1、铝合金材料基础知识培训开发部/王海东2009年07月第四章 塑性变形原理一、概述1、金属受力就变形，用应力考核力的大小（单位：N/m2放大106倍为MPa），变形过程中力的变化如下图示。这是最简单的“常温、静力、单向拉伸”情况下的关系。经弹性变形、塑性变形到断裂。 LF0 0低碳钢脆性材料2、弹性变形的特点 A、变形量很小，肉眼看不出，但量得出； B、变形量与力成直线正比例关系，=E，比例关系E叫弹性模量 （MPa），反映原子间结合力的大小； C、取消外力，变形即告恢复，故交弹性变形，是体积的变形； D、晶体内部，原子间相对位置保持不变；3、塑性变形的特点 A、外力要超过屈服强度才发生，但无明
2、确的转折点，常以=0.2%时 的应力0.2为屈服强度； B、取消外力后，体积恢复原大小，但外形不再恢复原状，所以叫塑性 变形，受力后的总变形由体积变形和形状变形组成； C、根据不同条件，随变形量的增大，力可能增大，但增大量没有弹性 阶段大，也不是直线关系，但也可能保持不变； D、晶体内部原子间相对位置发生变化，大量原子做定向迁移； E、过程中，晶体内部中造成大量缺陷，导致力性、理化工艺性能改 变；4、破裂的特点 A、破裂过程是由晶体缺陷演化，扩大成裂纹，最终为全面破裂； B、有韧性断裂和脆性断裂之分。前者经历塑性变形后断裂；后者不经 过或者经过较小的塑性变形后断裂，没有信号下突然断裂。不同在
3、于断裂前投入能量的多少，少的为脆性断裂； C、断裂时的变形量为延伸率，用表示。断裂前经受最大的力为抗拉 强度，用b表示。另外还有弹性模量E，屈服强度0.2。这些是代表 材料力学性能的指标-材料的好坏用它们比较。但要注意：这是 “常温、静力、单向拉伸”时的数据，其它条件下数据会变化，对 比材料性能时要保持条件一致； D、实践中的意义重大：机具在工作时（受力时）不能发生塑性变形， 更不能破裂。工件变形，既要加大与屈服强度的力，又不能使其破 裂；二、金属的力学性能1、强度 定义：强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在试验机上，然后对
4、试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。在此过程中，试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量AL的关系曲线（拉伸曲线）。 图为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐标表示绝对伸长量L，单位为mm。从图中可以看出下面几个变形阶段：（1）Oe弹性变形阶段（2）es屈服阶段（3）sb强化阶段（4）bk缩颈阶段 材料受到外力作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形的力称为内力。单位面积上的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。 （1）屈服点s材料产生屈服时的最小应力，单位为MPa。s=
5、 Fs/AO 式中，Fs是屈服时的最小载荷(N)；A0是试样原始截面积。对于无明显屈服现象的金属材料（如高碳钢、铸铁），测量屈服点很困难，工程上经常采用残余伸长为0.2原长时的应力0.2作为屈服强度指标，称为规定残余伸长应力。0.2= F0.2/AO （2）抗拉强度b材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。b= Fb/AO 式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。L0 0F0.20.2%L0F2、塑性 定义：金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。通过拉伸试验测得 的常用塑性指标有：断后
6、伸长率和断面收缩率。 试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比： =(L1L0)/L0100 式中，L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比：= =(A0A1)/AO 100 式中，Ao是试样的原始横截面积；A1是试样断口处的横截面积。2.1塑性与晶体组织有关，因为破裂是由缺陷变裂纹，再扩大到破裂的过程。所以脆性断裂与金属组织中的低熔点物质、硬脆粗大粒子、网络状的晶间物质有关；而韧性断裂与抗拉强度有关。所以并不是合金比纯金属的塑性差，而是要看他们的内部组织；2.2塑性变形三要素A、变形温度：温度不同，组织和强度不同，使塑性变化。有高温脆性区、中温
7、脆性区和低温脆性区。所以要找合适的加工温度，以避开脆性区；（注：铝合金一般不存在中低温脆性区）B、变形速度：慢一些有利于缺陷修复，对塑性有好处，韧性高的金属裂纹长大慢，变形速度可以高；C、变形量：越大，积累的缺陷越多，当然不利。2.3塑性与应力状态的关系：拉应力是不利的，压应力有利，三向压应力更有利，所以拉伸易裂的金属挤压就好一些；2.4塑性大小一般用%考核，但这是单向拉伸时的数据，所以做针对性更强的测试更好；3、硬度 定义：硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。常用来测定硬度的方法有布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。 如图所示采用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用
8、下，压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，测定压痕直径，求出压痕球形的表面积，压痕单位表面积上所承受的平均压力（F/A）即为布氏硬度值，压头为淬火钢球时用HBS表示，压头为硬质合金球用时HBW表示。例如120HBS，450HBW。布氏硬度布氏硬度= F A凹凹=2FDD-（D-d ） 应用测量比较软的材料。测量范围 HBS450、HBW650的金属材料。 优缺点：压痕大，测量准确，但不能测量成品件。 采用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头。如图所示。试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除主载荷，依据
9、压痕的深度来确定材料的硬度值。20671500N120金刚石圆锥体HRC251001000N1.588mm钢球HRB7085600N120金刚石圆锥体HRA应用范围：常用洛氏硬度标度的试验范围优点：操作简便、迅速，效率 高，可直接测量成品件 及高硬度 的材料。缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。4、 对于承受冲击载荷的材料，如汽车发动机中的活塞，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还必须具备足够的冲击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度。 冲击韧度的测定方法，如图所示。是将被测材料制成标准缺口试样，在冲击试验机上由置于一定高度的重锤自由落下而一次冲断。冲断试样所消耗的能量
10、称为冲击功，其数值为重锤冲断试样的势能差。冲击韧度值aKV就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，这个值越大，则韧性越好，受冲击时，越不容易断裂。5、 在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。 疲劳强度-1是表示材料以周期性交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于黑色金属规定循环次数为107次，有色金属循环次数为108次。 为了提高金属的疲劳强度，可以通过改善零件的结构形状，避免应力集中，减小表面粗糙度值，进行表面热处理和强化处理等方法。
