(整理)金属材料损坏与变形

第6章 金属及合金的塑性变形6-1 金属的变形特性金属在外力作用下的变形行为可用拉伸曲线来描述。

设拉力为P ，试样伸长量为dl ，则应力σ和应变ε分别为：A P σ=； ldl ε= 式中，A 为试样的截面积。

在拉伸过程中，A 和l 是变化的，在工程上，为了简化问题，A 常用A 0来代替，ε也用平均值表示ε=(l －l 0)/l 0，这样测得的σ-ε曲线称工程σ-ε曲线。

一、工程σ-ε曲线P161图1是低碳钢拉伸时的工程σ-ε曲线。

当应力低于σs 时，没有残留变形，大于σs 时，开始发生塑性变形。

所以，σs 是发生塑性变形的最小应力，称屈服强度。

屈服强度也是弹性极限σe （弹性变形的最大应力）。

在弹性变形阶段，当应力小于σp 时，σ-ε呈线性，服从虎克定律： εE σ=式中，E 是直线的斜率，称材料的弹性模量。

开始偏离直线的应力σp 称比例极限。

当应力超过σs 时，开始发生塑性变形。

随着塑性变形的增加，应力增大，这种现象称加工硬化。

当应力达到最大值σb 时，开始下降，直到断裂。

最大值σb 称材料的抗拉强度。

超过此值，试样发生局部颈缩，即发生了不均匀塑性变形。

所以，σb 是材料发生均匀塑性变形的最大应力。

注意，应力超过σb 后下降，并不是加工硬化失效。

在结构材料中，我们关心的力学指标是σs 和σb ，它们和硬度一起称做强度指标。

在实际应用中，σs 值是无法测量的，通常用发生0.2%塑性变形时对应的应力值来表示屈服强度，称条件屈服强度。

通常我们所说的材料的力学性能，除了上述强度指标外，还有两个塑性指标，延伸率、断面收缩率。

延伸率是指发生断裂时，试样的伸长率：%10000⨯-=l l l δσσ断面收缩率是指发生断裂时，试样截面积的变化率：%10000⨯-=A A A ψ 二、真应力-真应变曲线（T T εσ-曲线） 工程应力与真实应力之间的不同是容易发现的。

下面看看工程应变与真实应变的不同。

拉伸一个试样，使其伸长一倍，则工程应变1/)2(000=-=l l l ε；若是压缩，要获得同样数值的负应变，理应压缩到原长度的一半。

172管理及其他M anagement and other浅析金属材料热处理过程变形及开裂问题张均红（武汉市汉阳区武汉船舶职业技术学院，湖北 武汉 430050）摘 要：社会经济的迅速发展为机械设备制造行业的发展注入了充足的动力，随着各个行业对金属材料需求量的不断增加，相关企业必须加大金属材料的生产，才能从根本上满足我国工业化发展的需求。

热处理技术作为当前金属材料深加工过程中最常用的改变金属材料结构特点与使用性能的技术，该技术的应用虽然有助于金属材料稳定性能的增强。

但是由于金属材料在热处理的过程中经常出现变形或者开裂的问题，导致金属元件的性能、强度以及硬度等都受到了不同程度的影响。

因此，操作人员必须准确的把握金属材料热处理工艺的温度，才能在提升金属材料整体质量的前提下，降低金属材料的变形量。

文章主要是就金属材料热处理过程中的变形与开裂问题进行了分析与探讨。

关键词：金属材料；热处理；变形；开裂中图分类号：TG156 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2020）17-0172-2收稿日期：2020-09作者简介：张均红，男，生于1973年，汉族，湖北红安人，本科，工程师，研究方向：金属材料与热处理。

金属材料热处理实际上采用特定工艺对金属材料进行加热，保温或者冷却，改变固态金属的形态，然后在机械或化学的作用下，优化和改善金属材料内部结构与性能，从而达到提高金属产品制造质量的目的[1]。

1 金属材料热处理工艺的优点为了达到提升金属材料性能的目的，工作人员必须通过对金属材料进行热处理加工的方式，在多种方式的淬炼下，降低金属材料中可能出现的网状碳化物等杂质，然后通过对金属材料颗粒的细化，消除金属材料的内应力，促进金属材料强度与韧性的全面提升，才能发挥出金属材料在工业生产中应用的效果。

通过对金属材料进行热处理，帮助金属材料塑形，然后在热应力与重力势能的双重作业下，破坏原子结构，从而达到降低金属材料塑型难度的目的。

金属，在日常生活和工业生产中被广泛使用。

然而，在使用过程中，金属往往会发生形变。

形变是指金属在外力作用下，发生尺寸、形状和结构的变化。

这些形变可能会影响金属的使用性能，并最终导致金属零部件的破坏。

了解金属形变发生的因素对于避免金属零部件失效具有重要意义。

本文将从以下几个方面探讨金属在使用过程中形变发生的主要因素。

1. 外力作用：金属在受到外力作用下会发生形变。

外力可以是拉力、压力、剪切力等，这些外力会使金属内部原子结构重新排列，从而导致金属形变。

在拉伸金属材料时，原子之间的键将被撕裂，金属材料会发生延长，产生塑性变形。

压缩金属材料时，原子之间的键将受到挤压，金属材料会发生压缩，产生塑性变形。

剪切金属材料时，原子间的键将被切断，金属材料会产生滑移，从而发生形变。

2. 温度变化：金属在不同温度下会发生形变。

温度的变化会影响金属原子的热运动，进而影响金属的强度和韧性。

一般来说，温度升高会使金属变软，易于发生形变，而温度降低会使金属变硬，难以发生形变。

温度的变化还会引起金属内部晶格结构的变化，从而影响金属的塑性变形性能。

3. 冷加工和热加工：金属在冷加工和热加工过程中都会发生形变。

冷加工是指在常温下对金属材料进行塑性变形加工，如冷拔、冷轧、冷挤压等。

冷加工会使金属产生塑性变形，但也容易造成金属的工艺性能下降。

热加工是指在高温下对金属材料进行塑性变形加工，如热锻、热轧、热挤压等。

热加工可以降低金属的强度和硬度，提高金属的塑性变形性能，但也容易使金属产生晶粒长大和组织松散等问题。

4. 疲劳和腐蚀：金属在长期使用过程中会发生疲劳和腐蚀，从而导致形变。

疲劳是指金属在受到交变应力作用下，经历多次应力变化后发生裂纹和破坏。

腐蚀是指金属与周围介质发生化学反应而导致表面金属被侵蚀和损坏。

疲劳和腐蚀都会降低金属的强度和韧性，使金属产生形变，并最终导致金属零部件的失效。

5. 内部缺陷：金属在生产过程中可能存在内部缺陷，如夹杂、气泡、晶界错位等。

金属材料的微观结构与变形行为金属材料是日常生活中广泛使用的一种材料，它具有很高的强度、韧性和导电性能。

它们可以用来制造各种家具、建筑结构、机械和电子设备等。

金属材料的应用如此广泛，是因为它们具有非常特殊的微观结构，可以通过加工过程进行调整以达到设计要求。

一. 微观结构金属材料的微观结构由晶粒、晶界和位错组成。

晶粒是金属材料中的基本单元，它是由原子结构规则堆积而成的。

晶界是相邻的晶粒之间的边界，它们的原子结构不同，存在一些缺陷和杂质元素。

位错是晶体结构中的一种缺陷，是由于反向或错位而引起的局部应变。

有时，通过控制位错，可以在金属材料中引入更多的弹性和塑性，从而使它们更适合特定的应用环境。

二. 变形行为金属材料的变形行为是由微观结构的性质和应变率决定的。

当金属材料向外施加力时，所有的原子和分子会受到刺激，从而引起局部的位移。

随着原子的移动，由于晶格的协调，势能会逐渐降低，因此，位错会在晶体中引起一些局部塑性变形。

在材料的应变率较低时，金属材料的晶粒可以通过变形和位错扩散轻松地将形变向周围传导。

但是，当应变率达到某个临界值时，晶粒的自由运动会受到限制，晶粒的形变将变得更加困难。

此时，应变率增加会导致晶粒的形变之间发生着重大的互动，最终导致金属材料的局部破坏。

三. 塑性加工金属材料的微观结构和变形行为对于塑性加工非常重要。

塑性加工是一种将金属材料变形并制造成物体的过程。

在塑性加工过程中，金属材料的微观结构会发生改变，从而影响材料的性质。

在这个过程中，位错并被引入到金属材料之中，这是为了增加金属材料的弹性和塑性。

在塑性加工过程中，金属材料中的晶粒会逐渐变形。

在一定程度上，这种变形可以增加金属材料的强度和塑性。

但是，如果变形过度，位错过多，金属材料可能会发生塑性流动失控，失去原有的完整性。

小结：金属材料的微观结构和变形行为是控制其性能和应用的关键。

晶粒、晶界和位错是金属材料的基本结构单元，控制这些结构单元的变化可以用于改善材料的性能。

金属材料的晶体缺陷与塑性变形金属材料是我们日常生活中使用最广泛的材料之一，它们具有出色的强度、导电性和耐腐蚀性能。

然而，这些材料中经常会出现各种各样的晶体缺陷，比如空位、过垫、位错等。

这些缺陷对于材料的力学性能和物理性质会产生深远影响，尤其是对于金属材料的塑性变形来说，晶体缺陷更是至关重要的因素。

1. 晶体缺陷的分类晶体缺陷是指晶体中由于各种因素导致的结构上的缺陷或变异。

从不同角度来进行分类，晶体缺陷可以分为以下类型：1.1 点缺陷点缺陷是指晶体中的空位、过垫和杂质原子等点状缺陷。

其中空位是最常见的一种点缺陷，其可以影响晶体的热力学性质，例如分子扩散、热导率和蒸发等。

1.2 线缺陷线缺陷是指晶体中的位错和螺旋线等。

位错是晶体中空间中某些原子排列错误的位置，随着应力的作用，位错可以在晶体中移动，导致晶体的塑性变形。

螺旋线则是由于晶体的外在形状而形成的缺陷，对于晶体的磁学性能有一定的影响。

1.3 面缺陷面缺陷是指而晶体中的晶粒边界和晶体表面等面状缺陷。

晶粒边界是不同晶粒之间的界面，晶体形成时会存在不同的晶粒之间的排列错误，从而形成晶粒边界。

晶粒边界有利于调整晶体中不同晶粒的方向和结构，从而达到材料强度和硬度之间的平衡。

2. 晶体缺陷与塑性变形晶体缺陷在材料的机械性能中起着至关重要的作用，其中最重要的是晶体缺陷与塑性变形之间的关系。

塑性变形是指材料结构的变形过程中一个结构单元从一种能量状态变为另一种，通常是由于位错的滑移或形成使受力部分发生塑性变形。

塑性变形取决于材料的塑性机制，即材料中塑性形变所依赖的机制，和材料的内部结构。

晶体缺陷会影响材料内部的塑性机制和材料的内在结构，从而影响材料的强度、韧性和延展性等力学性质。

2.1 种类与数量晶体缺陷的种类和数量是影响材料塑性变形的关键因素。

通常情况下，材料中的晶体缺陷越多越多样化，材料的塑性变形就越容易发生。

例如，在晶体中形成许多杂质原子可以增加位错的丰度，从而使材料的塑性发生改变。

金属材料的高温材料损伤与失效随着工业化的不断发展，许多重要的机械和设备需要在高温环境下使用。

比如，高温炉、蒸汽炉、发电厂、汽车引擎等都需要长期在高温环境下运行。

这种高温环境下运行的设备对材料的性能和寿命提出了很高的要求。

因此，我们必须深入了解金属材料在高温环境下的损伤与失效机理，以便调整材料结构和制造工艺，提高材料的使用性能和寿命。

首先，高温材料的损伤形式大致分为两类：塑性变形和蠕变变形。

塑性变形发生在较低的温度下，通常在簇晶粒界或晶粒内部发生。

这种塑性变形通常以非晶化、晶粒生长等方式发生，并且会导致材料的硬度下降、强度下降和塑性下降。

而蠕变变形则是发生于较高温度下，在高温下金属结晶体内原子的扩散会越来越明显，会导致材料分子之间的交互作用加强，从而会发生持续性的变形和滞后变形，最终导致材料失效。

其次，高温环境下金属材料失效的主要原因是氧化和热蠕变。

氧化是指热金属材料在高温环境下与氧气接触，发生氧化反应，形成金属氧化物层，并且在此过程中释放出热量。

金属氧化物层通常是一种薄膜，它能够抵御进一步的氧化和化学侵蚀。

但是，如果氧化速率很快，或者氧化层中存在缺陷，那么氧化将会加速，并可能导致材料失效。

热蠕变则是指在高温下，金属材料会不断变形，导致材料最终失效。

这种变形通常既包括塑性变形，又包括蠕变变形。

为了避免高温环境下金属材料的失效，我们可以采用多种方法。

一种方法是改变材料的结构，使其在高温环境下能够更好地抵御氧化和热蠕变的影响。

例如，增加合金元素的含量、增加晶粒的尺寸、制造金属纳米复合材料等方法，都可以使金属材料在高温环境下具有更好的耐蚀性和耐热性。

另一种方法是改变材料的制备工艺，使其在高温环境下的性能更加优异。

例如，通过控制热处理和热变形的过程，可以产生定向的织构和晶粒边界，从而增强材料的抗变形和蠕变变形的性能。

除此之外，我们也可以运用先进的材料测试技术来研究高温材料的损伤与失效机理。

例如，电子显微镜、原子力显微镜、X光衍射、红外热成像等技术，都可以用来观察材料内部的微观变化，以便更好地理解其损伤和失效的原因。

金属工艺学：是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术学科常用以制造金属机件的基本工艺方法：铸造压力加工，焊接，切削加工，热处理。

第一编金属材料导论合金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼，烧结或其他方法而制成的具有金属特性的材料。

金属材料主要机械性能有：弹性塑性刚度强度硬度冲击韧性疲劳度和断裂韧性弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。

弹性变形：这种随着外力消失而消失的变形，叫弹性变形，其大小与外力成正比。

塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能。

塑性变形：在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫塑性变形，其大小与外力不成正比。

σe 弹性极限材料所能承爱的不生产永久变形的最大应力σs 屈服极限出现明显塑性变形时的应力σ0.2 产生0.2%塑性变形时的应力作为屈服极限时金属材料的塑性常用延伸率来表示δ=(l-l0)/l *100%也可用断面收缩率来表示ψ=(F0-F)/F0 *100%Δψ越大，塑性越好刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。

弹性模数：在弹性范围内，应力与应变的比值。

它相当于引起单位变形时所需要的应力。

弹性模数越大，表示在一事实上应力作用下能发生的弹性变形越小。

弹性模数的大小主要决定于金属材料本身，同一类材料中弹性模数的差别不大。

弹性模数被认为是金属材料最稳定的性质之一。

强度：是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

按作用力的不同，可以分为抗拉强度，抗压强度，抗弯强度和抗扭强度。

在工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服强度和抗拉强度。

屈服强度σs：金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦抵抗微量塑性变形的应力。

σs =P S/F0(Pa帕斯卡)抗拉强度σb：金属材料在拉断前所能随的最大应力。

σb =P b /F0(Pa帕斯卡)硬度：金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。

布氏：HB圆球压头。

一般只用于测定其值小于450的材料。

第一章 合金化原理主要内容：概念：⑴合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。

⑵杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。

⑶碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。

⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。

①低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。

②中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。

③高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。

④微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。

1.1 碳钢概论一、碳钢中的常存杂质1.锰（ Mn ）和硅（ Si ）⑴Mn ：W Mn ％<0.8％ ①固溶强化 ②形成高熔点MnS 夹杂物（塑性夹杂物），减少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑）；⑵Si ：W Si ％<0.5％ ①固溶强化 ②形成SiO2脆性夹杂物；⑶Mn 和Si 是有益杂质，但夹杂物MnS 、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。

2.硫（S ）和磷（P ）⑴S ：在固态铁中的溶解度极小， S 和Fe 能形成FeS ，并易于形成低熔点共晶。

发生热脆 (裂)。

⑵P ：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。

磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。

⑶S 和P 是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。

3．氮（N ）、氢（H ）、氧（O ）⑴N ：在α-铁中可溶解，含过饱和N 的钢析出氮化物—机械时效或应变时效（经变形，沉淀强化，强度↑，塑性韧性↓，使其力学性能改变）。

N 可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。

⑵H ：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。

⑶O ：在钢中形成硅酸盐（2MnO•SiO2、MnO•SiO2）或复合氧化物（MgO•Al2O3、碳钢中的常存杂质 碳钢的分类 碳钢的用途 1.1 碳钢概论 主要内容 1.2 钢的合金化原理： ①Me 在钢中的存在形式 ②Me 与铁和碳的相互作用 ③Me 对Fe-Fe3C 相图的影响 ④Me 对钢的热处理的影响 ⑤Me 对钢的性能的影响 1.3合金钢的分类MnO•Al2O3）。