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1、第八章 材料的变形与断裂金属构件在使用过程中，最终的失效形式有两 种：塑性变形和断裂，此外塑性变形也是金属材料 的一种主要成型方式：锻造、轧制等。对于工程结 构材料来说，最重要的是它的机械性能：强度、塑 性等，而这些性能又和材料的塑性变形行为密切相 关，因此研究金属的变形和断裂行为十分重要，是 本课程的一个重点内容。 1 强度和塑性的概念。2 单晶体塑性变形的宏观规律和位错机制。3 多晶体塑性变形特点。4 塑性变形对金属组织、性能的影响。5 金属强化机制。6 冷变形金属的回复和再结晶。第一节 金属变形概述金属拉伸试验曲线（应力-应变曲线）均匀塑性变形和局部塑性变形两种拉伸曲线：载荷伸长曲线和应
2、力应变曲线金属拉伸曲线分析。1 弹性变形阶段：呈直线关系。（弹）塑性变形阶段： -不遵循虎克定律2 均匀塑性变形阶段：屈服阶段：增加，基本保 持不变，呈非线性关系。3 颈缩阶段（局部变形阶段）：变形集中在局部区 域。4 断裂阶段：从颈缩到断裂。拉伸试验可以得到以下强度指标和塑性指标：ReH, ReL (s) 屈服强度（极限）Rp0.2 (0.2) 规定非比例延伸强度（条件屈服强度 ）Rm (b) 抗拉极限两个塑性指标：延伸率A（），断面收缩率Z（）。强度指标表示材料抵抗塑性变形和破坏的 能力，塑性指标表示材料产生塑性变形的能力。这两个指标均和金属塑性变形有关，反映 了一个问题的两个方面。第二节
3、 金属的弹性变形定义：随外力撤销而消失的变形 。弹性变形的实质 双原子模型：在平 衡距离Ro处，两原子间 的引力和斥力相等，合 力为零，能量处于最低 状态，两原子处于最稳 定状态。 晶体也同样，正常状态 下，点阵中每一原子都处于 各自的平衡位置晶格点 阵的结点处。晶体受到外力 作用后，无论是拉伸还是压 缩，平衡都会受到破坏，使 原子离开各自的平衡位置， 相互间就会产生作用力（拉 伸时是引力，压缩时是斥力 ），犹如原子间被弹簧所连 接。这些作用力力图将原子拉回到原来的平衡位置 ，但由于存在外力与之抗衡，原子无法回到平衡 位置，于是微观上就产生点阵畸变，宏观表现就 是变形（伸长或收缩）。外力撤销后
4、，在原子相 互间作用力的作用下，原子将回到原平衡位置， 微观上看点阵畸变消失，宏观上看变形消失。弹性变形的实质 ：晶体在外力作用下，原子偏离原平衡位置， 但相对位移不超过一个原子间距，使晶格点阵产 生畸变，产生弹性变形。这时由于原子间相互作 用力的存在使各原子有自发回到原平衡位置的倾 向，当外力撤销后，各原子迅速回到各自的原平 衡位置，弹性变形消失。弹性变形的特点：1变形可逆；2应力应变成正比，服从虎克定律；E，G，GE/2 (1+) 3在弹性变形范围内，弹性变形量与弹性模量有关 ，不同材料的在相同应力作用下产生的弹性变形量 是不同的，/ E。金属材料一般不会超过1（ E70350GPa），高
5、分子材料由于弹性模量低（橡 胶只有1MPa），弹性变形量可达到1001000。 弹性模量的物理意义：E/，弹性模量相当于产生单位弹性变形所需的 应力，反映了不同材料中原子间结合力的不同，代 表了在外力作用下，晶体中原子离开平衡位置的难 易程度。它的大小与材料中原子键的强弱有关，离 子键、共价键键强大，弹性模量最高（250600GPa ），金属键键强也较大，所以弹性模量也很高，分 子键键强最弱，弹性模量只有几百几千MPa，甚 至更低。因此陶瓷、金属材料的弹性变形量很小， 如金刚石，弹性模量最高1000GPa，而塑料、橡胶的 弹性则很高。弹性模量是一个组织不敏感指标，组织变化对它 的影响不大，和力
6、学性能指标不同。第三节 单晶体金属的塑性变形定义：外力超过金属的屈服强度后，外力撤销后， 变形不消失而被永久保留下来的变形。塑性变形的实质塑性变形的实质在外力作用下，晶体晶格点阵上的原子偏离平衡 位置，但相对位移距离超过了一个原子间距，达到一 个甚至几个原子间距，位移后晶格点阵中的原子所处 的新位置依然是平衡位置，从能量和周围环境来看， 这些新的平衡位置和原来老的平衡位置是一样的，所 以当外力撤销后，这些处于新平衡位置的原子就不会 恢复到原来的位置，变形被永久保留下来了。弹性变形和塑性变形的本质区别 ？弹性变形和塑性变形的本质区别在于在外力作用下 点阵原子位移距离的大小：弹性变形位移小于一个原
7、子间距；塑性变形位移超过一个原子间距。塑性变形中包含了弹性变形。金属材料的塑性变形方式有两种：滑移和孪生，以滑 移为主。滑移：晶体沿某一晶面（滑移面）和某一晶向（滑移 方向）上下两部分发生相对位移，滑移面两侧晶体的 结构类型和晶体取向均末有改变，这种位移方式称为 滑移，即晶体沿某一晶面发生分层滑动，它是金属塑 性变形的最基本方式。滑移的开动意味着塑性变形的 开始。一、单晶体滑移的宏观规律（1） 滑移观察如果将表面抛光的单晶体金属试样进行拉伸， 在试样的表面上会出现许多相互平行的线条，这些 线条称为滑移带。滑移带在金相显微镜下看到的平行或交叉的条 纹（细线）。滑移线在电子显微镜下看到的平行小台阶
8、（更 细的线），它们组成了滑移带。滑移线（带）的产生 是晶体中原子分层相 对滑动的结果。（2）滑移系滑移带的分布不是任意的，说明单晶 体中的滑移是沿着一定的晶面和晶向进行 的，这些特定的晶面和晶向叫滑移面和滑 移方向，一个滑移面和该面上一个滑移方 向的组和构成一个滑移系。不同晶体结构中滑移系是不同的，一 般来说滑移面是晶体中的原子密排面，滑 移方向是晶体中的原子密排方向。SLIP SYSTEM IN FCC: 111 Close-packed planes: 1114 per unit cell: Close-packed directions: 3 per slip plane: e.g.
9、for（111）for (111) 4 X3 = 12 distinct close-packed slip systems体心立方晶体中滑移面不太稳定，通常在低温 时是112，中温时是011，高温时是123 ，因为 bcc金属的致密度不如fcc和hcp晶体，缺乏密 排程度足够高的原子密排面，但它的滑移方向却很 稳定，只有一个，始终是原子密排方向。体心立方晶体中的滑移系共48个，分别为： SLIP SYSTEM IN BCC: 110 密排六方晶体中的滑移方向为 ，比较稳定， 滑移面与轴比 c/a有关，当c/a1.633时，滑移面是 （0001），可形成3个滑移系；当 c/a1.633时，（
10、0001）面不再是原子最密排面，滑移面变成柱面或斜面 。可组成的滑移系分别为3个和6个 ，滑移系数量远小于fcc和bcc晶体。滑移系的判定一个滑移面和一个滑移方向组成滑移系 的充分必要条件是该滑移方向必须位于该滑 移面上，对于立方晶系，判定条件是（hkl）uvw0，六方晶系则需画图判定。滑移系数量与金属的塑性滑移系代表了晶体滑移时可能采取的空间取向，晶 体中滑移系数量越多，滑移时可能采取的空间取向就 越多，滑移就越容易进行，金属的塑性便越好。面心立方金属：Cu，Al，Au，Ag,，Ni，Fe， 奥氏体钢，体心立方金属Fe，铁素体，Mo，Nb的 塑性很好，而密排六方金属Mg，Zr，Be，Zn的塑
11、性 则较差。当然滑移系数量并不是决定金属塑性高低唯 一的因素，合金的成分、强度的高低、加工硬化的能 力等也会影响到金属的塑性。试验表明，奥氏体钢的 塑性要优于铁素体钢。（3）Schmid Law和晶体的临界分切应力c滑移是在外加切应力作用下进行的，作用在滑移 系上的外加切应力必须达到或超过某一临界值，以克 服滑移面两侧原子间的相互作用力才能使滑移系开动 ，这个临界值称为临界分切应力c，它的大小和金属 的种类、成分有关，是金属本身固有的特性，不同金 属的临界分切应力值是不同的，见表81。单晶体受到拉伸时，是否能发生塑性变形，需要计 算作用在该晶体滑移系上的分切应力是否达到或超过 临界分切应力。
12、拉伸条件下滑移系上分切应力的计算。 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.滑移面法线与拉伸轴的夹角滑移方向与拉伸轴的夹角= coscos 滑移系开动时，晶体屈服：c，s，Schmid Law：cs coscos coscos取向因子或 Schmid factor。Schmid Law讨论：1 分切应力的大小与晶体受力位向有关，即与 Schmid因子有关，在拉应力一定时，取向因子越 大，分切应力越大。取向
13、因子大的方向称为软取向，取向因子小 的方向称为硬取向。2 单晶体屈服强度s具有各向异性，不是定值。 sc / coscoss 随取向因子而变，取向因子越大，s越小 ，当45时，取向因子达到最大，s最小3 如果滑移面平行或滑移方向垂直于拉伸方向，取 向因子为零，这时无论外加应力有多大，晶体都不 会产生塑性变形。当外加应力超过晶体的断裂强度 时，晶体断裂。断裂是塑性变形不能进行的最终结 果。（4）金属晶体在滑移时的转动和对滑移的影响(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trad
14、emark used herein under license.晶体中的滑移系随晶体一块转动，拉伸时，开动 滑移系转向与拉力轴平行的方向；压缩时，滑移系转 向与压力轴垂直的方向，无论哪种转动，都会使开动 滑移系的取向因子变小，极限情况下为零，结果使该 滑移系的滑移难以进行下去 。（5）单滑移、多（复）滑移和交滑移单滑移晶体中只有一个滑移系开动。多滑移两个或多个滑移系同时或交替开动，产生 原因有二：多个滑移系上的分切应力同时达到临界分 切应力，晶体转动所致。交滑移两个滑移系沿一个相同的滑移方向（即两 个滑移面的交线方向）同时或交替开动。产生原因： 两个滑移系上的分切应力同时达到临界分切应力，滑
15、移在滑移面上受阻所致。滑移类型 滑移带单滑移 平行直线多滑移 相互交叉的直线交滑移 波纹线或弯曲的折线照片见书图813，为什么？多滑移和交滑移的各自的特点和区别。判断滑移类型（6）滑移系上分切应力的计算（fcc晶体）fcc晶体中有12个滑移系，当外加拉应力作用在晶体上 时，哪个滑移系首先开动？1 力轴作用在 001方向4 力轴作用在任意方向二、孪晶（孪生）变形孪生也是金属塑性变形的一种形式，一般情况下 ，金属晶体优先以滑移的方式进行塑性变形，但是当 滑移难以进行时，塑性变形就会以生成孪晶的方式进 行，称为孪生。例如滑移系较少的密排六方晶格金属 ，当处于硬取向时，滑移系难以开动，就常以孪生方 式进行变形。滑移系较多的fcc、bcc结构的金属一般 不发生孪生变形，但在极低的温度下变形或是形变速 度极快时，也会以孪生的方式进行塑性变形。 定义：晶体在难以进行滑移时而发生的另一种塑 性变形方式，其特点是变形以晶体整体切变的形式 进行而不是沿滑移系发生相对位移。孪生过程孪生只能在一定的晶面（孪晶面）上沿一定的晶 向（孪生方向）进行。fcc晶体结构金属的孪生过程孪生特点（1）在切应力作用下，部分晶体
