【正文】 中內(nèi)應(yīng)力的模擬 71 第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬強(qiáng)化的主要原因。 內(nèi)應(yīng)力分為三類： ? 第一類內(nèi)應(yīng)力 平衡于表面與心部之間 (宏觀內(nèi)應(yīng)力 ). ? 第二類內(nèi)應(yīng)力 平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間 (微觀內(nèi)應(yīng)力 )。是由于金屬受力時(shí) ,內(nèi)部變形不均勻而引起的。 加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。 Si中的位錯(cuò)源 晶體中的位錯(cuò)源 位錯(cuò)密度與強(qiáng)度關(guān)系 69 2. 隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 3. 隨變形量增加 , 空位密度增加 4. 幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動引起 由于加工硬化 , 使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形 , 而未變形部分開始變形。 板織構(gòu) 絲織構(gòu) 形變織構(gòu)示意圖 各向異性導(dǎo)致的銅板 “制耳” 有 無 65 軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象 66 冷變形對金屬性能的影響 加工硬化 隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱 加工硬化。 ? 形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性， 在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生 “ 制耳 ”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。 ? 塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。 顆粒釘扎作用的電鏡照片 高溫合金中的顆粒狀第二相 61 位錯(cuò)切割第二相粒子 電鏡觀察 切割進(jìn)入第二相粒子的位錯(cuò) 示意圖 62 冷變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響 塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響 金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其 內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁。 當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時(shí) ，可提高強(qiáng)度、硬度，但會降低塑性和韌性； 珠光體 60 當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時(shí)， 第二相顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性略有 下降，這種強(qiáng)化方法稱 彌散強(qiáng)化 或 沉淀強(qiáng)化 。 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。 溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變， 而且易被吸附在位錯(cuò)附近形成 柯氏氣團(tuán) ，使位錯(cuò)被釘扎住， 位錯(cuò)要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高。但 隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降， 稱 固溶強(qiáng)化 。合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同。 應(yīng)變 塑性材料 脆性 材料 54 通過細(xì)化晶粒來同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法 稱細(xì)晶強(qiáng)化。 因?yàn)?晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變 形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻， 使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。 因?yàn)?金屬晶粒越細(xì) ，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多， 使金屬塑性變形的抗力越高。 當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開動，從而使滑移由 一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。 （ 3)、各晶粒變形不同時(shí) 51 多晶體金屬的塑性變形過程 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45176。 這種彈 性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。 要使變形繼續(xù)進(jìn)行 , 則必須增加外力 , 從而使金屬的變形抗力提高。 奧氏體不銹鋼中退火孿晶 鈦合金六方相中的形變孿晶 48 實(shí)際金屬的塑性變形及強(qiáng)化 單個(gè)晶粒變形與單晶體相似 ,多晶體變形比單晶體復(fù)雜。 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。 孿生時(shí)相鄰原子面的相對位移量小于一個(gè)原子間距。 孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈 鏡面對稱 。 43 刃位錯(cuò)的運(yùn)動 ? ? 44 ㈡ 孿生 孿生 是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變。 滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。 角時(shí)，滑移 方向上切應(yīng)力最大，因而最容易發(fā)生滑移 . ? 滑移后，滑移面兩側(cè)晶體的位向關(guān)系未發(fā)生變化。 38 切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動 39 轉(zhuǎn)動的原因 ： 晶體滑移后使正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶。 滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺階，稱 滑移線 ，若干條滑移線組成一個(gè) 滑移帶 。 因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格 , 體心立方晶格好于密排六方晶格。 滑移面 滑移方向 F F 34 一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè) 滑移系 。 ? 沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做 滑移面 和 滑移方向 。 33 ⑵ 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生 。 32 滑移變形的特點(diǎn) ： ⑴ 滑移只能在 切應(yīng)力 的作用下發(fā)生。 金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。 切應(yīng)力： 使金屬晶體塑性變形。 單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為 正應(yīng)力 和 切應(yīng)力 。 29 單晶體的塑性變形及強(qiáng)化 外力使金屬發(fā)生兩類變形： 彈性變形：可逆，外力去除后 變形可完全恢復(fù)。 經(jīng)過冷塑性變形的金屬會產(chǎn)生組織和性能的變化，在加熱過程中，又會使其組織發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大等一系列變化。如圖所示。 塑性變形 是 強(qiáng)化金屬 的重要手段之一。 了解 塑性變形的本質(zhì)、塑性變形及加熱時(shí)組織的變化 ,有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝。 應(yīng)用 （判斷構(gòu)件是否安全，合理選材） KI KIC 構(gòu)件安全 KI KIC 構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂 KI ＝ KIC 構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件 應(yīng)用場合：主要用于高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，或者是用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等。m 1/2 或者 MN 23 材料的斷裂韌度 斷裂韌度 KIC: 是評定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。通常規(guī)定鋼鐵材料的循環(huán)基數(shù) N=107；非鐵金屬的循環(huán)基數(shù) N=108；腐蝕介質(zhì)作用下的循環(huán)基數(shù) N=106。 一個(gè)疲勞源 兩個(gè)疲勞源 斷口示意圖 22 疲勞極限 ζ1：材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不失效的應(yīng)力值。 疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。 金屬材料受大能量的沖擊載荷作用時(shí)，其沖擊抗力主要取決于沖擊韌度的大小， 而 在小能量多次沖擊條件下，其多沖抗力主要取決于材料的 強(qiáng)度和塑性 。 19 韌脆轉(zhuǎn)變溫度： 在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌度值發(fā)生急劇下降的現(xiàn)象稱為韌脆轉(zhuǎn)變（或冷脆），發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。沖擊韌度值就是試樣缺口處單位橫截面積上的沖擊吸收功，即將沖擊吸收功 Ak除以試樣斷口處的橫截面積。將質(zhì)量為G的擺錘安放到規(guī)定的高度 H，然后下落將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度 h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為 Ak ， AK數(shù)值在試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出。 維氏硬度試驗(yàn)原理示意圖 16 維氏硬度 維氏硬度計(jì) 維氏硬度原理 維氏硬度壓痕 17 材料的動態(tài)力學(xué)性能 材料的沖擊韌度 韌性 ：材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。 金剛石圓錐 (60) 70 (相當(dāng) 350HB以上 ) 適用于測量硬質(zhì)合金、表 面淬火層或滲碳層 HRB (100) 25～ 100 (相當(dāng) 60～ 230HB) 適用于測量有色金屬、退 火、正火鋼等 HRC 120176。但測定結(jié)果不夠準(zhǔn)確。 符號 HR前面的數(shù)字為硬度值 ， 后面為使用的標(biāo)尺 ， 如55HRC表示用 C標(biāo)尺測定的材料洛氏硬度值為 55。實(shí)測時(shí) ， 硬度值的大小由硬度計(jì)的指示器上直接讀出 。