、孿生。l金屬金屬常以滑移方式常以滑移方式發生塑性變形。發生塑性變形。1. 滑移滑移 v任何晶面上都可分解為任何晶面上都可分解為正應力正應力和和切應力切應力。正應。正應力只能引起晶格的彈性力只能引起晶格的彈性變形及將晶粒拉斷。變形及將晶粒拉斷。只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生彈屬晶體的晶格在發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v 滑移滑移是晶體在切應力的作用下是晶體在切應力的作用下, 晶體的一部分相對于另一部分沿

7、晶體的一部分相對于另一部分沿一定的一定的晶面晶面(滑移面滑移面)和晶向和晶向發生發生滑動位移滑動位移的現象的現象。8.3 金屬單晶體的塑性變形金屬單晶體的塑性變形滑移變形的特點滑移變形的特點 ： 滑移常沿晶體中原子密度最大的滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發生。因為原子密度最大晶面和晶向發生。因為原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結的晶面和晶向之間原子間距最大，結合力最弱，產生滑移所需切應力最小。合力最弱，產生滑移所需切應力最小。 滑移只能在切應力的作用下發生。滑移只能在切應力的作用下發生。產生滑移的最小切應力產生滑移的最小切應力-臨界切應力臨界切應力. l沿其發生滑移的晶面和晶

8、向分別叫做沿其發生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。 晶面間距示意圖晶面間距示意圖8.3 金屬單晶體的塑性變形金屬單晶體的塑性變形一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。(以以下以體心立方晶格為例下以體心立方晶格為例)8.3 金屬單晶體的塑性變形金屬單晶體的塑性變形v滑移系越多，金屬發生滑移的可能性越大，塑性也越好，滑移系越多，金屬發生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中其中滑移方向滑移方向對塑性的貢獻比滑移面更大。對塑性的貢獻比滑移面更大。v因而金屬的塑性

9、，因而金屬的塑性，面心立方面心立方晶格好于晶格好于體心立方體心立方晶格晶格, 體心立體心立方晶格好于方晶格好于密排六方密排六方晶格。晶格。面心立方密排六方v滑移時，晶體兩部分的相對滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數倍位移量是原子間距的整數倍.v滑移的結果在晶體表面形成臺滑移的結果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。組成一個滑移帶。v（在光學顯微鏡下無法分辨出在光學顯微鏡下無法分辨出滑移帶內滑移臺階，因此，滑移帶內滑移臺階，因此，滑滑移帶也常常稱為滑移線移帶也常常稱為滑移線）v從滑移帶的結構可知，金屬即從滑移帶的結構可知，金屬即使進行了

10、大量的塑性變形，這使進行了大量的塑性變形，這些變形也只是集中在一小部分些變形也只是集中在一小部分的滑移面，許多潛在的滑移面的滑移面，許多潛在的滑移面上并沒有進行滑移，大多數原上并沒有進行滑移，大多數原子對于其鄰居來講并移動。子對于其鄰居來講并移動。v 滑移的同時伴隨著晶體的轉動滑移的同時伴隨著晶體的轉動v如圖所示：當外力作用如圖所示：當外力作用于單晶體試樣時，它在于單晶體試樣時，它在某些相鄰層晶面上所分某些相鄰層晶面上所分解的切應力使晶體發生解的切應力使晶體發生滑移，而滑移，而正應力正應力則組成則組成一力偶，使晶體在滑移一力偶，使晶體在滑移的同時向外力方向發生的同時向外力方向發生轉動。轉動。外

11、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v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，大量研究表明：滑移是通過滑移面上位錯的運動來實對的，大量研究表明：滑移是通過滑移面上位錯的運動來實現的。現的。(P188)v滑移的機理：滑移的機理：n晶體通過位錯運動產生滑移時，并不需要整個晶體的上半晶體通過位錯運動產生滑移時，并不需要整個晶體的上半部分原子相對于下半部分原子一起位移部分原子相對于下半部分原子一起位移,而只有少數原子產而只有少數原子產生滑移，因而所需臨界切應力小生滑移

12、，因而所需臨界切應力小刃形位錯在切應力作用下在滑移面上的運動刃形位錯在切應力作用下在滑移面上的運動v2、孿生：、孿生：v孿生孿生是指晶體的一部分沿是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一定晶面和晶向相對于另一部分所發生的一部分所發生的切變。切變。v發生切變的部分稱發生切變的部分稱孿生帶孿生帶或或孿晶孿晶，沿其發生孿生的，沿其發生孿生的晶面稱晶面稱孿生面孿生面。v孿生的結果孿生的結果:使孿生面兩使孿生面兩側的原子排列呈鏡面對稱。側的原子排列呈鏡面對稱。 u孿生使晶格位向發生改變；孿生使晶格位向發生改變；u所需切應力比滑移大得多所需切應力比滑移大得多, 變形速度極快變形速度極快, 接近聲速接近聲

13、速;u孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距.v金屬表面的基本差別：滑移產生一系列臺階，而孿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、范圍確定的變形區生則產生一個小的、范圍確定的變形區.n密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發生孿生變形。格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發生孿生變形。面心立方晶面心立方晶格金屬，一般不發生孿生變形，但常發現有孿晶存在，這是由格金屬，一般不發生孿生變形，但常發現有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重

14、新排列時發生錯排而產生的，稱于相變過程中原子重新排列時發生錯排而產生的，稱退火孿晶。退火孿晶。v孿生與滑移相比：孿生與滑移相比：8.4 金屬多晶體的塑性變形金屬多晶體的塑性變形v1. 晶界及晶粒位向差的影響：晶界及晶粒位向差的影響：(1)晶界的影響：晶界的影響：l當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來,稱稱位錯的塞積位錯的塞積。要使變形繼續進行。要使變形繼續進行, 則必須增加外力則必須增加外力, 從從而使金屬的變形抗力提高。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現象試驗的竹節現象（2）晶粒位向的影

15、響）晶粒位向的影響v由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發生塑性變形時，由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發生塑性變形時，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，各晶粒必須相互協調，相互適應，才能發生變形。晶粒必須相互協調，相互適應，才能發生變形。由于晶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于單晶體。總是高于單晶體。 u多晶體中首先發生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于多晶體中首先發生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45的晶粒（切應力最大）。的晶粒（切應力最大）。v當

16、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，促使另一批加上滑移時晶粒的轉動，促使另一批晶粒開始滑移變形，晶粒開始滑移變形，v從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，從少量晶粒開始逐步擴大到大晶粒，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展到比量晶粒，從不均勻變形逐步發展到比較均勻變形。當有大量晶粒發生滑移較均勻變形。當有大量晶粒發生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。 v3. 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v金屬的晶粒越細，其強金屬的晶粒越細，其強度和

17、硬度越高。度和硬度越高。v因為金屬晶粒越細，晶因為金屬晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障界總面積越大，位錯障礙越多；需要協調的具礙越多；需要協調的具有不同位向的晶粒越多，有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力使金屬塑性變形的抗力越高。越高。晶粒大小與金屬強度關系晶粒大小與金屬強度關系v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。v因為晶粒越細，單位體積內晶粒數目越多，參與變形的晶因為晶粒越細，單位體積內晶粒數目越多，參與變形的晶粒數目也越多，變形越均勻，而不致造成應力集中，引起粒數目也越多，變形越均勻，而不致造成應力集中，引起裂紋的過早產生和發展，因此在斷裂前可發

18、生較大的塑性裂紋的過早產生和發展，因此在斷裂前可發生較大的塑性變形，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。變形，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。v通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法稱的方法稱細晶強化細晶強化。v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u1、塑性變形對組織結構的影響、塑性變形對組織結構的影響 u金屬發生塑性變形時，不僅外形發生變化，而且其內部的晶金屬發生塑性變形時，不僅外形發生變化，而且其內部的晶粒也相應地被拉長或壓扁。粒也相應地被拉長或壓扁。u當變形量很大時，晶粒將被拉長為

19、纖維狀，晶界變得模糊不當變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變得模糊不清。清。l塑性變形還使晶粒破碎為亞塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。晶粒。工業純鐵在塑性變形前后的組織變化工業純鐵在塑性變形前后的組織變化5%冷變形純鋁中的位錯網冷變形純鋁中的位錯網(a) 正火態正火態(c) 變形變形80%(b) 變形變形40%v由于晶粒的轉動，當塑性變形達到由于晶粒的轉動，當塑性變形達到一定程度時，會使絕大部分晶粒的一定程度時，會使絕大部分晶粒的位向與變形方向趨于一致，這種現位向與變形方向趨于一致，這種現象稱織構或擇優取向。象稱織構或擇優取向。v形變織構使金屬呈現各形變織構使金屬呈現各向異性，在深沖零件時

20、，向異性，在深沖零件時，易產生易產生“制耳制耳”現象，使現象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構可提高硅鋼片的導但織構可提高硅鋼片的導磁率。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致的銅板各向異性導致的銅板 “制耳制耳”有有無無2、加工硬化、加工硬化v隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現象稱下降的現象稱加工硬化加工硬化。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v產生加工硬化的原因產生加工硬化的

21、原因：（分析）分析）v1、隨變形量增加，位錯密度增加、隨變形量增加，位錯密度增加，由于位錯之間的交互，由于位錯之間的交互作用作用(堆積、纏結堆積、纏結)，使變形抗力增加。，使變形抗力增加。v2. 隨變形量增加，隨變形量增加，亞結構亞結構細化。細化。v3. 隨變形量增加隨變形量增加, 空位密度增加。空位密度增加。v加工硬化的結果加工硬化的結果:v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。v解決的辦法：解決的辦法：v在加工過程中安排一些中間退火工序，通過加熱消除其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象，以恢復它進一步變形的能力。加工硬化現象，以恢復它進一步變形的

22、能力。v加工硬化使金屬材料的塑性韌性下降，強度、硬度增加，加工硬化使金屬材料的塑性韌性下降，強度、硬度增加，是強化金屬的重要手段之一是強化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強化的純對于不能熱處理強化的純金屬和合金尤為重要。例如金屬和合金尤為重要。例如:v（1）冷拉高強度鋼絲、冷卷彈簧等主要是利用冷加工冷拉高強度鋼絲、冷卷彈簧等主要是利用冷加工變形來提高它們的強度和彈性極限。變形來提高它們的強度和彈性極限。v（2）坦克和拖拉機的履帶、破碎機的額板、鐵路的道）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提高它們的硬度及耐磨性。岔等都是利用加工硬化來提高它們的硬度及耐磨性。 加工

23、硬化不僅使材料的加工硬化不僅使材料的機械性能發生顯著變化機械性能發生顯著變化，而且，而且物理、化學性能物理、化學性能也會發生顯著變化，如電阻率增加、耐腐也會發生顯著變化，如電阻率增加、耐腐蝕性降低等，所有這些在設計和制造各種金屬零件或制品蝕性降低等，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。時應予以充分考慮。8.5 冷變形金屬的回復和再結晶冷變形金屬的回復和再結晶v（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變化： v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%轉化為內應力殘留轉化為內應力殘留于金屬中于金屬中,使材料的內能增加，處

24、于高能量狀態的冷變形使材料的內能增加，處于高能量狀態的冷變形金屬組織處于不穩定狀態金屬組織處于不穩定狀態, 有自發恢復到穩定狀態的傾向。有自發恢復到穩定狀態的傾向。v固一旦對金屬加熱，可使原子擴散能力增加，便必然會發固一旦對金屬加熱，可使原子擴散能力增加，便必然會發生一系列組織和性能的變化，隨著加熱溫度的不同，大致生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：可以分為三個階段：回復、再結晶和晶粒長大回復、再結晶和晶粒長大。 加熱溫度加熱溫度 黃銅黃銅v回復：回復：v回復是指在加熱溫度較低時，由于金屬中的點缺陷及位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

25、而引起的晶內某些變化。如空位與其他缺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并而使缺陷數陷合并、同一滑移面上的異號位錯相遇合并而使缺陷數量減少等，使材料處于一種低能狀態。量減少等，使材料處于一種低能狀態。v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變為垂直變形時的無序狀態變為垂直分布，形成分布，形成亞晶界亞晶界，亞晶界，亞晶界的形成使一個變形晶粒內部的形成使一個變形晶粒內部產生許多亞晶粒，這一過程產生許多亞晶粒，這一過程稱稱多邊形化多邊形化。v在回復階段，金屬組織變在回復階段，金屬組織變化不明顯，其化不明顯，其強度、硬度強度、硬

26、度略有下降，塑性略有提高，略有下降，塑性略有提高，但內應力、電阻率等顯著但內應力、電阻率等顯著下降下降。v工業上，常利用回復現象工業上，常利用回復現象將冷變形金屬低溫加熱，將冷變形金屬低溫加熱，既穩定組織又保留加工硬既穩定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱化，這種熱處理方法稱去去應力退火應力退火。v再結晶：再結晶：v當變形金屬被加熱到較高當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始力增大，晶粒的形狀開始發生變化，由破碎拉長的發生變化，由破碎拉長的晶粒變為完整的等軸晶粒晶粒變為完整的等軸晶粒。v這種冷變形組織在加熱時這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組

27、的過程稱重新徹底改組的過程稱再再結晶結晶。鐵素體變形鐵素體變形80%670加熱加熱650加熱加熱v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： 再結晶過程也是通過成核、長大過程來實現的。當變形再結晶過程也是通過成核、長大過程來實現的。當變形金屬被加熱到一定溫度時，原子的活動能力教強，會在變形金屬被加熱到一定

28、溫度時，原子的活動能力教強，會在變形晶粒的晶粒的晶界晶界或晶粒內部的或晶粒內部的亞晶界處以不同于一般結晶亞晶界處以不同于一般結晶的特殊的特殊成核方式產生新晶核，隨著原子的擴散移動，成核方式產生新晶核，隨著原子的擴散移動，新晶核的邊界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長大。最終是一批新的等軸晶粒取代了原先變形的晶粒，完。最終是一批新的等軸晶粒取代了原先變形的晶粒，完成了一次新的結晶過程。成了一次新的結晶過程。 但是，它沒有發生晶格類型的變化，只是晶體形態和但是，它沒有發生晶格類型的變化，只是晶體形態和大小的變化

29、。也可以說，只有顯微組織變化而沒有晶格結構，大小的變化。也可以說，只有顯微組織變化而沒有晶格結構，故稱為故稱為再結晶再結晶。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前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。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580580C C保溫保溫1515分后的組織分后的組織700700C C保溫保溫1010分后的組織分后的組織v再結晶后的晶粒長大：再結晶后的晶粒長大：v再結晶完成后，若繼續再結晶完成后，若繼續升高升高加熱溫度或

30、加熱溫度或延長保溫時間，延長保溫時間，將發生晶粒長大，將發生晶粒長大，這是一個這是一個自發的過程。自發的過程。v晶粒的長大是通過晶粒的長大是通過晶界遷移晶界遷移進行的，是大晶粒吞進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強度，尤晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是塑性和韌性降低其是塑性和韌性降低 。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

31、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v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，某一溫度開始進行的過程，發生再結晶的最低溫度發生再結晶的最低溫度稱稱再結再結晶溫度晶溫度。（。（沒有經過冷加工變形的金屬在加熱時是不會發沒有經過冷加工變形的金屬在加熱時是不會發生再結晶的生再結晶的）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冷變形冷變形(變形量為變形量為38%)黃銅的再結晶

32、黃銅的再結晶8.6 金屬的斷裂金屬的斷裂n 金屬在金屬在應力的作用應力的作用下分為兩部分的現象稱為斷裂。下分為兩部分的現象稱為斷裂。n一般可分為一般可分為延性斷裂和脆性斷裂延性斷裂和脆性斷裂兩類，也可二者兼有。兩類，也可二者兼有。 1. 延性斷裂延性斷裂圓形截面拉伸試樣的延性斷裂：圓形截面拉伸試樣的延性斷裂：應力超過其抗拉強度應力超過其抗拉強度-斷裂斷裂延性斷裂可以分為三個階段延性斷裂可以分為三個階段:試樣形成試樣形成縮頸縮頸，隨后，隨后孔洞在頸縮區形孔洞在頸縮區形成成;頸縮處的頸縮處的孔洞孔洞在試樣的中心處在試樣的中心處聚集形聚集形成裂紋成裂紋，并沿垂直于外加應力的方向向，并沿垂直于外加應力

33、的方向向試樣表面試樣表面擴展擴展;當裂紋接近表面時，其當裂紋接近表面時，其方向改變方向改變與拉與拉伸軸成伸軸成45度角度角，結果形成了，結果形成了杯錐狀斷口杯錐狀斷口。n脆性斷裂脆性斷裂: 塑性變形非常小塑性變形非常小, 通常通常沿特定的晶面沿特定的晶面(又稱解理面又稱解理面)進進行，作用的應力垂直于解理面。許多具有密排六方結構的金屬，行，作用的應力垂直于解理面。許多具有密排六方結構的金屬，由于其滑移系的數目有限而進行脆性斷裂。由于其滑移系的數目有限而進行脆性斷裂。 2. 脆性斷裂脆性斷裂如密排六方鋅單晶體、另體心立方金屬如如密排六方鋅單晶體、另體心立方金屬如-Fe, 鉬，鎢等也發生脆性斷裂鉬

34、，鎢等也發生脆性斷裂多晶體金屬大多數是穿晶斷裂多晶體金屬大多數是穿晶斷裂。但如果晶界區有脆性膜或是晶。但如果晶界區有脆性膜或是晶界區由于有害雜質的偏聚，脆性斷裂也可以沿晶界進行。界區由于有害雜質的偏聚，脆性斷裂也可以沿晶界進行。脆性斷裂可分成脆性斷裂可分成三個階段三個階段: 塑性變形使塑性變形使位錯沿滑移面集中在障礙物處位錯沿滑移面集中在障礙物處。位錯受阻處的切應力增大，造成位錯受阻處的切應力增大，造成顯微裂紋萌生顯微裂紋萌生。進一步加力進一步加力顯微裂紋擴展顯微裂紋擴展，儲存的彈性應變能也促使裂紋擴展。，儲存的彈性應變能也促使裂紋擴展。低溫和高應變率有利于脆性斷裂。此外，三軸應力狀態也能促使

35、低溫和高應變率有利于脆性斷裂。此外，三軸應力狀態也能促使進行脆性斷裂。進行脆性斷裂。n延性斷裂和脆性斷裂延性斷裂和脆性斷裂特點：特點：延性斷裂延性斷裂是在進行了大量是在進行了大量塑性變形后塑性變形后發生的，其特征是發生的，其特征是裂紋擴展緩慢，裂紋擴展緩慢，斷口呈杯錐狀斷口呈杯錐狀。脆性斷裂脆性斷裂則相反，通常都是則相反，通常都是沿特定的晶面沿特定的晶面(又稱解理面又稱解理面)進行進行，裂紋的擴，裂紋的擴展迅速。展迅速。v韌性是材料在斷裂以前能夠吸收的能量大小的度量。韌性是材料在斷裂以前能夠吸收的能量大小的度量。v當需要考慮材料在承受沖擊負載不發生斷裂的能力時，韌當需要考慮材料在承受沖擊負載不

36、發生斷裂的能力時，韌性就具有工程重要性。性就具有工程重要性。3. 韌性和沖擊試驗韌性和沖擊試驗測量韌性的一個最簡單的方法就是使用測量韌性的一個最簡單的方法就是使用沖擊試驗設備沖擊試驗設備。溫度對不同類型材料沖擊功的影晌溫度對不同類型材料沖擊功的影晌8.7 金屬的疲勞金屬的疲勞u金屬在金屬在循環載荷循環載荷作用下，即使所受的應力低于屈服強度，作用下，即使所受的應力低于屈服強度，也會發生斷裂，這種現象稱為也會發生斷裂，這種現象稱為疲勞疲勞。u疲勞斷裂：一般疲勞斷裂：一般不發生明顯的塑性變形不發生明顯的塑性變形, 難以檢測和預防難以檢測和預防, 因而機件的疲勞斷裂會造成很大的經濟以至生命的損失。因而

37、機件的疲勞斷裂會造成很大的經濟以至生命的損失。 v零件在循環應力作用下,在一處或幾處產生局部永久性累積損傷,經一定循環次數后突然產生斷裂的過程,稱為疲勞斷裂.如圖示意。v 疲勞斷裂由疲勞裂紋產生擴展瞬時斷裂三個階段組成。v 測定材料疲勞壽命的試驗有許多種測定材料疲勞壽命的試驗有許多種.最常用的一種是旋轉梁最常用的一種是旋轉梁試驗，試樣在旋轉時交替承受大小相等的交變拉壓應力。試驗，試樣在旋轉時交替承受大小相等的交變拉壓應力。v可繪成可繪成SN曲線，曲線，S為產生失效的應力，為產生失效的應力，N為應力循環次數。為應力循環次數。圖圖8. 25所示為高碳鋼和高強度鋁合金的典型所示為高碳鋼和高強度鋁合金

38、的典型SN曲線。曲線。u金屬的疲勞強度除了與其金屬的疲勞強度除了與其化學成分化學成分有關外，還受其它一些因有關外，還受其它一些因素的影響素的影響:(1)應力集中：應力集中：存在應力集中處，疲勞強度會大大降低存在應力集中處，疲勞強度會大大降低(2)表面粗糙度表面粗糙度: 金屬試樣表面愈光滑，疲勞強度就愈高。金屬試樣表面愈光滑，疲勞強度就愈高。粗糙的表面會造成應力集中處，有利于疲勞裂紋的形成。粗糙的表面會造成應力集中處，有利于疲勞裂紋的形成。(3)表面狀態表面狀態: 由于大多數疲勞失效起源于金屬表面，任何由于大多數疲勞失效起源于金屬表面，任何表面狀態的主要變化都會影響到疲勞強度。例如，鋼的表表面狀

39、態的主要變化都會影響到疲勞強度。例如，鋼的表面硬化處理面硬化處理(滲碳、氮化滲碳、氮化)使表面硬度提高，從而提高了疲勞使表面硬度提高，從而提高了疲勞壽命。壽命。(4)環境環境: 金屬在承受周期應力時處于腐蝕性環境，所造成金屬在承受周期應力時處于腐蝕性環境，所造成的腐蝕會大大加速裂紋擴展速率。腐蝕和周期應力對金屬的腐蝕會大大加速裂紋擴展速率。腐蝕和周期應力對金屬的綜合作用又稱的綜合作用又稱腐蝕疲勞腐蝕疲勞。8.8 金屬的蠕變和持久強度金屬的蠕變和持久強度v在一定溫度下，金屬受持續應力的作用而產生緩慢的塑性變在一定溫度下，金屬受持續應力的作用而產生緩慢的塑性變形的現象稱為金屬的形的現象稱為金屬的蠕

40、變蠕變。引起蠕變的這一應力稱。引起蠕變的這一應力稱蠕變應力蠕變應力；在這種持續應力作用下，蠕變變形逐漸增加，最終可以導致斷在這種持續應力作用下，蠕變變形逐漸增加，最終可以導致斷裂，這種斷裂稱裂，這種斷裂稱蠕變斷裂蠕變斷裂。u材料的蠕變是決定提高工作溫度的限制因素。材料的蠕變是決定提高工作溫度的限制因素。蠕變曲線 第第I階段：減速蠕變階段階段：減速蠕變階段，在加載的，在加載的瞬間產生彈性變形瞬間產生彈性變形e0，隨加載時間延，隨加載時間延續變形進行，變形速率不斷降低；續變形進行，變形速率不斷降低； 第第II階段：恒定蠕變階段階段：恒定蠕變階段，此階段蠕，此階段蠕變變形速率隨加載時間的延續而保持變

41、變形速率隨加載時間的延續而保持恒定，且為最小蠕變速率；恒定，且為最小蠕變速率； 第第III階段：加速蠕變階段，階段：加速蠕變階段，隨蠕變過隨蠕變過程的進行，蠕變速率顯著增加，直至程的進行，蠕變速率顯著增加，直至最終產生蠕變斷裂。最終產生蠕變斷裂。最小蠕變速率1. 金屬的蠕變金屬的蠕變n 在較低溫度在較低溫度(低于低于0.4TM)和較低應力下，由于溫度太低，不能進和較低應力下，由于溫度太低，不能進行有擴散的回復蠕變，金屬只進行第一階段蠕變。行有擴散的回復蠕變，金屬只進行第一階段蠕變。圖圖8.27為應力對蠕變曲線形狀的影響。為應力對蠕變曲線形狀的影響。n當使金屬進行蠕變的應力和溫度增加當使金屬進行

42、蠕變的應力和溫度增加時，應變速率也會增加。時，應變速率也會增加。2. 持久強度試驗持久強度試驗持久強度試驗與蠕變試驗基本相同，所持久強度試驗與蠕變試驗基本相同，所用的負荷大用的負荷大, 并一直進行到試樣破斷并一直進行到試樣破斷.n破斷所需時間隨應力和溫破斷所需時間隨應力和溫度的增加而減少。度的增加而減少。n由于由于再結晶、氧化、腐蝕再結晶、氧化、腐蝕或相變或相變等因素引起曲線斜率等因素引起曲線斜率的改變的改變8.98.9、硬度、硬度v材料抵抗表面局部塑性變形材料抵抗表面局部塑性變形的能力。的能力。v布氏硬度布氏硬度HBWHBW布氏硬度計布氏硬度計)(222dDDDgFHBW布氏硬度的單位為布氏

43、硬度的單位為N/mm2，但習慣上只寫數值而不標出單位，但習慣上只寫數值而不標出單位，硬度值越高，表明材料越硬。硬度值越高，表明材料越硬。布氏硬度的表示方法：硬度值寫在符號布氏硬度的表示方法：硬度值寫在符號HBW之前，符號之后之前，符號之后按下列順序用數值表示試驗條件：按下列順序用數值表示試驗條件：球體直徑（球體直徑（mm）；）；試試驗力（驗力（Kgf）；）；力保持時間（力保持時間（s），如），如600HBW 1/30/20。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計v洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HR表示，表示，HR=k-(h1-h

44、0)/0.002v根據壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，根據壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為常用的標尺為A、B、C。 v符號符號HR前面的數字為硬度值，后面為使用的標尺。前面的數字為硬度值，后面為使用的標尺。lHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 如如硬質合金、表淬層和滲碳層硬質合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如如有色金屬和退火有色金屬和退火、正火鋼等。正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，用于測量中等硬度材料，如調質鋼、淬火鋼等。如調質鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優點：洛氏硬度的優點：操作簡便，操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。壓痕

45、小，適用范圍廣。l缺點：缺點：測量結果分散度大。測量結果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕v洛氏硬度（洛氏硬度（HR）測試當被測樣品過小或者布氏）測試當被測樣品過小或者布氏硬度硬度（HB）大于大于450時，就改用洛氏硬度計量。試驗方法是用一個頂角時，就改用洛氏硬度計量。試驗方法是用一個頂角為為120度的度的金剛石金剛石圓錐體或直徑為圓錐體或直徑為1.59mm/3.18mm的鋼球，的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕深度深度求出材料的硬求出材料的硬度。根據度。根據實驗材料實驗材料硬度的不同，可分為三種不同標度來表

46、示：硬度的不同，可分為三種不同標度來表示： vHRA 是采用是采用60Kg載荷和鉆石錐壓入器求的硬度，用于載荷和鉆石錐壓入器求的硬度，用于硬度極高的材料。例如：硬質合金。硬度極高的材料。例如：硬質合金。 vHRB 是采用是采用100Kg載荷和直徑載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球求得淬硬的鋼球求得的硬度，用于硬度較低的材料。例如：退火鋼、的硬度，用于硬度較低的材料。例如：退火鋼、 鑄鐵等。鑄鐵等。 vHRC 是采用是采用150Kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火鋼等用于硬度很高的材料。例如：淬火鋼等 v洛氏硬度中洛氏硬度中HRA、HRB、

47、HRC中的中的A、B、C為三種不為三種不同的標準。稱為標尺同的標準。稱為標尺A、標尺、標尺B、標尺、標尺C。洛氏硬度實驗是現。洛氏硬度實驗是現今所有使用的幾種普通今所有使用的幾種普通壓痕硬度壓痕硬度實驗的一種。三種標尺的初實驗的一種。三種標尺的初始壓力均為始壓力均為98.07N（10Kgf)，最后根據壓痕深度計算，最后根據壓痕深度計算硬度硬度值值。標尺。標尺A使用的是球錐菱形壓頭，然后加壓至使用的是球錐菱形壓頭，然后加壓至588.4N（60Kgf）；標尺）；標尺B使用的是直徑為使用的是直徑為1.588mm（1/16英寸）英寸）的鋼球作為壓頭，然后加壓至的鋼球作為壓頭，然后加壓至1471N（15

48、0Kgf），因此標），因此標尺尺B適用于較軟的適用于較軟的材料檢測材料檢測。標尺。標尺C適用于較硬的材料檢測。適用于較硬的材料檢測。 維氏硬度維氏硬度維氏硬度計維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕v維氏硬度用符號維氏硬度用符號HV表示，表示，符號前的數字為硬度值，后符號前的數字為硬度值，后面的數字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。面的數字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。v根據載荷范圍不同，規定了三種測定方法根據載荷范圍不同，規定了三種測定方法維氏硬度維氏硬度試驗試驗 、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。v維氏硬度保

49、留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優點。洛氏硬度的優點。 小負荷維氏硬度計小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計顯微維氏硬度計顯微奴氏硬度顯微奴氏硬度v用用HKHK表示表示8.10 陶瓷材料力學性能的特點和變形機制陶瓷材料力學性能的特點和變形機制n陶瓷材料是比較脆的。不同陶瓷材料抗拉強度的差別很大，只陶瓷材料是比較脆的。不同陶瓷材料抗拉強度的差別很大，只有少數陶瓷的抗拉強度超過有少數陶瓷的抗拉強度超過172 MPa. n一般陶瓷材料的抗壓強度約為抗拉強度的一般陶瓷材料的抗壓強度約為抗拉強度的510倍。倍。此外，許多此外，許多陶瓷材料由于具有離子鍵和共價鍵而陶瓷材料由于具有離子鍵和共價鍵

50、而比較硬并具有低的沖擊抗力比較硬并具有低的沖擊抗力。l例外情況如增塑粘土，軟而容易變形。例外情況如增塑粘土，軟而容易變形。n共價鍵鍵合陶瓷，原子之間的鍵合是特定的并具有方向性，包括共價鍵鍵合陶瓷，原子之間的鍵合是特定的并具有方向性，包括電子之間的電荷交換。當受力達到一定程度時，由于電子對鍵的電子之間的電荷交換。當受力達到一定程度時，由于電子對鍵的分離不能再恢復，晶體產生脆性斷裂。因此，共價鍵鍵合的陶瓷，分離不能再恢復，晶體產生脆性斷裂。因此，共價鍵鍵合的陶瓷，不論是單晶體還是多晶體，都是脆的。不論是單晶體還是多晶體，都是脆的。晶態陶瓷缺乏塑性是由于其離子鍵和共價鍵造成的。晶態陶瓷缺乏塑性是由于

51、其離子鍵和共價鍵造成的。l離子鍵離子鍵單晶陶瓷單晶陶瓷，室溫受壓應力作用可進行相當多的塑性變形。，室溫受壓應力作用可進行相當多的塑性變形。l離子鍵離子鍵多晶陶瓷多晶陶瓷則是脆的，并在晶界形成裂紋。則是脆的，并在晶界形成裂紋。一個晶面的離子相對于另一晶面的一個晶面的離子相對于另一晶面的離子進行滑移時，帶不同電荷的離子離子進行滑移時，帶不同電荷的離子會接觸，從而可能產生吸力或斥力。會接觸，從而可能產生吸力或斥力。因此因此單晶體陶瓷單晶體陶瓷具有相當好的塑性具有相當好的塑性n離子晶體的變形離子晶體的變形多晶陶瓷變形多晶陶瓷變形時，相鄰晶粒必須協調地改變形狀，由于滑移系時，相鄰晶粒必須協調地改變形狀，由于滑移系統較少而難以實現，結果在統較少而難以實現，結果在晶界產生開裂晶界產生開裂，最后導致脆性斷裂。，最后導致脆性斷裂。大多數工業重要陶瓷都是多晶體，因此大多數陶瓷材料都是脆大多數工業重要陶瓷都是多晶體，因此大多數陶瓷材料都是脆的。的。8.11 陶瓷材料的應力陶瓷材料的應力-應變行為應變行為1