文档介绍：第八章材料的塑性变形
第三章我们介绍了金属的铸态组织。铸态组织往往具有晶粒粗大、组织不均
匀、成分偏析以及材质不致密等缺陷,所以金属材料经冶炼浇注后大多数要进行
各种压力加工(如轧制、锻造、挤压、拉丝和冲压等),制成型材和工件。金属
材料经压力加工(塑性变形)后,不仅外形尺寸发生了改变,而且内部组织和性
能也会发生很大的变化。经塑性变形的金属材料绝大多数还要进行退火,退火又
会使金属材料的组织和性能发生与形变相反的变化,这个过程称为回复与再结
晶。塑性变形、回复与再结晶是相互影响、紧密联系的。讨论这些过程的实质与
规律,对于深入了解金属材料各项机械性能指标的本质,充分发挥材料强度的潜
力,正确制定和改进金属压力加工工艺,提高产品质量及合理用材等都有重要的
意义。本章讨论金属的塑性变形,下一章讨论变形金属的回复与再结晶。
8-1 金属变形的三个阶段
金属在外力(载荷)的作用下,首先发生弹性变形。载荷增加到一定值以后,
除了发生弹性变形外,同时还发生塑性变形,即弹塑性变形。继续增加载荷,塑
性变形也将逐渐增大,直至金属发生断裂。由此可见,金属在外力作用下的变形
过程可以分为三个连续的阶段:弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和断裂阶段。
拉伸试验测得的低碳钢的应力—应变曲线如图 所示。
σ
d
b
a c
k
k
e s b
σ
σσσ
0
ε
图 低碳钢的应力—应变曲线
在工程应用中,应力和应变是按照下式计算的:
P
应力(工程应力) σ= ()
A0
l − l
应变(工程应变) ε= 0 ()
l0
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式中,P 为载荷,A0 为试样的原始横截面积,l0 为试样的原始标距长度(gauge
length),l 为试样变形后的长度。这样绘出的σ-ε曲线通常称为工程应力—工程
应变曲线(engineering stress-engineering strain curve),如图 所示:
σe 为材料的弹性极限(elastic limit),它表示不发生永久变形的最大应力。
当应力低于σe 时,应力与试样的应变成正比,应力去除则变形消失,即试样处
于弹性变形阶段,有些零件如枪管、炮筒及精密弹性件等在工作时不允许产生微
量塑性变形,设计时应根据弹性极限来选用材料。
但应力超过σe 后,应力与应变之间的直线关系被破坏,如果卸载,试样的
变形只能部分恢复,而保留一部分残余变形,即塑性变形,这说明材料的变形进
入弹塑性变形阶段。σs 为材料的屈服强度(yield strength),表示金属开始发生
明显塑性变形的抗力。对于没有明显屈服点的材料,规定以产生 %残余变形
为其屈服强度。零件的失效,过量塑性变形往往是其主要原因,所
以除了少量要求特别严格的零件设计和选材使用弹性极限σe 外,一般零件设计
和选材都以屈服强度σs 为主要依据。
当应力超过σs 后,试样发生明显而均匀的塑性变形,若欲使试样的应变增
大,则必须相应地增加应力值,这种随着塑性变形的增大,塑性变形抗力不断增
加的现象称为加工硬化(work hardening)或应变硬化(strain hardening)。当
应力达到σb 时,试样的均匀变形阶段即告中止,这个最大的应力值σb 称为材料
的拉伸强度(tensile strength)或极限拉伸强度(ultimate tensile strength),简
写为 UTS,它表示材料发生最大均匀塑性变形的抗力,是材料受拉时所能承受
的最大载荷的应力,也是机件设计和选材的主要依据。
在σb 以后,试样开始发生不均匀塑性变形并形成颈缩(necking),应力下
降,最后应力达σk 时,试样断裂。σk 称为材料的断裂应力(fracture stress),
它表示材料对塑性变形的极限抗力。
上述的σe、σs、、σb 和σk 为材料的强度指标,塑性(ductility)指标主
要有两种:
δ为延伸率(elongation),是试样拉断后长度的相对伸长量:
l − l
δ= 0 ×100% ()
l0
式中 l 为试样拉断后的最后标距长度。
ψ为断面收缩率(reduction of area),是试样拉断后横截面的相对收缩值:
A − A
ψ= 0 ×100% ()
A0
式中 A0 为试样断口处的横截面积。
δ和ψ反映金属塑性变形的能力,在机件设