《塑性变形》课件

《塑性变形》课程概述目标内容本课程旨在帮助学生深入理解金属塑性变形的基本原理，掌握相课程内容涵盖塑性变形的定义、特征、类型、机理、方法、影响关理论知识和实践技能，并能够运用这些知识解决实际工程问题因素、应用等方面同时，还会涉及应力-应变曲线分析、断裂准则、应变硬化、再结晶等重要概念塑性变形的定义定义特点塑性变形是指金属材料在载荷作用下发生永久性形状改变而塑性变形是金属材料的一种重要特性，它允许金属在加工过不发生断裂的现象这意味着，当载荷去除后，材料不会恢程中被塑造成各种形状和尺寸这种特性在金属制造业中起复到原来的形状，而是保留了变形后的形状着至关重要的作用塑性变形的特征永久变形不可逆性塑性变形是指材料在受力后发生永久塑性变形是不可逆的，一旦发生，材变形，即使去除外力，变形也不会消料的原始形状和尺寸将无法恢复失应力-应变关系塑性变形与应力-应变曲线有关，材料的屈服强度和延伸率决定了其塑性变形能力塑性变形的提高材料性能改善加工性能塑性变形可以改变材料的机械性塑性变形可以提高材料的延展性能，例如提高强度、硬度和耐磨，使其更容易进行加工和成型，性，从而使材料更耐用从而制造出形状复杂的零件增加材料价值通过塑性变形，可以将低价值的原材料加工成高价值的最终产品，例如将金属板材加工成汽车车身塑性变形的类型拉伸弯曲扭转压缩金属材料在拉力作用下，沿其金属材料在弯曲力作用下，产金属材料在外力矩作用下，发金属材料在轴向压力作用下，轴向伸长，横截面积减小的变生横截面形状改变的变形过程生绕轴线旋转的变形过程其高度减小，横截面积增大的形过程变形过程应力应变曲线-应力-应变曲线是描述材料在拉伸或压缩试验中，应力与应变之间关系的曲线它是材料力学的重要概念，可以用于预测材料的强度、韧性、塑性和弹性等特性应力-应变曲线通常分为三个区域弹性区、屈服区和强化区在弹性区内，应力与应变成正比，材料在卸载后可以恢复到原始状态在屈服区内，应力达到屈服强度，材料开始发生塑性变形在强化区内，随着应变的增加，材料的强度逐渐增加应力应变曲线的特点-弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段材料在应力作用下发生形变，当应力达到屈服极限时，材料随着应变的增加，材料的强度当应力达到抗拉强度时，材料但当应力消失后，形变也随之开始发生塑性变形，即使应力逐渐提高，需要更大的应力才的强度达到峰值之后，材料消失，材料恢复原状此时应不再增加，形变也会继续增大能继续使材料变形此阶段应的强度开始下降，并最终发生力与应变呈线性关系此阶段应力与应变不再呈线力与应变呈非线性关系断裂此阶段材料发生局部变性关系形，形成颈缩现象工程应力工程应变曲线-工程应力-工程应变曲线是根据试样原始截面积和原始长度计算得到的应力和应变，它反映了材料在拉伸或压缩过程中宏观上的力学性能由于试样在变形过程中截面积会发生变化，因此工程应力-工程应变曲线不能准确地反映材料的真实力学性能但是，工程应力-工程应变曲线仍然是工程应用中最常用的材料力学性能指标之一，因为它简单易懂，便于测量和比较真应力真应变曲线-真应力-真应变曲线是在考虑材料变形过程中截面积变化的基础上得到的曲线，更准确地反映了材料的真实变形行为真应力计算公式σ=F/A，其中A是当前的截面积，而非原始截面积真应变计算公式ε=lnL/L0，其中L是当前的长度，L0是原始长度金属塑性变形机理位错理论晶粒尺寸金属的塑性变形是通过位错的运动来实现的位错是一种晶体缺晶粒尺寸也会影响金属的塑性变形晶粒尺寸越小，金属的塑性陷，它是在金属晶体中的一种线性缺陷位错的运动会导致金属变形越容易这是因为晶粒尺寸越小，位错运动的距离越短，克的塑性变形位错的运动需要克服金属晶格的阻力，因此需要一服晶格阻力的能量越低所以，在金属加工中，通常会采用细化定的应力才能使位错运动起来当应力超过金属的屈服强度时，晶粒的方法来提高金属的塑性变形能力位错就会开始运动，金属就会发生塑性变形金属塑性变形的方法冷加工热加工在室温或低于再结晶温度下进行的塑在高于再结晶温度下进行的塑性变形性变形加工加工冷加工定义特点应用冷加工是指在室温或低于室温下进行冷加工可以提高金属材料的强度、硬冷加工广泛应用于制造业，例如金属的金属塑性加工在冷加工过程中，度和耐磨性，同时也能提高金属的表板材冲压、弯曲、拉伸、剪切等在金属材料不会发生相变，但会发生形面光洁度和尺寸精度航空、航天、汽车、电子等领域也得变硬化，强度和硬度会提高到广泛应用冷加工的特点室温变形提高强度12冷加工是在室温或低于室温的冷加工会使金属材料的强度、温度下进行的，这使得加工过硬度和耐磨性增加，这是由于程更加容易控制和精确加工过程中产生的应变硬化效应尺寸精度高成本较低34由于冷加工过程中金属的塑性与热加工相比，冷加工不需要变形较小，因此可以获得较高加热金属，因此成本更低的尺寸精度和表面光洁度冷加工的优缺点优点缺点冷加工可以提高材料的强度和冷加工会导致材料发生应变硬硬度，并改善表面光洁度和尺化，从而降低材料的延展性寸精度此外，冷加工还会造成工具磨损，并可能导致表面出现裂纹或其他缺陷热加工定义优点缺点热加工是指在金属的再结晶温度以上进热加工的主要优点是热加工的主要缺点是行的塑性变形加工在这种情况下，金•可以加工高强度、高硬度金属•加工成本较高属在变形过程中会发生再结晶，从而消•可以获得较大的塑性变形量•加工过程比较复杂除冷加工引起的应力和硬化•可以消除冷加工引起的应力和硬化•可能会导致金属的氧化和脱碳热加工的特点高温下进行变形力小可获得复杂的形状热加工是在金属的再结晶温度以上进行的由于金属在高温下塑性好，所需的变形力热加工可以获得冷加工无法获得的复杂形，材料在高温下具有良好的塑性，易于变较小，加工效率高状，并可以改善金属的性能，如强度、韧形，同时可以消除冷加工硬化性和可加工性热加工的优缺点优点缺点•可以获得更大的变形量•加工成本较高•可以消除材料的内部应力•加工精度较低•可以改善材料的力学性能•容易造成材料的氧化和脱碳•可以提高材料的加工效率•对设备的要求较高应力集中定义原因应力集中是指在结构中由于形状变化或应力集中是由结构的几何形状和材料的存在缺陷而导致局部区域应力显著增大性质共同决定的例如，孔洞、缺口和的现象例如，在孔洞、缺口或裂纹附裂纹会改变结构的应力分布，使应力在近，应力会明显高于远离这些部位的区这些部位集中材料的性质，如硬度、域韧性和弹性，也会影响应力集中程度危害应力集中会加速材料的疲劳破坏，并降低材料的抗拉强度和屈服强度，从而导致结构的提前失效应力集中的原因几何形状变化材料内部缺陷12例如孔洞、凹槽、缺口、尖角例如裂纹、夹杂物、气孔等，等，这些形状变化会使应力在这些缺陷会使应力在这些部位这些部位集中，从而导致应力集中，从而导致应力集中集中外力作用方式3例如集中载荷、冲击载荷等，这些外力作用方式会使应力在局部区域集中，从而导致应力集中应力集中的危害结构强度降低局部塑性变形应力集中会使结构的实际承载能应力集中区域的应力超过材料的力降低，更容易发生断裂或疲劳屈服强度，会导致材料发生局部失效，缩短结构的使用寿命塑性变形，甚至产生裂纹，影响结构的稳定性疲劳破坏应力集中区域的应力反复变化，会加速材料的疲劳破坏，最终导致结构失效应力集中的解决措施优化结构设计尽可能消除结构中的合理选择材料选择具有较高抗应力尖角、孔洞等应力集中部位，使其结集中能力的材料，例如高韧性材料，构更加圆滑过渡，减小应力集中程度可以有效降低应力集中带来的危害表面加工对零件表面进行抛光、喷应力消除通过热处理等方法，消除丸等处理，可以减小表面粗糙度，从零件内部的残余应力，降低应力集中而降低应力集中程度程度断裂准则脆性断裂塑性断裂脆性断裂是指材料在没有明显塑性变形的情况下突然断裂这种塑性断裂是指材料在断裂前发生明显的塑性变形，断裂过程比较断裂通常发生在低温、高速加载或存在应力集中等情况下脆性缓慢这种断裂通常发生在高温、低速加载或材料韧性较好等情断裂的特征是断裂面平整、光滑，断裂过程快速，无明显的预兆况下塑性断裂的特征是断裂面粗糙、不规则，断裂过程较慢，有明显的预兆，例如出现缩颈现象脆性断裂准则应力集中断裂面断裂机理脆性材料的断裂通常发生在应力集中区域脆性材料的断裂面通常是平滑的，没有明脆性断裂通常是快速发生的，没有明显的，如孔洞、缺口或裂纹处这些区域的应显的塑性变形断裂面可以是平坦的或略预兆在应力集中区域，材料的原子键断力水平明显高于周围材料，导致材料在这微弯曲的，但不会出现韧性材料断裂面常裂，导致裂纹迅速扩展，最终导致材料断些部位首先断裂见的纤维状或杯锥状特征裂塑性断裂准则

11.颈缩

22.应变集中塑性断裂通常发生在材料发生颈缩会导致应力集中在试样最颈缩后颈缩是指在拉伸试验薄弱的地方，最终导致断裂中，试样在断裂前出现局部缩小的现象

33.裂纹扩展在塑性断裂过程中，裂纹通常从颈缩处开始扩展，并在最终断裂前会形成明显的裂纹扩展路径断裂力学裂纹扩展应力强度因子断裂力学侧重于研究材料中裂纹它引入了应力强度因子（K）的的形成、扩展和最终断裂的过程概念，用于描述裂纹尖端处的应力集中程度断裂韧性断裂韧性（KIC）代表材料抵抗裂纹扩展的能力，是断裂力学中重要的材料参数应变硬化定义机制金属材料在塑性变形过程中，其强度和硬度会随着变形量的增加应变硬化主要是由于金属内部的位错密度增加，位错相互缠结，而提高的现象，称为应变硬化运动阻力增大，导致材料屈服强度和硬度提高应变硬化的机理位错增殖位错缠结当金属材料发生塑性变形时，材料内随着位错密度的增加，位错之间会发部的位错密度会增加位错之间的相生相互缠结，形成位错网络，进一步互作用会阻碍位错运动，从而提高材阻碍位错运动，提高材料的强度料的强度和硬度晶粒细化塑性变形过程中，晶粒会发生细化晶粒尺寸的减小会增加晶界面积，从而提高材料的强度和硬度应变硬化的应用提高材料强度改善材料韧性提高材料耐磨性通过控制加工过程，可以利用应变硬化现应变硬化可以增强材料的韧性，使其更能应变硬化可以使金属表面更加致密，提高象来提高金属材料的强度和硬度，延长零承受冲击和弯曲等变形，提高材料的抗裂其抗磨损能力，延长机器零件的使用寿命件的使用寿命性，增强产品可靠性回火软化定义机理12回火软化是指将淬火后的钢件回火软化过程中，淬火钢的马加热到低于其临界转变温度的氏体发生分解，形成回火马氏某一温度，保温一段时间后，体、铁素体和渗碳体等组织再缓慢冷却的热处理工艺此这些新组织的硬度和韧性都低过程可以降低钢件的硬度，提于淬火马氏体，从而使钢件得高其韧性，并改善其加工性能到软化应用3回火软化广泛应用于各种机械零件的热处理，例如刀具、模具、轴承等，以满足其不同的使用要求动态再结晶在变形过程中，金属材料的温度会升动态再结晶是指在变形过程中，新晶高，这会导致晶粒长大粒的形核和长大过程动态再结晶可以提高材料的强度和韧性静态再结晶晶粒细化提高延展性改善加工性能静态再结晶过程中，新形成的晶粒比原始静态再结晶可以改善金属的延展性，使其细化的晶粒结构有助于提高金属的加工性晶粒更细小，从而提高材料的强度和韧性更容易被弯曲或拉伸而不发生断裂能，使其更容易被切削、塑性和成形结论和总结塑性变形是材料科学和工程学中的一个重要概念，它对材料的加工和性能有着深远的影响通过了解塑性变形的原理、类型、机理以及相关应用，我们可以更好地理解材料的变形行为，并运用这些知识来优化材料的性能，并提高产品的质量和可靠性。