1、材料力学行为断裂断裂黏性黏性塑性塑性弹性弹性外加外加载荷载荷材料成分材料成分环境环境因素因素组织结构组织结构加载速度温度加载方式失效失效介质损伤损伤 第9章 弹性变形（2学时）第第10章章 塑性变形塑性变形（2学时）第11章 断裂（4学时）第11章 损伤（2学时）材料的塑性变形材料的塑性变形材料在外力作用下发生变形，当外力除去后仍保持部分变形材料在外力作用下发生变形，当外力除去后仍保持部分变形，这种变形，这种变形即为即为变形变形。材料经受此种形变而不破坏的能力叫材料经受此种形变而不破坏的能力叫。常见的塑性变形方式为常见的塑性变形方式为滑移滑移，还包括，还包括孪生孪生和和扭折扭折，位错等，位错等
2、晶体缺陷的运动对塑晶体缺陷的运动对塑性变形起重要作用性变形起重要作用。是衡量材料开始塑性变形的重要指标，它受诸多因素的影响。为防止是衡量材料开始塑性变形的重要指标，它受诸多因素的影响。为防止塑性变形失效，需要尽可能的提高材料的屈服强度。塑性变形失效，需要尽可能的提高材料的屈服强度。塑性力学研究的应力与应变之间的关系是塑性力学研究的应力与应变之间的关系是非线性非线性的，它们的关系也不是单值对的，它们的关系也不是单值对应的。应的。由于材料的塑性变形，通常会导致由于材料的塑性变形，通常会导致，这也是塑性变形的一个特点。，这也是塑性变形的一个特点。材料的塑性变形材料的塑性变形10.1 10.1 塑性变
3、形的物理机制塑性变形的物理机制10.2 10.2 单向拉压下材料的塑性变形单向拉压下材料的塑性变形10.3 10.3 塑性变形的影响塑性变形的影响10.4 10.4 屈服强度屈服强度10.5 10.5 形变强化形变强化塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制所谓滑移，就是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向产生滑动。这种晶面和晶向分别称为晶体的和。它们常常是晶体中原子排列最密的晶面和晶向，这是因为在最密晶面和最密晶向之间的原子间距最大，原子结合力最弱，滑移阻力最小，在切应力作用下最容易引起滑移。a)未变形 b)弹性变形 c)弹塑性变形 d)塑性变形塑性变形的物理机制塑性变形的
4、物理机制 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格滑移系:6212 滑移系:4312 滑移系:133一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个。故晶体中的滑移系数目等于滑移面和滑移面上滑移方向数目的乘积。晶体中的滑移系愈多，滑移时可能采取的空间位向便愈多，其塑性也就愈好。塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制滑移时晶面的转动滑移时晶面的转动拉伸拉伸压缩压缩晶体发生转动的力偶晶体发生转动的力偶塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制使单晶体产生滑移所需要的分切应力，称为临界分切应力临界分切应力。在不同类型的滑移系上的临界分切应力是不同的。在小变形时材料铜银铁SiCAl2O3NaClZnO屈服强度max（
5、GPa）0.780.693.5121210.5310max/G0.0220.0310.0600.0430.0490.0300.029几种晶须的屈服强度塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制考虑单晶体某一部分相对于另一部分作整体滑移，据此可计算出临界分切应力，但计算结果要比试验测定结果大几个数量级。进一步研究表明，单晶体的滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分作整体的刚性移动，滑移实质上是由滑移面上的位错运动造成的。正因为位错等晶体缺陷的存在，实际晶体要比理想晶体容易滑移。晶体中的位错主要有两种形式，即刃型位错和螺型位错。刃位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变；而螺位错周围只有切应
6、变而无正应变。刃位错有滑移和攀移两种运动，而螺位错只有滑移运动而不产生攀移运动。根据Peierse-Naborro公式，为了使位错运动，作用在位错上的力大致为这一估算值与实际的屈服强度是相当的。塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制孪生是指晶体在切应力作用下沿一定的晶面和晶向以一定顺序连续切变，使部分晶体的取向发生改变。发生孪生切变的晶面称为孪晶面，发生孪生切变的晶向称为孪晶方向。孪生是发生在晶体内局部区域的一个均匀切变过程，切变区的宽度较小，切变后已变形区的晶体取向与未变形区的晶体取向成镜面对称关系。孪生变形也是沿着特定晶面和特定晶向进行的。孪生所能达到的变形量极为有限(a)(a)滑移滑移(b
7、)(b)孪生孪生l 孪生可以改变晶体的取向，使晶体的滑移系由原先难滑动的取向转到易于滑动的取向 塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制扭折是指晶体发生局部弯曲，形成轮廓比较明显的楔形S状组织，变形区域称为扭折带。扭折是不均匀塑性变形的一种形式，它是滑移在某些部位受阻后，由位错堆积而形成的。与孪生类似，扭折带的晶体位向也是发生了改变，只不过发生的是不对称的变化。塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制易滑移阶段易滑移阶段（）当达到晶体的c后，应力增加不多，便能产生相当大的变形，近似为线性流变阶段。在阶段，晶体中位错密度低，分布均匀，所以应变硬化速率很低，约为10-4G线性硬化阶段线性硬化阶段（）位错密
8、度增大到中等程度，滑移可以在几组相交的滑移面中发生，但由于运动位错之间的交互作用及其所形成不利于滑移的结构状态，随应变量的增大，应变硬化十分显著，应力与应变近似呈线性关系，应变硬化速率大致为G/300。抛物线硬化阶段抛物线硬化阶段（）应变硬化速率随应变的增大而不断下降，所以随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线变化。各种晶体的实际曲线因其晶体结构类型、晶体位向、杂质含量、初始位错密度，以及试验温度等因素的不同而有所变化。塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制实验发现，通常多晶的塑性变形抗力都较单晶高。另外在高强度的同时，多晶体的塑性变形能力要弱于单晶体，多晶体的延伸率要远小于单晶体。这主要是由于多晶
9、体中各晶粒的空间取向不同，不同种类晶粒的性质也不同，此外还存在着晶界，因而多晶体的塑性变形既需克服晶界的阻碍，又要与周围晶粒发生相适应的变形以保持晶粒间的结合及体积上的连续性，故多晶体的塑性变形要比单晶体复杂很多。多晶体的应力一应变曲线不会出现单晶曲线的第I阶段，而且其硬化曲线通常更陡。塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制u 晶界对滑移晶界对滑移的的作用作用u 晶界晶界变形的作用变形的作用晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且往往分布有大量缺陷。另外晶界两侧的晶粒取向不同，滑移系的位向彼此不一致，滑移、孪生多终止于晶界，极少穿过。因此滑移从一个晶粒延续到另一个晶粒是很困难的。当位错运动到晶界附
10、近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，形成位错的塞积。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，会使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒。由于晶界数量直接决定于晶粒的大小，因此晶界对多晶体起始塑变抗力的影响也可通过晶粒大小的影响来体现。塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制u 各晶粒塑性变形的各晶粒塑性变形的和和u 各晶粒塑性变形的各晶粒塑性变形的与与 多晶体中各晶粒取向的差异是导致其塑性变形能力与单晶体不同的关键原因，这体现在两方面：那些滑移系上切应力分量最大值达到临界分切应力的晶粒，将首先开始塑性变形，而其它的晶粒可能仍处于弹性变形状态。这
11、也意味着当宏观塑性变形量不大时，个别晶粒的塑性变形量可能已超过极限，于是在这些地区出现裂纹或微孔，导致损伤甚至早期的韧性断裂。材料的组织越不均匀，塑性变形的不均一性就越严重，断裂前的宏观塑性变形就越小，即塑性越低。由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持材料的连续性，其变形必须与相邻各个晶粒的变形相适应，因此各晶粒的变形既要相互制约，又要相互协调。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体材料的塑性变形抗力提高。随着外力增大，应力集中达到一定程度，变形才会越过晶界，传递到另一批晶粒中。铜多晶试样拉伸后形成的滑移带塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制一般而言，在常温下，当晶粒细小而均
12、匀时，不仅材料的强度较高，而且塑性和韧性较好。其原因在于：晶粒越细，晶界的总面积就越大，每个晶粒周围不同位向的晶粒越多，因而对滑移产生的抗力就越大，使材料的屈服强度提高；晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，有利于协调变形，在同样变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，引起的应力集中减小，裂纹不易萌生，使材料在断裂之前能承受较大的变形量，所以具有较大的延伸率和断面收缩率，表现出良好的塑性；晶粒越细，晶界越曲折，越不利于裂纹沿晶界的传播，从而在断裂前消耗的功也越大，在断裂过程中可以吸收更多的能量，表现出较高的韧性。霍尔佩奇（Hall-Petch）关系塑性变形的物理机制塑性变形的物理机制当变
13、形温度高于0.5Tm(熔点)以上时，由于原子活动能力的增大，以及原子沿晶界的扩散速率加快，使高温下的晶界具有一定的粘滞性特点，它对变形的阻力大为减弱，即使施加很小的应力，只要作用时间足够长，也会发生晶粒沿晶界的相对滑动，成为多晶体在高温时一种重要的变形方式。由于晶界滑动速度缓慢，因此也只是在蠕变条件下，即高温度和低应力的情况下晶界滑动才显得重要。晶粒尺寸越小，即单位体积中晶界面积越大，晶界滑动对总应变量的贡献越大。在某些情况下，材料可以通过晶粒之间的相对滑动发生高达1000%的形变而不破裂，造成所谓的超塑性，但这要求晶粒十分细小，变形温度和变形速率的限制也较严。单向拉压下材料的塑性变形单向拉压
14、下材料的塑性变形加载产生的变形在卸载后是否可以恢复，这是区分弹性变形和塑性变形的根本。所谓卸载定律是指：卸载过程中应力或应变的改变量服从弹性本构关系卸载过程中应力或应变的改变量服从弹性本构关系。其适用条件有二：(1)卸载过程必须是简单加载，即卸载过程中各点的应力分量是按比例减少的；(2)卸载过程中不发生第二次塑性变形，即卸载不应引起应力改变符号而达到新的屈服。单向拉压下材料的塑性变形单向拉压下材料的塑性变形 随动硬化模型随动硬化模型 等向硬化模型等向硬化模型 混合硬化模型混合硬化模型单向拉压下材料的塑性变形单向拉压下材料的塑性变形 材料预先经少量塑性变形（1%4%）后卸载，若再同向加载，弹性极
15、限与屈服强度升高；若再反向加载，则弹性极限与屈服强度降低，这一现象称为包申格（Bauschinger）效应。从位错的观点看，Bauschinger效应是由下列原因引起的：在正向外力作用下，位错按某种方式运动并产生塑性变形，遇到障碍时形成塞积；外力去除后，位错并不能作反向运动以完全消除塑性变形，已经塞积的位错群会在滑移面上产生和原先所加正向应力相反的应力。若再施加反向外力时，只要反向外力和位错塞积群产生的应力之和达到材料屈服应力时，便会屈服。而再施加正向外力时，需正向外力和位错塞积群产生的应力之差达到材料屈服应力时才会屈服。塑性变形的影响塑性变形的影响 随着塑性变形程度的增加，各个晶粒的滑移方向
16、逐渐向主形变方向转动，使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空间取向逐渐趋向一致，这一现象称为。形变金属中的这种组织状态则称为。随着形变织构的形成，多晶体各各向异性向异性也逐渐显现。形变织构现象对于工业生产有时可加以利用，有时则要避免。形变织构现象对于工业生产有时可加以利用，有时则要避免。塑性变形的影响塑性变形的影响材料经冷加工发生塑性变形后，强度、硬度提高，而塑性、韧性则下降，这种现象称为，也称、。形变强化是提高材料强度、硬度和耐形变强化是提高材料强度、硬度和耐磨性的重要手段之一。磨性的重要手段之一。形变强化对于材料的加工、利用有利形变强化对于材料的加工、利用有利有弊。有弊。塑性变形的影响塑
17、性变形的影响 材料经塑性变形后残留在内部的应力称为残余内应力。它主要是由于材料内部各区域的变形不均匀引起的。残余内应力本质上是一种弹性内应力。宏观残余应力宏观残余应力（第一类第一类残余应力）：由于材料不同部分（如表面与心部）的宏观变形不均匀引起的，故其应力平衡范围是在整个材料内。微观残余应力微观残余应力（第二类第二类残余应力）：它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起的，其作用范围与晶粒尺寸相当，在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。晶格畸变应力晶格畸变应力（第三类第三类残余应力）：它是由材料变形时产生的大量位错、空位等缺陷引起的，亦即晶格畸变引起的，其作用范围更小，只在几百个到几千个原子范围内维持平衡。
18、导致材料产生变形导致材料产生变形导致材料内部产生导致材料内部产生微裂纹微裂纹导致材料强度、硬导致材料强度、硬度升高，塑性、韧度升高，塑性、韧性和抗腐蚀性下降性和抗腐蚀性下降屈服强度屈服强度屈服强度标志着材料对屈服强度标志着材料对起始塑性变形起始塑性变形的抗力，是材料的一个重要力学性能指标。的抗力，是材料的一个重要力学性能指标。对于有明显屈服现象的材料，可取对于有明显屈服现象的材料，可取作为材料的屈服强度。作为材料的屈服强度。对于没有明显屈服现象的材料，可取某一对于没有明显屈服现象的材料，可取某一作为材料的屈服强度。作为材料的屈服强度。单晶体的屈服强度从理论上讲与使位错开动的临界分切应力有关，其
19、值由位错运动所受的各种阻力决定。这些阻力主要是点阵阻力，位错间交互作用产生的阻力，位错与其它晶体缺陷交互作用的阻力等。一般来说，位错密度增加，临界切应力也增加，所以屈服强度随之提高。就多晶体而言，其屈服强度除了受各组成单晶的屈服强度影响外，还与各种界面阻力有关。根据HallPetch关系，屈服强度与晶粒大小的关系式为：通常ky为正值，即细化晶粒可提高材料的屈服强度，增大塑性抗力屈服强度屈服强度l上上屈服点屈服点l屈服平台屈服平台l下屈服点下屈服点l吕德斯（吕德斯（LdersLders）带）带某些单相固溶体合金，特别是含有间隙原子的体心立方金属（例如低碳钢），它们的应力应变曲线，具有明显的屈服现
20、象。屈服强度屈服强度如果在屈服后一定塑性变形处卸载，随即再次加载，则屈服平台不再出现；若在卸载后在室温或较高温度停留较长时间后再次加载，则屈服平台重现，且新的屈服平台高于卸载时的应力一应变曲线。这种现象称为应变时效。ABp 科垂耳（Cottrell）气团“钉扎”理论p 位错增殖理论屈服强度屈服强度 材料的屈服强度既受的影响，又受、的影响，而且还与诸多外部因素如、和等有密切关系。所以材料的屈服强度是一个组织成分敏感组织成分敏感的不稳定不稳定的力学性能指标。1、成分结构的影响2、温度的影响3、加载速度（变形速度）的影响4、应力状态的影响塑性变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错增殖和运动位错增殖和
21、运动的各种因素必然影响屈服强度；实际材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果，因此必须考虑晶界、相邻晶粒的约束晶界、相邻晶粒的约束；各种外界因素通外界因素通过影响位错运动影响位错运动而影响屈服强度。屈服强度屈服强度1、成分结构的影响材料的成分结构是影响其屈服强度的内在因素，这包括化学成分化学成分、原子本性原子本性、晶体晶体结构结构、晶粒大小晶粒大小、组织分布组织分布以及各种材料缺陷各种材料缺陷。其中，点阵阻力是决定屈服强度的点阵阻力是决定屈服强度的根本因素根本因素，而位错在运动过程中受到的各种阻力是影响屈服强度的关键因素。点阵阻力与原子间结合键的性质密切相关，可表示为派-纳力晶体中的各种缺陷如
22、点缺陷、其他位错、晶粒间界，以及固溶元素和第二相质点等，对位错的运动也会产生阻力，这就使得屈服强度不同于弹性模量，表现为对组织结构非常敏感的力学性能指标，与材料中的各种缺陷分布密切相关。但也正是因为如此，才可以合理地利用这些因素给位错的运动设置障碍，从而提高材料抵抗塑性形变的能力。因此这也就成为强化材料的主要手段，例如：、（）、（包括和）等。屈服强度屈服强度一般来说，对于绝大多数材料，。通常有以下两方面的原因:一是随温度上升原子热振动增大，点阵间距增加，弹性模量下降，晶格对位错运动的阻力也下降；二是温度上升后阻碍位错运动的因素可借热激活和原子扩散等过程得到克服。不同的晶体结构对温度的敏感性也不
23、同。2、温度的影响屈服强度屈服强度材料的屈服一般取决于位错的运动，位错运动与原子扩散有关，因而必然受到变形速度的影响。通常，扩散来不及充分进行，这将引起。3、加载速度（变形速度）的影响屈服强度屈服强度同一材料在不同加载方式下，屈服强度不同。这是因为只有切应力才会使材料发生塑性变形，而不同应力状态下，材料中某一点所受的切应力分量与正应力分量的比例不相同。所以扭转屈服强度比拉伸屈服强度低，拉伸的又比弯曲的低，而三向不等拉伸下的屈服强度最高。4、应力状态的影响形变强化形变强化 若材料在屈服后，要使塑性变形继续进行，必须不断增大应力，即在真应力真应变曲线上表现为应力不断上升，这种现象称为形变强化。作为
24、近似，材料屈服后的真应力真应变曲线可用Hollomon方程来表示：严格来讲，Hollomon方程所表示的是塑性变形阶段的真应力真应变曲线，在弹性阶段仍应以Hooke定律表示。式中，为真应力，为真应变，n为形变强化指数，其值为0 n 1，K为强度系数，等于真应变为1时的真应力。n=1n=00n1当n=1时Hollomon方程等同于Hooke定律，材料为理想弹性体。当n0时K常数，材料在外力不增大的情况下可继续塑性变形，是理想刚塑性体。材料的形变强化指数n一般介于0到1之间。n值愈大，材料对继续塑性变形的抗力愈高。大多数金属材料的n值介于0.10.5之间。形变强化形变强化是一个常用的材料参数，它是
25、一个常用的材料参数，它。形变强化指数可由实验测定。实验表明，材料的强度愈高，n值愈低。n值与屈服强度近似地呈反比关系：ns常数。形变强化指数n与形变强化率dS/de是不同的。enKSlnlnlndedSSeedSdnlnlneSndedSHollomonHollomon方程方程形变强化指数n反映了材料屈服后继续变形时的形变强化情况，它决定了开始发生颈缩时的最大应力。另外根据颈缩判据式eb=n，即n决定了材料能够产生的最大均匀应变量，这一数值在冷加工成型工艺（如拉拔、挤压等）中是很重要的。形变强化指数n大的材料，冲压性能好，因为其形变强化效应高，变形均匀，不易产生裂纹。形变强化形变强化表示材料最
26、大塑性的力学性能指标应包括两部分:均匀变形均匀变形（均匀伸长率b或均匀断面收缩率b）集中变形集中变形（n或n）大多数形成缩颈的塑性材料，均匀变形量比集中变形量要小很多，一般不超过集中变形量的50%。许多钢材的均匀塑性变形量只占集中变形量的5%10%，铝和硬铝占18%20%，黄铜占35%45%。nb nb材料的形变强化是靠牺牲其塑性韧性得以实现的。随着预先塑性变形量的增大，材料的弹性极限和屈服强度提高，但同时其塑性韧性却有所下降。因此形变强化能力是有一定限度的，这可通过形变强化容量以及屈强比来衡量。1、形变强化容量、形变强化容量均匀伸长率或均匀断面收缩率的大小表征材料产生最大均匀塑性变形的能力。
27、还包含着材料利用形变获得强化的可能性大小，所以称为形变强化容量。u如果b非常小（b0），则这种材料不会发生均匀塑性变形，就没有形变强化现象。ub越大，表示这种材料通过形变获得强化的可能性大。奥氏体钢，特别是形变时伴有物理化学性能变化的含锰奥氏体钢、奥氏体铬镍钢以及黄铜、青铜等，它们的b值较大，达50%60%，因而这些材料的形变强化现象特别显著。形变强化形变强化材料的形变强化是靠牺牲其塑性韧性得以实现的。随着预先塑性变形量的增大，材料的弹性极限和屈服强度提高，但同时其塑性韧性却有所下降。因此形变强化能力是有一定限度的，这可通过形变强化容量以及屈强比来衡量。材料屈服强度与抗拉强度的比值s/b称为屈
28、强比。屈强比的大小反映了材料均匀塑性变形的能力和应变硬化性能，对材料冷成形加工具有重要意义。u屈强比小，即屈服强度低、抗拉强度高，表明材料均匀塑性变形量大，塑性好，材料容易冷成形。u屈强比大，即屈服强度高、抗拉强度低，材料抗均匀塑性变形能力强，均匀塑性变形量小，塑性低。使用这样的材料加工的机件受载后易在应力集中部位产生低应力脆性断裂。2、屈强比、屈强比形变强化形变强化形变强化的本质是由于位错增殖、运动受阻而引起的。影响形变强化的因素主要有：形变强化指数n与晶体的层错能有关。层错能低的材料形变强化程度大，n值也大。晶粒细化除了提高屈服强度之外，也能提高应变强化的程度。固溶体合金不仅屈服强度高于纯
29、金属，而且其形变强化效果也高于纯金属。形变强化程度随温度升高总是降低的，因为温度升高后有助于受阻位错通过热扩散继续运动，这就削弱了形变强化的效果。形变强化形变强化u 形变强化与塑性变形相配合，保证了材料在截面上的均匀变形，得到均匀一致的冷变形制品。u 形变强化性能使材料在服役中具有适当的抗偶然过载的能力，保证了构件的安全工作。u 形变强化是生产上强化金属的重要工艺手段，和合金化及热处理处于同等地位。所有金属材料都能通过形变达到强化的目的，特别对那些无相变的材料，热处理无法强化，形变强化是主要强化手段。生产上常用喷丸和冷挤压对工件进行表面形变强化，是提高工件材料疲劳抗力的有力措施。u 形变强化可以降低低碳钢的塑性，改善其切削加工性能。形变强化（加工硬化）在工程中有着重要意义，是材料的一种重要力学性能特点：材料的塑性变形材料的塑性变形-思考题思考题l 单晶体塑性变形的方式有哪些？与晶体缺陷有什么关系？l 多晶体塑性变形的特点是什么？l 解释说明什么是包辛格Bauschinger效应？l 简述塑性变形的影响。l 影响屈服强度的因素有哪些？l 屈服现象的典型特征是什么？何谓应变时效？l 何谓形变强化？其规律如何表征？试述形变强化在工程中的意义。l 什么是形变强化指数？什么是形变强化容量？
