当前课程知识点:材料学概论 > 第5讲 金属及合金材料(二) > 5.1 金属材料的加工 > 5.1.2 金属的冷变形
我们在加工过程当中
或者针对某种材料
要产生塑性变形
那么平常使用也好 加工也好
对必须材料的力学性能
有透彻的了解
我们常用一些材料
应力应变曲线
这条曲线
可能在别的课程当中学过
我们这条曲线
我用英文表示出来
为什么说
我们要理解它的真正的物理含义
希望同学们
在做作业的时候
把这个图 把这些英文名词
都翻译过来
这是一个应力应变曲线
左边这是一条典型的
应力应变曲线
所谓应力应变曲线
它的横坐标是应变
它的纵坐标是应力
注意应力是一种内力
是材料所承受的内力
横坐标是应变
应变是什么
就是说它现在的长度
减去原来的长度
比上原来的长度
用百分数来表示
它是个无量纲的量
无量纲的量
那么如果量越大
表示材料的塑性越好
塑性越好
就是拉的很长
拉的长度
比上原来的长度
拉的长度减去原来的长度
比原来的长度
按百分数来表示
把它叫做应变
注意它是无量纲的量
应力什么
是一个内力
内的应力它的单位是什么
它的单位是
每平方面积上的受力数
一般用帕和兆帕来表示
帕的单位是什么
每平方米上的牛顿数叫做帕
兆帕
是百万帕叫做兆帕
我们图上的单位
指的是个psi
psi 小写的psi代表什么
是每平方英寸上的磅数
每平方英寸上的磅数
它是个什么
它是个英制单位
英制单位 公制单位
我们尽管不用英制单位
但是我们得了解它
我们得知道它
比如像我们简体汉字
我们很熟悉
也需要知道繁体汉字
是一样的 得了解它
那么这条曲线
我们看这条实线的曲线
首先是一个直线段
达到直线段以后
就得到了一个近似抛物线的
这么一条曲线
那么在曲线
它后边就没有了
我们从直线段当中
我们要了解
它的直线段的斜率是弹性模量
它定义为什么
弹性模量定义为什么
Δσ/Δξ
在弹性范围之内
这条直线的斜率
定义为弹性模量
注意弹性模量
它是一个非组织敏感的特性
给你这种各种组织
它是不一样
它是钢
弹性模量是多少
铸铁弹性模量是多少
它是固定的
它是非组织敏感的一个性质
从这条直线
到这条近似抛物线的
两条曲线
有一个交点
交点叫做弹性极限
弹性极限很清楚
就是前边发生的
低应力发生情况下
是弹性变形
过了这一点就是塑性变形
把这一点叫做弹性极限
那么这条曲线再往上走
往上走的过程当中
有个最高点叫做拉伸强度
断裂的这一点
叫做破坏强度
或者叫做断裂强度
你看一个叫做弹性极限
一个叫做拉伸强度
一个叫做断裂强度
分别对应着不同的点
那么我们平常讲
材料屈服了
从弹性区过渡到塑性变形
那么到底从弹性区
过渡到塑性变形区
在哪一点过渡
不同的仪器测量它是不一样的
不同人看它也是不一样的
那么好像这不太好定义
那么为了解决这个问题
在工程实用上
提出来一个条件屈服极限的
这种观点
什么叫做条件屈服极限
我就说它发生屈服了
我等它发生屈服到一定程度
我再定义
很清楚了
这样很清楚了
那么把它叫做条件屈服强度
一般常用的条件屈服强度
叫做σ0.2
什么叫做σ0.2
就是当它发生的
塑性变形达到了0.2%的时候
它对应的那个强度
叫做条件屈服强度
把它定义为σ0.2
我换句话说σ0.2是怎么定义的
就是它发生塑性变形以后
当它的塑性变形量
永久塑性变形量是0.2%的时候
对应的那个强度叫做σ0.2
叫做条件屈服强度
在这条曲线上
我就是过某一点
做那种弹性极限的平行线虚线
做这条平行线
平行线相交的那个0.002
或者叫0.2%的时候
所对应的那个强度
叫做条件屈服强度
它为什么做这条平行线
我就说我在做实验的时候
在拉伸的过程当中
它既有弹性变形
又有塑性变形
因为我刚才讲了
我这种塑性变形
是永久塑性变形是0.2%的时候
我怎么得到永久变形
必须把弹性变形给它消失掉
把它消失掉
怎么消失掉
我就做这条弹性曲线的
给它直线的平行线
做直线的平行线
达到交点处
是0.002的时候
所对应的那个强度
叫做条件屈服强度
也叫做σ0.2
σ0.2是在工程设计当中
常用的一个数据
注意 在断裂强度地方
有两个 注意
一种是做垂线下来
交到一点
一条是做平行线下来交到一点
把这两点
又叫在断裂处的延伸率
在破坏地方的延伸率
注意 这两个是不太一样的
这怎么意思
就是说垂直下来的
这条直线对应的强度
是在仪器上记录的
在哪断的 还记录着
但是我们平常所量的
比方材料已经断了以后
我们再量就是做平行线
下来的这条
因为显然你把材料
在仪器上所做的那个地方
它包括着弹性极限
当你材料已经断了
你再量长度
它没包含那个弹性变形的部分
所以这两个是不一样的
当然叫法
有的把叫做
断裂时候的伸长
有的是破坏时候的伸长
两个是不一样
注意这一点有区别
那么总结一下
在这条曲线上
横坐标代表应变
纵坐标代表应力
那么折到这条曲线
开始是一段弹性直线阶段
后边是近似抛物线的
一种塑性变形阶段
在这上边
有怎么定义弹性模量
怎么定义弹性极限
怎么定义条件屈服极限
什么叫做拉伸强度
什么叫做断裂强度
什么叫做破坏延伸率
什么叫做断裂延伸率
这几个都要弄清楚
要理解这条曲线
必须把这些点在什么地方
每一点它的名词是什么
它代表什么意思
一定要弄清楚了
我们这条曲线是非常重要
那么开始应力应变曲线点上
各特征点的名称
那么右边这条曲线
是典型的碳钢的
低碳钢的拉伸应力应变曲线
那么这两者不太一样的地方
是什么
首先一样的地方都是有一个
弹性阶段
是一条直线
注意过了直线以后
它又像个锯齿一样发生了
应力应变曲线表现为锯齿式
有一个上屈服点
有一个下屈服点
经过这种上屈服点 下屈服点
经过这种像锯齿式的变化之后
然后它硬化比较快
然后它发生断裂
它是这么条曲线
为什么是这种曲线的形状
跟它的结构有关系
我定下来它是个低碳钢
含碳量比较低的
当含碳量不一样的时候
加上合金元素
变化是不一样的
如果是个低碳钢是室温的
你如果是得到fcc的
或者hcp的 结构不一样
这条曲线差别也是很大
知道碳钢的曲线它的特点是什么
知道不同金属
或者不同的含量
成分的含金
它的拉伸曲线是不一样的
但是既是多不一样
它有一个弹性阶段
最后它是发生塑性变形最后断裂
从这条曲线
也应该找出弹性模量怎么求
弹性极限怎么求
断裂强度怎么求
拉伸强度怎么求
哪个是条件屈服极限
怎么求断裂延伸率
怎么求破坏延伸率
都要知道
刚才我们讲了
金属材料的冷热加工过程
我们举的例子
一个是挤压
一个是拔丝
还有一个是深冲
现在以钢板轧制为例
看它的粗轧或精轧的过程
那么这个是粗轧
它的减薄率非常大
如果是热加工
中间不用经过热处理
可以直接轧下去
那么下边
就是六道的精轧工序
六道精轧工序
那么你看
注意它刚才轧制过程
它是两管轧机就可以了
轧管比较大
轧管比较大
变形量比较大
中间不用经过热处理
那么到精轧过程当中
因为它是它变形抗力比较大了
要求比较精细
你要粗辊得不到表面好的质量
必须用细的轧辊
要想用细的轧辊
在精轧过程当中
一般有多辊轧机
你看看这边都是四辊轧机
就是小轧辊上边
有大轧辊
大轧辊是定位的
保证它不发生变形
轧制
利用下边
小轧辊进行轧制
一道轧制 一道轧制
逐渐过程当中
如果是冷轧
两道轧制之间必须有退火
为什么
这就牵扯到刚才什么叫冷热工
热加工了
冷加工 热加工
表面上看是按温定来确定的
不然
冷加工 热加工
一定是相对金属熔点而言的
对锡 铅这些金属
室温就是热加工了
对于钨钼这种
熔点是三千度
两千多度的这种金属
大概一千度也算不上是热轧
那怎么定下来
一般是再结晶温度以上的
这种加工叫做热加工
在再结晶温度以下的加工
叫做冷加工
一般是这么定义
那什么叫做再结晶温度
再结晶温度一般这么定义的
它是在熔点0.45左右的
这种温度
0.4到0.5左右
一般定义为0.45左右
熔点的这种温度
叫做什么
叫做再结晶温度
那么对刚才来讲
是多少
因为钢的熔点是
一千五百度左右
一千五百度左右
那么0.5
是750度左右
750度左右 一个加工
低于这个温度
那叫做冷加工
高于温度叫做热加工
当然这里边比较复杂了
因为在轧制过程当中
不但温度是降低的
因此起轧点必须温度高一点
终轧点
温度下来了
必须得控制
不同的含量它是不一样的
这是材料加工必须考虑的问题
注意 在加工过程当中
特别是在冷加工过程当中
它组织结构会发生变化
它组织结构会发生变化
那么比方说我们在加工过程当中
我们看看组织结构会发生变化
我们必须要考虑
必须要考虑
你比方说锻造过程当中
起重机的吊钩
起重机的吊钩
在你加工过程当中
它晶粒沿着你加工变成
它是发生了变化
这组织发生了变化
晶粒拉长了
晶界也拉长了
里边如果有气泡
气孔当中也拉长了
我们加工过程当中可以看到
A是合理的 B是不合理的
为什么 A是合理 B是不合理的
因为你加工过程当中
它流线
它沿着钩的方向
这样比较是
耐力比较好
强度比较高
那么右边
它不是 它考虑这样
这样在承受力的地方
它的强度就比较强
承受力的能力就比较差
比较合理的
比方再结晶温度以上的
加工过程当中
再结晶温度以上的过程当中
它由于再结晶温度以上
那么你加工过程
产生加工组织
什么叫加工组织
晶粒拉长了 晶界也变长了
里面夹杂物 气孔也变长了
这一般叫做加工组织
由于它的再结晶温度以上
你加工组织的
它由于存在着一些能量
它自己会形核 会长大
加工组织就消失了
因为再加工就不用再热处理了
存在应力也消失了
加工组织也消失了
可以接着再继续加工
但是你加工
如果是再结晶温度以下的冷加工
你加工以后
我加工组织就存在了
加工组织存在了
晶粒拉长了 晶界拉长了
你的气孔气泡都存在这里边
同时在这里边存在着应力
内应力
我们说内应力分三类
一类内应力是宏观热应力
宏观热应力
比方说表面跟内部存在应力
这是宏观热应力
还有两类是属于微观内应力
晶粒之间存在的应力
第二类的
第三类是在晶胞范围当中
存在的内应力
叫做第三类内应力
我们加工存在着内应力
不见得都是坏的
不见得都是消极的
有时候需要这种加工
因为它强度比较高
存在一定内应力
比如汽车钢板
最后一步必须是冷加工的
冷加工它可以提高它的强度
在汽车钢板表面上用
强度比较高
这是很好的
需要存在内应力
需要存在着加工组织
但是如果想继续加工
或者是怕它内应力释放出来
发生变形的大部分情况
就不需要有内应力存在
就需要把加工组织
进行退火
进行热处理 进行退火
注意 我刚才讲的
冷加工过程当中
除了会引起材料的
组织发生变化以外
它的结构也会发生变化
什么叫结构发生变化
不是说fcc变成bcc
bcc变成hcp不是这个意思
就是说不同的晶粒
它的排列方向
会趋向某些特定的方向
比方拔丝
它的某些方向朝着同一个方向
拔丝的方向
比方轧板
在轧的方向 在法线
或者加压方向
它的不同的晶粒
会朝着方向排列
把这种方向
把这种排列的情况
结构发生的变化
我们给它叫做织构
织构 texture叫做织构
这种织构
是从织物上来的
地毯一看 纵纹 横纹
经线 纬线 它是这样来的
这产生织构
这产生织构是个结构发生的变化
我们刚才讲的晶粒拉长什么这些
这是组织发生的变化
那加工过程当中
无论是结构和组织
都会发生一些变化
那么织构不见得都是有害的
有时候需要
比方说硅钢片就需要有织构
它在某些方向
磁化比较方便
特意的产生织构
那么有些
它是不利的
产生织构是不利的
要想办法消除它
那么这是织构的特点
是对比如说反应堆材料来讲
你产生织构了
那些裂变产物
那些气泡
它优先在某些部位上
这种集中
这就是不利的
所以说织构
有些情况是有利的
有些情况是不利的
像组织一样
有些情况是有利的
有些情况是不利的
就是加工过程当中
改善它的
我刚才讲了改变形状
这是肯定的了
无论是挤压还是冲压
还是拔丝还是锻造
还是轧板
都是为了改变形貌
改变形貌
大家伙很清楚
不是搞材料的人也清楚
你一个杯子
它是钢板的
你必须得改变形貌
大家伙都理解
组织和结构的变化
是需要我们材料科学工作者
必须要注意的
首先它为什么改变它
改变有什么好处
有什么坏处
这些都是要注意的
那么在加工过程
冷加工过程当中
你看它会发生很多的变化
冷加工过程
冷加工 冷加工
它里边存在的能量
它不容易释放出来
你加工过程当中
给它储存一些能量
它会产生内应力
冷加工过程当中
它是强度提高
脆性增加
强度提高 脆性增加
某些情况下产生各向异性
那么这些情况
有时候有用的
有时候是没用的
我们往往继续加工
必须得经过热处理
经过热处理得消除应力
别太硬了
太硬了我加工不了了
你太脆了 一加工就裂了
必须得降低它的硬度或者强度
把它使它变形
性能更好
通过什么办法
通过热处理
一般热处理
有消除应力热处理
再结晶热处理
均匀化热处理
扩散热处理什么
均匀化热处理等等热处理
一般采取的方法是退火
采取的方法是退火
什么是退火
后边还要讲
它是个热处理过程
加热到一定温度
最终冷却
(退火)又叫闷火
这种退火又叫闷火
注意它在加工过程当中先是恢复
把那些应力消除了
把那些比如位错给它消失了
然后形核就是再结晶了
一形核以后
它就要长大
长大以后
就不是原来的加工组织了
那么现在恢复再结晶
再晶核长大
它到底驱动力是什么
大家伙想到没有
它在恢复再结晶过程当中
它的驱动力是形变能量
储存的形变能
在加工过程当中储存的形变能
这是它的动力
一到了晶核长大
表面能起作用
小晶粒变成大晶粒
小晶粒变成大晶粒
它的晶界面积小了
它会释放出能来
这是它的驱动力
这是加工过程
那么我刚才讲了
对材料来讲
有各种方法需要强化
我刚才讲了加工是一个
重要的方法
可以提高强度
对金属材料特别是钢铁材料来讲
有各种各样的强化方式
常见的强化方式有五种
第一种是固溶强化
无论置换式固溶体
或者间隙式固溶体
它是固溶强化
第二是晶界强化
给它变成细晶材料
第三条是加工硬化
加工硬化
第四种是析出强化
析出强化
析出了什么东西了
第五种是组织强化
组织强化
我们分别举例子来讲
固溶强化是什么
置换式固溶体
间隙式固溶体
它都是晶格畸变了
再变形不容易了
因此它是固溶强化
细晶强化
低温的时候
晶界是强化因素
细晶材料强度比较高
而且改善韧性
这是常用的方法
超高 超细晶粒钢
现在大家伙在研究
第三是加工硬化
什么叫加工硬化
随着加工的进行
组织结构都发生了变化
里面还存在了一些内应力等等
再继续加工更难了
把它加强加工硬化
当然仔细讲
以后还可以讲到
里面存在位错
位错互相交割塞机等等这些
析出强化是什么意思
就是析出了
或者是弥散的
或者是颗粒状的这些
因为你在金属在这种金属
固溶体当中
你析出来一些金属键化合物
这些金属键化合物
它又硬又强
它析出来了
那你变形当然受到阻碍了
它析出强化
第五种叫组织强化
什么叫组织强化
我刚才讲了
珠光体是铁素体和渗碳体
组成的机械混合物
它组成珠光体以后
一层铁素体一层渗碳体
一层铁素体 一层渗碳体
或者得到马氏体
马氏体层片
它有一定的间隔
那么继续变形了
都比较困难
把这种强化叫做组织强化
当然对复合材料
有个纤维强化
纤维强化本身也是组织强化的
这一个组成部分
希望这五种强化机制
大家伙要清楚
加上合金元素
往往合金元素的添加
往往这几种强化因素
都会同时起作用
固溶 晶界 什么加工
什么时效
什么这种组织强化
由于合金元素
都会产生这种效应
因此它会产生强化
可能同学问了
你强化 为什么要强化
为什么对材料要强化
强化就是说
同样的面积上
承受的力更大
同样体积材料
我可以做到更多的工件
那么得到高强度材料
可以做的轻薄短小
可以做得更安全 更可靠
特别是对于那些自重
成为主要因素的一些结构
或者构建
比方说汽车 船舶 飞行器 武器
桥梁 大跨度的桥梁
你如果用低强度的钢
重量就很大
影响它的运行速度
影响它的跨度
如果用高强度的材料
可以做的很轻
汽车可以跑得更快
船舶可以装得更多
强梁可以更大
因此提高强度
是材料科学工作者
始终不渝追求的一个目标
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准--作业
-1.2 材料的作用
--1.2.7 “制造材料者制造技术”,材料可以“以不变应万变”
-1.2 材料的作用--作业
-1.3 材料科学与工程四面体
-1.3 材料科学与工程四面体--作业
-1.4 材料与创新
--1.4.2 “9.11事件”世贸大厦垮塌和“3.11大地震”福岛核事故都涉 及材料
-1.4 材料与创新--作业
-本讲作业--作业
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布
--2.1.3 原子的核外电子排布(1)——量子数和电子轨道
--2.1.4 原子的核外电子排布(2)——电子排布的三个准则
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布--作业
-2.2 元素周期表反映元素的规律性
--2.2.1 核外电子排布的应用(1)——碳的sp3、sp2、sp杂化
--2.2.2 核外电子排布的应用(2)——四面体键的奇妙之处
--2.2.3 核外电子排布的应用(3)——电子授受及元素氧化数变化
--2.2.4 核外电子排布的应用(4)——过渡族元素和难熔金属
-2.2 元素周期表反映元素的规律性--作业
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素--作业
-本讲作业--作业
-3.1 材料性能与组织结构的关系
-3.1 材料性能与组织结构的关系--作业
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体--作业
-本讲作业--作业
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢--作业
-4.2 金属材料的组织结构
-4.2 金属材料的组织结构--作业
-4.3 铸锭及其组织
-4.3 铸锭及其组织--作业
-本讲作业--作业
-5.1 金属材料的加工
-5.1 金属材料的加工--作业
-5.2 钢材的热处理
--5.2.4 钢的淬火(quenching)(1)——加热和急冷的选择
--5.2.5 钢的淬火(quenching)(2)——增加淬透性和防止淬火开裂
-5.2 钢材的热处理--作业
-5.3 钢的强化机制
--5.3.6 合金钢(2)——高速钢、不锈钢、弹簧钢和轴承钢
-5.3 钢的强化机制--作业
-本讲作业--作业
-6.1 粉体材料的性能
--6.1.1 粉体及其特殊性能(1)——小粒径和高比表面积
--6.1.2 粉体及其特殊性能(2)——易流动性和高分散性
--6.1.3 粉体及其特殊性能(3)——低熔点和高化学活性
--6.1.4 粉体的特性及测定(1)——粒径和粒径分布的测定
--6.1.5 粉体的特性及测定(2)——密度及比表面积的测定
--6.1.6 粉体的特性及测定(3)——折射率和附着力的测定
-6.1 粉体材料的性能--作业
-6.2 粉体的加工与处理
-6.2 粉体的加工与处理--作业
-6.3 粉体的应用
--6.3.3 粉体精细化技术——粒度精细化及粒子形状的改善
-6.3 粉体的应用--作业
-6.4 纳米材料
-6.4 纳米材料--作业
-本讲作业--作业
-7.1 陶瓷材料的定义和分类
-7.1 陶瓷材料的定义和分类--作业
-7.2 坯体成型
--7.2.2 陶瓷成型工艺(1)——旋转制坯成型和注浆成型
--7.2.3 陶瓷成型工艺(2)——干压成型、热压注成型和等静压成型
--7.2.4 陶瓷成型工艺(3)——挤压成型、注射成型和流延成型
-7.2 坯体成型--作业
-7.3 陶瓷烧结
-7.3 陶瓷烧结--作业
-7.4 陶瓷材料的结构
-7.4 陶瓷材料的结构--作业
-7.5 结构陶瓷
--7.5.1 结构陶瓷及应用(1)——Al2O3和Zr02
--7.5.2 结构陶瓷及应用(2)——TiO2、BeO和AlN
-7.5 结构陶瓷--作业
-7.6 功能陶瓷
--7.6.4 功能陶瓷及应用(3)——微波器件、传感器和超声波马达
-7.6 功能陶瓷--作业
-本讲练习--作业
-8.1 玻璃的发展简史
-8.2 玻璃的定义和特征
-8.3 玻璃的加工
-8.1-8.3 小节练习--作业
-8.4 建筑及高铁用玻璃
--8.4 建筑及高铁用玻璃--作业
-8.5 高技术玻璃
-8.5 高技术玻璃--作业
-本讲练习--作业
-9.1 何谓高分子和聚合物
-9.1 何谓高分子和聚合物--作业
-9.2 聚合物的合成
-9.2 聚合物的合成--作业
-9.3 从结构层次看聚合物
-9.3 从结构层次看聚合物--作业
-本讲练习--作业
-10.1 高分子材料性能与加工
--10.1.8 聚合物的成形加工及设备(1)——压缩模塑和传递模塑
--10.1.9 聚合物的成形加工及设备(2)——挤出成型和射出成型
--10.1.10 聚合物的成形加工及设备(3)——塑料薄膜和纤维丝制造
-10.1 高分子材料性能与加工--作业
-10.2 胶粘剂和涂料
-10.2 胶粘剂和涂料--作业
-本讲练习--作业
-11.1 复合材料的定义和分类
-11.1 复合材料的定义和分类--作业
-11.2 增强材料和基体材料
-11.2 增强材料和基体材料--作业
-11.3 复合材料的应用
-11.4 天然复合材料
-11.5 生物材料
-11.3-11.5 节练习--作业
-本讲练习--作业
-12.1 磁性的来源
--12.1.2 过渡金属元素3d壳层的电子结构与其磁性的关系
-12.1 磁性的来源--作业
-12.2 磁性材料的分类
-12.2 磁性材料的分类--作业
-12.3 磁畴和磁滞回线
-12.3 磁畴和磁滞回线--作业
-12.4 软磁材料与硬磁材料
-12.4 软磁材料与硬磁材料--作业
-本讲练习--作业
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件--作业
-13.2 薄膜制备——PVD法
-13.2 薄膜制备——PVD法--作业
-13.3 薄膜制备——CVD法
-13.3 薄膜制备——CVD法--作业
-13.4 薄膜的加工
--13.4.2 反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)
-13.4 薄膜的加工--作业
-13.5 薄膜材料的应用
-13.5 薄膜材料的应用--作业
-本讲作业--作业




