固体材料的变形与断裂
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第六章 固体材料的变形与断裂
本章主要研究塑性变形与断裂。 为何研究塑变？
1.材料强度与塑性是两个重要力学性能指标。 强度：材料抵抗外力而不产生塑性变形及断裂的能力。 塑性：材料产生永久变形的能力。
2.某些材料成型需要压力加工—— 塑性变形 3.塑性变形导致材料组织、性能变化、导致加工硬化。 4.了解塑性变形微观结构机制，可以为强化材料提供依据。
因为晶体内部存在位错源，塑变时产生新位错（F-R源）
（2）滑移是位错运动，本应位错密度ρ 越高，塑变越容易，强度应该越低，但塑性变形后会使强度升高，产生加 工硬化。 因为：ρ 升高，形成密集位错网，滑移时位错缠结，交割和塞积，结果阻碍位错运动 ，使强度提高。
第六章 固体材料的变形与断裂
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
4.滑移时晶体的转动
在滑移的同时，晶体中滑移面和滑移方向会向外力方向转 动。 以密排六方晶体为例：（见图静态）（动画图） 分解的正应力构成一个力偶，使滑移面向平行于外力方向 转动。
结果： 软位向会转向硬位向 硬位向会转向软位向
几何硬化 几何软化
Φ:外力F与滑移面法线夹角 λ:外力F与滑移方向夹角 则:外力在滑移方向的分切应力
τ=F/A/cosΦ*cosλ=F/A*cosΦ*cosλ=σ*பைடு நூலகம்osΦ*cosλ
当σ=F/A=σs 时,τ 达到τc(临界分切应力),则晶体滑移. 所以 τc=σs*cosΦ*cosλ 即 σs=τc/cosΦ*cosλ 材料一定,τc为常数,所以σs的大小取决于cosΦ*cosλ(取向因子)
滑移是位错运动，多滑移时，造成位错交割、缠结，使加工 硬化效果增强。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
5.多滑移与交滑移
（2）交滑移 交滑移:两个或多个滑移面同时沿一个滑移方向滑移（滑移线呈波纹状）
刃位错：b⊥t→构成滑移面→不能交滑移 螺位错：b∥t 任何包含位错线的密排面都可为滑移面，多个滑移面可沿同一个方向滑移。 （见书图6-13）
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
3.滑移的临界分切应力
当λ=Φ=45o 时，cosΦ*cosλ(取向因子)=1/2 最大值， 而σs最小 λ=Φ=45o ---软位向，易滑移。
当λ=90o Φ=0o 或Φ=90o λ=0o时（硬位向），
σs趋于无穷大
当外力与滑移面垂直或平行时， 此滑移面不能滑移。----单晶体各向异性。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
5.多滑移与交滑移
（1）多滑移： 单滑移：一组滑移系参与滑移。 多滑移：两组或两组以上滑移系同时进行滑移（滑移线呈交叉状）
可能滑移开始时,多个滑移系处于软位向。
可能滑移时晶体转动，使几个滑移系转至软位向。
以面心立方单晶体为例： 若外力轴为（001）方向： 与{111}四个晶面法线的夹角相同： φ= 54。70 与每个滑移面的两个滑移方向夹角相同 λ=450 可同时有4*2=8个滑移系同时开动。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
6.单晶体的应力-应变曲线
7.滑移的位错解释 滑移是位错在滑移面上沿滑移方向运动的结果。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
7.滑移的位错解释 滑移是位错在滑移面上沿滑移方向运动的结果。
需要明确两个问题（可能会误解的问题） （1）位错滑移至表面消失，本应塑性变形后位错密度降低，但实际塑性变形使位错密度显著升高。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
2.滑移系
滑移系：一个滑移面与该面上的一个滑移方向构成一个滑移系。 金属的滑移系越多，其塑性越好，δ↑φ↑ ∵参与滑移的晶面、晶向多
讨论三种常见晶格的滑移面、滑移方向、滑移系。
（1）体心立方晶格（bcc） 滑移面：{110} 共六个 滑移方向：<111> 每个面上有2个 滑移系：6*2=12个
②滑移线即为滑移面，晶体中某些特定晶面。 ③塑性变形不均匀
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
2.滑移系 根据派-纳力：晶格滑移最小阻力
滑移沿晶体的密排晶面和密排晶向上进行。 ∵ 密排晶面面间距最大（a↑)，面之间结合力弱。 密排晶向原子间距最小（b↓）
滑移面→密排面。 滑移方向→密排晶向。
fcc、bcc金属塑性好，hcp金属塑性差。 金属的塑性变形能力：fcc>bcc>hcp
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
3.滑移的临界分切应力 切应力，使晶体滑移 当切应力达到某一临界值τc时，晶体滑移， 塑性变形开始，即σ→σs τc:使滑移系开始开动的最小分切应力。 例：设有一圆棒单晶体，横截面为A0，受拉力F
6.2单晶体的塑性变形
6.2.1滑移
1.滑移现象
（1）概念：在切应力下，晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生相对滑动。—— 是位错运动的结果。
（2）滑移带： 抛光晶体，塑性变形后，表面可见滑移带
1个滑移带由数条滑移线组成，滑移线之间产生滑移台阶。 说明：
①滑移由位错运动结果，一个位错滑移到表面形成一个原子大小台阶，大量位错滑 移产生上千个原子台阶。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
2.滑移系
讨论三种常见晶格的滑移面、滑移方向、滑移系。
（2）面心立方晶格（fcc） 滑移面：{111} 共4个面 滑移方向：<110> 每个面上3个方向 滑移系：4*3=12
（3）密排六方晶格(hcp) 滑移面：{0001} 1个 滑移方向：<1120> 3个 滑移系：1*3=3个
第六章 固体材料的变形与断裂
6.1 金属材料的变形特性
6.1.1 应力——应变曲线 1.工程应力——应变曲线 2.真应力——真应变曲线
第六章 固体材料的变形与断裂
6.1 金属材料的变形特性
6.1.1 应力——应变曲线
3.弹性变形
4.塑性变形 当σ≥σs时，外力卸除，变形不能恢复。——永久变形。
第六章 固体材料的变形与断裂
本章主要研究塑性变形与断裂。 为何研究塑变？
1.材料强度与塑性是两个重要力学性能指标。 强度：材料抵抗外力而不产生塑性变形及断裂的能力。 塑性：材料产生永久变形的能力。
2.某些材料成型需要压力加工—— 塑性变形 3.塑性变形导致材料组织、性能变化、导致加工硬化。 4.了解塑性变形微观结构机制，可以为强化材料提供依据。
因为晶体内部存在位错源，塑变时产生新位错（F-R源）
（2）滑移是位错运动，本应位错密度ρ 越高，塑变越容易，强度应该越低，但塑性变形后会使强度升高，产生加 工硬化。 因为：ρ 升高，形成密集位错网，滑移时位错缠结，交割和塞积，结果阻碍位错运动 ，使强度提高。
第六章 固体材料的变形与断裂
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
4.滑移时晶体的转动
在滑移的同时，晶体中滑移面和滑移方向会向外力方向转 动。 以密排六方晶体为例：（见图静态）（动画图） 分解的正应力构成一个力偶，使滑移面向平行于外力方向 转动。
结果： 软位向会转向硬位向 硬位向会转向软位向
几何硬化 几何软化
Φ:外力F与滑移面法线夹角 λ:外力F与滑移方向夹角 则:外力在滑移方向的分切应力
τ=F/A/cosΦ*cosλ=F/A*cosΦ*cosλ=σ*பைடு நூலகம்osΦ*cosλ
当σ=F/A=σs 时,τ 达到τc(临界分切应力),则晶体滑移. 所以 τc=σs*cosΦ*cosλ 即 σs=τc/cosΦ*cosλ 材料一定,τc为常数,所以σs的大小取决于cosΦ*cosλ(取向因子)
滑移是位错运动，多滑移时，造成位错交割、缠结，使加工 硬化效果增强。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
5.多滑移与交滑移
（2）交滑移 交滑移:两个或多个滑移面同时沿一个滑移方向滑移（滑移线呈波纹状）
刃位错：b⊥t→构成滑移面→不能交滑移 螺位错：b∥t 任何包含位错线的密排面都可为滑移面，多个滑移面可沿同一个方向滑移。 （见书图6-13）
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
3.滑移的临界分切应力
当λ=Φ=45o 时，cosΦ*cosλ(取向因子)=1/2 最大值， 而σs最小 λ=Φ=45o ---软位向，易滑移。
当λ=90o Φ=0o 或Φ=90o λ=0o时（硬位向），
σs趋于无穷大
当外力与滑移面垂直或平行时， 此滑移面不能滑移。----单晶体各向异性。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
5.多滑移与交滑移
（1）多滑移： 单滑移：一组滑移系参与滑移。 多滑移：两组或两组以上滑移系同时进行滑移（滑移线呈交叉状）
可能滑移开始时,多个滑移系处于软位向。
可能滑移时晶体转动，使几个滑移系转至软位向。
以面心立方单晶体为例： 若外力轴为（001）方向： 与{111}四个晶面法线的夹角相同： φ= 54。70 与每个滑移面的两个滑移方向夹角相同 λ=450 可同时有4*2=8个滑移系同时开动。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
6.单晶体的应力-应变曲线
7.滑移的位错解释 滑移是位错在滑移面上沿滑移方向运动的结果。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
7.滑移的位错解释 滑移是位错在滑移面上沿滑移方向运动的结果。
需要明确两个问题（可能会误解的问题） （1）位错滑移至表面消失，本应塑性变形后位错密度降低，但实际塑性变形使位错密度显著升高。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
2.滑移系
滑移系：一个滑移面与该面上的一个滑移方向构成一个滑移系。 金属的滑移系越多，其塑性越好，δ↑φ↑ ∵参与滑移的晶面、晶向多
讨论三种常见晶格的滑移面、滑移方向、滑移系。
（1）体心立方晶格（bcc） 滑移面：{110} 共六个 滑移方向：<111> 每个面上有2个 滑移系：6*2=12个
②滑移线即为滑移面，晶体中某些特定晶面。 ③塑性变形不均匀
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
2.滑移系 根据派-纳力：晶格滑移最小阻力
滑移沿晶体的密排晶面和密排晶向上进行。 ∵ 密排晶面面间距最大（a↑)，面之间结合力弱。 密排晶向原子间距最小（b↓）
滑移面→密排面。 滑移方向→密排晶向。
fcc、bcc金属塑性好，hcp金属塑性差。 金属的塑性变形能力：fcc>bcc>hcp
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
3.滑移的临界分切应力 切应力，使晶体滑移 当切应力达到某一临界值τc时，晶体滑移， 塑性变形开始，即σ→σs τc:使滑移系开始开动的最小分切应力。 例：设有一圆棒单晶体，横截面为A0，受拉力F
6.2单晶体的塑性变形
6.2.1滑移
1.滑移现象
（1）概念：在切应力下，晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生相对滑动。—— 是位错运动的结果。
（2）滑移带： 抛光晶体，塑性变形后，表面可见滑移带
1个滑移带由数条滑移线组成，滑移线之间产生滑移台阶。 说明：
①滑移由位错运动结果，一个位错滑移到表面形成一个原子大小台阶，大量位错滑 移产生上千个原子台阶。
第六章 固体材料的变形与断裂
6.2单晶体的塑性变形 6.2.1滑移
2.滑移系
讨论三种常见晶格的滑移面、滑移方向、滑移系。
（2）面心立方晶格（fcc） 滑移面：{111} 共4个面 滑移方向：<110> 每个面上3个方向 滑移系：4*3=12
（3）密排六方晶格(hcp) 滑移面：{0001} 1个 滑移方向：<1120> 3个 滑移系：1*3=3个
第六章 固体材料的变形与断裂
6.1 金属材料的变形特性
6.1.1 应力——应变曲线 1.工程应力——应变曲线 2.真应力——真应变曲线
第六章 固体材料的变形与断裂
6.1 金属材料的变形特性
6.1.1 应力——应变曲线
3.弹性变形
4.塑性变形 当σ≥σs时，外力卸除，变形不能恢复。——永久变形。
第六章 固体材料的变形与断裂