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加载速率对30A钢断裂韧性的影响_杨丽
第26卷 第5期兵器材料科学与工程Vol126 No15
9月ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERING Sep. 200加载速率对30A钢断裂韧性的影响杨 丽,张宝友,崔约贤,王辉亭1112
*(1.哈尔滨工业大学材料学院,哈尔滨.哈尔滨大电机研究所,哈尔滨150040)摘 要:采用裂纹尖端张开位移(COD)实验及Hopkinson压杆实验技术研究了30A钢在不同加载速率下的断裂韧性特征;采用扫描电镜研究了30A钢在静态和动态下的微观断裂特征,得出加载速率对30A钢断裂行为的影响规律,并用位错贫化带理论解释了不同加载速率下材料微观断裂机制的变化。关键词:30A钢;断裂韧性;加载速率中图分类号:TG
文献标识码:A
文章编号:03)05)0051)03在生产、国防中愈来愈多地遇到各种冲击载荷问题,它们无一不涉及材料在高速加载下的响应。因此,对于高速冲击下(高应变速率下)材料动态断裂的研究,近年来已引起人们广泛重视。特别是对于在高速冲击条件下的兵器中的火炮、装甲等这一问题尤为重要[1,2]为3mm。材料的动态断裂韧性及动态压缩试验均采用Hopkinson压杆实验技术。利用Hopkinson压杆加载预制裂纹Charpy冲击试样,在压缩应力波作用下使试样断裂,通过计算得到试样所受载荷P(t)、加载点位移D(t)、裂纹扩展量va和裂纹尖端张开位移COD等断裂参数。Charpy冲击试样尺寸为10mm@10mm@55mm,裂纹长度为5mm左右,其中疲劳裂纹为2mm。动态压缩试样尺寸为a10mm@6mm。。分别采用裂纹尖端张开位移(COD)实验及Hopkinson压杆实验技术研究30A钢在不同加载速率下的断裂韧性特征;采用扫描电镜研究30A钢在静态和动态下微观断裂特征及相应的断裂机制。2 试验结果及讨论2.1 动态压缩试验图1为材料在高应变率下(4@102/s)的压缩应力-应变曲线。与静态下材料的屈服强度(RsU430MPa)相比,可以看出,随着应变率的增加,材料的屈服强度升高,表现出明显的应变速率敏感效应。
静态或准静态加载的加载速率和变形速率比较低,因此可以忽略它对断裂过程带来的影响。在高的加载和变形速率下,
材料变形和断裂的性质发生1 试验材料及方法30A钢化学成分(质量百分数)为:C0.32,Si0.057,Mn0.75,P0.005,S0.011。该钢采用EBT+LF法冶炼,冶炼后热轧成a100mm棒料,960~1050e锻造后,经850e@4h正火。热处理后,材料的显微组织为铁素体加珠光体。COD试验是在岛津AG-I250KN型试验机上进行的。预制疲劳裂纹三点弯曲试样尺寸为10mm@24mm@100mm,位于试样中部的预制缺口总长约为13mm,在高频疲劳机上预制疲劳裂纹,其长度*图1 30A钢动态压缩应力-应变曲线收稿日期:;修订日期::,,
了改变。在弹性阶段,进行的,当变形速率低于材料的声速时,材料的弹性变形性质没有影响,但在塑性变形阶段塑性变形过程是比较缓慢的,形,需要较长的时间,当加载速率高时,,则塑性变形过程受到了约束和限制,将使材料的屈服点升高,塑性有可能降低,变形硬化过程也受到影响,从而增加了材料的脆化倾向。2.2 断裂韧性试验图2为静态断裂韧性试验中得到的材料的Dk-$a阻力曲线。根据该阻力曲线可以得出30A钢在静态下的临界裂纹张开位移Dc=0.164mm。根据Dc与KIcKc的关系:
Dc=(1)ERs可以求得在该状态下材料的临界应力强度因子KIcU126MPa#m1/22号12Pm/kN20.6624.39表1 动态断裂韧性测试数据试样最大载荷起裂时间断裂载荷tf/Ls25.3824.88Pf/kN13.0014.06KIdKI/(MPa#m)/(@106MPa#m#s-1)76.56104.23.024.01由试验结果可以看出,高应变率加载对材料的塑变断裂抗力有明显的影响。这是因为高应变率带来与静载荷不同的力学、热力学问题,导致塑变和断裂机理的变化。对于大多数金属材料,塑性变形是位错在外力作用下不断运动、聚集、塞积的结果。随着加载速率的提高,裂纹尖端位错运动的动力学条件将发生变化,致使裂纹尖端的位错难于发射,使得裂尖区域的断裂韧性大大低于相同温度下低速加载的情形[3]。研究表明,在一定的速率和温度范围内材料的动态断裂韧性由位错的热激活运动所控制。在温度较低、加载速率较快时,热激活过程被抑制,在某一临界条件下,位错很难运动,会在裂纹尖端塞积,使其不易钝化,此时裂纹只能沿裂尖最大主应力平面方向进行扩展,使材料的脆化倾向变大。加载速率越快,位错通过热激活来克服能垒的时间就越短,热激活几率较低,表现为材料的断裂韧性随加载速率的升高而降低。2.3 微观断裂特征及断裂机理在静态加载的COD试验中,对裂纹扩展导致断裂的试样经二次疲劳后压断,观察试样的裂纹扩展区,SEM观察结果表明,静态下材料的微观断裂机制为微孔聚集型。整个裂纹扩展区均表现出等轴韧窝型延性断裂的特征,见图4a。在预制疲劳裂纹区与裂纹扩展区之间还发现一个光滑、平坦的区域,即伸张区,如图4b所示,它是由于裂纹尖端受载后发生塑性滑移而形成的。动态加载下试样断口的扫描电镜观察结果表明,在起裂区附近,材料仍表现出延[4]。动态断裂韧性试验中典型的载荷-时间曲线见图3。动态断裂韧性测试数据见表1。根据试验数据得出,在应力强度因子变化率为3.5@106MPa#m1/2/s情况下,材料的动态断裂韧性K1/21/2Id值为80MPa#m,这与在静态下材料的断裂韧性值KIc为126MPa#m相比,降低了许多,即在高应变率下30A钢的断裂韧性会下降。图2 材料的Dk-$a阻力曲线性断裂的断口特征,存在大量的韧窝,但同静态加载情况比,伸张区的特征不明显,见图4c。而在裂纹扩展的中间区域,断口形貌又由韧窝形态转变为准解理形态,见图4d。SEM观察结果表明,在不同的应变率下同种材料的变形机理和断裂模式也可能不同。根据位错贫化带理论(DislocationFreeZone)裂纹尖端在外加应力场作用下发射位错,由于位错与裂纹的交互作用,在裂纹尖端会出现一个无位错区(DFZ)。裂纹尖端3-时间曲线
杨 丽等:加载速率对30A钢断裂韧性的影响
53互缠结,位错会反塞积于DFZ的尾部,形成塑性变形带。在动态断裂试验中,如图3所示,在起裂区附近存在较高的外加应力场,将首先使裂纹尖端发射大量位错,由于自裂尖发射的位错只能以有限的速度运行,在高应变率加载时,位错一个接一个以有限速度从裂尖发射出来后,其间距会随着加载率的增加而降低,进一步抑制裂尖的位错发射,从而导致裂纹沿某些特定方向发生解理断裂。裂纹尖端在此情况a下,虽不能大量发射位错,但其发出的少量位错仍可在解理面上产生滑移区,从而形成了准解理型断口形貌。研究表明,加载速率会影响到DFZ的尺寸。加载速率愈大,DFZ尺寸愈小[5],而随着DFZ尺寸的不断变小,位错对裂纹尖端应力场的屏蔽效应将变大,故导致裂纹起裂后,迅速由韧窝向准解理断口形态转变,这也就可以进一步解释为何在静态时,断口未出现准解理断裂特征的原因。[7]3 结论b
(1)随着应变率的增加,材料的屈服强度升高,表现出明显的应变速率敏感效应。(2)高应变率下30A钢的断裂韧性会下降。(3)加载速率对材料的微观断裂机制也会产生影响,静态下材料的微观断裂机制为微孔聚集型;动态下材料的断裂表现为由延性韧窝形态向准解理形态转变。参考文献:[1]张志云.兵器材料在大应变高应变率下的行为研究[J].兵器材料科学与工程,-71.c[2]杨道明等.高应变率下617钢的断裂行为[J].兵器材料科学与工程,-69.[3]唐国翌等.工程机械用HG50和CF60钢的动态断裂韧性[J].钢铁,-52.[4]LiCun-jian.Effectsoftemperantureandloadingrateonfracturetoughnessofstructuralsteels[J].MaterialsDesign,-30.[5]YokoboriT.Amodelemittingdislocationgroupfromcracktipwithstresssingularityanditsapplicationtobrittle-ductiletransition[J].ActaMetallMater,05.[6]SuoZ,UariasAG.Atheoryforcleavagecrackinginthepresenceofplasticflow[J].ActaMetallMater,1993,d((41):1551.(兵器材料科学与工程
第26卷56Mainelementsofrare-earth-aluminium-silicon(Re)Al)Si)compounddeoxidizersbyXRFspectrometerNIUSu-qin,GENGDong-fang,LIYan,LIUZi-yu(No.52InstituteofChinaOrdnanceIndustries,Baotou014034,China)Abstract:Itisaquickmethodforx-rayfluorescence(XRF)spectrometerpw1404todeterminethemajorelementsinthecompoundRe-Al-Sideoxidizer.ThesamplesweredissolvedbyHNO3andHF,theglassdiscwasmadeinthemixingfluxofLiBO2andLi2B4O7,andNaNO3astheoxidizer,andKIasthedemouldingagent.Theadditionalpassagewaywascompiledinfluorescentprocedure.ThemainelementsinthesamplesweredeterminedbyusingXRFspectrum.Keywords:X-rarare-earth-aluminium-silicouterpassageway(上接第45页)[2]刘翠荣,吴志生等.CO2气保焊焊缝金属扩散氢含量的测定[J].山西机械,1998,3.[3]周振丰,张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京:机械工业出版社(修订本),1988.11.参考文献:[1]Japanesestandardsassociation[A].JISHandbook)Weld-ing[M]..ExperimentalstudyofdiffusiblehydrogeninweldmetalLIUZhong-jie1,XIAOTong2,QINQing-ze3(1.CollegeofMetalEngineering,UISTBaotou,Baotou.BaotouLuodiyaRareEarthCo.,Ltd,Baotou.WULINGAutomobileCompanyCo.LTD,Liuzhou545007,China)Abstract:Theamountofdiffusiblehydrogeninweldmetalisaveryimperativefactorindeterminingthesusceptibilityoftheweldtocoldcracking.Inthispaper,usingdifferentweldingmethodsanddifferentelectrodes,theeffectondiffusiblehydrogenoflowhydrogenelectrodes,dryingcondition,weldingmethodinweldmetalwasdetermined.Keywords:electrode(上接第53页)Effectofloadingrateonfracturetoughnessof30AsteelYANGLi1,ZHANGBao-you1,CUIYue-xian1,WANGHui-ting2(1.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,C2.HarbinInstituteofLargeElectricalMachinery,Harbin150040,China)Abstract:Thefracturecharacteristicsof30Asteelatdifferentloadingrateshavebeeninvestigatedbycracktipopeningdisplacement(COD)experimentandHopkinsoncompressionbarexperimentaltechnique.Themicromechanismoffrac-tureunderstaticanddynamicconditionswerestudiedrespectivelyusingscanningelectronmicroscopy.Theeffectsofload-ingrateonfracturebehaviorsof30Asteelhavebeenobtained.Thechangesofmicromechanismoffractureofthematerialatdifferentloadingrateshavebeenexplainedbythetheoryofdislocationfreezone.
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copyright &copyright 。文档资料库内容来自网络，如有侵犯请联系客服。第一章 习题答案
一、解释下列名词
1、弹性比功：又称为弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
2、滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。
3、循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性。
4、包申格效应：先加载致少量塑变，卸载，然后在再次加载时，出现ζe升高或降低的现象。
5、解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6、塑性、脆性和韧性：塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。韧性：指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力
7、解理台阶：高度不同的相互平行的解理平面之间出现的台阶叫解理台阶；
8、河流花样：当一些小的台阶汇聚为在的台阶时，其表现为河流状花样。
9、解理面：晶体在外力作用下严格沿着一定晶体学平面破裂，这些平面称为解理面。
10、穿晶断裂和沿晶断裂：沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，一定是脆断，且较为严重，为最低级。穿晶断裂裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可能是脆性断裂。
11、韧脆转变：指金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为或力学状态，在一定条件下，它们是可以互相转化的，这样的转化称为韧脆转变。
二、说明下列力学指标的意义
１、Ｅ（Ｇ）：Ｅ（Ｇ）分别为拉伸杨氏模量和切变模量，统称为弹性模量，表示产生100%弹性变形所需的应力。
、ζ0.2、ζs: ζr
:表示规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的
0.2残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。ζ
ζs：表征材料的屈服点。 ：表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。
３、ζb：韧性金属试样在拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度。
４、n:应变硬化指数，它反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。
５、δ、δgt、ψ：δ是断后伸长率，它表征试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。Δgt是最大试验力的总伸长率，指试样拉伸至最大试验力时标距的总伸长与原始标距的百
分比，也就是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。ψ是断面收缩率，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。
三、金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个组织不敏感的力学性能指标？
金属的弹性模量主要取决于金属原子本性和晶格类型。合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，温度、加载速率等外在因素对其影响也不大，所以，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。
四、今有45、40Ｃr 、35ＣrＭo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作机床床身？为什么？
选择灰铸铁，因为作为机床床身材料必须要求循环韧性高，以保证机器的稳定运转。灰铸铁中含有不易传送弹性机械振动的石墨，具有很高的循环韧性。
五、试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc金属及其合金与fcc金属及其合金屈服行为不同的原因。
6、试述退火低碳钢、中碳钢及高碳钢的屈服现象在拉伸力－伸长曲线图上的区别？为什么? 答：从退火低碳钢、中碳钢及高碳钢的拉伸力—伸长曲线图上可以明显看出，三种不同钢种的拉伸力—伸长曲线图有区别，可以看出退火低碳钢的屈服现象最明显，其次是退火中碳钢，而高碳钢几乎看不到屈服现象。但根据条件屈服强度可以判断出随着碳含量的增加，屈服强度在提高。这主要是因为随着碳含量的增加，碳原子对基体的强化作用越来越强，阻碍了位错的运动。
7、决定金属屈服强度的因素有哪些？
答：影响金属屈服强度的因素分为内在因素和外在因素。内在因素有金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相粒子；外在因素有温度、应变速率和应力状态。
8、试述δ、ψ两种塑性指标评定金属材料塑性的优缺点？
答：对于在单一拉伸条件下工作的长形零件，无论其是否产生缩颈，用δ来评定材料的塑性，因为产生缩颈时局部区域的塑性变形量对总伸长实际上没有什么影响。如果金属材料机件是非长形件，在拉伸时形成缩颈，则用φ作为塑性指标。因为φ反映了材料断开前的最大塑性变形量，而此时δ则不能显示材料的最大塑性。Φ是在复杂应力状态下形成的，冶金因素的变化对材料的塑性的影响在φ上更为突出，所以φ比δ对组织变化更为敏感。
9、试举出几种能显著强化金属而又不降低塑性的方法？
答：细晶强化，通过细化晶粒提高金属强度的方法，它既可以显著强化金属，又不降低塑性的方法。
10、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？
答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前期丁不发生塑性变形，没有明显征兆，因此脆性断裂在生产中是很危险的。
11、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂？为什么断裂的性质完全不同？
答：剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的楔形或刀尖型。而解理断裂是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。
12、在什么情况下易出现沿晶断裂？怎样才能减小沿晶断裂的倾向？
答：当晶界上有一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的，如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。要减小沿晶断裂的倾向，则要求防止应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等出现。
13、何为拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？
答：拉伸断口的三要素：纤维区、放射区和剪切唇；影响宏观拉伸断口性态的因素有试样的形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和腕力状态不同而变化。
14、板材宏观断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？
答：板状矩形拉伸试样断口中呈人字纹花样。根据人字纹花样的放射方向，顺着尖顶指向可以找到裂纹源。
15、试证明，滑移相交产生微裂纹的柯垂耳机理对fcc金属而言在能量上是不利的。
16、通常纯铁的γs＝2J／㎡,E=2*10MPa,a0=2.5×10
解：由题意可得： 5－10m，试求其理论断裂强度ζm 。
?a???0?1/2?2?105?2????2.5?10?10????1/2?4.0?104Mpa
17、试述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出理论的局限性。
18、若一薄板物体内部存在一条长3㎜的裂纹，且a0＝3×10cm，试求脆性断裂时的断裂应力。（设ζm＝0.1E＝2×10MPa ）
19、有一材料E＝2×10N／㎡，γs＝8N／m，试计算在7×10N／ ㎡的拉应力作用下，该1175－8
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塑性指标?评定塑性的指标： ? (1)断面收缩率: 指试样拉断处横截面积的收缩量ΔS与 原始横截面积S0之比。 S0 - S 1 ψ = ――-―× 100% S0 ?(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ L 与原塑性：指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。始标距L 0之比。l 1 - l0 δ = ――-―× 100% l0塑性指标不直接用于计算，但 任何零件都需要一定塑性， 防止过载断裂；塑性变形可以 缓解应力集中、削减应力峰值。二、金属的弹性变形1）.弹性:金属材料受外力作用时产生 变形,当外力去掉后能恢复到原来形状 及尺寸的性能。弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。? ? ? ?E=ζ / ε2）.弹性极限: Fe ζe = S0弹性极限载荷( N ) ( M pa ) 试样原始横截面(mm2 )2） 弹性模量：弹性下应力与应变的比值，表示材料抵 抗弹性变形的能力。 即： E=ζ / ε 切变模量：G＝τ/γ 材料的E越大，刚度越大； E对组织不敏感； 零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关 ε 、 γ分别是正应变和切应变 ? E、 G是表征材料抵抗弹性变形能力和衡量材料 “刚度”的指标。 ? 刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度第二节 单晶体的塑性变形单晶体金属的塑性变形?单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为 正应力和切应力。正应 力只能引起弹性变形及外 力 在 晶 面 上 的 分 解切 应 力 作 用 下 的 变 形锌 单 晶 的 拉 伸 照 片解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。韧性断口脆性解理断口? ?? ? ?塑性变形的形式：滑移和孪生。 金属常以滑移方式发生塑性变形。一、 滑移 （一）滑移及滑移带 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。?滑移时，晶体两部分的相对位 移量是原子间距的整数倍. 滑移的结果在晶体表面形成台 阶，称滑移线，若干条滑移线 组成一个滑移带。?铜拉伸试样表面滑移带? ?1、滑移变形的特点 ： ⑴ 滑移只能在切应力的作 用下发生。产生滑移的最 小切应力称临界切应力.正应力作 用.swf?⑵ 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和 晶向发生。因原子密 度最大的晶面和晶向 之间原子间距最大， 结合力最弱，产生滑 移所需切应力最小。 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。??一个滑移面 和其上的一 个滑移方向 构成一个滑 移系。（二）滑移系晶格 滑移面 {110}三种典型金属晶格的滑移系单晶 体滑移系.swf 体心立方晶格 面心立方晶格{111} {110} {111}密排六方晶格滑移 方向 滑移系?滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。?（三）滑移的临界分切应力?在剪切应力作用下位错线滑移，并在表面形成台阶，这就是塑性变形后在表面形成滑移带的本质。那麽在拉伸外力作用下，如何能导致 位错线滑移？?图给出了拉伸外力F与任一晶面上的剪切应 力大小的关系。外力F作用在面积为A的圆柱体上，在滑移面上产生的分切应力?F在滑移方向上的分切应力为? ?滑移的同时伴随着晶体的转动转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上 滑移方向向最大切应力方向转动。自由滑移 变形.swf韧性断口? ?2、滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。多 脚 虫 的 爬 行?晶体通过位错运动产生滑移 时，只在位错中心的少数原 子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种 现象称作位错的易动性。刃位错的运动螺型位错的滑移：?在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够大时，有 使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中 有一螺型位错，显然位错在晶体中向后发生移动，移 动过的区间右边晶体向下移动一柏氏矢量。2.位错的增殖?位错增值模型.swf 螺位错双交滑移增殖模型.swf3.位错的交割与塞积位错在障碍物前的塞积位错：AB 、CD （固定不动）mn⊥b2位错?当两条位错线交割时，每条位错线上都可能出 现长度相当于另一条位错线b的割阶,这就增加了位错长度，是位错能量升高，是变形所需的总能量升高； 另外，当割阶垂直于滑移面时， 此割阶有阻止位错运动的作用，会使晶体进一 步滑移的抗力增加，这是加工硬化的主要原因。? ?二、孪生 孪生是指晶体的一部特点：分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的均匀切变。?发生切变的部分称孪生带或孪晶带，沿其发生孪生 的晶面称孪生面。?孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪生示意图孪晶组织? ? ? ?与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.?密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生 孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变 形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原 子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。钛合金六方相中的形变孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶第三节 多晶体金属的塑性变形?单个晶粒变形与单晶体相似,滑移、孪晶两种方式。 但多晶体变形比单晶体复 杂。?㈠晶界及晶粒位向差的影响??1、晶界的影响当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。晶界对塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积? ?2、晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形 时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑 性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形 便成为塑性变形晶 粒的变形阻力。由 于晶粒间的这种相 互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。? ?㈡ 多晶体金属的塑性变形过程 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于 或接近于45°的晶粒。当塞积位错前端的应力达到 一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原 来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由批晶粒传递到另一 一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属 σ便显示出明显的塑性σ变形。铜多晶试样拉伸后形成的滑移带? ? ?㈢ 晶粒大小对塑性变形的影响金属的晶粒越细，其强度和硬度越高―细晶强化。 因为金属晶粒越 细，晶界总面积 越大，位错障碍 越多；需要协调晶 粒 大 小 与 金 属 强 度 关 系的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。? ?金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。 因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变 形的晶粒数目也越 多，变形越均匀， 使在断裂前发生较 大的塑性变形。强 度和塑性同时增加,脆性 材料 塑性材料金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。应变通过细化晶粒来同时 提高金属的强度、硬 度、塑性和韧性的方 法称细晶强化。第四节 合金的塑性变形?合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种. 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.奥氏体珠光体? ?一、单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程 也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体 的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。?固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错 的运动。即溶质原子与位错弹性交互作用的结果，如下图所示，使 溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小畸变，使系统更加稳定， 此即称为柯氏(cotrell)气团。显然，柯氏气团对位错有“钉扎”作用。 为了使位错挣脱气团而运动，必须施加更大的外力。因此，固溶体 合金的塑性变形抗力要高于纯金属。?产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作 用的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被 吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位 错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高.Cu-Ni合金成分与性能关系? ?二、多相合金的塑性变形与弥散强化 当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变 形除与合金基体的性质 有关外，还与第二相的 性质、形态、大小、数量和分布有关。第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，工业合金中第二相多数是化合物。?+?钛合金(固溶体第二相)?当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细， 分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性 略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。 弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而 阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。?颗粒钉扎作用的电镜照片位错切割 第二相软 粒子示意 图电 镜 观 察第五节 塑性变形对组织和性能的影响?一、塑性变形对组织结构的影响?金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。?当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。?塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。工业纯铁在塑性变形前后的组织变化(a) 正火态(b) 变形40%(c) 变形80%5%冷变形纯铝中的位错网塑性变形对金属组织的影响晶粒拉长，纤维组织 → 各向异性 (沿纤维方向的强度、塑性最大）变形10% 100×变形80% 纤维组织100×变形40% 100×工业纯铁 不同变形度 的显微组织?由于晶粒的转动，当塑性变 形达到一定程度时，会使绝 大部分晶粒的某一位向与变 形方向趋于一致，这种现象 称织构或择优取向。 形变织构使金属呈 现各向异性，在深无 有各向异性导致的铜板 “制耳”丝织构 板织构?冲零件时，易产生可提高硅钢片的导磁率。形变织构示意图“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构轧制铝板的“制耳”现象二、加工硬化?随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑 性、韧性下降的现象称加工硬化。1040钢(0.4%C)黄铜 黄铜 铜 1040钢 (0.4%C)铜冷塑性变形量，%冷塑性变形量，%? ?产生加工硬化的原因是: 1、随变形量增加, 位错密度增加，由于位错之 间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加.Si 中 的 位 错 源位错密度与强度关系晶 体 中 的 位 错 源? ? ?2. 随变形量增加，亚结构细化3. 随变形量增加, 空位密度增加 4. 几何硬化：由晶粒转动引起?由于加工硬化, 使已变形部分发生硬化而停止变形, 而未变形部未变形纯铁分开始变形。没有加工硬化, 金属就不会发生均匀塑性变形。?加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。变形20%纯铁中的位错三、残余内应力?内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时, 内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中.? ? ?内应力分为三类： 第一类内应力平衡于表面与心部之间 (宏观内应力)。 第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间, (微观内应力)。 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。??第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金 属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属 强度降低。?内应力的存在，使金晶界位错塞积所 引起的应力集中属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形 后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。第六节 金属的断裂一、塑性断裂金属材料在断裂前产生 明显宏观塑性变形的断裂。断口三要素：纤维区： 呈暗灰色，无金属光泽， 表面粗糙，呈纤维状，位于 断口中心，是裂纹源。 放射区： 宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的 放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。 剪切唇： 宏观特征是表面光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。 断口三区域的形态、大小和相对位置随条件不同而不同，材料强度 越高，塑性越低，剪切唇越小，放射区比例越大（放射线越细）。二、脆性断裂金属材料在断裂前不产生或只产 生较小的宏观塑性变形的断裂。 （光 滑拉伸试样的断面收缩率小于5%）断口形貌：断口一般与正应力垂 直，断口表面平齐，断口边缘没 有剪切“唇口”(或很小)。解理断裂（了解）是金属材料在一定条件下（如低温），当外加正应力达 到一定数值时，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶 断裂，因与大理石断裂类似，故称这种晶体平面为解理面 解理面一般是低指数或表面能低的晶面 解理断裂总是脆性断裂，但有时在解理断裂前也显示 一定的塑性变形。（一）解理断裂机理在解理断口附近又少量的塑性变形。事实上，绝对脆性断裂 是不存在的，裂纹形成与塑性变形有关（单晶金属和多晶金属）， 而金属塑性变形是位错运动的反应，因而裂纹形成可能与位错有 关，这就是裂纹形成的位错理论考虑问题的出发点。1、甄纳-斯特罗位错塞积理论在滑移面上的切应力作用下，刃型位错相互靠近，当切 应力达到某一临界值时，塞积头处的位错相互挤紧聚合而成 一定高度一定长度的楔形裂纹（或孔洞形位错）；如果塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞 积头处的最大拉应力能够等于理论断裂强度而形成裂纹；解理断裂过程包括： 塑性变形形成裂纹。裂纹在同一晶粒内初期长 大、裂纹越过晶界想相邻晶粒扩展。 低温下易导致脆性解理断裂2、柯垂耳位错反应理论（二）解理断裂宏观形貌解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征 应该是极平坦的镜面，但是，实际的解理断裂断口是由许多大 致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。（这种大致以晶粒大 小为单位的解理面称为解理刻面） 解理台阶、河流花样、舌状花样鱼骨状花样、扇形花样及 瓦纳线等是解理断裂的基本微观特征。（三）准解理断裂形貌在许多淬火回火钢种，其回火产物中有弥散细小的碳化物 质点，影响裂纹形成与扩展。断裂路径不在与晶粒位向有关， 而主要与细小碳化物质点有关了。其微观特征似河流但又非真 正解理，故称准解理。 准解理与解理不同点：有小解理刻面；有台阶或撕裂棱及河流花样。 共同点：准解理小刻面不是晶体学解理面。 真正的解理裂纹常源于晶界，而 准解理裂纹源则常源于晶内硬质点，形成 从晶内某点发源的放射状河流花样。准解 理不是一种独立的断裂机制，而是一种解 理断裂的变种。
根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂 与脆性断裂...解理断裂是金属材料在一定 条件下(如体心立方金属、密排六方金属、合金处于...金属及合金变形的三个阶段 1. 三个阶段: σ≤σ e: 弹性变形阶段 σ s&σ≤σ b: (均匀)塑性变形阶段 σ&σ b: 不均匀塑性变形阶段(断裂阶段) 2. 力...日本碳素钢材和合金钢硬度表 3 页 免费 更多与“钢材硬度”相关的内容&& 钢材...塑性变形对金属材料断裂... 5页 1下载券 金属材料在循环载荷下塑... 4页 ...一、断裂的分类 根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小,可分为韧性断裂和脆性...解理断裂是金属材料在一定条件下 (如 体心立方金属、密排六方金属与合金处于...韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形,脆性断裂在断 裂前基本上不发生...解理断裂是金属材料在一定 条件下(如体心立方金属、密排六方金属与合金处于...第五章 《金属及合金的塑性变形》 复习题一、名词解释: 1. 滑移、临界分切应力...了应力集中,推迟了裂纹的形成和发展,使金属在断裂之前可发生较 大的塑性变形...根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂 与脆性断裂...解理断裂是金属材料在 一定条件下 (如体心立方金属、 密排六方金属与合金处于...[多选题] 在铁碳合金中,莱氏体是由什么所构成的机械混合物。CD A 珠光体 B...错误 14. [判断题] 抗拉强度是表示金属材料抵抗最大均匀塑性变形或断裂的能力...准解理断裂:断口形态与解理断口相似,但具有较大塑性变形(变形量大于解理断裂、...bcc 类型金属、合金易发生解理断裂,fcc 类型金属、合金不易发生解理断裂 (滑 ...断裂前没有明显的塑性变形。 ②断口平整,有金属光泽。 3, 穿晶断裂与沿晶...回火脆性:1)第一类回火脆性发生在合金结构钢中。但某些 钢在 250～400℃回火...
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