资源简介

第二章 金属材料的性能
§2－1 金属材料的损坏与塑性变形
一 教学内容 与变形相关的概念、金属的变形、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
二 教学要求 了解机械零件失效的形式，了解金属塑性变形的基本原理及冷塑性变形对金属性能的影响。
三 教学重点 本章的重点为力学性能的概念及衡量指标
四 教学难点 对拉伸曲线各阶段的分析
五 教具准备 多媒体课件
六 参考资料 《金属材料与热处理》第六版，全国中等职业技术学校机械类通用教材
七 教学方法 讲授与课堂演示、举例相结合
八 课时安排 学时
九 授课思路
时 间分 配 教 学 过 程 辅助手段及说明
一、组织教学：考勤、学习准备等。 二、引入课题：举例引入新的课程。 【新课内容】 §2－1 金属材料的损坏与塑性变形 学习引导： 生活中许多物品根据用途的不同，采用不同的材料制成。有些是用金属材料制成，有些则是由非金属材料制成。你知道这些物品是用什么材料制成的吗？ 如：炒锅、水杯、钥匙、椅子、水龙头、工艺品 生产生活中常见到一些机械零件因受力过大被破坏，而失去工作能力。如：拧断的钥匙、弯曲的自行车辐条、 扣的螺栓等。总结机械零件常见损坏形式 主要原因：材料的实际使用性能达不到工作要求。 性能 一、与变形相关的几个概念 塑性变形也有有益的一面，可以作为零件成形和强化的重要手段。工业上使用的许多金属产品一般都是先浇注成铸锭后，再经过压力加工制成的。压力加工的目的不仅使产品成形，更重要的是改善其组织和性能。 1．载荷 载荷——金属材料在加工及使用过程中所受的外力。 根据载荷作用性质的不同分： （1）静载荷———大小不变或变化过程缓慢的载荷。 （2）冲击载荷——在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 （3）交变载荷——大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。 力——物体之间的相互作用，是使物体发生加速度和发生形变的外因。物体受力后→变形（材料学是从微观角度来研究物体受外力后发生变形甚至破坏的规律）
工程技术中将外力称为载荷。 根据载荷的作用形式不同，又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。 工件在不同载荷形式下产生的变形 2．内力 内力——工件或材料在受到外部载荷作用时，为保持其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力。 任何一种材料，在未受到外力作用时，内部原子之间都有平衡的相互作用的原子力，以保持其固定的形状。当受到外力作用时，原来的平衡被破坏，其中任何一个小单元都和邻近的各小单元之间产生了新的力（内力） 强调：内力是在外力作用下，材料内部产生的那部分相互作用力。 内力的特点： 1、外力增加时，内力也增加，数值大小与外力相 等，当内力达到极限值时，外力再增加，材料将被破坏。 2、内力的作用形式随外力作用方式而变化。 如材料在某一方向受外力为拉力时，则材料内部每一层间也互相产生拉力；若外力为压力内力也为压力。 3．应力 同样材料、不同直径的螺栓在相同拉力作用下，细的可能拉断，粗的则可能没有拉断。因此，金属材料的力学性能只凭外力的大小是无法判定的。 应力——假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分布，单位横截面积上的内力。 单位：千帕（KPa）=1Χ103Pa 1兆帕（MPa）=1Χ106Pa
注：应力可表示不同材料的承载能力，也可以表示在现有外力作用下材料内部单位面积的受力。 二、金属的变形 例：铁丝弯曲试验 随着力的增加，材料受力后发生变形到破坏的顺序： 弹性变形（可逆的、变形量小）→弹塑性变形（变形量较大，多数变形是不可逆的，是压力加工的基础 ）→断裂（材料最严重的失效形式） 金属塑性变形的影响因素： 1、晶粒位向的影响 多晶体与单晶体比较，无本质区别，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移为主， 但又受到晶界、晶粒位向、晶粒大小的影响。 多晶体中各个晶粒位向不同，在外力的作用下，当处于有利于滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。同时，多晶体各晶粒在塑变时受到周围位向不同的晶粒与晶界的影响，使多晶体的塑变呈逐步扩展和不均匀的形式，产生内应力。 2．晶界的作用 晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移。晶界越多，则晶体的塑变抗力越大。 3．晶粒大小的影响 在一定体积的晶体内，晶粒数目越多，晶界就越多，晶粒就越细，且不同位向的晶粒也越多，因而塑性变形抗力也越大。细晶粒的多晶体不仅强度较高，且塑性和韧性也较好，故生产中总是尽可能细化晶粒。 三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化 形变强化（加工硬化）——冷塑性变形除了使晶粒的外形发生变化外，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变形量的增加，使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。 金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。
冷塑性变形与热塑性变形后的金属如何区别： 冷塑形变化后晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性；晶粒破碎,位错密度增加,产生加工硬化 ，产生残余内应力。 热塑形如果加工的温度过高，晶粒粗大；若温度过低，引起加工硬化、残余内应力等；形成带状组织使性能变坏。 金属的塑性变形，在外形变化的同时，晶粒的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压扁或拉长。 形变强化应用中的优缺点： 优点： 1、是一种重要的金属强化手段，对那些不能用热处理强化的金属尤为重要。 2、可使金属具有偶然抗超载的能力。塑性较好的金属材料在发生变形后，由于形变强化的作用，必须承受更大的外部载荷才会发生破坏，这在这一定程度上提高了金属构件在使用中的安全性。 缺点：也会给金属的切削加工或进一步的变形加工带来困难。为了改善发生加工硬化金属的加工条件，生产中必须进行中间热处理，以消除加工硬化带来的不利影响。
分钟 【课后小结】 一、与变形相关的几个概念 二、金属的变形 三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化 小结时提出若干个问题
分钟 【作业布置】 章节练习： 强调按时交作业并严格记录。

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