1、固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂主讲人：张立斌主讲人：张立斌第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.1 5.1 弹性变形弹性变形5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形5.4 5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响5.5 5.5 金属及合金强化的位错解释金属及合金强化的位错解释5.6 5.6 断裂断裂第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.1 5.1 弹性变形弹性变形 材料的变形方式主要由三种，分别为：材料的变形方式主要由三种，分别为：弹性变形弹性变形、塑性变形塑性
2、变形和和粘性变形粘性变形。金属材料多为前两种变形，而有。金属材料多为前两种变形，而有些高分子材料可能发生第三种变形。些高分子材料可能发生第三种变形。1、材料的变形方式：、材料的变形方式：2、弹性变形：、弹性变形：GEGE）（或12切变模量杨氏模量泊桑比切应变正应变切应力正应力GEE或或G表示使原子离开平衡位置的难易程度，只取决表示使原子离开平衡位置的难易程度，只取决于晶体的原子结合本性，而与晶粒大小以及组织变于晶体的原子结合本性，而与晶粒大小以及组织变化无关，属于组织不敏感性质参数。化无关，属于组织不敏感性质参数。E（G）共价键材料共价键材料E（G）金属（离子）键材料金属（离子）键材料E（G）
3、分子键材料分子键材料)(GE或第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂2、弹性变形：、弹性变形：滞弹性时，应力应变曲线所包围的面积表示应力滞弹性时，应力应变曲线所包围的面积表示应力循环一周所消耗的能量，叫内耗。循环一周所消耗的能量，叫内耗。2.1、完全弹性体：、完全弹性体：应变随着应力瞬时达到平衡值，而与时间无关；应变随着应力瞬时达到平衡值，而与时间无关；2.2、滞弹性：、滞弹性：在弹性范围内，载荷变化时，应变随时间在弹性范围内，载荷变化时，应变随时间逐渐达到平衡值，即与时间有关：逐渐达到平衡值，即与时间有关：2.3、内耗：、内耗：5.1 5.1 弹性变形弹性变形第第五五章章 固
4、固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形1、单晶体塑性变形的方式：、单晶体塑性变形的方式：常温下有三种：滑移、孪生、扭折；常温下有三种：滑移、孪生、扭折；晶体的一部分相对另一部分晶体的一部分相对另一部分沿着一定晶面和晶向的运动。沿着一定晶面和晶向的运动。2、滑移：、滑移：试样表面出现的滑移变形的痕迹，它试样表面出现的滑移变形的痕迹，它是由相互平行的滑移线组成；而滑移是由相互平行的滑移线组成；而滑移线又是由微小的滑移台阶造成的。线又是由微小的滑移台阶造成的。3、滑移带、滑移带高温下还有扩散蠕变、晶界滑动。高温下还有扩散蠕变、晶界滑动。第第五五章章 固
5、固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形位错运动所受的阻力即派纳力为位错运动所受的阻力即派纳力为)1(212bapeG4、滑移系、滑移系式中：式中：G切变模量，切变模量，泊桑比，泊桑比，a晶面间距，晶面间距，b原子间距。原子间距。晶体内一个滑移面和滑移面上的一个滑移方向组成了滑移系晶体内一个滑移面和滑移面上的一个滑移方向组成了滑移系 NMX目每个面上的滑移方向数晶体的密排面数目晶体的滑移系数目第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形5、滑移系与塑性的关系：、滑移系与塑性的关系：滑移系多，
6、塑性好；滑移系多，塑性好；6、临界分切应力、临界分切应力cPn滑移方向A刚好使滑移开始进行的切应力叫临界分切应力刚好使滑移开始进行的切应力叫临界分切应力c P在滑移方向上的分力为在滑移方向上的分力为Pcos，滑移面为一个椭圆其面积为滑移面为一个椭圆其面积为coscos442AaabS，则切应力为则切应力为 coscoscoscoscosAPSP第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形coscoscs6、临界分切应力、临界分切应力ccs当当时，对应的切应力达到临界分切应力时，对应的切应力达到临界分切应力c与材料的属性及温度等有关，当条
7、件一定时，与材料的属性及温度等有关，当条件一定时，c为定值。为定值。当滑移方向、滑移面法线及外力轴共面时，有当滑移方向、滑移面法线及外力轴共面时，有+=90O；此；此时，如果时，如果=45O时，时，coscos取得极大值，故取得极大值，故coscoscs取得极小值，取得极小值，第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形外力在滑移面上可以分解成正应力和切应外力在滑移面上可以分解成正应力和切应力，而该正应力和切应力均会产生力偶，力，而该正应力和切应力均会产生力偶，在该力偶的作用下，使晶体发生转动。在该力偶的作用下，使晶体发生转动。7、晶体
8、转动：、晶体转动：转动后，原容易滑移的位向转到不易滑移转动后，原容易滑移的位向转到不易滑移位向上，而原来处于不容易滑移的位向则位向上，而原来处于不容易滑移的位向则转到容易滑移的位向上而继续滑移。转到容易滑移的位向上而继续滑移。8、多滑移与交滑移、多滑移与交滑移有两组及以上的滑移系同时开始滑移叫有两组及以上的滑移系同时开始滑移叫多滑移多滑移 位错从一个滑移面过渡到与之平行的另一个滑移面上沿着位错从一个滑移面过渡到与之平行的另一个滑移面上沿着同一个滑移方向继续滑移的现象叫同一个滑移方向继续滑移的现象叫交滑移交滑移。因为刃型位错。因为刃型位错的滑移面是唯一的（位错线与柏氏矢量构成），故不能发的滑移面
9、是唯一的（位错线与柏氏矢量构成），故不能发生交滑移；只有螺型位错才可能发生交滑移。生交滑移；只有螺型位错才可能发生交滑移。第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形晶体内部的一部分沿一定晶面（孪晶面）和晶向晶体内部的一部分沿一定晶面（孪晶面）和晶向（孪晶方向）相对另一部分发生均匀（孪晶方向）相对另一部分发生均匀切变切变的过程。的过程。9、孪生：、孪生：10、孪生变形的特点、孪生变形的特点.孪生使晶体的一部分发生均匀的切变，而滑移只集中在一些滑移面上；孪生使晶体的一部分发生均匀的切变，而滑移只集中在一些滑移面上；.孪生后晶体变形部分的位
10、向发生了改变，而后者则不变孪生后晶体变形部分的位向发生了改变，而后者则不变.同一结构的孪生面与方向和滑移面与方向可以不同同一结构的孪生面与方向和滑移面与方向可以不同.两者的应力应变曲线不同；两者的应力应变曲线不同；.前者的临界分切应力大于后者。前者的临界分切应力大于后者。通常情况下，滑移先进行，当其受阻时，才有可能发生通常情况下，滑移先进行，当其受阻时，才有可能发生孪生。孪生后，使晶体的位向发生改变，原来处于硬位孪生。孪生后，使晶体的位向发生改变，原来处于硬位向的滑移系转到软位向，从而激发了晶体的进一步滑移向的滑移系转到软位向，从而激发了晶体的进一步滑移 第第五五章章 固固体体材材料料的的变变
11、形形与与断断裂裂5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形1、单晶体与多晶体塑性变形的异同点：、单晶体与多晶体塑性变形的异同点：1.1、相同点：、相同点：变形条件与方式相图（切应力）（滑移、孪生）；变形条件与方式相图（切应力）（滑移、孪生）；1.2、不同点：、不同点：、变形受晶界的阻碍；、变形受晶界的阻碍；、变形受相邻晶粒位向的阻碍：、变形受相邻晶粒位向的阻碍：、各晶粒变形不同步；、各晶粒变形不同步；、各晶粒变形不均匀。、各晶粒变形不均匀。第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形2、多晶体塑性变形过程、多晶体塑性变形过程 2
12、3 PAcoscoscoscoscsscGbLknaan产生应力集中：产生应力集中：若晶粒大，则若晶粒大，则rL n 应力应力 临近滑移系开动，临近滑移系开动，塑性变形由一个晶粒过渡到相邻的另一个晶粒继续进行。塑性变形由一个晶粒过渡到相邻的另一个晶粒继续进行。障碍物滑移面位错源L第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形3、晶粒尺寸、晶粒尺寸d对强度与塑性的影响对强度与塑性的影响3.1、d对强度的影响对强度的影响 210Kdsd小小L n 应力集中应力集中 要使相邻晶粒中硬位向的要使相邻晶粒中硬位向的滑移系开动，必须要加大工作应力，从
13、而提高了强度。滑移系开动，必须要加大工作应力，从而提高了强度。d小小单位体积内的晶粒数目多，晶界数目也多，对位错单位体积内的晶粒数目多，晶界数目也多，对位错运动阻碍就大，提高了塑性变形抗力，运动阻碍就大，提高了塑性变形抗力，从而提高了强度。从而提高了强度。Hallpetch公式为：公式为：第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形3、晶粒尺寸、晶粒尺寸d对强度与塑性的影响对强度与塑性的影响3.2、d对塑性的影响对塑性的影响 d d小则单位体积内的晶粒数目就多，当总变形量一定小则单位体积内的晶粒数目就多，当总变形量一定时，分摊到每个晶粒
14、上的塑性变形量就小；当每个晶粒都时，分摊到每个晶粒上的塑性变形量就小；当每个晶粒都达到极限塑性变形量时，则总的塑性变形量就大，故达到极限塑性变形量时，则总的塑性变形量就大，故d d越越小塑性就越好。从公式看，在相同变形量的情况下，小塑性就越好。从公式看，在相同变形量的情况下，d d越越小则小则L L就小，就小，n n也小，应力集中就小，不至于打破结合键；也小，应力集中就小，不至于打破结合键；当应力达到极限值时，可以允许产生更大的塑性变形，故当应力达到极限值时，可以允许产生更大的塑性变形，故d d越小塑性就越好。越小塑性就越好。第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.4 5.4
15、 塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响1、塑性变形对金属显微组织的影响：、塑性变形对金属显微组织的影响：、形变织构（择优取向）；、形变织构（择优取向）；、形成纤维组织、形成纤维组织；、形成胞状亚结构、形成胞状亚结构；第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂2、塑性变形对金属性能的影响：、塑性变形对金属性能的影响：5.4 5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响塑性变形对金属组织与性能的影响.产生产生加工硬化加工硬化；.使物理性能发生变化使物理性能发生变化如：导电性下降：如：导电性下降：.使化学性能发生变化使化学性能发生变化耐腐蚀性下降等。耐腐蚀性下降等。.产
16、生了残余内应力。产生了残余内应力。.产生了各向异性；产生了各向异性；第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.5 5.5 金属及合金强化的位错解释金属及合金强化的位错解释 1、固溶强化：、固溶强化：晶体中溶质原子溶入，引起点阵畸变，形成了晶体中溶质原子溶入，引起点阵畸变，形成了应力场；而晶体中的位错也形成应力场。二者应力场应力场；而晶体中的位错也形成应力场。二者应力场发生交互作用，使溶质原子聚集到位错周围而形成比发生交互作用，使溶质原子聚集到位错周围而形成比较稳定的分布，通常把溶质原子在位错周围的聚集叫较稳定的分布，通常把溶质原子在位错周围的聚集叫柯氏气团柯氏气团。柯氏气团对位
17、错产生钉扎作用，阻碍了位。柯氏气团对位错产生钉扎作用，阻碍了位错的运动，提高了塑性变形抗力。错的运动，提高了塑性变形抗力。随着溶质原子的溶入，固溶体的强度随着溶质原子的溶入，固溶体的强度与硬度升高、塑性与刃型下降的现象与硬度升高、塑性与刃型下降的现象.概念概念.机理机理第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.5 5.5 金属及合金强化的位错解释金属及合金强化的位错解释 2、加工硬化、加工硬化随着塑性变形量的增加，金属的强度随着塑性变形量的增加，金属的强度与硬度升高、塑性与刃型下降的现象与硬度升高、塑性与刃型下降的现象.概念概念.机理机理 在滑移面上运动的两个位错相遇交割后，在
18、滑移面上运动的两个位错相遇交割后，各自产生一小曲折线段，这种由交割生成的小各自产生一小曲折线段，这种由交割生成的小曲折线段叫曲折线段叫割阶割阶，有时还可形成一些，有时还可形成一些固定位错固定位错。位错密度增加，割阶与固定位错数目也增加，位错密度增加，割阶与固定位错数目也增加，对位错运动的阻力增大，使晶体变形抗力增加，对位错运动的阻力增大，使晶体变形抗力增加，从而提高了强度，即加工硬化。从而提高了强度，即加工硬化。第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.5 5.5 金属及合金强化的位错解释金属及合金强化的位错解释 3、沉淀强化（时效强化）、沉淀强化（时效强化）在合金基体中均匀弥
19、散分布细小的第二在合金基体中均匀弥散分布细小的第二.概念概念.机理机理位错以切过机制或绕过机制与第二相微粒发生位错以切过机制或绕过机制与第二相微粒发生作用，位错绕过第二相粒子所需切应力与粒子作用，位错绕过第二相粒子所需切应力与粒子间距间距有关，即有关，即相微粒（硬化相）而提高合金强度的方法。如果相微粒（硬化相）而提高合金强度的方法。如果第二相微粒是通过过饱和固溶体时效处理或沉淀第二相微粒是通过过饱和固溶体时效处理或沉淀析出得到的，则也称时效强化或沉淀强化）。析出得到的，则也称时效强化或沉淀强化）。位错运动过程中与第二相微粒相遇时，位错运动过程中与第二相微粒相遇时，第第五五章章 固固体体材材料料的的变变形形与与断断裂裂5.6 5.6 断裂断裂在载荷作用下，裂纹逐渐长长，长在载荷作用下，裂纹逐渐长长，长大速度与载荷大小及材料性能及环大速度与载荷大小及材料性能及环境条件等因素有关；境条件等因素有关；aKc14、裂纹的萌生：、裂纹的萌生：5、裂纹扩展：、裂纹扩展：6、断裂：、断裂：裂纹长度达到最大临界尺寸时就发生断裂，裂纹长度达到最大临界尺寸时就发生断裂，裂纹源在晶体内薄弱处形成，萌生裂裂纹源在晶体内薄弱处形成，萌生裂纹时，需要应力，由应力集中提供；纹时，需要应力，由应力集中提供；本章内容结束本章内容结束
