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1、第第5 5章章 材料的形变材料的形变a a点点：比比例例极极限限p p, ,它它是是应应力力与与应应变变成成正正比比例例的的最最大大极极限限。=EE 即胡克定律。即胡克定律。e e点点：弹弹性性极极限限e e， aeae段段应应力力与与应应变变不不再再保保持持正正比比关关系系，但但在在外外力撤除后变形仍可完全消除。力撤除后变形仍可完全消除。s s点点：屈屈服服极极限限s s，在在屈屈服服阶阶段段应应力力不不变变而而应应变变不不断断增增加加，这这种种现现象叫屈服。象叫屈服。b b点点：强强度度极极限限b b，让让试试件件继继续续变变形形，必必须须继继续续加加载载，最最高高点点（b b点点）所对应
2、的应力。所对应的应力。k k点点：应应力力达达到到强强度度极极限限后后，试试件件局局部部发发生生剧剧烈烈收收缩缩的的现现象象，称称为为颈缩。颈缩。ap重要的强度指标重要的强度指标工程上具有重要意义的强度指标工程上具有重要意义的强度指标弹性极限弹性极限e e屈服极限（屈服强度）屈服极限（屈服强度）s s强度极限（抗拉强度）强度极限（抗拉强度）b b 材料在受力时总是先发生弹性变形，即弹性变形是塑性变形的先行阶段，而且在塑性变形中还伴随着一定的弹性变形。5.1 5.1 弹性变形弹性变形5.1.1 弹性变形的本质定义：定义：外力去除后能够完全恢复的那部分变形。外力去除后能够完全恢复的那部分变形。 从
3、原子间结合力的角度来了解它的物理本质。当原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。这样，外力去除后，原子都会恢复其原始位置。5.1.2 弹性变形的特征和弹性模量o普弹性（应变都是瞬时达到其平衡值）晶体发生弹性变形时应力与应变成线性关系，去掉外力，应变完全消失，晶体恢复到未变形状态。弹性变形阶段应力与应变服从虎克定律。正应力正应变杨氏模量(弹性模量）弹性变形的主要特征是：(1) 理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。(2) 金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或卸载时，只要在弹性变形范围内，其应力与应变之间都保持单值线性函数关系，即
4、服从虎克（Hooke）定律。(3) 弹性变形量随材料的不同而异。工程上，弹性模量是材料刚度的度量。在外力相同的情况下，材料的E越大，刚度越大，材料发生的弹性变形量就越小。 滞弹性滞弹性（考虑时间的作用，应变滞后应力）（考虑时间的作用，应变滞后应力） 一一些些实实际际晶晶体体，在在加加载载或或卸卸载载时时，应应变变不不是是瞬瞬时时达达到到其其平平衡衡值值，而而是是通通过过一一种种弛弛豫豫过过程程来来完完成成其其变变化化的的。这这种种在在弹弹性性极极限限e e范范围围内内，应应变变滞滞后后于于外外加加应应力力，并并和和时时间间有有关关的的现现象象称称为为滞弹性或弹性后效。滞弹性或弹性后效。 黏弹性
5、黏性流动：非晶态固体和液体在很小外力作用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外力去除后，形变不能回复。 所谓黏弹性，是指材料不但具有弹性材料的一般特征，同时还具有黏性流体的一些特征。理想弹性固体服从虎克定律，即应力正比于应变；而理想黏性流体服从牛顿定律，即应力正比于应变速率。这是两种极端的情况，实际材料的行为往往偏离这两个定律。在外力作用下，材料的应力可以同时依赖于应变和应变速率，也就是兼有固体的弹性和液态的粘性两者特征因此称作材料的黏弹性。黏弹性变形具有弹性变形和黏性变形的两方面特征。黏弹性变形具有弹性变形和黏性变形的两方面特征。黏弹性是高分子的重要力学特性之一。黏弹性是高分子的重要力学特性
6、之一。5.2 5.2 晶体的塑性变形晶体的塑性变形o塑性变形塑性变形：材料在外力作用下发生永久变形而不被破坏的能力。：材料在外力作用下发生永久变形而不被破坏的能力。5.2.1 单晶体的塑性变形金属的塑性变形主要通过滑移方式进行，此外还有孪生与扭折，高温为扩散蠕变和晶界滑动。a. a. 滑移线与滑移带滑移线与滑移带将表面经磨制抛光的金属试样进行适当的塑性变形，然后作显微观察。在抛光的表面出现许多明显的滑移变形的痕迹，称为滑移带滑移带。若用电子显微镜观察，发现每条滑移带均由许多聚集在一起的相互平行的滑移线所组成。滑移线实际上是晶体表面产生的一个个滑移台阶造成的。滑移时，滑移面与滑移方向并不是任意的
7、。滑移面应是面间距最大的密排面，滑移方向是原子的最密排 方向，此时滑移阻力最小。b. b. 滑移系滑移系一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。晶体结构晶体结构滑移面滑移面滑移方滑移方向向滑移系数滑移系数目目面心立方面心立方1111114 43 31212体心立方体心立方110110 112 123 112 1236 62 21212密排六方密排六方六方底面六方底面底面对底面对角线角线1 13 33 3结论：结论：o滑移面一般总是密排面，滑移方向一般总是密排方向。滑移面一般总是密排面，滑移方向一般总是密排方向。o每种晶体类型的金属都具有特定的滑移系。每种晶体类型的金属都具有特定的
8、滑移系。o滑移系数目越多，晶体的塑性越好。滑移系数目越多，晶体的塑性越好。 体心立方结构缺乏密排程度足够高的密排面，故滑移面不太稳定，通常低温为112、中温为110，高温时为123，滑移方向很稳定总是111。112晶面族共包括12组不同方位的晶面，每晶面上都有一个111方向。123共有24组不同方位的晶面每晶面也有一个111方向。加上12个110 111滑移系，体心立方共有48个滑移系。体心立方金属滑移系较多，故比密排六方结构金属塑性好。但其滑移面原子密排程度不如面心立方，滑移方向的数目也少于面心立方，故体心立方金属不如面心立方金属塑性好。c. c. 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力该分切
9、应力称为滑移的该分切应力称为滑移的临界分切应力临界分切应力。 当晶体受到外力作用时，不论外力方向、大小和作用方式如何，均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时，滑移过程才能开始。F在滑移方向上切向分力 F=Fcos滑移面面积临界分切应力临界分切应力分切应力分切应力圆柱形单晶体圆柱形单晶体当取向因子达到最大值(0.5)s最小，即用最小的拉应力就能达到k。取向因子大的为取向因子大的为软取向软取向，取向因子小的为取向因子小的为硬取向硬取向。当90度或当90度时，s均为无限大，这就是说，当滑移面与外力方向平行，或者是滑移方
10、向与外力方向垂直的情况下不可能产生滑移。d. d. 滑移时晶面的转动滑移时晶面的转动单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往作伴随着晶面的转功，对于只有一组滑移面的密排六方结构，这种现象尤为明显。拉伸时，滑移面趋于与轴向平行；压缩时，滑移面趋于与轴向垂直。e. e. 多系滑移多系滑移变形时晶面转动变形时晶面转动滑移首先在取向最有利的滑移滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切应力最大）中进行系（其分切应力最大）中进行另另一一组组滑滑移移面面上上的的分分切切应应力力也也可可能能逐逐渐渐增增加加到到足足以以发生滑移的临界值以上发生滑移的临界值以上晶体的滑移就可能在两组或更多的晶体的滑移就可能在两组或更
11、多的滑移面上同时进行或交替地进行滑移面上同时进行或交替地进行多系滑移多系滑移具有多组滑移系的晶体不同滑移系的位错相互交截而给位错的继续运动带来困难 强化机制o对于具有较多滑移系的晶体而言，除多系滑移外，还常可发现交滑移现象，即两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移。o交滑移的实质是螺位错在不改变滑移方向的前提下，从一个滑移面转到相交接的另一个滑移面的过程，可见交滑移可以使滑移有更大的灵活性。金属单晶体的典型应力一应变曲线金属单晶体的典型应力一应变曲线 （也称加工硬化曲线）（也称加工硬化曲线）I I阶段阶段易滑移阶段易滑移阶段 阶段阶段线性硬化阶段线性硬化阶段 阶段阶段抛物线型硬化
12、阶段抛物线型硬化阶段 当当 达到晶体的达到晶体的 后，应力增加不多，便能产生相当大的变形。此后，应力增加不多，便能产生相当大的变形。此段接近于直线，加工硬化率（斜率）低。段接近于直线，加工硬化率（斜率）低。 随随着着应应变变量量增增加加，应应力力线线性性增增长长，此此段段也也呈呈直直线线，且且斜斜率率较较大大，加工硬化十分显著加工硬化十分显著 。随随应应变变增增加加，应应力力上上升升缓缓慢慢，呈呈抛物线型，加工硬化率逐渐下降。抛物线型，加工硬化率逐渐下降。多晶体是由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成的，晶粒与晶粒之间的过渡区域即为晶界。5.2.2 多晶体的塑性变形晶界在多晶体塑性变形中的四个作
13、用：o1、协调作用o2、障碍作用（低温或室温下）o3、促进作用（高温下）o4、起裂作用多晶体塑性变形的特征o多晶材料形变的基本过程与单晶相同，但复杂得多。其复杂性源自晶界以及邻接晶粒的限制作用。换言之，外加应力是通过周围晶粒传输到个别晶粒的，同时一个晶粒的形变必然涉及到各邻接晶粒的形变，多晶材料的多晶材料的强度显然应高于单晶强度显然应高于单晶。由此也可推断，细化晶粒必能提高材料的强度与硬度。 1 1晶粒取向的影响晶粒取向的影响 多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5 5个独立的滑个独立的滑移系上进行滑移。移系上进行滑移。 处于有利位向的晶粒首先发生滑移，处于
14、处于有利位向的晶粒首先发生滑移，处于不利方位的晶粒却还未开始滑移。不利方位的晶粒却还未开始滑移。 多晶体中各晶粒之间的变形要相互协调与配合多晶体中各晶粒之间的变形要相互协调与配合 。o施于任何给定晶粒的载荷对于每一可能的滑移系都可分解成切应力和正应力。当切应力超过材料的临界切应力时，就会造成位错的产生与运动从而产生材料的塑性变形。o材料变形时，正正应应力力分分量量会会造造成成每每个个晶晶粒粒都都在在转转动动，使运行中的滑移方向愈趋近拉力方向。多晶体的变形是各晶粒联合变形的总结果。o多晶体变形涉及沿滑移面和沿晶界的两种运动，这就更增加了复杂性，因为滑移可能改变着晶界的方向。o为协调已发生塑变的晶
15、粒形状的改变，四周晶粒必须是多系滑移。这样有越来越多的晶粒分批滑移，造成宏观的塑变效果。o面心立方与体心立方滑移系多，各晶粒变形协调性好，因此塑性好。o密排六方滑移系少，协调性差，塑性也差。o室温变形时，由于晶界附近滑移受阻，使晶粒内部和晶界变形量不同，所以整个晶粒变形是不均匀。图为两个晶粒变形后呈竹节状说明室温变形时晶界具有明显强化作用。晶粒竹节状晶粒竹节状2 2晶界的影响晶界的影响 位错塞积位错塞积o在外加应力作用下，只有处在有利位向的晶粒中的那些取向因子取向因子最大的滑移系才能首先开动最大的滑移系才能首先开动。周围位向不利的晶粒的各滑移系上的分切应力尚未达到临界值，所以还没发生塑变处在弹
16、性变形状态。o当有晶粒塑变时，就意味着其滑移面上的位错源将不断产生位错，大量位错将沿滑移面源源不断运动，但由于四周晶粒位向不同，滑移系的位向也不同，运动着的位错不能越过晶界运动着的位错不能越过晶界，于是晶界处将形成位错的平面塞积群。o晶界附近产生的位错塞积群会对晶内的位错源产生一反作用力，此反作用力随位错塞积群的数目增多而增大。o随外载荷的增加，应力集中和外加应力迭加使相邻晶粒某滑移系上的分切应力达到临界值，于是该滑移系起动，开始塑性变形。晶粒大小对塑性变形的影响o晶粒越细，单位体积所包含的晶界越多，其强化效果越好。这种用细化晶粒提高金属强度的方法叫细晶强化。屈服强度与晶粒直径有如下关系：霍尔
17、佩奇（Hall-Petch）公式 s s 是多晶体的屈服强度；是多晶体的屈服强度；0 0 相当于极大单晶的屈服强度；相当于极大单晶的屈服强度；K K 是晶界对变形的影响系数；是晶界对变形的影响系数；d d 是晶粒平均直径。是晶粒平均直径。多晶体的强度随其晶粒细化而提高。 Cu单晶与多晶的曲线比较单晶与多晶的曲线比较拉拉应应力力伸长伸长 多多晶晶体体的的应应力力一一应应变变曲曲线线不不会会出出现现单单晶晶曲曲线线的的第第I I阶阶段段，而而且且其其硬硬化化曲曲线线通通常常更更陡陡，细细晶晶粒粒多多晶晶体体在在变变形形开开始始阶阶段段尤尤为明显。为明显。Al单晶与多晶的曲线比较单晶与多晶的曲线比较
18、3.多晶体的应力一应变曲线多晶体的应力一应变曲线塑性变形过程中塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化是导致加工硬化的决定性因素。的决定性因素。5.6 高聚物的变形特点高聚物的变形特点o高分子材料受力时，它也显示出弹性和塑性的变形行为，其总应变为 o弹弹性性变变形形e由两种机制组成，即链内部键的拉伸和畸变，以及整个链段的可回复运动。o塑性变形塑性变形v是靠黏性流动而不是靠滑移产生的。o聚合物产生塑性变形的难易程度与该材料的聚合物产生塑性变形的难易程度与该材料的粘度有关。黏度是流体抗拒流动的程度，是粘度有关。黏度是流体抗拒流动的程度，是流体
19、分子间相互吸收而产生阻碍分子间相对流体分子间相互吸收而产生阻碍分子间相对运动能力的量度，即流体流动的内部阻力。运动能力的量度，即流体流动的内部阻力。物质在外力作用下，液层发生位移，分子间物质在外力作用下，液层发生位移，分子间产生摩擦，对摩擦所表现的抵抗性称为绝对产生摩擦，对摩擦所表现的抵抗性称为绝对黏度，简称黏度。黏度，简称黏度。 o黏度高，黏性变形小。黏度高，黏性变形小。o高聚物的力学行为强烈依赖于温度及外力作高聚物的力学行为强烈依赖于温度及外力作用时间。用时间。应力-应变试验o不同高分子具有不同的应力-应变曲线。o曲线A是脆性高分子的应力-应变特性，它在材料出现屈服之前发生断裂，是脆性断裂
20、。在这种情况下，材料断裂前只发生很小的变形。曲线B是玻璃态聚合物的应力-应变行为，它在开始时是弹性形变，然后出现了一个转折点，即屈服点，最后进入塑性变形区域，材料呈现塑性行为。此时若除去应力，材料不再恢复原样，而留有永久变形；曲线C是弹性体的应力-应变曲线。脆性断裂与韧性断裂判断标准o1、应力-应变曲线o2、试样断裂面形貌o3、冲击强度o同一高聚物材料表现为脆性或韧性与试验条件或所处环境有关，温度和应变速率是主要影响因素。（低温脆性高温韧性；拉伸速度提高，韧性下降等）高聚物断裂时微观结构的破坏过程高聚物断裂时微观结构的破坏过程a化学键破坏b分子链滑脱c范德华力或氢键破坏银纹现象银纹现象高分子材
21、料表面或内部出现裂纹时，裂纹总是垂直于应力方向，由于裂纹区的折射率低于高聚物本体，在裂纹和本体高聚物之间的界面上有全反射现象，裂纹看上去呈银色的光亮条纹，所以形象地称之为“银纹”。银纹是高分子材料特有的现象。裂纹或银纹在较大的外力作用下会进一步发展成裂缝，最后使材料发生断裂而破坏。o很多高分子材料在塑性变形时往往会出现均匀形变的不稳定性。在试样某个部位的应变比试样整体的应变增加得更加迅速，使本来均匀的形变变成了不均匀的形变，呈现出各种塑性不稳定性，最常见的和最重要的是拉伸试验中细颈的形成。o图示为典型的结晶高分子在单向拉伸时的应力-应变曲线。不均匀形变o结晶高分子的应力-应变曲线比玻璃态高聚物的拉伸曲线具有更明显的转折，整个曲线可分为三段。o第一段应力随应变线性地增加，试样被均匀地拉长，仲长率可达百分之几到百分之十几。o过了屈服点后，开始进入第二阶段，试样的截面突然变得不均匀，出现一个或几个细颈。在第二阶段，细颈与非细颈部分的截面积分别维持不变而细颈部分不断扩展，非细颈部分逐渐缩短，直至整个试样完全变细为止。o第三阶段是应力随应变的增加而增大直到断裂点。abcdo当结晶高分子受拉发生形变时，晶体之间的非晶部分首先发生形变。所以在施加张力的条件下，观察片晶和片晶间的无定形区域的相互作用，能很好地解释塑性变形的机理。这个过程分如下几个步骤。end
