第六章金属及合金的塑性变形与断裂
(整理)第6章金属及合金的塑性变形
第6章 金属及合金的塑性变形6-1 金属的变形特性金属在外力作用下的变形行为可用拉伸曲线来描述。
设拉力为P ，试样伸长量为dl ，则应力σ和应变ε分别为：A P σ=； ldl ε= 式中，A 为试样的截面积。
在拉伸过程中，A 和l 是变化的，在工程上，为了简化问题，A 常用A 0来代替，ε也用平均值表示ε=(l －l 0)/l 0，这样测得的σ-ε曲线称工程σ-ε曲线。
一、工程σ-ε曲线P161图1是低碳钢拉伸时的工程σ-ε曲线。
当应力低于σs 时，没有残留变形，大于σs 时，开始发生塑性变形。
所以，σs 是发生塑性变形的最小应力，称屈服强度。
屈服强度也是弹性极限σe （弹性变形的最大应力）。
在弹性变形阶段，当应力小于σp 时，σ-ε呈线性，服从虎克定律： εE σ=式中，E 是直线的斜率，称材料的弹性模量。
开始偏离直线的应力σp 称比例极限。
当应力超过σs 时，开始发生塑性变形。
随着塑性变形的增加，应力增大，这种现象称加工硬化。
当应力达到最大值σb 时，开始下降，直到断裂。
最大值σb 称材料的抗拉强度。
超过此值，试样发生局部颈缩，即发生了不均匀塑性变形。
所以，σb 是材料发生均匀塑性变形的最大应力。
注意，应力超过σb 后下降，并不是加工硬化失效。
在结构材料中，我们关心的力学指标是σs 和σb ，它们和硬度一起称做强度指标。
在实际应用中，σs 值是无法测量的，通常用发生0.2%塑性变形时对应的应力值来表示屈服强度，称条件屈服强度。
通常我们所说的材料的力学性能，除了上述强度指标外，还有两个塑性指标，延伸率、断面收缩率。
延伸率是指发生断裂时，试样的伸长率：%10000⨯-=l l l δσσ断面收缩率是指发生断裂时，试样截面积的变化率：%10000⨯-=A A A ψ 二、真应力-真应变曲线（T T εσ-曲线） 工程应力与真实应力之间的不同是容易发现的。
下面看看工程应变与真实应变的不同。
拉伸一个试样，使其伸长一倍，则工程应变1/)2(000=-=l l l ε；若是压缩，要获得同样数值的负应变，理应压缩到原长度的一半。
第六章金属的塑性变形和断裂分析
1、单相固溶体的塑性变形：
塑变方式基本上与纯金属多晶体的变形相同， 但：
1.1产生固溶强化：由于溶质原子存在使强度、 硬度增高，塑性、韧性下降的现象；
原因：
①发生晶格畸变；
②形成柯氏气团：溶质原子在位错线附近的偏聚， 如图6－26所示；柯氏气团对位错有钉扎作用， 使位错运动的阻力增大；
a)溶质原子大于溶剂原子的置换固溶体； b)溶质原子小于溶剂原子的置换固溶体； c)间隙固溶体；
④fcc晶体孪生变形的示意过程，如图6－21所示； ⑤孪生时可听到声音； ⑥孪生对总变形量贡献不大；
⑦孪生的特点： 使一部分晶体发生了均匀的切变； 引起了晶体取向的变化； 不会改变晶体的点阵类型； 所需的切应力比滑移大许多倍； 在光学显微镜下观察到的是条带状；
第三节 多晶体的塑性变形
孪晶：以孪晶面为对称面而处于镜面对称位置的 一对晶体叫做孪晶（双晶），如图6－20所示；
说明： ①孪生是晶体塑变的另一种方式；
②孪生经常发生在：不易产生滑移的金属中、 某些金属滑移困难时、变形速度大时；
③孪生面和孪生方向： 例如：fcc：孪生面｛111｝，孪生方向为
〈112〉； bcc: 孪生面｛112｝，孪生方向为〈111〉
σ S—e
S — e：真应力真应变曲线
σ—ε
颈
σ—ε：工程应力应变曲线
缩
ε
工程应力—应变曲线中“颈缩”现 象掩盖了 “加工硬化”
3、弹性变形： 定义：金属受力发生变形，当外力去除，立即 恢复原状的变形，叫做弹性变形； 实质：利用双原子作用力模型解释： 仅原子间距发生微小的弹性变化，无显微组织 的变化； 特点：①变形是可逆的；
2.1滑移带：
高锰钢中的滑移带，500X
清华大学 材料科学基础——作业习题第六章
第六章目录6.1 要点扫描 (1)6.1.1 金属的弹性变形 (1)6.1.2 单晶体的塑性变形 (2)6.1.3 多晶体的塑性变形与细晶强化 (8)6.1.4 纯金属的塑性变形与形变强化 (10)6.1.5 合金的塑性变形与固溶强化和第二相强化 (14)6.1.6 冷变形金属的纤维强化和变形织构 (16)6.1.7 冷变形金属的回复与再结晶 (17)6.1.8 热变形、蠕变和超塑性 (20)6.1.9 断裂 (22)6.2 难点释疑 (25)6.2.1 从原子间结合力的角度了解弹性变形。
(25)6.2.2 从分子链结构的角度分析粘弹性。
(25)6.2.3 FCC、BCC和HCP晶体中滑移线的区别。
(25)6.2.4 Schmid定律与取向规则的应用。
(26)6.2.5 孪生时原子的运动特点。
(27)6.2.6 Zn单晶任意的晶向[uvtw]方向在孪生后长度的变化情况 (29)6.3 解题示范 (30)3.4 习题训练 (33)参考答案 (38)第六章 金属与合金的形变6.1 要点扫描6.1.1 金属的弹性变形1. 弹性和粘弹性所谓弹性变形就是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。
从对材料的力学分析中可以知道，材料受力后要发生变形，外力较小时发生弹性变形，外力较大时产生塑性变形，外力过大就会使材料发生断裂。
对于非晶体，甚至某些多晶体，在较小的应力时，可能会出现粘弹性现象。
粘弹性变形即与时间有关，又具有可恢复的弹性变形，即具有弹性和粘性变形两方面的特性。
2. 应力状态金属的弹性变形服从虎克定律，应力与应变呈线性关系：γτεσG E == 其中： yx G E εενν-==+,)1(2 E 、G 分别为杨氏模量和剪切模量，v 为泊松比。
工程上，弹性模量是材料刚度的度量。
在外力相同的情况下，E 越大，材料的刚度越大，发生弹性形变的形变量就越小。
3. 弹性滞后由于应变落后于应力，使得εσ-曲线上的加载线和卸载线不重合而形成一个闭合回路，这种现象称为弹性滞后。
第六章 金属和合金的塑性变形
第六章 金属和合金的塑性变形和再结晶金属材料（包括纯金属和合金）在外力的作用下引起的形状和尺寸的改变称为变形。
去除外力，能够消失的变形，称弹性变形；永远残留的变形，称塑性变形。
工业生产上正是利用塑性变形对金属材料进行加工成型的，如锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等。
塑性变形不仅能改变工件的形状和尺寸，还会引起材料内部组织和结构的变化，从而使其性能发生变化。
以再结晶温度为界，金属材料的塑性变形大致可分为两类：冷塑性变形和热塑性变形，在生产上，通常称为冷加工和热加工。
经冷塑性变形的金属材料有储存能，自由能高，组织不稳定。
若升高温度，使原子获得足够的扩散能力，则变形组织会恢复到变形前的状态，这个恢复过程包括：回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
从金属材料的生产流程来看，一般是先进行热加工，然后才进行冷加工和再结晶退火。
但为了学习的方便，本章先讨论冷加工，再讨论再结晶和热加工。
§6.1 金属材料的变形特性一、 应力—应变曲线金属在外力作用下，一般可分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。
图6.1是低碳钢拉伸时的应力—应变曲线，这里的应力和应变可表示为：000,L L L L L A F ∆=-==εσ 公式中F 是拉力，00,L A 分别是试样的原始横截面积和原始长度。
从图中可以得到三个强度指标：弹性极限e σ，屈服强度s σ，抗拉强度b σ。
当拉应力小于弹性极限e σ时，金属只发生弹性变形，当拉应力大于弹性极限e σ，而小于屈服强度s σ时，金属除发生弹性变形外，还发生塑性变形，当拉应力大于抗拉强度b σ时，金属断裂。
理论上，弹性变形的终结就是塑性变形的开始，弹性极限和屈服强度应重合为一点，但由于它们不容易精确测定，所以在工程上规定：将残余应变量为0.005%时的应力值作为弹性极限，记为005.0σ，而将残余应变量为0.2%时的应力值作为条件屈服极限，记为2.0σ。
s σ和2.0σ都表示金属产生明显塑性变形时的应力。
第六章 金属学作业
第六章金属及合金的塑性变形与断裂(一)填空题1、硬位向是指，其含义是。
2、从刃型位错的结构模型分析，滑移的实质是。
3、由于位错的性质，所以金属才能产生滑移变形，而使其实际强度值大大的低于理论强度值。
4、加工硬化现象是指，加工硬化的结果使金属对塑性变形的抗力，造成加工硬化的根本原因是。
5、影响多晶体塑性变形的两个主要因素是、。
6、金属塑性变形的基本方式是和，冷变形后金属的强度，塑性。
7、常温下使用的金属材料以晶粒为好，而高温下使用的金属材料以晶粒为好。
8、面心立方结构的金属有个滑移系，它们是。
9、体心立方结构的金属有个滑移系，它们是。
10、密排六方结构的金属有个滑移系，它们是。
11、单晶体金属的塑性变形主要是在作用下发生的，常沿着晶体中和发生。
12、金属经冷塑性变形后,其组织和性能会发生变化,如、、等。
13、拉伸变形时，晶体转动的方向是由转到与。
14、晶体的理论屈服强度约为实际屈服强度的倍。
15、内应力是指，它分为、、三种。
(二)判断题1、在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑移系有12个。
（）2、滑移变形不会引起晶体位向的变化。
（）3、因为体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系数目，所以它们的塑性变形能力也相同。
（）4、在晶体中，原子排列最密集的晶面间的距离最小，所以滑移最困难。
（）5、孪生变形所需要的切应力要比滑移变形所需要的切应力小得多。
（）6、金属的加工硬化是指金属冷塑性变形后强度和塑性提高的现象。
（）7、单晶体主要变形的方式是滑移和孪生。
（）8、细晶粒金属的强度高，塑性也好。
（）9、反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂。
（）10、喷丸处理能显著提高材料的疲劳强度。
（）11、晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。
（）12、晶界处滑移的阻力最大。
( )13、滑移变形的同时伴随有晶体的转动，因此，随变形度的增加，不仅晶格位向要发生变化，而且晶格类型也要发生变化。
第六章 金属材料的塑性变形
15
5. 产生变形织构 金属晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒有各 向异性，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量(70%以上) 的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致， 形成了“择优取向”，即某一晶面在某个方向出现的几率明显 高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形 织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。
ys 0 kd
1/ 2
式中的d为晶粒的平均直径，k为比例常数。这是个经验公式， 但又表达了一个晶界影响的普遍规律。该公式常称为霍尔-佩 奇(Hall-Petch)关系。
8
另一方面，晶界数量的增加则材料的晶粒愈细，不仅强度愈高， 而且塑性与韧性也较高。因为晶粒愈细，单位体积中的晶粒数 便愈多，变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生， 晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，不 致造成局部的应力集中，而引起裂纹的过早产生和发展。因而 断裂前便可发生较大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷抗力。 所以在工业上通过各种方法(凝固、压力加工、热处理)使材 料获得细而均匀的晶粒，使目前提高材料力学性能的有效途径
之一。
9
三、塑性变形过程
局部不均匀性： 在多晶体金属中，由于每个晶 粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的 分布便不同，故在在同一外力作用下，每个晶 粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力 便不同。取向因子较大(接近1/2)，分切应力较 大的必将首先发生滑移变形，通常称这种位向 的晶粒为处于“软位向”；而滑移面或滑移方 向处于或接近于与外力相平行或垂直，即取向 因子较小(接近0)的晶粒则处于“硬位向”，它 们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。由 此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所取的位 向不同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐 批发生，是个不均匀的塑性变形过程。
第六章 金属及合金的塑性变形与断裂
b)
固溶强化的规律：
a) b)
合金元素的质量份数越大，强化作用越大。
溶质与溶剂原子的尺寸相差越大，强化作用越 大。
间隙固溶体的溶质原子的强化作用大于置换固 溶体。 溶质与溶剂原子的价电子数相差越大，强化作 用越大。
c)
d)
二、多相合金的塑性变形
a)
两相的性能相近 按强度分数相加计算 软基体+硬的第二相
1.
塑性变形对其他性能的影响
比电阻增加，导电性能和电阻温度系数下降， 热导率也略为下降。 磁导率、磁饱和度下降，磁滞和矫顽力增加。 内能增加，化学活性提高，腐蚀速度增快。
2. 3.
4.
晶体缺陷增加，扩散激活能减小，扩散速度增 加。
残余应力
材料的内应力指当产生应力的各种因素（如外力， 温度、加工处理过程等）不复存在时，由于不均 匀的塑性变形或相变而使材料内部依然存在的并 自身保持平衡的残余应力。 第一类内应力（宏观内应力）是在物体较大范围 内或许多晶粒范围内存在并保持平衡的应力。 第二类内应力(微观内应力）是在一个或少数晶粒 范围内存在并保持平衡的内应力。第三类内应力 （点阵畸变）是在若干原子范围存在并保持平衡 的内应力。
§6-2 单晶体的、滑移 （一）滑移带
什么是滑移？
晶体的一部分对于另一部分沿某些晶面和晶 向发生滑动。
什么是滑移线？
当滑移的晶面移出晶体表面时，在滑移晶面 与晶体表面的相交处，即形成了滑移台阶，一个 滑移台阶就是一条滑移线。台阶的高度，标志着 滑移量的大小。
（二）滑移系
A0、Af分别为试样断裂前后的横截面积。
（a）
（b）
（c）
第六章材料科学基础
§6.1.1 普弹性
图 弹性变形与塑性变形
普弹性：应力与应变间符合线性关系，即满足虎克定律；
加上或去除应力时应变都能瞬时达到平衡
弹性的实质是原子作用势 的不对称性。
可以用双原子模型来解释。
图 双原子模型
弹性变形的主要特点是： (1)可逆性 去掉外力，变
s k s cos cos
τk称为临界分切应力，与金属 的晶体结构、纯度、加工状 态、试验温度与加载速度有 关，而与外力的大小、方向 及作用方式无关。
图 镁单晶屈服应力与晶体取向的关系
k取决于金属的本性，不受，的影响； 或＝90时，s ；
k＝scoscos s的取值 ，＝45时，s最小，晶体易滑移；
形就消失。 (2)线性 应力和应变间满
足直线关系。 (3)弹性变形量小 一般说
来，金属材料和陶瓷材料 的弹性变形很小，高聚物 材料的弹性变形可以比较 大。
E G
G E
2(1 )
弹性模量是材料结合强度的标志之一。主要的影响因素有： （1）结构 弹性模量与原子序数呈周期性变化趋势。 （2）温度的影响 T升高，热振动加剧，晶格势能发生变
螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。
9. 滑移的表面痕迹 单滑移：
单一方向的滑移带； 多滑移：
相互交叉的滑移带； 交滑移：
波纹状的滑移带。
滑移的位错机制
① 位错的运动是晶体的滑移 滑移是位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动形成的。
② 位错的增殖——弗兰克－瑞德位错源 ③ 位错的交割与塞积
图 工业纯铜中的滑移线
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相 对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面） 和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不 破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
金属学及热处理课后习题答案解析第六章
⾦属学及热处理课后习题答案解析第六章第六章⾦属及合⾦的塑性变形和断裂2）求出屈服载荷下的取向因⼦，作出取向因⼦和屈服应⼒的关系曲线，说明取向因⼦对屈服应⼒的影响。
答：1）需临界临界分切应⼒的计算公式：τk=σs cosφcosλ，σs为屈服强度=屈服载荷/截⾯积需要注意的是：在拉伸试验时，滑移⾯受⼤⼩相等，⽅向相反的⼀对轴向⼒的作⽤。
当载荷与法线夹⾓φ为钝⾓时，则按φ的补⾓做余弦计算。
2）c osφcosλ称作取向因⼦，由表中σs和cosφcosλ的数值可以看出，随着取向因⼦的增⼤，屈服应⼒逐渐减⼩。
cosφcosλ的最⼤值是φ、λ均为45度时，数值为0.5，此时σs为最⼩值，⾦属最易发⽣滑移，这种取向称为软取向。
当外⼒与滑移⾯平⾏（φ=90°）或垂直（λ=90°）时，cosφcosλ为0，则⽆论τk数值如何，σs均为⽆穷⼤，表⽰晶体在此情况下根本⽆法滑移，这种取向称为硬取向。
6-2 画出铜晶体的⼀个晶胞，在晶胞上指出：1）发⽣滑移的⼀个滑移⾯2）在这⼀晶⾯上发⽣滑移的⼀个⽅向3）滑移⾯上的原⼦密度与{001}等其他晶⾯相⽐有何差别4）沿滑移⽅向的原⼦间距与其他⽅向有何差别。
答：解答此题⾸先要知道铜在室温时的晶体结构是⾯⼼⽴⽅。
1）发⽣滑移的滑移⾯通常是晶体的密排⾯，也就是原⼦密度最⼤的晶⾯。
在⾯⼼⽴⽅晶格中的密排⾯是{111}晶⾯。
2）发⽣滑移的滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度最⼤的晶向，在{111}晶⾯中的密排⽅向<110>晶向。
3）{111}晶⾯的原⼦密度为原⼦密度最⼤的晶⾯，其值为2.3/a2，{001}晶⾯的原⼦密度为1.5/a24）滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度⾼于其他晶向，原⼦排列紧密，原⼦间距⼩于其他晶向，其值为1.414/a。
6-3 假定有⼀铜单晶体，其表⾯恰好平⾏于晶体的（001）晶⾯，若在[001]晶向施加应⼒，使该晶体在所有可能的滑移⾯上滑移，并在上述晶⾯上产⽣相应的滑移线，试预计在表⾯上可能看到的滑移线形貌。
金属及合金的塑性变形与断裂PPT课件
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02
延性断裂的断口呈纤维状，色泽灰暗，表面 有明显的塑性变形。
04Biblioteka 脆性断裂：材料在断裂前几乎没有塑性变 形，断裂突然发生。
脆性断裂的断口呈结晶状，色泽光亮，没 有明显的塑性变形。
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脆性断裂多发生在脆性材料中，如玻璃、 陶瓷等。
疲劳断裂与环境断裂
疲劳断裂：材料在循环载荷作用下发 生的断裂现象。
THANKS.
塑性变形机制
滑移
金属晶体在切应力作用下，晶体的一 部分相对于另一部分沿一定的晶面和 一定的晶向相对移动的现象。
孪生
金属晶体在切应力作用下，沿一定的 晶面和一定的晶向发生切变的现象。
晶界滑移
在多晶体金属中，晶界在切应力作用 下发生相对移动的现象。
晶界滑移与位错交互作用
晶界滑移与位错运动之间的相互作用， 影响金属的塑性变形行为。
金属及合金的塑性变形与断裂 涉及到材料科学、物理学、力 学等多个学科领域，开展跨学 科研究有助于深入理解其内在 机制，推动相关领域的发展。
通过实验与计算模拟相结合的 方法，可以更全面地揭示金属 及合金的塑性变形与断裂行为 ，为实际应用提供更准确的指 导。
将智能化与自动化技术应用于 金属及合金的塑性变形与断裂 研究中，可以提高研究效率， 降低实验成本，为实际生产提 供有力支持。
屈服准则
描述材料开始进入塑性变形的应力条件 。例如，Tresca和Von Mises屈服准则。
VS
应力-应变关系
描述金属或合金在塑性变形过程中应力与 应变之间的关系，通常呈现非线性特征。
加工硬化与软化现象
加工硬化
随着塑性变形的增加，金属或合金的强度和 硬度提高，但延展性和韧性下降的现象。
材料科学基础复习提纲(下)
材料科学基础(下)复习提纲第六章 金属与合金的塑性变形与断裂1、常温和低温下金属塑性变形的两种主要方式为（ ）和 （ ）。
2、体心、面心、密排六方晶格金属的主要滑移系，详见表6-2。
解释体心立方的金属的塑性为什么比面心立方金属差？3、了解施密特定律，并会做相应的计算（见第六章作业）4、晶体的滑移的实质（是位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果）。
了解位错的交割和塞积对金属的力学性能的影响。
5、掌握塑性变形对金属组织和性能的影响。
第七章 金属及合金的回复与再结晶1、了解回复过程的组织结构和性能的变化？2、了解再结晶过程的组织结构和性能的变化？3、从金属学角度，金属的热加工和冷加工是如何划分的？ 第八章 扩散1、固态下原子扩散的机制主要有哪两种？扩散的本质原因是什么？2、掌握扩散第二定律的误差函数解，并会做相应计算。
（见作业题型）3、了解影响扩散的因素。
第九章 钢的热处理原理 1、钢的奥氏体化过程？ 2、钢在冷却过程中的转变。
高温转变⎪⎩⎪⎨⎧︒︒︒，托氏体，索氏体，珠光体C C C A 550~600600~650650~1 解释珠光体、索氏体和托氏体的力学性能与片间距的关系。
（详见P246）中温转变⎩⎨⎧︒，下贝氏体，上贝氏体S M C ~350350~600 了解下贝氏体的力学性能及生产方式（详见P261）低温转变 {下，马氏体转变、，快冷至f S C M M V V ≥（1） 什么是马氏体？马氏体的晶体结构、组织形态、性能特点？ （2） 马氏体转变的特点？3、淬火钢的回火转变过程？（一）~（五）P268~272，淬火钢回火时力学性能的变化？4、了解第一类和第二类回火脆性及解决办法？ 第十章 钢的热处理工艺1、了解退火和正火的目的？各种退火工艺的目的和适用对象。
正火工艺适用的四个主要方面。
2、淬火的加热温度的选择？原因？淬火常用的介质有哪几种？淬火常用方法？3、什么是淬透性、淬硬性？它们的差别？（详见P289）4、低温、中温、高温回火各获得什么组织？其性能有何特征？5、了解感应加热表面淬火的工作原理？淬硬层深度与电流频率的关系？5、渗碳的适用材料、主要方法、渗碳温度及渗碳介质？渗氮的适用材料、主要方法、渗氮温度及渗氮介质？第十一章 工业用钢1、 合金元素在钢里的存在方式？合金元素对铁-渗碳体相图的影响？合金元素对钢热处理过程的影响？2、 什么时回火稳定性和二次硬化？3、 造成金属腐蚀的原因？耐磨钢耐磨的原因？耐热钢的抗氧化型和热强性？ 第十二章 铸铁1、 铸铁石墨化过程？铸铁的组织？影响铸铁石墨化的因素？ 第十三章 有色金属及其合金1、 铝合金的分类及铝合金的强化方法？（重点掌握铝合金的沉淀强化P384）2、 铜合金的分类？黄铜的力学性能与含锌量的关系？锡青铜的力学性能与含锡量的关系。
第六章 金属材料性能与塑性变形
？？？
减震
恒力碟簧支吊架
第二节 弹性变形
1.2.5 滞弹性
（1）突然加载OA，产生瞬时应 变Oa ,而后产生附加应变Ah （2）快速卸载Be，产生瞬时应 变He 而后产生附加应变eO
滞弹性
在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附 加弹性应变的现象。
产生原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。 在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑滞弹性问题。
P 载 荷 (N)
b
e p Pp s
(MPa) k
Pk
0
lk b （低碳钢的拉伸力-伸长曲线）
l
lu
l伸长 0 (mm)
p
b
k
u
（低碳钢的应力-应变曲线）
k
(%)
低碳钢的应力-应变曲线 (M Pa) b k
a
a′
0a段 aa ′段 a ′b段
弹性变形 阶段 塑性变形 阶段
但是，通常拉开n分之一个原子间距就发生了塑性变形——塑性变 形机理取代弹性变形
第二节 弹性变形
1.2.2 胡克定律
(一) 简单应力状态的胡克定律 1．单向拉伸
y
y
2．剪切和扭转
x z y
E
y
E
（1-1）
G
E G 3．E、G的关系 2(1 )
断口特征
第一节 应力－应变曲线
1.1.1 脆性材料的拉伸性能
在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形 强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁
材料完全脆性的－ 曲线
弹性变形阶段 应力-应变成正比
E G
第六章金属塑性成形工艺理论基础
3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好， 一般不需机械加工即可作零件使用。 4）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机 械化和自动化。
5）可以冲压形状复杂的零件，废料少。
6）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用 高，只适用于大批量生产。
坯料在锻造过程中，除与上下抵铁或其它辅 助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形 不受限制，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保 证，所用设备与工具通用性强。
自由锻主要用于单件、小批生产，也是生产 大型锻件的唯一方法。
1) 自由锻设备
空气锤 它由电动机直接驱动，打击速度快，锤击能量小，适
用于小型锻件；65~750Kg
挤压成形是使坯料在外力作用下，使模具内的金属坯 料产生定向塑性变形，并通过模具上的孔型，而获得 具有一定形状和尺寸的零件的加工方法。
图6-3 挤压
挤压的优点：
1）可提高成形零件的尺寸精度，并减小表面粗糙 度。 2）具有较高的生产率，并可提高材料的利用率。 3）提高零件的力学性能。 4）挤压可生产形状复杂的管材、型材及零件。
3）精整工序：修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不 平和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形、平 整端面、校直弯曲。
3）自由锻的特点
优点：
1）自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具；
2）可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法
3）由于自由锻的每次锻击坯料只产生局部变形，变形金属 的流动阻力也小，故同重量的锻件，自由锻比模锻所需的 设备吨位小。
实例：
当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与 杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力 顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱(如图示 )。
金属及合金的塑性变形与断裂
晶粒。
工业纯铁在塑性变形前后的组织变化
(a) 正火态
(b) 变形40%
(c) 变形80%
5%冷变形纯铝中的位错网
塑性变形对金属组织的影响
晶粒拉长，纤维组织 → 各向异性 (沿纤维方向的强度、塑性最大）
变形10% 100×
变形80% 纤维组织
100×
变形40% 100×
工业纯铁 不同变形度 的显微组织
2.位错的增殖
位错增值模型.swf 螺位错双交滑移增殖模型.swf
3.位错的交割与塞积
位错在障碍物前的塞积
位错：AB 、CD （固定不动）
mn⊥b2
位错
当两条位错线交割时，每条位错线上都可能出 现长度相当于另一条位错线b的割阶,这就增加
了位错长度，是位错能量升高，是变形所需的
总能量升高； 另外，当割阶垂直于滑移面时， 此割阶有阻止位错运动的作用，会使晶体进一 步滑移的抗力增加，这是加工硬化的主要原因。
量和分布有关。第二相
可以是纯金属、固溶体
或化合物，工业合金中
第二相多数是化合物。
+钛合金(固溶体第二相)
当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细， 分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性 略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。 弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而 阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。
固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错 的运动。即溶质原子与位错弹性交互作用的结果，如下图所示，使 溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小畸变，使系统更加稳定， 此即称为柯氏(cotrell)气团。显然，柯氏气团对位错有“钉扎”作用。 为了使位错挣脱气团而运动，必须施加更大的外力。因此，固溶体 合金的塑性变形抗力要高于纯金属。
第6章--金属及合金的塑性变形与断裂
工程意义：所以在工业上通过各种方法(凝固、 压力加工、热处理)使材料获得细而均匀的晶 粒，使目前提高材料力学性能的有效途径之 一。
§6.4合金的塑性变形
一、单相固溶体的塑性变形
二、多相合金的塑性变形
一、单相固溶体的塑性变形
单相固溶体合金中存在溶质原子。 溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在固 溶强化作用，提高了塑性变形的阻力。溶质原 子的存在及其固溶度的增加，使基体金属的变 形抗力随之提高。
三、金属的弹性变形 σ=E 弹性模量越大,弹性变形越不容易!! 弹性 模量是决定材料刚度的材料性能. 弹性模量的大小主要取决于原子间的结 合力，而与材料内部组织结构无关，即属 于结构不敏感的性能
§6.2单晶体的塑性变形
晶体只有在切应力作用下才发生塑性变形。
塑性变形方式:滑移或孪生 一、滑移 二、孪生
一、工程应力-应变曲线
二、真应力-应变曲线
三、金属的弹性变形
一、工程应力-应变曲线
从此曲线上，可以看出低碳钢的变形过程有如下 特点： 当应力低于σe 时，应力与试样的应变成正比， 应力去除，变形消失，即试样处于弹性变形阶段， σe 为材料的弹性极限，它表示材料保持完全弹性 变形的最大应力。
当应力超过σe 后，应力与应变之间的直线关系 被破坏，并出现屈服平台或屈服齿。如果卸载， 试样的变形只能部分恢复，而保留一部分残余 变形，即塑性变形，这说明钢的变形进入弹塑 性变形阶段。σs称为材料的屈服强度或屈服点， 对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2% 残余变形的应力值为其屈服极限。
晶体受力时，所有的滑移系都动吗??
3、滑移的临界分切应力 取决于力在滑移面内沿 滑移方向的切应力大小！
A为晶体横截面积，为滑移面与横截 面夹角，为外力F与滑移方向的夹角。 于是，外力在该滑移面沿滑移方向的分 切应力可写成：
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45 cos cos =0. 5 软取向 90或 90 cos cos =0 硬取向
软取向 ζs 具有最小值， 金属最容易开始滑移. 硬取向 ζs
无穷大，
金属无法滑移.
k ：条件断裂强度 材料对塑性变形的极限抗力
塑性断裂:产生一定量塑性变形后的断裂 材料的塑性：材料在断裂前的塑性变形量 塑性指标：延伸率δ和断面收缩率ψ 材料的韧性：材料对断裂的抵抗能力 ; 可以由应力-应变曲线下面的面积进行度量
? k
F A0
<
b
假象 A瞬时截面积； 在变形过程中截面积不断变化
应力集中
n 0
0
n
：位错数
：滑移方向上 的分切应力
23
晶粒尺寸
应力集中
§6-2 单晶体的塑性变形
二、孪生
：滑移；孪生
孪生是冷塑性变形的另一种重要形式，常作为滑移不易 进行时的补充。
一些密排六方的金属如Zn，Mg等常发生孪生变形。
体心立方及面心立方结构的金属在形变温度很
低．形变速率极快时，也会通过孪生方式进行塑变。
位错移动一个原子间距时，位错中心附近的少数 原子只作远小于 一个原子间距的弹性偏移，需 要很小的切应力就可实现。
19
§6-2 单晶体的塑性变形
多 脚 虫
的 爬 行
20
§6-2 单晶体的塑性变形
滑移线的实质：
一条位错线移动到晶体表面时，会在留下一个原子间距的滑移台阶，其大小等 于柏氏矢量长度。大量的位错线移动到晶体表面后，形成显微镜能够观察到的 滑移痕迹，即为滑移线。
滑移线
塑性变形后在晶体表面产生的一个个小台阶9
§6-2 单晶体的塑性变形
滑移的表象学 光镜下：滑移带 电境下：滑移线
滑移的特点 ：
⑴ 滑移只能在切应力的作用下发生。 临界切应力：产生滑移的最小切应力
滑移线和滑移带的示意图
10
§6-2 单晶体的塑性变形
滑移的特点 ： ⑵ 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面（ 密排面 ）和晶向
29
§6-3 多晶体的塑性变形
塑性变形方式：
滑移（主）；孪生等
受到晶界的阻碍和位 向不同的晶粒的影响
保持晶粒之间的结合 和整个物体的连续性
晶粒
单晶体
晶界
多晶体
30
§6-2 单晶体的塑性变形
一、多晶体的塑性变形过程
形成位错的平面塞积群
形成高度应力集中 应力集中+外加应力
相邻晶粒某些滑移系上的分 切应力达到临界切应力值
8
§6-2 单晶体的塑性变形
常温和低温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生
一 、滑移 在切应力作用下，晶体的一部分相 对于另一部分沿着一定的晶面和晶 向产生相对位移，且不破坏晶体内 部原子排列规律性的塑性变形方式
滑移面
滑移方向
滑移带
放大 3.25% Si-Fe单晶体中的平直滑移带 单晶体 塑性 光镜 表面抛光 变形 观察
2
铸态组织的缺点
材料的性能？ 改善铸态组织 制成型材或工件
§6-1 金属的变形特性
金属变形
弹性变形（elastic deformation） 弹塑性变形（plastic deformation） 断裂（fracture）
利用金属的应力—应变曲线（载荷—变形曲线），研究金属变形特点 一、工程应力——应变曲线 应力（工程应力或名义应力）
4 3 12
{111}
1 3 3
<1120>
{0001} --
<111>
<110>
BCC
FCC 三种常见金属结构的滑移系
HCP
13
§6-2 单晶体的塑性变形
晶体中滑移系越多，滑移越容易进行，塑性越好 金属塑性的好坏，与滑移面上原子的密排程度、滑移方向 的数目有关，密排程度愈高、滑移方向愈多，塑性愈好。 对比BCC和FCC的塑性
F A0
F 载荷
A 0 试样的原始截面积
应变（工程应变或名义应变）
L L0 L 试样变形后的长度 L0 L0 试样的原始标距长度
低碳钢ζ—ε曲线
3
§6-1 金属的变形特性
(1)
<
(2)
e < < s
0.2 :
e
e
：弹性变形阶段，线性阶段 服从虎克定律 ：σ= Eε ：弹性极限， 材料保持完全弹性变形时的最大应力 ：微量塑性变形起始阶段
位错蜷线⇒位错环+位错线
弗兰克－瑞德位错增值机制
Si中的位错源
22
§6-2 单晶体的塑性变形
3.位错的塞积 弗兰克位错源产生的大量位错沿滑移面运动，遇到障碍物 （固定位错、杂质、晶界等）的阻碍，领先的位错在障碍 物前被阻止，后续位错被塞积，形成平面塞积群，并在障 碍物的前端形成高度的应力集中。
5
F 载荷
A 0 原始截面积
§6-1 金属的变形特性
二、真应力－真应变曲线
真实应力 t
F A
L
F ：瞬时载荷 A : 瞬时截面积
P163 图6-3真应力-应变曲线
真实应变
dL L t ln L0 L L0
加工硬化(形变强化): 随变形量的增加，塑性变形抗力不断增加的现象
细晶强化 ：细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法
33
§6-3多晶体的塑性变形
二、晶粒大小对塑性变形的影响
霍尔—配奇公式
常温下，金属材料的屈服强度 ζs与晶粒直径d有如下关系式
s 0 kd
1 2
晶 粒 大 小 与 金 属 强 度 关 系
孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变，滑
移后晶体各部分位向均未改变。
中在一些滑移面进滑移只集 孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多
28
第六章 金属及合金的塑性变形与断裂
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 金属的变形特性 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 合金的塑性变形 塑性变形对金属组织和性能的影响 金属的断裂
F F F
• 几何软化：
• 由硬取向逐渐变为软取向， 使滑移越来越容易的现象
F F
18
§6-2 单晶体的塑性变形
（六）滑移的位错机制
1.位错的运动及晶体的滑移
发现问题 解决问题
理论计算值与实测数据的差别悬殊
：滑移；孪生
位错学说
晶体的滑移不是晶体的一部分相对另一部分作整 体的刚性移动，而是位错在一定切应力的作用下 沿着滑移面逐步移动的结果。
32
§6-3 多晶体的塑性变形
二、晶粒大小对塑性变形的影响 晶界的存在使变形的晶粒中的位错在晶界处受阻，每一晶粒 中的滑移带都终止在晶界附近，晶界越多，阻力越大；
各晶粒存在位相差，为了协调变形，每个晶粒都进行多滑移， 必然产生位错的交割，晶粒越多，割阶越多，阻力越大
金属材料的强度 晶粒愈细，强化效果愈好
24
§6-2 单晶体的塑性变形
二、孪生
孪生：在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向 相对于另一部分所发生的均匀切变。
一定晶面：孪生面 一定方向：孪生方向 不改变晶体结构，改变变形部分的位向
晶体的孪生面和孪生方向与其晶体结构类型有关。 滑移：在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和 孪生面 孪生方向 晶向相对于另一部分产生相对位移。 一定晶面 bcc：滑移面； {112} <111>
16
§6-2 单晶体的塑性变形
（四）滑移时晶体的转动
随着滑移的进行，晶体取向发生改变的现象称晶 体的转动，包括滑移面的转动和滑移方向的改变
17
§6-2 单晶体的塑性变形
拉伸时
滑移面和滑移方向逐渐趋于
平行于拉伸轴方向。 F
F
压缩时
滑移面逐渐趋于与压力轴线
方向垂直
• 几何硬化：
• 由软取向逐渐变为硬取向， 使滑移越来越困难的现象 F
6 2 12 面心立方结构塑性优于体心立方结构
FCC
4 3 12
BCC
6 2 12
14
密排面×密排方向=滑移系
§6-2 单晶体的塑性变形
（三）滑移的临界分切应力
滑移只能在切应力的作用下发生。
临界切应力 K ：产生滑移的最小切应力 设对一单晶圆柱体试样作拉伸试验
Fcos F cos cos A A cos
一定晶向 ：滑移方向 {111} <112> fcc 不破坏晶体内部原子排列规律性（晶体结构） {1012} <1011> hcp
25
-
§6-2 单晶体的塑性变形
二、孪生
26
§6-2 单晶体的塑性变形
二、孪生
孪生变形后晶体的变形部分 与未变形部分以孪晶界为分 界面构成了镜面对称的位向 关系．金相显微镜下一般呈 条带状，有时为透镜状。
s：屈服极限，材料开始发生塑性变形的最小应力
条件屈服极限，材料无明显 屈服时，产生0.2%残余变形 的应力值为其屈服极限
表示材料对起始微量塑性变形的抗力 (3)
s < < b
b
:抗拉强度,
:均匀塑性变形阶段
材料对最大均匀塑性变形的抗力
4
§6-1 金属的变形特性
(4)
b
之后： 不均匀塑变阶段 试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈
6
§6-1 金属的变形特性
三、金属的弹性变形
金属晶格在外力作用 实质： 下产生的弹性畸变。
平衡位置：作用力为零 受到外力作用，偏离平衡 位置：作用力不为零 所加外力小于原子之间的结 合力时，两者处于平衡状态 去除外力，在原子之间的结 合力的作用下，原子立即恢 复平衡位置，金属晶体在外 力作用下产生的宏观变形随 之消失 ⇒ 弹性变形 虎克定律 ζ= Eε