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1、第八章材料的变形与断裂deformationandfracture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）(stress-straincurve)均
2、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elongationrateA（），断面收缩率Zpercentageofareareduction（）。在拉伸试验中，试样拉断后其缩径处横截面积的最
3、大缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率。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。泊松比:法国数学家SimeomDenisPoisson为名。在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。比如，一杆受拉伸时，其轴向伸长伴随着横向收缩(反之亦然)，而横向应变e与轴向应变e之比称为泊松比V。材料的泊松比一般通过试验方法测定。第二节金属的弹性变形elasticdeformation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
4、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，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。弹性变形的实质弹性变形的实质 ：晶体在外力作用
5、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reversible；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
6、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。弹弹性性模模量量是是一一个个组组织织不不敏敏感感指指标标，组组织织变变化化对对它它的影响不大，和力学性能指标不同。的影响不大，和力学性能指标不同。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yields
7、trength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plasticdeformation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子间距；塑性变形位移超过一个原子间距。塑
8、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(slipband)。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(slipline)在电子显微镜下看到的平行小台阶（更细的线），它们组
9、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slipsystem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，一一个个滑滑移移面面和和该该面面上上一一个个滑滑移移方方向的组和构成一个滑移系。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: 111 4 per unit cell: Close-packed directions: 3 per
10、 slip plane: e.g. 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.
11、633时，（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的塑性则
12、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）SchmidLaw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，这个临界值称为临临界界分分切切应应力力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。拉伸条件下滑移系上
13、分切应力的计算。(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.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，SchmidLaw：cscoscoscoscos取向因子或Schmidfactor。SchmidLaw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
14、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)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.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
15、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
16、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。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，部分晶体发生了均匀切变，即数层晶面发生相对位移，每层晶面的相对位移量相同。（
