第一章1.2 材料的塑性、蠕变性与超塑性 - 副本
《材料的蠕变》课件
目 录
• 引言 • 蠕变现象的基本概念 • 材料的蠕变特性 • 蠕变机制的理论解释 • 材料的蠕变测试与表征 • 材料的抗蠕变设计 • 蠕变现象的应用与展望
01
引言
蠕变现象的发现
蠕变现象的早期观
察
早在古希腊时期，人们就注意到 材料在长时间受力的过程中会发 生变形。
科学研究的进展
02
蠕变现象的基本概念
蠕变的定义
01
蠕变：在恒定温度和恒定应力作用下，材料随时间 发生的缓慢的塑性变形现象。
02
蠕变是由材料内部微观结构的变化引起的，这些变 化包括位错的运动、晶界的滑移等。
03
蠕变会导致材料的形状和尺寸发生不可逆的变化， 从而影响材料的性能。
蠕变与松弛的区分
蠕变
在恒定温度和恒定应力作用下，材料 随时间发生的塑性变形现象。
影响材料蠕变速率的因素
01
02
温度
应力大小
温度是影响蠕变速率的主要因素。在 较高的温度下，原子或分子的运动速 度更快，导致材料更易发生蠕变。
应力的大小直接影响材料的蠕变速Байду номын сангаас 。较大的应力通常会导致更快的蠕变 速率。
03
加载时间
加载时间越长，材料发生蠕变的程度 通常越大。这主要是因为长时间的应 力作用提供了更多时间供材料内部结 构发生调整和变化。
型材料。
持续改进与创新
03
不断改进现有材料和工艺，推动抗蠕变设计的创新与发展。
07
蠕变现象的应用与展望
蠕变现象在工程中的应用
石油工业
核工业
在石油工业中，油井的套管和油管在 高温度和压力下会发生蠕变变形，影 响油井的正常生产和安全。通过研究 蠕变现象，可以预测套管和油管的寿 命，及时更换，避免事故发生。
材料塑性
只有弹性形变，无塑性 形变或塑性形变很小。
韧性（toughness）
Toughness is a mechanical term that is used in several contexts;loosely speaking ,it is a measure of ability of a materials to absorb energy up to fracture.
材料在外应力去除后仍保持部分应变的特性。
延展性（Ductility)
材料发生塑性变形而不发生断裂的能力。 It is a measure of the degree of plastic
deformation that has been sustained at fracture.
脆性（brittle）
韧度：使材料发生断裂时所须作的功的量度。
塑性
塑性（Plasticity):材料在外应力去除后仍保持部分 应变的特性。
延展性（Ductility):材料发生塑性变形而不发生断 裂的能力。
强度：材料因断裂或不可逆形变而破坏时的应力
金属材料中金属键没有方向性，滑移系很多，容 易发生滑移而产生塑性变形，具有较好的延展性。
无机非金属的塑性
AgCl离子晶体可以冷轧变薄。KCl、KBr和 MgO单晶也可弯曲而不断裂；含CeO2的四 方ZrO2多晶瓷，有很大的塑性，由四方相 变为单斜相。（相变塑性）
MgO 断裂 25
20
KBr 断裂 5
材料的蠕变 creep
材料的塑性变形
22:10
11
滑移带和滑移线只是晶格滑移结果的表象； 重新抛光后可去除。
光镜下：滑移带。 电境下：滑移线。
22:10
12
问题二：
产生滑移的条件?
滑移面 ：??? 滑移方向：????
22:10
13
产生滑移的条件：
2.1材料的塑性变形机理
面间距大； 滑移矢量（柏氏矢量）小；
＋ ＋ ＋＋＋＋ ＋ ＋ ＋＋＋＋
22:10
49
塑性变形的另一种方式
孪生
2.1材料的塑性变形机理
在切应力作用下，晶体一部分相对于另一部分沿一定
的晶面和晶向发生均匀切变，形成晶体取向的
镜面对称关系。双胞胎!
孪晶的形成 （动画）
孪生动画\孪 生变形.swf 变形
22:10
51
22:10
52
1. 孪生晶体学 晶体的孪晶面和孪生方向与晶体结构类型有关。
滑移面 ：密排面 滑移方向：密排方向
fcc滑移系： 滑移面{111}， 滑移方向<110>； 滑移系
4×3=12个
22:10
Cu,Al,Ni,Au，γ-Fe等 塑性变形能力如何？
17
α-Fe,W,Mo等
塑性变形能力如何？
22:10
18
次滑移系：
Mg,Zn,Ti,Zr等
22:10
塑变能力？ 20
44
☺ 滑移的表面痕迹 : ☺ 单滑移：单一方向的滑移带； ☺ 交滑移：波纹状的滑移带。 ☺ 多滑移：相互交叉的滑移带；
2.1材料的塑性变形机理
奥氏体钢交叉滑移带
问题二：
产生滑移的条件? 结构上
滑移面 ：??? 滑移方向：????
第一章1.2 材料的塑性、蠕变性与超塑性 - 副本
铬砖 镁砖 石英玻璃 隔热耐火砖
0.0005 0.00002 0.001 0.005
蠕变损失与蠕变断裂
蠕变的过程伴随着空穴的形成，从而造成材料损伤， 这种损伤通常包括孔穴的成核、生长和连通三个阶段。 晶界滑移提高了晶界处尤其是三晶交汇点处的应力集 中，当应力超过临界值时就会引起孔穴成核，在应力 作用下不断长大，最后相邻孔穴沿着晶界合并贯通。 连通是孔穴起到类似裂纹的作用，并可能与材料内部 的初始裂纹连接，增大主裂纹的尺寸，力学性能下降， 最终在外力作用下发生蠕变断裂
特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加 而快速增加。
2.
影响蠕变曲线形状的因素
温度和应力都影响恒定温度曲线的形状
当温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短；
增加应力时，曲线形状的变化类似与温度。
形变率与应力有如下关系：=（常数）
n
n变动在2～20之间，n=4最为常见。
延 伸 率
温 度 或 应 力
时间
温度和应力对蠕变曲线的影响
蠕变机理
晶界机理------多晶体的蠕变；
晶格机理------单晶蠕变，但也可
能控制着多晶的蠕变过程。
1 . 晶格机理
晶体的塑性形变主要是由于位错的滑移、 位错攀移等形式沿着特定的方向运动所致。
位错的滑移沿着滑移面运动，而位错攀移
是垂直于滑移面运动。
实际生产中利用位错的爬移运动来消除位错。
晶粒细化
多晶体有不同取向的晶粒组成，塑性变形时， 晶粒取向不同，位错滑移时，晶粒之间相互制 约、影响，细化晶粒提高材料的强度
材料性能学名词解释大全
名词解释第一章：弹性比功：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。
包申格效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
滞弹性：是材料在加速加载或者卸载后，随时间的延长而产生的附加应变的性能，是应变落后于应力的现象。
粘弹性：是指材料在外力的作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。
内耗：在非理想弹性变形过程中，一部分被材料所吸收的加载变形功。
塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力。
韧性：是材料力学性能，是指材料断裂前吸取塑性变形攻和断裂功的能力。
银纹：是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于它密度低，对光线反射高为银色。
超塑性：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。
脆性断裂：是材料断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，而是突然发生的快速断裂过程。
韧性断裂：是指材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。
剪切断裂：是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。
河流花样：两相互平行但出于不同高度上的解理裂纹，通过次生解理或撕裂的方式相互连接形成台阶，同号台阶相遇变汇合长大，异号台阶相遇则相互抵消。
当台阶足够高时，便形成河流花样。
解理台阶：不能高度解理面之间存在的台阶韧窝：新的微孔在变形带内形核、长大、聚集，当其与已产生的裂纹连接时，裂纹便向前扩展形成纤维区，纤维区所在平面垂直于拉伸应力方向，纤维区的微观断口特征为韧窝。
2 材料的弹性模数主要取决因素：1）键合方式和原子结构2）晶体结构3）化学成分4）微观组织5）温度6）加载方式3决定金属材料屈服强度的因素1）晶体结构2）晶界与亚结构3）溶质元素4）第二相5）温度6）应变速率与应力状态4 金属的应变硬化的实际意义1）在加工方面：利用应变硬化和塑性变形的合理配合，可使金属进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺的顺利实施2）在材料应用方面：应变硬化可以使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件的安全使用。
材料科学基础材料的形变-1
对单晶体施加不同取向的拉伸应力，测量滑移系开动的拉伸应 力。如果滑移系开动时， 和 Schmid因子乘积为常数，就证明了 这一定律。 一般选择高纯度的六方晶系作实验（为什么？）。 高纯度锌单晶体的与m的关系
实验看出：滑移系开动所需要的与取 向因子 m 之间是双曲线关系，即他们 的乘积（开动滑移系的分切应力）为 常数，和外加力的取向无关。这就是 Schmid定律，或称临界分切应力定律。 滑移系开动所需要的最小分切应力称 为临界分切应力c 。
在拉伸和压缩时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层会象推开扑克牌那 样一层层滑开，每一层和力轴的夹角0保持不变。 但在实际拉伸中，由于夹头的约束，在夹头附近晶体不能自由 滑动而产生弯曲，在远离夹头的地方，因有两个力偶是晶体发生 转动，转动合成的方向是使滑移方向转向力轴。
无约束时
有约束时--导致转动
交滑移的位错机制 交滑移是螺位错从一个滑移面转到与其滑移面相交的另一个滑 移面上滑动。 位错环 位错滑移，位错环扩大
FCC金属中的交滑移过程
扩展位错要发生交滑移，首先在外力作用下扩展位错在局部束 集(Constriction)成一小段全位错，然后这段全位错交滑移到另一滑 移面，位错交滑移到另一滑移面后再重新在这个滑移面分解成扩 展位错。 在(111) 面上柏氏矢量为a[110]/2 全位错分解:
发生多系滑移时，在抛光表面看到不止一组的滑移线，而是两 组或多组交叉的滑移线。由于多个滑移系开动，位错交截产生割 阶及位错带着割阶运动等原因使位错运动阻力增加，因而强度也 增加。
Al多晶体多系滑移出现的滑移带 ×145
外力轴处于只有 1 个滑移系开动的取向，材料的强度是比较低 的，这样的取向称为软取向； 外力轴处于易多滑移的取向称为硬取向。
材料塑性
d 延 伸 率 b a o
第一阶段蠕变 弹性伸长
起始段oa：瞬时弹性变形 与时间无关系 减速蠕变阶段ab：应变速率 随时间递减 稳态蠕变阶段dc：蠕变速率几乎不变 加速蠕变阶段cd：应变率随时间的 增加而加快
c
第三阶段蠕变
第二阶段蠕变
时间/h
加速蠕变阶段。应变率随时 间增加，最后到d点断裂
应变与时间成正比
六. 塑性与塑性指标
☀ 塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力。 ☀ 材料塑性的评价： 最大应力下非比例伸长率δg
工程上 一般以 光滑圆 柱试样 的拉伸 伸长率 和断面 收缩率 作为塑 性性能 指标。
最大应力下总伸长率δg t
断后伸长率δ 断面收缩率 ψ = (A0-Al)/ A0×100%
塑性（plasticity）
For transient (primary) creep, the rate (or slope) diminishes with time. The plot becomes linear(i.e., creep rate is constant) in the steady-state. Finally, deformation accelerates for tertiary (第 三的)creep, just prior to failure (rupture).
蠕变性能指标1蠕变极限在给定温度下使试样在蠕变的第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力记做mpa上角标t表示温度下角标表示在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速度110550080mpa表示在500下第二阶段的稳态蠕变速率等于1105在给定的温度和时间下使试样产生规定的蠕变应力的最大应力定义为蠕变极限记表示在给定的时间内产生的蠕变应变
超塑性成形资料
1.1超塑性的概念超塑性是指材料在特定条件下，表现出异常高的塑性而不产生缩颈与断裂的现象。
但至今还没有从物理本质上的确切定义。
有的以拉伸试验的延伸率来定义，认为 >200%即为超塑性；有的以应变速率敏感性指数m来定义，认为m>0.3，即为超塑性；还有的认为抗颈缩能力大，即为超塑性。
1.2超塑性的分类根据目前世界上各国学者研究的成果，按照实现超塑性的条件（组织，温度，应力状态等）可将超塑性分为三类：1.微晶组织超塑性（即恒温超塑性或结构超塑性）一般所指超塑性多属这类，它是国内外研究最多的一种。
当材料是微细的等轴晶粒组织，间距为0.5一5μm，温度大于该材料熔点温度的一半，应变速度为10-4一10-1/s之间时，材料拉伸断裂将呈现超塑性变形的能力。
2.相变超塑性（变温超塑性或动态超塑性）将材料在相变温度附近进行热循环，利用相变过程，每一次热循环贡献一小的应变，从而在多次热循环过程中获得大的延伸率。
3.内应力超塑性和相变超塑性一样进行热循环，利用材料的热膨胀系数的差异产生内应力，内应将有助于基体的塑性流动，从而使材料获得超塑性。
1.3超塑性的特点金属塑性成形时宏观变形有几个特点:大延伸、无缩颈、小应力、易成形。
（1）大变形：超塑性材料在单向时延伸率极高，有的可以到8000%表明超塑性材料在变形稳定性方面要比普通材料好很多。
这样使材料的成形性能大大改善，可以使许多形状复杂，一般难以成形的材料变形成为可能。
（2）无紧缩：超塑性材料的变形类似于粘性物质的流动，没有（或很小）应变硬化效应，但对应变速率敏感，当变形速度增大，材料会强化。
因此，超塑性材料变形时初期有紧缩形成，但由于紧缩部位变形速度增大而发生局部强化，而其余未强化部分继续变形，这样使紧缩传播出去，结果获得巨大的宏观均匀变形。
超塑性的无紧缩是指宏观上的变形结果，并非真的没有紧缩。
（3）小应力：超塑性材料在变形过程中，变形抗力可以很小，因为它具有粘性或半粘性流动的特点。
第01章 塑形变形
8
三、影响屈服强度的因素（提高屈服强度 的途径）
（一）影响屈服强度的内因 （1）金属本性及晶格类型
屈服强度在理论上来说是使位错开始运动的临界切应力， 其值由位错运动所受的各种阻力决定。 位错运动的阻力包括晶格阻力（P-N力）和位错交互 作用产生的阻力。 （A)晶格阻力（派纳力）
9
（B) 位错交互作用的阻力。交互产生的 阻力包括平行位错间交互作用产生的阻力 和运动位错与林位错交互作用产生的阻力。
20
§1.4 金属的断裂
• 金属断裂的性质和机理取决于一系列的内 因和外因：内因是指金属材料的组织结构， 而外因则指施加于材料或结构件上的应力、 加载方式、温度和环境等。在工程应用中， 总是希望材料处于韧性状态，而避免脆性 状态。
21
材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。（断 裂使材料失去完整性）（机件三大失效形式之一）
剧烈冷变形位错密度增加4-5个数量级---形变强化！
10
（c）晶界阻力 晶界是位错运动的障碍。 要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加 大外应力。 霍尔—培奇关系式
细化晶粒，可以提高材料的强度（细晶强 化）。
11
（d）溶质元素 在纯金属中加入溶质原子形成固熔合金，将显著提高 强度，此即为固溶强化。 在溶质原子的周围形成了晶格畸变应力场，该应力场 与位错应力场产生交互作用，使位错运动受阻。从而提 高提高了屈服强度。 （e）第二相
（2）金属材料塑性变形的应变速率与可动位错 密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比
7
3、屈服强度
σs=Fs/A 由于金属材料存在上下屈服点，或者屈服点 不明确，一般将σ0.2定为屈服强度。 屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材 料的依据。提高屈服强度，机件不易产生塑性变 形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力 重新分布，容易引起脆性断裂。
材料加工学超塑性
超塑性的力学特征
• 流动应力
• 在超塑性材料中 ， 流动应 在超塑性材料中， 力特别敏感于应变速率。 力特别敏感于应变速率 。 如图所示， 如图所示 ， 用对数坐标表 示的流动应力与应变速率 的关系曲线呈“ 的关系曲线呈“S”形。
& σ = Kε
m
Mg-Al共晶合金的应变速率与 共晶合金的应变速率与 (a)流动应力 (b)敏感系数 的关 敏感系数m的关 流动应力 敏感系数 系
• 近年来超塑性在我国和世界上主要的发展方向主要有如下 三个方面： 三个方面： • 先进材料超塑性的研究，这主要是指金属基复合材料、金 先进材料超塑性的研究，这主要是指金属基复合材料、 属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发， 属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发，因为这些材料具 有若干优异的性能，在高技术领域具有广泛的应用前景。 有若干优异的性能，在高技术领域具有广泛的应用前景。 然而这些材料一般加工性能较差， 然而这些材料一般加工性能较差，开发这些材料的超塑性 对于其应用具有重要意义 ； • 高速超塑性的研究，提高超塑变形的速率，目的在于提高 高速超塑性的研究，提高超塑变形的速率， 超塑成形的生产率 ； • 研究非理想超塑材料（例如供货态工业合金）的超塑性变 研究非理想超塑材料（例如供货态工业合金） 形规律，探讨降低对超塑变形材料的苛刻要求， 形规律，探讨降低对超塑变形材料的苛刻要求，而提高成 形件的质量，目的在于扩大超塑性技术的应用范围， 形件的质量，目的在于扩大超塑性技术的应用范围，使其 发挥更大的效益。 发挥更大的效益。
超塑性的历史及发展
• 超塑性现象最早的报道是在1920年，德国人罗申汉 Rosenhaim）等发现Zn Cu- Al合金在低速弯曲时 Zn合金在低速弯曲时， （N.Rosenhaim）等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时， 可以弯曲近180 180度 1934年 英国的C Pearson发现 可以弯曲近 180 度 。 1934 年 ， 英国的 C . P. Pearson 发现 Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000% 共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000 Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸 率。 • 1945年前苏联的A.A.Bochvar等发现Zn-Al共析合金具有 1945年前苏联的 年前苏联的A Bochvar等发现Zn-Al共析合金具有 等发现Zn 异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词。1964年 异常高的延伸率并提出 “ 超塑性 ” 这一名词 。 1964 年 ， 美国的W Backofen对Zn-Al合金进行了系统的研究 合金进行了系统的研究， 美国的W.A.Backofen对Zn-Al合金进行了系统的研究， 并提出了应变速率敏感性指数－ 值这个新概念， 并提出了应变速率敏感性指数－m值这个新概念，为超塑 性研究奠定了基础。上世纪六十年代后期及七十年代， 性研究奠定了基础。上世纪六十年代后期及七十年代，世 界上形成了超塑性研究的高潮。 界上形成了超塑性研究的高潮。
塑性力学课件 第一章 概论 考试资料大全.ppt
§1.1 弹性与塑性
与塑性力学有关的基本概念
一、弹性与弹性变形
若外力不大，则外力除去后变形可以全部恢复。 这种性质称为材料的弹性，这种可以全部恢复的变形 是弹性变形。这时称物体处于弹性状态。
二、塑性与塑性变形
当外力超过一定限度，则物体将产生不可恢复的 变形。这种变形不可恢复的性质称为塑性，不随应力 消失而恢复的那部分变形称为塑性变形。
律 E 。E是σ—ε曲线初始直线段的斜率，叫弹性模量。 （d）A点以后如欲继续产生变形，则需继续加载，称为
强化阶段。此段曲线的斜率 E1 称为强化模量，一般 E1 ＜E。
进入塑性阶段后从某一点B处开始卸载，则σ—ε曲线为通 过B点且与初始直线段OP平行的直线BCD。当全部应力卸完时剩
下的残余应变 p即为相应于B点的塑性应变， 即为相应于B点的 弹性应变，而B点总应变ε= e p 。
（2）建立在塑性状态下应力与应变（或应变率） 之间的关系。
（3）求极限荷载。即绕过加载过程中应力与变形 的变化而直接去求物体达到极限状态（塑性变形无限 制发展，物体已达到它对外力的最大承载能力）时的 荷载。这种研究方法叫极限分析。
三、塑性力学的基本假设
（1）材料是均匀连续的； （2）在进入塑性状态前为各向同性（特别说明时 除外）； （3）物体承受荷载之前处于没有初应力的自然状 态。通常不考虑时间因素对变形的影响（如弹性后效、 蠕变等），而且只限于考虑在常温下和缓慢变形的情 形，所以也忽略温度和应变速度对材料性质的影响。
§1.2 塑性力学
一、塑性变形的特点
(1)塑性应变和应力之间不再有一一对应的关系。 塑性变形不仅与当前的应力状态有关，还和加载的历 史有关。
(2)应力与应变（或应变率）之间不再保持线性关 系，而呈非线性关系。
材料的力学性能强度、塑性
F
F
二、拉伸试验
0
拉伸试验是在静拉力的作用下，
1
对试样进行轴向拉伸，直至将试
样拉断，通过测量拉伸中力和试
样长之间的关系来判断材料的
性能。
0 2
实验仪器
0 3
万能材料试验机
2.拉伸原理
拉伸标准试样
标准试样直径为d，标 距长度为L。
标距L和直径d之间有 两种关系：L=5d或者 L=10d。
力-伸长曲线分析 力-伸长曲线 屈服 冷变形强化 颈缩 断裂
材料的力学性能指标：
强度、塑性、韧性、硬度、疲劳等。
一、强度和塑性
1. 强度：材料或构件在一定载荷下抵抗永久变形和断裂的能 力称为强度。（强度是材料整体抵抗变形和断裂的能力）
2. 弹性：物体受外力作用变形后，除去作用力时能恢复原来形 状的性质。
3. 塑性：在某种给定载荷下,材料产生永久变形的特性。一但 发生塑性形变则无法恢复。
202X
材料的力学性能
度
、
塑
性
202X
材料的力学性能:
材料在不同环境中，承受载荷（静载荷、动载荷、交变载荷）时 表现出的性能， 主要为变形、破坏。
研究材料的力学性能的目的：
确定材料在变形和破坏情况下的一些重要性能指标；作为选择、设计、制造机 械零件或工具的主要依据，也是评判材料质量好坏的重要判据。
2.拉伸试验中的强度指标
1)屈服强度：屈服现象是指试样在试样过程中，外载荷不变的情况下依然 继续变形。
σs=Fs/S0 其中：Fs是试样屈服时承受的拉伸力（N）；S0是试样原始横截面积（m2 ）。
2)规定残余伸长应力：很多材料没有明显的屈服现象。规定残余伸长应力 是指试样卸载拉伸力后，标距部分的伸长量达到规定的原始标距长度百分比 时产生的拉力与试样横截面比值。
材料的超塑性及其变形机理
材料的超塑性及其变形机理专业：材料工程学号：2012177姓名：孙宇材料的超塑性及其变形机理1.材料超塑性的定义超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。
超塑性是一种奇特的现象。
具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。
金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1928年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米/秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。
超塑性材料是指：具有相对细小的晶粒（20微米-30纳米）的金属、陶瓷等，其晶粒分布可以是均匀或不均匀的，且晶粒或相的形状、尺寸或取向具有各向异性或各相同性。
2.超塑性及其宏观变形特征通常认为超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异常高的伸长率而不产生缩δ100％时，即可称为超塑性。
实际上，有的超塑材颈与断裂现象。
当伸长率≥料其伸长率可达到百分之几百，甚至达到百分之几千，如在超塑拉伸条件下Sn-Bi 共晶合金可获得1950％的伸长率，Zn-AI共晶合金的伸长率可达3200％以上。
也有人用应变速率敏感性指数m值来定义超塑性，当材料的m值大于0．3时，材料即具有超塑性。
金属材料在超塑性状态下的宏观变形特征，可用大变形、小应力、无缩颈、易成形等来描述。
1) 大变形超塑性材料在单向拉伸时伸长率占极高，目前已有占达8000％以上的报道。
超塑性材料塑性变形的稳定性、均匀性要比普通材料好得多，这就使材料成形性能大为改善，可以使许多形状复杂，难以成形构件的一次成形变为可能。
2) 小应力材料在超塑性变形过程中的变形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流动的特点，在最佳超塑变形条件下，超塑流变应力σ通常是常规变形的几分之一乃至几十分之一。
例如，Zn-22％Al合金在超塑变形时的流动应力不超过2MPa，钛合金板料超塑成形时，其流动应力也只有几十兆帕甚至几兆帕。
工程塑性力学
第一章:金属材料的塑性性质○1 弹性与塑性的本质区别不在于应力—应变关系是否线性，而在于卸载后变形是否可恢复1、简单○2 低碳钢屈服阶段很长，铝、铜、某些高强度合金钢没有明显的屈服阶段（此时取0.2%塑性应变对应的应力为条件屈服应力）；0.2一、金属材拉伸试验○3 塑性变形量p / E (E 弹性模量；Et 切线模量)○4 简单拉伸件塑性时d E d(拉伸d 0); d Ed(压缩d 0)t料的○5 塑性变形后反向加载（单晶体：反向也对称强化；多晶体：反向弱化—包辛格效应）塑性○6 高温蠕变：应力不变时应变仍随时间增长的现象性质塑性变形不引起体积变化2 静水压○1 静水压力与材料体积改变之间近似服从线弹性规律金属材料发生大塑性变形时可忽略弹性力试验体积变化○2 材料的塑性变形与静水压力无关1、滑移面：晶体各层原子间发生的相对滑移总是平行于这种原子密排的平面，这种大密度平面称为滑移面。
二、塑2、滑移方向：滑移面内，原子排列最密的方向是最容易发生滑移的，称为滑移方向；性变3、滑移系：每个滑移面和滑移方向构成一滑移系。
（体心立方—12；面心立方—48；密排六方—3）形的物理1、为使晶体发生塑性变形，外加应力至少在一个滑移方向上的剪应力分量达到剪切屈服应力；Y基础位错刃形位错：位错运动方向与F 平行；位错在晶体内的运动是塑性变形的根源；塑性变形时位错型聚集、杂质原则阻碍滑移造成强化。
螺形位错：位错运动方向与F 垂直。
三、轴向拉伸时的塑性失稳采用应变的对数定义的优点：=F / A 1、可以对应变使用加法：名义应力：应力真应力： =F / A2、体积不可压缩条件： 1 2 3 0工程应变： =（l-l ）/l应变拉伸失稳条件：0 0=ln(1+ )=ln(l /l )自然应变/对数应变：d / d (此时d / d 0)1、材料塑1、材料的塑性行为与时间、温度无关——研究常温静载下的材料；2、材料具有无限的韧性；3、变形前材料是初始各向同性的，且拉伸、压缩的真应力—自然应变曲线一致性行为基本假设4、重新加载后的屈服应力（后继屈服应力）=卸载前的应力5、应变可分解为弹性和塑性两部分： =e p6、塑性变形是在体积不变的情况下产生的，静水压力不产生塑性变形；7、应力单调变化时有：E(弹性模量) E（s 割线模量）E（t 切线模量） 0简化模型○1 理想弹性○2 理想刚塑性○3 刚线性强化○4 理想弹塑性○5 弹—线性强化四、材料塑性行为的理想化2、应力、应变曲线的理想化模型经验公式鲁得维克表达式：n=+H (0 n 1)Y修正的鲁得维克式：E (当/ E )Y当(E / )n ( /E )Y Y YY Y Y1）n=0：刚塑性材料；2）0<n≤1：刚线性强化材料1）弹性范围内用Hooke 定律表达；2）塑性范围内用幂函数表达。
《材料性能学》课程教学大纲
《材料性能学》课程教学大纲一、《材料性能学》课程说明（一）课程代码：（二）课程英文名称：Introductions of Materials Properties（三）开课对象：材料物理专业（四）课程性质：《材料性能学》属于材料科学与工程一级学科主干专业课（五）教学目的：使学生掌握材料各种主要性能的基本概念物理本质化学变化律以及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的主要因素及材料性能与其化学成分，组织结构之间的关系，基本掌握提高材料性能的主要途径。
（六）教学内容：本课程包括金属材料力学性能，金属物理性能分析，无机材料无论性能，高分子材料力学材料性能、材料的腐蚀与老化、性能指标的工程意义、指标的测试与评价及应用为主线贯穿始终，让学生对材料性能知识有一个完整的了解，以便达到举一反三、触类旁通的效果。
（七）教学时数:学时数：72 学时分数： 4 学分（八）教学方式:以粉笔、黑板为主要形式的课堂教学（九）考核方式和成绩记载说明考核方式为考试。
严格考核学生出勤情况达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格，综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40％，期末成绩占60％。
.二、讲授大纲与各章的基本要求第一章材料的单向静拉伸的力学性能教学要点：让学生了解材料在静载作用下的应力应变关系及常见的三种失败形式的特点和基本规律，这些性能指标的物理概念和工程意义，探讨提高材料性能指标的途径和方向1、使学生了解力—拉伸曲线和应力——应变曲线。
2 、使学生了解材料的弹性变形以及性能指标3、非理想弹性与内耗的概念4、非理想弹性的几种类型及工程应用5、掌握塑性变形的实质以及指标测方法6、了解断裂的机理教学时数： 8 学时教学内容：第一节力——伸长曲线和应力——应变曲线一、力——伸长曲线（低碳钢曲线，决定因素）二、应力——应变曲线中有实力与工程应力的关系式、曲线第二节弹性形变及其性能指标一、弹性形变本质二、弹性模数三、影响弹性模数的因素（键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件的负荷持续时间）四、比例极限与弹性极限五、弹性比功第三节非理想弹性与内耗一、滞弹性二、粘弹性三、伪弹性四、包申格效应五、内耗第四节塑性变形及其性能指标一、塑性变形机理（金属材料的塑性变形、陶瓷材料的塑性变形、高分子的塑性变形）二、屈服观象与屈服强度三、影响金属材料屈服强度的因素（晶体结构、晶界与亚结构、溶质元素、第二相、温度应变速率与应力状态）四、应变硬化（机理、指数、意义）五、抗拉强度与缩颈条件六、塑性与塑性指标七、超塑性第五节断裂一、断裂的类型及断口特征（韧性断裂与脆性断裂、穿晶断裂与沿晶断裂、洁切断裂与解理断裂、高分子材料的断裂、断口分析）二、裂纹形裂的位错模型（佤纳——斯特罗理论、断裂强度的裂纹理论）三、断裂强度四、真实断裂强度与静力韧度考核要求：1、力—伸长曲线和应力——应变曲线1.1力—伸长曲线（低碳钢曲线、决定因素）(识记)1.2应力—应变曲线中有实力与工程应力的关系式(识记)2、弹性形变及其性能指标2.1弹性形变本质（领会）2.2弹性模数(识记)2.3影响弹性模数的因素（键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件的负荷持续时间）（领会）2.4比例极限与弹性极限（领会）2.5弹性比功（领会）3、非理想弹性与内耗3.1滞弹性（领会）3.2粘弹性（领会）3.3伪弹性（领会）3.4包申格效应(识记)3.5内耗(识记)4、塑性变形及其性能指标4.1塑性变形机理(识记)4.2屈服观象与屈服强度（领会）4.3影响金属材料屈服强度的因素(识记)4.4应变硬化（领会）4.5抗拉强度与缩颈条件(识记)4.6塑性与塑性指标(识记)4.7超塑性(识记)第五节断裂5.1断裂的类型及断口特征(识记)5.2裂纹形裂的位错模型（领会）5.3断裂强度（领会）5.4真实断裂强度与静力韧度（领会）第二章材料在其他静载下的力学性能教学要点：让学生了解扭转、弯曲、压缩与带缺口试样的静拉伸以及材料硬度实验的方法、应用范围、力学性能指标。
材料的超塑性及其变形机理
材料的超塑性及其变形机理专业：材料工程学号：2012177姓名：孙宇材料的超塑性及其变形机理1.材料超塑性的定义超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。
超塑性是一种奇特的现象。
具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。
金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1928年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米/秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。
超塑性材料是指：具有相对细小的晶粒（20微米-30纳米）的金属、陶瓷等，其晶粒分布可以是均匀或不均匀的，且晶粒或相的形状、尺寸或取向具有各向异性或各相同性。
2.超塑性及其宏观变形特征通常认为超塑性是指材料在拉伸条件下，表现出异常高的伸长率而不产生缩δ100％时，即可称为超塑性。
实际上，有的超塑材颈与断裂现象。
当伸长率≥料其伸长率可达到百分之几百，甚至达到百分之几千，如在超塑拉伸条件下Sn-Bi 共晶合金可获得1950％的伸长率，Zn-AI共晶合金的伸长率可达3200％以上。
也有人用应变速率敏感性指数m值来定义超塑性，当材料的m值大于0．3时，材料即具有超塑性。
金属材料在超塑性状态下的宏观变形特征，可用大变形、小应力、无缩颈、易成形等来描述。
1) 大变形超塑性材料在单向拉伸时伸长率占极高，目前已有占达8000％以上的报道。
超塑性材料塑性变形的稳定性、均匀性要比普通材料好得多，这就使材料成形性能大为改善，可以使许多形状复杂，难以成形构件的一次成形变为可能。
2) 小应力材料在超塑性变形过程中的变形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流动的特点，在最佳超塑变形条件下，超塑流变应力σ通常是常规变形的几分之一乃至几十分之一。
例如，Zn-22％Al合金在超塑变形时的流动应力不超过2MPa，钛合金板料超塑成形时，其流动应力也只有几十兆帕甚至几兆帕。
材料超塑性及应用
材料超塑性及应用课程编号：课程名称：材料超塑性及应用英文名称：Superplasticty and its Application for Materials学分：2先修课程基础：《晶体结构与缺陷》，《工程力学》与《材料力学》二者之一。
教材：自编一、课程简介本课程的目的在于使学生对于材料超塑性的力学、微观机理、应用等方面具有比较深入的理解，初步掌握超塑性的研究路线及方法。
对超塑性力学行为与显微组织及其变化的关系的物理本质具有比较清晰的认识，对超塑性的发展及其应用领域具有比较明确的分析，对超塑性的试验研究手段具有一定的了解，对于超塑性的应用及超塑性成形工艺具有一定的初步知识。
通过本课程的学习，使研究生对超塑性实验、理论、应用，及其与常规塑性变形的关系具有比较明确的认识，为其在今后研究和工作中的应用打下基础。
二、基本要求基础知识：超塑性力学特征，材料超塑性宏观行为与微观结构的关系，几种典型超塑性材料及其成形应用。
实验及技能：超塑性力学性能实验应力、应变、应变速率、ｍ植等的热力模拟试验，数据分析、实验报告；超塑性材料显微组织及其在超塑性变形中的变化。
三、内容概要第一章材料超塑性概述（２学时）１.１、超塑性研究及应用的历史１.２、超塑性的分类１.３、对超塑性变形机理的认识和争论１.４、几位对超塑性学术发展具有重要影响人物研究工作介绍第二章超塑性力学特征（４学时）２.１、超塑性本构关系２.２、超塑性应力—应变关系、应力—应变速率关系２.２、超塑性力学实验方法第三章超塑性变形微观机理（６学时）３.１、常规塑性变形、蠕变、绝热剪切等变形的微观机理３.２、对超塑性变形微观机理的认识及争论第四章几种材料超塑性（５学时）４.１、低熔点合金超塑性４.２、锌铝合金超塑性４.３、钛合金超塑性４.４、黑色金属、高温合金等材料的超塑性４.５、先进材料（金属间化合物、金属基复合材料、陶瓷等）的超塑性第五章几种超塑性成形的典型方法及典型零件（３学时）５.１、超塑性气压成形方法及典型零件５.２、超塑性体积成形方法及典型零件５.３、超塑性成形／扩散连接复合工艺四、实验（３学时）利用Gleeble1500热力模拟实验机测定材料的ｍ值；观察超塑性变形前后材料的显微组织变化五、参考书１、刘勤，金属超塑性，上海，上海交通大学出版社，１９８９２、O.A.Kaibyshev, Superplasticity of Alloys, Intermetallides and Ceramics, Berlin, Spring-Verlag Heidelberg New York, 1992。
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时间
温度和应力对蠕变曲线的影响
蠕变机理
晶界机理------多晶体的蠕变；
晶格机理------单晶蠕变，但也可
能控制着多晶的蠕变过程。
1 . 晶格机理
晶体的塑性形变主要是由于位错的滑移、 位错攀移等形式沿着特定的方向运动所致。
位错的滑移沿着滑移面运动，而位错攀移
是垂直于滑移面运动。
实际生产中利用位错的爬移运动来消除位错。
塑性形变的机理（位错运动理论）
从原子尺度变化解释塑性形变：当构成晶体的一部 分原子相对于另一部分原子转移到新平衡位置时， 晶体出现永久形变，晶体体积没有变化，仅是形状 发生变化。
如果所有原子同时移动，需要很大能量才出现滑动， 该能量接近于所有这些键同时断裂时所需的离解能 总和； 由此推断产生塑变所需能量与晶格能同一数量级； 实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能量几个 数量级。
1.2
材料的塑性、蠕变性与超塑性
塑性形变：微观结构相邻部分产生永久性位
移，在外力移去后形变不能恢复的现象。
材料直到断裂所经受塑性形变的程度称为延 展性。如果一种材料在断裂前不发生或只发生很 小的塑性形变，那么这种材料是脆性的。
1.2.1 晶体的塑性形变
滑移
孪晶
1. 晶格滑移 滑移：晶体的一部分相对另一部分平移滑动。 滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。 滑移系越多，塑性越好，但不是唯一因素？ 结构中最小结构单元越小，越容易发生滑移，因 此在最密排面上最容易滑移 滑移发生在密排方向上，因为在此方向上两个平 衡原子之间的距离最短，滑移所需能量最小
实测的剪切强度比理 论值要低几个数量级
金属与非金属晶体滑移难易的比较
金属 金属键无方向性
非金属 共价键或离子键有方向 结构复杂 滑移系统少
结构简单
滑移系统多
多晶体的塑性变形
多晶体特点
多晶体中每个晶粒 变形的基本方式与 单晶体相同
相邻晶粒之间的取向
晶界
多晶体的塑性变形特点
1. 各晶粒变形 的不同时性 2. 各晶粒变形 的相互协调性 3. 各晶粒变形 的不均匀性
2. 扩散蠕变理论---空位扩散流动 （纳巴罗－赫润蠕变)
晶界上的张应力使空位的浓度增加到
c=c0exp(/kT) 压应力使浓度减少到： c=c0exp(- /kT) 式中： 为空位体积，c0为平衡浓度。
特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加 而快速增加。
2.
影响蠕变曲线形状的因素
温度和应力都影响恒定温度曲线的形状
当温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短；
增加应力时，曲线形状的变化类似与温度。
形变率与应力有如下关系：=（常数）
n
n变动在2～20之间，n=4最为常见。
延 伸 率
温 度 或 应 力
F
P8—图1.8-1.9 板书
理想晶体中，原子间作用力近似正弦变化，b表示原子间的 距离，d表示面间距，图中发现当原子位移量u达到b/4时， 引力达到最大。剪切应力客服这一最大引力，即发生永久变 形，此时的剪切应力就是晶体的理论剪切强度：
以上是近似的推导，更精确的推导可以得到理论剪切 强度为G/30~G/10
临界分解剪切应力
滑移面面积：S/cos ；
S
F在滑移面上分剪力：Fcos ；
滑移面上分剪应力：
= Fcos/(S/cos )=(F/S)coscos
滑移方向
滑移面
在同样外应力作用下，引起滑移面 上剪应力大小决定 cos cos 的 大小； 滑移系统越多， cos cos 大的机 会就多，达到临界剪切应力的机会 也越多。
2.3.1 典型的蠕变曲线 1. 各阶段的特点
8
延 6 伸 率 4 × 10-2
2
第三阶段蠕变 第二阶段蠕变 第一阶段蠕变 时间（小时）
0 100 200 300 400 500 600
0
（1） 弹性形变阶段 起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即 应力和应变同步。 （2）第一阶段蠕变（蠕变减速阶段或过渡阶段） 其特点是应变速率随时间递减，持续时间较短， 应变速率有如下关系：
U=d/dt=At-n
低温时n=1，得：=Blnt
高温时n=2/3，得： =Bt-2/3
此阶段类似于可逆滞弹性形变。
（3）第二阶段蠕变
此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态 蠕变。形变与时间的关系为线性关系： =Kt
（4）第三阶段蠕变（加速蠕变） 此阶段是断裂即将来临之前的最后一个阶段。
晶粒细化
多晶体有不同取向的晶粒组成，塑性变形时， 晶粒取向不同，位错滑移时，晶粒之间相互制 约、影响，细化晶粒提高材料的强度
晶粒越细，单位体积中晶粒数量越多，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，不致于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 塑性变形量，细化晶粒可以提高延性
影响塑性形变的因素
影响因素 晶体结构和键型 本征缺陷 缺陷类型 点缺陷 线缺陷 较大缺陷 面缺陷 杂质 缺陷形貌 空位，填隙原子 刃位错 螺旋位错 空洞，气孔 晶界 晶格或晶界固溶非 连续第二相物质
外来缺陷
1.2.2
材料的高温蠕变
蠕变是在高温条件下，受到恒定应力作 用，随着时间的增长持续发生形变的现象， 即时间－－应变的关系。 在高温条件下，借助于外应力和热激活 的作用，形变的一些障碍物得以克服，材料 内部质点发生了不可逆的微观过程。