1、1第一部分：材料的力学性能第一部分：材料的力学性能23第二章：材料的塑性变形第二章：材料的塑性变形u主要内容：主要内容：一一.概述；概述；二二.对塑性变形的认识过程；对塑性变形的认识过程；三三.塑性变形的本质；塑性变形的本质；四四.多晶体的塑性变形。多晶体的塑性变形。Plastic deformation of materials42.1 概述概述 1.定义定义 塑性变形塑性变形在外力除去后在外力除去后不能恢复的变形不能恢复的变形叫塑性叫塑性变形，有一部分变形，有一部分残余形变残余形变。即。即使固体产生变形的力，在使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其超过该固体
2、的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即变形后的形状或尺寸，即非可逆性能非可逆性能。屈服应力屈服应力当外力超过物体当外力超过物体弹性极限弹性极限，达到某一，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力。点为屈服点，达到屈服点的应力。52.度量塑性的指标度量塑性的指标%10000LLL00100%AAA工程上：工程上：%5（脆性材料）（脆性材料）%5（塑性（塑性/韧性材料）韧性材料）延伸率：断面收缩率：2.1 概述概述 63.影响因素影响因素 温度；温度；（MgO高温下表现一定的塑性）。高
3、温下表现一定的塑性）。加载方式加载方式；（拉应力、压应力）；（拉应力、压应力）铸铁施加压力表铸铁施加压力表现为塑性变形；受拉伸应力表现为脆性变形。现为塑性变形；受拉伸应力表现为脆性变形。加载速度加载速度。（冲击荷载、准静荷载）。（冲击荷载、准静荷载）加载速度越加载速度越小，塑性变形可以充分表现；加载速度越大，应力来不及小，塑性变形可以充分表现；加载速度越大，应力来不及均匀变化，表现为脆性变形。均匀变化，表现为脆性变形。2.1 概述概述 72.2 理想晶体的强度理想晶体的强度 理想晶体理想晶体空间点阵每一个格点都被原子占有和原子空间点阵每一个格点都被原子占有和原子平面的规整排列未被破坏而构成的晶
4、体，即平面的规整排列未被破坏而构成的晶体，即完全符合格子构完全符合格子构造规律的晶体。造规律的晶体。理想晶体的化学和物理性质理想晶体的化学和物理性质取决于取决于原子的结构和原原子的结构和原子间的结合性质。子间的结合性质。理想晶体的塑性变形理想晶体的塑性变形是由晶体沿着晶面的整体滑移是由晶体沿着晶面的整体滑移而引起的，塑性变形的出现意味着而引起的，塑性变形的出现意味着晶体屈服。晶体屈服。82.2 理想晶体的强度理想晶体的强度两列原子间的力有两种：两列原子间的力有两种：（1）每层中原子之间的相互作）每层中原子之间的相互作用力，该力与两层原子相对位移不相用力，该力与两层原子相对位移不相干；干；（2）
5、上、下两层原子之间的相）上、下两层原子之间的相互作用力，该力与两层原子相对位移互作用力，该力与两层原子相对位移有关，是周期性变化的力。有关，是周期性变化的力。完整晶体原子排列位置完整晶体原子排列位置92.2 理想晶体的强度理想晶体的强度上、下半晶体相对移动上、下半晶体相对移动 假定在晶体特定的晶面及结晶向上施加切应力假定在晶体特定的晶面及结晶向上施加切应力，引起晶，引起晶体上半部分相对于下半部分沿两层原子间体上半部分相对于下半部分沿两层原子间MN面上移动，如图面上移动，如图所示。在切应力作用下，势必引起所示。在切应力作用下，势必引起MN面上原子同时移动，同面上原子同时移动，同时切断时切断MN面
6、上所有的原子键，此过程为晶体的整体滑移。面上所有的原子键，此过程为晶体的整体滑移。102.2 理想晶体的强度理想晶体的强度原子位移位置原子位移位置a.E-x变化曲线；变化曲线；b.-x变化曲线变化曲线 P和和R位置上的原子处于晶体点阵的平衡位置，势能最低，该位置上的原子处于晶体点阵的平衡位置，势能最低，该位置上的原子处于平衡位置；而位置上的原子处于平衡位置；而P和和R之间中央之间中央Q位置，势能最高位置，势能最高，Q位置上的原子处于亚稳定状态，势能的变化取决于原子键的位置上的原子处于亚稳定状态，势能的变化取决于原子键的性质。因此，势能随位移变化曲线的真实形状很难确定。性质。因此，势能随位移变化
7、曲线的真实形状很难确定。112.2 理想晶体的强度理想晶体的强度a.E-x变化曲线；变化曲线；b.-x变化曲线变化曲线 为了便于分析，假定为了便于分析，假定势能随原子位移变化为正势能随原子位移变化为正弦波曲线。移动原子所需弦波曲线。移动原子所需的作用力的作用力F的变化可由势的变化可由势能能-位移曲线（位移曲线（E-x）的斜）的斜率确定。率确定。122.2 理想晶体的强度理想晶体的强度m=2x=sinbFA 晶体滑移所需的切应力为：作用在晶体上的切应力与原子位移之间的系关：a.E-x变化曲线；变化曲线；b.-x变化曲线变化曲线 m完整晶体屈服强度，晶完整晶体屈服强度，晶体受到的切应力超过体受到的
8、切应力超过m后产生永久后产生永久变形，即为晶体的塑性变形。变形，即为晶体的塑性变形。13mmm-2=bxx=ab2a2x/x,abGGGG在原子位移很小的情况下，曲线的斜率为故根据胡克定律：故得对于晶体来说，故上式可写为：2.2 理想晶体的强度理想晶体的强度142.2 理想晶体的强度理想晶体的强度为什么完整晶体理论屈服强度和实验测定的屈服强度差异为什么完整晶体理论屈服强度和实验测定的屈服强度差异大？大？原因：原因：近似为弹性变形，利用胡克定律；近似为弹性变形，利用胡克定律；剪切力与原子间距离并非符合正弦变化；剪切力与原子间距离并非符合正弦变化；推导过程中针对的是理想晶体，而实际晶体存在缺陷。推
9、导过程中针对的是理想晶体，而实际晶体存在缺陷。mm-10 5030GGG修或正：。152.3.1 位错的基本概念（位错的基本概念（dislocation）（1）定义：定义：线状缺陷。线状缺陷。2.3 晶格缺陷晶格缺陷位错位错 实际晶体在结晶时，受到实际晶体在结晶时，受到杂质杂质、温度变化温度变化或或振动振动产产生的应力作用或晶体由于受到生的应力作用或晶体由于受到打击打击、切割切割等机械应力作等机械应力作用，使晶体内部原子排列变形，原子行列间相互滑移，用，使晶体内部原子排列变形，原子行列间相互滑移，不再符合理想晶体的有序排列，形成不再符合理想晶体的有序排列，形成线状缺陷线状缺陷，即为位，即为位错
10、。错。162.3.1 位错的基本概念（位错的基本概念（dislocation）（1）定义：定义：线状缺陷。线状缺陷。塑性变形理论塑性变形理论滑移模型，滑移模型，1920线缺陷（位错）模型线缺陷（位错）模型,1934建立位错理论建立位错理论,1956171934年年 Taylor、Polanyi、Orowan三人几乎同三人几乎同时时提出提出晶体中晶体中位错位错的的模型模型。滑移过程并非是原子面之间整体发生相对位移，而是一部滑移过程并非是原子面之间整体发生相对位移，而是一部分先发生位移，然后推动晶体中另一部分滑移，循序渐进。分先发生位移，然后推动晶体中另一部分滑移，循序渐进。2.3.1 位错的基本
11、概念（位错的基本概念（dislocation）182.3.1 位错的基本概念（位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型）位错的类型2.3 晶格缺陷晶格缺陷位错位错基本类型基本类型刃位错（刃位错（edge dislocation），），l螺位错（螺位错（screw dislocation），），l混合位错混合位错brbr192.3.1 位错的基本概念（位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型）位错的类型a.刃位错刃位错刃位错的产生刃位错的产生半原子面半原子面（EFGH）位错线位错线EF刃位错示意图刃位错示意图 202.3.1 位错的基本概念（位错的基本概念（dis
12、location）（2）位错的类型）位错的类型a.刃位错刃位错刃位错的产生刃位错的产生212.3.1 位错的基本概念（位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型）位错的类型a.刃位错刃位错几何特征几何特征 位错线与原子滑移方向（即伯氏矢量位错线与原子滑移方向（即伯氏矢量b）相）相垂直垂直；滑移面滑移面上部位错线周围原子受压应力作用上部位错线周围原子受压应力作用，原子，原子间距间距小于正常晶格间距小于正常晶格间距；滑移面滑移面下部位错线周围原子受张应力作用下部位错线周围原子受张应力作用，原子，原子间距间距大于正常晶格间距大于正常晶格间距。22正刃位错正刃位错负刃位错负刃位错2.3.
13、1 位错的基本概念（位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型）位错的类型a.刃位错刃位错表示符号表示符号 如果半个原子面在滑移面上方，称为如果半个原子面在滑移面上方，称为正刃位错，以符正刃位错，以符号号“”表示表示；反之称为；反之称为负刃位错，以符号负刃位错，以符号“”表示表示。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。23（2）位错的类型）位错的类型b.螺位错螺位错螺位错的产生螺位错的产生242.3.1 位错的基本概念（位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型）位错的类型b.螺位错螺位错螺位错的产生螺位错的产生
14、位位错错线线EF螺位错形成示意图螺位错形成示意图 a）与螺位错垂直的晶面的形状）与螺位错垂直的晶面的形状（b）螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况）螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况252.3.1 位错的基本概念（位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型）位错的类型b.螺位错螺位错螺位错的产生螺位错的产生26（2）位错的类型）位错的类型b.螺位错螺位错螺位错的产生螺位错的产生螺形位错螺形位错示意图示意图BC线两侧的上下两层原子都偏离线两侧的上下两层原子都偏离了平衡位置，围绕着了平衡位置，围绕着BC连成了一连成了一个螺旋线个螺旋线.27位错线与原子滑移方向位错线与原子滑移方向平
15、行平行；位错线周围原子的配置位错线周围原子的配置是螺旋状的是螺旋状的，即形成螺位错，即形成螺位错后，原来与位错线垂直的晶后，原来与位错线垂直的晶面，变为以位错线为中心轴面，变为以位错线为中心轴的螺旋面。的螺旋面。（2）位错的类型）位错的类型b.螺位错螺位错几何特征几何特征28 如果在外力如果在外力作用下，两部分之间发生相对滑移，作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移部分和未滑移部分的交线在晶体内部已滑移部分和未滑移部分的交线既不垂直也既不垂直也不平行于滑移方向不平行于滑移方向（伯氏矢量（伯氏矢量b），这样的位错称为混），这样的位错称为混合位错。如下图所示。位错线上任一点，经矢量分解后
16、，合位错。如下图所示。位错线上任一点，经矢量分解后，可分解为刃位错与螺位错分量。可分解为刃位错与螺位错分量。2.3.1 位错的基本概念（位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型）位错的类型c.混合位错混合位错29混合位错的形成混合位错的形成2.3.1 位错的基本概念（位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型）位错的类型c.混合位错混合位错30位错线在几何上的两个特征：位错线在几何上的两个特征：位错线的方向位错线的方向，它表明给定点上位错线的取向，由，它表明给定点上位错线的取向，由人们的观察方位来决定，是人为规定的；人们的观察方位来决定，是人为规定的；位错线的伯格
17、斯矢量位错线的伯格斯矢量b，它表明晶体中有位错存在时，它表明晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对滑移或畸变，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对滑移或畸变，由伯格斯于由伯格斯于1939年首先提出，故称为年首先提出，故称为伯格斯矢量伯格斯矢量，简称，简称为为伯氏矢量伯氏矢量。（1）柏氏矢量的确定）柏氏矢量的确定2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路柏氏矢量与柏氏回路31（1）柏氏矢量的确定）柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定(a)实际晶体的柏氏回路；实际晶体的柏氏回路；(b)完整晶体相应回路完整晶体相应回路2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路柏氏矢量与柏氏回路32螺
18、型位错柏氏矢量的确定螺型位错柏氏矢量的确定(a)实际晶体的柏氏回路；实际晶体的柏氏回路；(b)完整晶体相应回路完整晶体相应回路（1）柏氏矢量的确定）柏氏矢量的确定2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路柏氏矢量与柏氏回路332.3.2 柏氏矢量与柏氏回路柏氏矢量与柏氏回路（2）柏氏矢量的性质与表示方法）柏氏矢量的性质与表示方法柏氏矢量具有守恒性，具体表现在如下：柏氏矢量具有守恒性，具体表现在如下：柏氏矢量与柏氏回路的起点、形状、大小和位置无关柏氏矢量与柏氏回路的起点、形状、大小和位置无关。只要回路不与其他位错线或原位错线相遇，则回路所包只要回路不与其他位错线或原位错线相遇，则回路所包含的晶格畸变总量不会
19、改变；含的晶格畸变总量不会改变；一条位错线具有唯一的柏氏矢量一条位错线具有唯一的柏氏矢量，即位错线各部分的，即位错线各部分的柏氏矢量均相同；柏氏矢量均相同；若几条位错线汇交于一点时，则指向节点的各位错的若几条位错线汇交于一点时，则指向节点的各位错的柏氏矢量之和等于离开结点的各位错柏氏矢量之和。柏氏矢量之和等于离开结点的各位错柏氏矢量之和。34（1）位错滑移）位错滑移 位错的滑移面位错的滑移面由位错线与其柏格斯矢量组成的晶面。由位错线与其柏格斯矢量组成的晶面。滑移运动滑移运动位错沿滑移面的移动。位错沿滑移面的移动。当位错在切应力作用下沿滑移面滑过整个滑移面时，就会使当位错在切应力作用下沿滑移面滑
20、过整个滑移面时，就会使晶体表面产生晶体表面产生一个原子间距的滑移台阶一个原子间距的滑移台阶。2.3.3 位错运动理论位错运动理论 晶体滑移的三种情况晶体滑移的三种情况刃型位错的滑移刃型位错的滑移螺型位错的滑移螺型位错的滑移混合位错的滑移混合位错的滑移 位错运动的难易位错运动的难易将直接影响材料的将直接影响材料的塑性变形塑性变形和和强度强度。位错运动的两种基本形式：位错运动的两种基本形式：滑移滑移和和攀移攀移。35（1）位错滑移）位错滑移2.3.3 位错运动理论位错运动理论 位错滑移导致晶体滑移的示意图位错滑移导致晶体滑移的示意图36类类 型型柏氏向量柏氏向量位错线位错线运动方向运动方向晶体晶体
21、滑移方向滑移方向切应力切应力方向方向滑移面滑移面个数个数刃刃位错线位错线位错线本身位错线本身与与b一致一致与与b一致一致唯一唯一螺螺位错线位错线位错线本身位错线本身与与b一致一致与与b一致一致多个多个混合混合与位错线与位错线成一定角度成一定角度位错线本身位错线本身与与b一致一致与与b一致一致 刃位错只有唯一的一个滑移面；对于螺位错，凡通过刃位错只有唯一的一个滑移面；对于螺位错，凡通过位错线的晶面，都是滑移面，有无数个。位错线的晶面，都是滑移面，有无数个。2.3.3 位错运动理论位错运动理论（1）位错滑移）位错滑移372.3.3 位错运动理论位错运动理论（2）位错的攀移）位错的攀移 位错除滑移外
22、，还可以产生攀移，由于热运动，原子位错除滑移外，还可以产生攀移，由于热运动，原子之间扩散，空位扩散到位错处，使位错上移，杂质离子扩之间扩散，空位扩散到位错处，使位错上移，杂质离子扩散到位错处，使位错下移。散到位错处，使位错下移。刃型位错的攀移运动模型刃型位错的攀移运动模型(a)未攀移的位错；未攀移的位错；(b)空位运动形成的正攀移；空位运动形成的正攀移；(c)间隙原子扩散引起的负攀移间隙原子扩散引起的负攀移382.3.3 位错运动理论位错运动理论（2）位错的攀移）位错的攀移 刃型位错攀移的实质刃型位错攀移的实质多余半原子面通过空位或多余半原子面通过空位或原子的扩散而扩大或缩小。原子的扩散而扩大
23、或缩小。正攀移正攀移当多余原子面缩小，位错线向上攀移。当多余原子面缩小，位错线向上攀移。负攀移负攀移当多余半原子面扩大，位错线向下攀移。当多余半原子面扩大，位错线向下攀移。注意注意由于攀移需要通过由于攀移需要通过原子扩散原子扩散才能实现，故才能实现，故位错的攀移比滑移困难的多位错的攀移比滑移困难的多，主要发生在，主要发生在高温高温或或应力应力条条件下。件下。压应力压应力正攀移；正攀移；拉应力拉应力负攀移。负攀移。392.3.3 位错运动理论位错运动理论（3）位错运动理论）位错运动理论当位错穿过晶体时，其中间所取的位置当位错穿过晶体时，其中间所取的位置40完整晶体中原子排列及其势能曲线完整晶体中
24、原子排列及其势能曲线2.3.3 位错运动理论位错运动理论（3）位错运动理论）位错运动理论 根据平衡理论，完整根据平衡理论，完整晶体中的每个原子处于势能晶体中的每个原子处于势能最低位置。原子的热运动使最低位置。原子的热运动使得原子在它势能最低位置附得原子在它势能最低位置附近运动。原子能越过势垒落近运动。原子能越过势垒落到临近的位置上去的机会是到临近的位置上去的机会是很小的。很小的。2=-cosbEA41晶体中存在缺陷的原子排列及其势能变化曲线晶体中存在缺陷的原子排列及其势能变化曲线2.3.3 位错运动理论位错运动理论（3）位错运动理论）位错运动理论42切应力作用下含缺陷晶体中原子排列及势能变化曲
25、线切应力作用下含缺陷晶体中原子排列及势能变化曲线2.3.3 位错运动理论位错运动理论（3）位错运动理论）位错运动理论432.3.3 位错运动理论位错运动理论（3）位错运动理论）位错运动理论完整晶体的势能曲线完整晶体的势能曲线有位错时，晶体的势能曲线有位错时，晶体的势能曲线加剪应力后的势能曲线加剪应力后的势能曲线 hh H()滑移面滑移面44有位错时，越过能量势垒有位错时，越过能量势垒 h；正常原子滑移需越过势垒正常原子滑移需越过势垒 h；位错运动的激活能位错运动的激活能H()，与剪切应力有关，与剪切应力有关，剪应力剪应力 大，大，H()小；小；小，小，H()大。大。H()h h当当0，H()最
26、大，最大，H()h。2.3.3 位错运动理论位错运动理论（3）位错运动理论）位错运动理论45 金属材料金属材料H()为为0.10.2eV；由离子键、共价键组成；由离子键、共价键组成的非金属材料的的非金属材料的H()为为1eV数量级，故室温下无机非金属数量级，故室温下无机非金属材料的位错难以运动。材料的位错难以运动。因为因为h h H()，所以位错只能在滑移面上运动。所以位错只能在滑移面上运动。温度升高，位错运动速度加快，对于一些在常温下温度升高，位错运动速度加快，对于一些在常温下不发生塑性形变的材料，在高温下具有一定塑性。不发生塑性形变的材料，在高温下具有一定塑性。2.3.3 位错运动理论位错
27、运动理论（3）位错运动理论）位错运动理论46当位错线在晶体中运动时，当位错线在晶体中运动时，穿过滑移面的原子键的裂穿过滑移面的原子键的裂开是逐步发生的开是逐步发生的，而不像理想晶体那样是一次同时实现的，而不像理想晶体那样是一次同时实现的。半原子面在运动中不断改变位置，运动的最终结果使半原子面在运动中不断改变位置，运动的最终结果使得立方体上半部份相对于下半部份发生了平移，其大小等得立方体上半部份相对于下半部份发生了平移，其大小等于平衡原子的间距于平衡原子的间距b。但是，这里有重大的差别，这就是说，但是，这里有重大的差别，这就是说，每次裂开一个每次裂开一个键比起同时裂开所有的键来说，所需要的能量要
28、小得多。键比起同时裂开所有的键来说，所需要的能量要小得多。2.3.3 位错运动理论位错运动理论（3）位错运动理论）位错运动理论47晶体中位错从一边移到另一边的过程中，滑移面上晶体中位错从一边移到另一边的过程中，滑移面上的原子键一个接一个地断开。因此，所需外界切应力比的原子键一个接一个地断开。因此，所需外界切应力比晶体整体滑移时滑移面上原子键同时断开所需的外界切晶体整体滑移时滑移面上原子键同时断开所需的外界切应力小得多。由此可见，应力小得多。由此可见，晶体理论屈服强度与真实晶体晶体理论屈服强度与真实晶体屈服强度之间存在很大差别正是由于真实晶体中存在位屈服强度之间存在很大差别正是由于真实晶体中存在
29、位错的缘故。错的缘故。2.3.3 位错运动理论位错运动理论（3）位错运动理论）位错运动理论48 宏观上观察到的塑性变形，是无数位错运动的结果。宏观上观察到的塑性变形，是无数位错运动的结果。因此，要表现出塑性变形，必须有位错增殖的机理。因此，要表现出塑性变形，必须有位错增殖的机理。2.3.3 位错运动理论位错运动理论（4）位错增殖机理）位错增殖机理U型位错增殖过程模型型位错增殖过程模型492.4 塑性变形及其检验方法塑性变形及其检验方法 塑性变形：塑性变形：当施加的应力当施加的应力超过弹性极限的临界值超过弹性极限的临界值，变，变形就成为永久性的。当一个试样承载超过这个极限时，在形就成为永久性的。
30、当一个试样承载超过这个极限时，在作用力撤除后它就不能够再恢复到原始长度，这种行为称作用力撤除后它就不能够再恢复到原始长度，这种行为称为为塑性变形塑性变形或或永久变形永久变形。塑性变形阶段的应力塑性变形阶段的应力-应变特性曲线呈应变特性曲线呈非线性非线性，不服不服从胡克定律从胡克定律。延展性延展性材料发生塑性变形而不断裂的能力。材料发生塑性变形而不断裂的能力。502.4 塑性变形及其检验方法塑性变形及其检验方法 弹性与塑性荷载条件下加载与卸载过程中应力弹性与塑性荷载条件下加载与卸载过程中应力-应变关系曲线应变关系曲线512.4.1 拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验定量测定结构材料的主要力学性能。
31、定量测定结构材料的主要力学性能。522.4.1 拉伸试验拉伸试验532.4.1 拉伸试验拉伸试验工程断裂应变工程断裂应变f的表示形式：的表示形式：试件的伸长率试件的伸长率：f取决于试件的长径比，长径比越大，达到的工程断取决于试件的长径比，长径比越大，达到的工程断裂应变就越低。裂应变就越低。试件的断面收缩率试件的断面收缩率：优点：优点：f不依赖于试件的长径比。不依赖于试件的长径比。%10000LLL00100%AAA542.4.1 拉伸试验拉伸试验各种类型金属的应力各种类型金属的应力-应变曲线应变曲线Cu、Al等面心立方金属，屈等面心立方金属，屈服点不易确定。服点不易确定。碳钢等材料呈现复杂的屈
32、服碳钢等材料呈现复杂的屈服行为。行为。材料开始塑性变形时的应材料开始塑性变形时的应力。力。产生塑性变形时的最低应产生塑性变形时的最低应力。力。552.4.2 陶瓷试验陶瓷试验陶瓷陶瓷四点弯曲试验四点弯曲试验。56p优点：优点：试样的几何形状简单（矩形或圆柱形试样）；试样的几何形状简单（矩形或圆柱形试样）；试验程序简化；试验程序简化；试验成本较低。试验成本较低。p缺点：缺点：试样的应力分布不均匀。不像拉伸试验那样在试样的应力分布不均匀。不像拉伸试验那样在整整 个标距内的应力几乎呈均匀状态。个标距内的应力几乎呈均匀状态。p应力不均匀状态的后果：应力不均匀状态的后果：在某些情况下，特别是受载在某些情
33、况下，特别是受载试样中的最大裂纹位于试样内部时，在四点弯曲试验中试样中的最大裂纹位于试样内部时，在四点弯曲试验中会过高地估计陶瓷的强度。会过高地估计陶瓷的强度。2.4.2 陶瓷试验陶瓷试验572.4.2 陶瓷试验陶瓷试验582.4.2 陶瓷试验陶瓷试验陶瓷与金属的差别：陶瓷与金属的差别：u陶瓷的陶瓷的弹性模量弹性模量E通常比金属高通常比金属高；u陶瓷陶瓷很少呈明显的塑性变形很少呈明显的塑性变形；u无裂纹的陶瓷的无裂纹的陶瓷的断裂应力往往比金属高断裂应力往往比金属高；u金属在拉伸和压缩试验中所得的应力金属在拉伸和压缩试验中所得的应力-应变曲线几应变曲线几乎相同，而陶瓷的应力乎相同，而陶瓷的应力-
34、应变曲线取决于试验时的应应变曲线取决于试验时的应力状态（力状态（压缩还是拉伸压缩还是拉伸）。）。592.4.3 聚合物试验聚合物试验聚合物聚合物塑性变形能力好塑性变形能力好。聚合物聚合物拉伸试验或者弯曲试验拉伸试验或者弯曲试验。聚合物的特点聚合物的特点聚合物的弹性模量较低，断裂强度聚合物的弹性模量较低，断裂强度较低，延展性较高；高度取向的聚合物具有像金属或较低，延展性较高；高度取向的聚合物具有像金属或陶瓷那样高的刚度和强度。陶瓷那样高的刚度和强度。602.5 单晶体塑性变形的基本方式单晶体塑性变形的基本方式 最早对塑性变形的认识最早对塑性变形的认识单晶的拉伸试验单晶的拉伸试验。拉伸拉伸最简单的
35、受力方式，截面积受力均匀；最简单的受力方式，截面积受力均匀；弯曲应力弯曲应力上表面受到压应力，下表面受到拉应力，上表面受到压应力，下表面受到拉应力，所受应力不均匀。所受应力不均匀。金属产生塑性变形的方式金属产生塑性变形的方式 滑移滑移 slide（占（占90%）孪生孪生 twin（占（占10%）：形）：形成孪晶的过程。成孪晶的过程。611.1.定义定义：晶体在切应力作用下晶体在切应力作用下，其中一部分沿着一定晶面其中一部分沿着一定晶面和这个晶面上的一定方向和这个晶面上的一定方向，相对另一部分产生的平相对另一部分产生的平移滑动移滑动。晶体发生了塑性变形。晶体发生了塑性变形。2.5.1 滑移滑移滑
36、移的结果：塑性滑移的结果：塑性变形，表面形成台变形，表面形成台阶。阶。外力作用下晶体滑移示意图（微观）外力作用下晶体滑移示意图（微观）62外力作用下晶体滑移示意图外力作用下晶体滑移示意图（a）滑移前；（）滑移前；（b）滑移后）滑移后 单晶试棒在拉伸应力作用下的变形单晶试棒在拉伸应力作用下的变形（a）变形前；（）变形前；（b）变形后）变形后 2.5.1 滑移滑移632.5.1 滑移滑移642.滑移的晶体学条件：滑移的晶体学条件：几何条件几何条件：滑移沿密排面和密排方向进行；滑移沿密排面和密排方向进行；静电条件静电条件：对于离子晶体和共价晶体，滑移过程中对于离子晶体和共价晶体，滑移过程中 不应遇到
37、同号离子的巨大斥力作用。不应遇到同号离子的巨大斥力作用。滑移面：滑移面：原子密排面，晶面指数小；原子密排面，晶面指数小；滑移方向：滑移方向：原子密排方向，晶向指数小；原子密排方向，晶向指数小；滑移系：滑移系：滑移面与滑移方向的组合。滑移面与滑移方向的组合。2.5.1 滑移滑移652.5.1 滑移滑移3.滑移的特点：滑移的特点：滑移过程中晶体的点阵结构不发生改变；滑移过程中晶体的点阵结构不发生改变；滑移的距离为该方向上原子间距的整数倍；滑移的距离为该方向上原子间距的整数倍；滑移面与滑移方向组成滑移系。滑移面与滑移方向组成滑移系。662.5.2 滑移机制滑移机制位错位错晶体中已滑移部分和未滑移部分
38、的分界线。晶体中已滑移部分和未滑移部分的分界线。位错宽度位错宽度分界线之间的过渡区域。分界线之间的过渡区域。位错宽度越窄：位错宽度越窄：界面能越小，但弹性畸变能很高；界面能越小，但弹性畸变能很高；位错宽度越宽位错宽度越宽：集中的弹性畸变分摊到较宽区域内的各：集中的弹性畸变分摊到较宽区域内的各个原子面上，每个原子偏离平衡位置较小，单位体积内个原子面上，每个原子偏离平衡位置较小，单位体积内的弹性畸变能减小。即的弹性畸变能减小。即位错宽度越大，位错就越易位错宽度越大，位错就越易运动运动。672.5.2 滑移机制滑移机制位错宽度越宽位错宽度越宽位错运动所需克服的能量势垒小。位错运动所需克服的能量势垒小
39、。位错宽度越窄位错宽度越窄位错运动所需克服的能量势垒大。位错运动所需克服的能量势垒大。派派纳力纳力在理想晶体中，位错点阵周期场中运动时所在理想晶体中，位错点阵周期场中运动时所需克服的阻力。需克服的阻力。定性分析派定性分析派纳力：纳力：位错宽度越小，派位错宽度越小，派纳力越大，材料就难以变形，相应纳力越大，材料就难以变形，相应屈服强度就高；屈服强度就高；位错宽度主要决定于结合键的本性和晶体的结构。位错宽度主要决定于结合键的本性和晶体的结构。682.5.2 滑移机制滑移机制共价键：共价键：方向性很强，其键角和键长都很难改变，位错方向性很强，其键角和键长都很难改变，位错宽度很窄，宽度很窄，Wb，即宏
40、观表现是屈服强度很高但很脆；，即宏观表现是屈服强度很高但很脆；金属键：金属键：没有方向性，位错有较大的宽度，对立方面心没有方向性，位错有较大的宽度，对立方面心金属如金属如Cu，其，其W6b，其派，其派-纳力是很低的。纳力是很低的。派派-纳力的计算公式第一次定量给出了金属晶体中由于纳力的计算公式第一次定量给出了金属晶体中由于位错的存在，位错的存在，实际的屈服强度（实际的屈服强度（10-4G）可远低于理论的屈）可远低于理论的屈服强度（服强度（1/30G）。）。69m=104105 MPa实际实际金属单晶：金属单晶：切变强度值间的巨大切变强度值间的巨大差异，使人们认识到差异，使人们认识到:一般金属一
41、般金属理论理论切变强度：切变强度：110 MPa晶体的滑移也并非刚性同步晶体的滑移也并非刚性同步实际晶体结构并非理想完整实际晶体结构并非理想完整2.5.2 滑移机制滑移机制702.5.2 滑移机制滑移机制为什么实验观察到金属中的滑移面和滑移方向都是源自为什么实验观察到金属中的滑移面和滑移方向都是源自排列最紧密的面和方向？排列最紧密的面和方向？原因：原因：位错在不同的晶面和晶向上运动，其位错位错在不同的晶面和晶向上运动，其位错宽度是不同的，只有当宽度是不同的，只有当b最小，最小，a最大时，位错宽度最大，最大时，位错宽度最大，即派即派-纳力最小。位错只有沿着原子排列紧密的面及原纳力最小。位错只有沿
42、着原子排列紧密的面及原子密排方向上运动，派子密排方向上运动，派-纳力才最小。纳力才最小。712.5.3 滑移系滑移系1.定义定义 滑移面和滑移方向的组合，称为滑移面和滑移方向的组合，称为滑移系滑移系。滑移面和滑移方向滑移面和滑移方向为金属晶体中原子面密度最大的晶为金属晶体中原子面密度最大的晶面（密排面）和其上线密度最大的晶相（密排方向）。面（密排面）和其上线密度最大的晶相（密排方向）。原因：原因：密排面与密排面之间的密排面与密排面之间的间距最大，结合力最弱间距最大，结合力最弱，滑移容易进行。滑移容易进行。密排方向，相邻原子的间距较小密排方向，相邻原子的间距较小，容易恢，容易恢复晶体结构。因此，
43、滑移往往沿晶体的密排面和该面上的复晶体结构。因此，滑移往往沿晶体的密排面和该面上的密排方向进行。密排方向进行。722.5.3 滑移系滑移系注意：注意：晶体中的滑移系越多，越容易发生滑移，越容易发生塑晶体中的滑移系越多，越容易发生滑移，越容易发生塑性变形；性变形；金属晶体金属晶体滑移系较多滑移系较多，滑移时可能选择的空间取向，滑移时可能选择的空间取向越多，发生滑移的可能性越大，塑性越好。越多，发生滑移的可能性越大，塑性越好。陶瓷晶体陶瓷晶体滑移系少滑移系少，晶体结构复杂，点阵常数大，晶体结构复杂，点阵常数大，滑移距离大，故其塑性小（几何条件）；键合为共价键滑移距离大，故其塑性小（几何条件）；键合
44、为共价键/离子键（具有方向性离子键（具有方向性/饱和性）（静电条件）。饱和性）（静电条件）。732.5.3 滑移系滑移系 金属晶体的结构对称性好，陶瓷的结构对称性差，金属晶体的结构对称性好，陶瓷的结构对称性差，对对称性好的晶体容易滑移。称性好的晶体容易滑移。实例：实例：体心立方金属体心立方金属有有62=12个滑移系；个滑移系；面心立方金属面心立方金属有有43=12个滑移系（个滑移系（Al）；）；密排六方金属密排六方金属有有13=3个滑移系；个滑移系；MgO在低温下有在低温下有2个滑移系，高温下有个滑移系，高温下有5个滑移系，个滑移系，是陶瓷中塑性变形较好的；是陶瓷中塑性变形较好的；Al2O3陶
45、瓷只有陶瓷只有2个滑移系，故其滑移比较困难，个滑移系，故其滑移比较困难，难以发生塑性变形。难以发生塑性变形。742.5.4 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力 当单晶受到拉伸，外力在某个滑移面的滑移方向上的当单晶受到拉伸，外力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力达到某一临界值时，这一滑移系才开始变形，当分切应力达到某一临界值时，这一滑移系才开始变形，当有许多滑移系时，就看外力在哪个滑移系上的有许多滑移系时，就看外力在哪个滑移系上的分切应力最分切应力最大大，分切应力最大的滑移系一般首先开始动作分切应力最大的滑移系一般首先开始动作。当晶体受外力时，不论外力的方向、大小与作用方式当晶体受外力时，不论
46、外力的方向、大小与作用方式如何，在晶体内部均可分解为如何，在晶体内部均可分解为垂直某一晶面的正应力垂直某一晶面的正应力与与沿沿此晶面的切应力此晶面的切应力。752.5.4 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力coscosFAcoscoscs：为临界分切应力：为临界分切应力 coscos：位向因子：位向因子施密特定律：施密特定律：c在单晶体某滑移系上的分切应力在单晶体某滑移系上的分切应力762.5.4 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力当在滑移面的滑移方向上，分切当在滑移面的滑移方向上，分切应力达到某一临界值应力达到某一临界值c时，晶体就时，晶体就开始屈服，开始屈服，=s。临界分切应力临界分切
47、应力c为一常数，对某为一常数，对某种金属是一定值，其数值取决于种金属是一定值，其数值取决于金金属的本性、纯度、试验温度属的本性、纯度、试验温度与与加载加载速度速度，而与加载方向、方式及数值，而与加载方向、方式及数值无关。无关。cos cos 值大值大软取向软取向，材，材料的屈服强度较低；料的屈服强度较低；coscoscs77cos cos 值小值小硬取向硬取向，材，材料的屈服强度较高。料的屈服强度较高。当滑移面垂直于拉力轴或平行当滑移面垂直于拉力轴或平行于拉力轴时，在滑移面上的分切于拉力轴时，在滑移面上的分切应力为零，因此，不能滑移。应力为零，因此，不能滑移。当当和和都等于或接近都等于或接近4
48、5时，时，金属的金属的s最低，在外力作用下最最低，在外力作用下最易产生塑性变形并可表现出最大易产生塑性变形并可表现出最大的塑性。的塑性。2.5.4 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力coscoscs78（1 1）定义：）定义：孪晶：孪晶：以共格晶面（晶面）相连接，呈镜面对称的一对晶体以共格晶面（晶面）相连接，呈镜面对称的一对晶体的合称。的合称。孪生：孪生：在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定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（孪生面）和晶向（孪生向）发生切变变形，以产生孪晶的晶面（孪生面）和晶向（孪生向）发生切变变形，以产生孪晶的变形过程。变形过程。（2 2）与位错
49、滑移的异同点）与位错滑移的异同点 相同点相同点 ：）都不改变晶体结构；）都不改变晶体结构；）都是位错运动）都是位错运动。孪生过程实际就是孪生过程实际就是“部分位错部分位错”的运动，不同的柏氏矢量的的运动，不同的柏氏矢量的位错相继扫过孪生面。位错相继扫过孪生面。2.5.5 孪生孪生79不同点不同点：）滑移不改变晶体结构和取向；）滑移不改变晶体结构和取向；孪生不改变晶体结构，改变了晶体取向。孪生不改变晶体结构，改变了晶体取向。）滑移切变量是）滑移切变量是b 的整数倍；的整数倍；孪生切变量是孪生切变量是b 的一个分数。的一个分数。）孪生切应力大；）孪生切应力大；）孪生的晶体学条件更严格。）孪生的晶体
50、学条件更严格。2.5.5 孪生孪生80二者的关系：二者的关系：变形首先由滑移完成，到一定程度滑移困难时，产生变形首先由滑移完成，到一定程度滑移困难时，产生孪生。由于孪生。由于取向改变取向改变后，切应力又容易使位错进行，滑移后，切应力又容易使位错进行，滑移开始。在整个塑性变形过程中，二者是开始。在整个塑性变形过程中，二者是相互协同完成相互协同完成的。的。对于对于对称性差的晶体对称性差的晶体，可能首先产生，可能首先产生孪生孪生，然后再进行，然后再进行滑移滑移，但以孪生为主。，但以孪生为主。孪生发生切变变形占变形总量的孪生发生切变变形占变形总量的10%。2.5.5 孪生孪生812.6 金属多晶体的塑
