材料塑性
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第三节：塑性变形及其性能指标
材料的塑性 塑性变形的机理 材料的蠕变 材料的塑性指标 材料的超塑性
利用固态金属的塑性，使其受力，改变 形状、尺寸并改善组织，性能，获得所需形状 、尺寸和可靠性能的毛坯或零件。
2、条件
１）塑性材料。低碳钢、铝、铜合金最好； ２）受力塑性变形、满足屈服条件：
σ>σs（材料屈服强度）。
are slip and twinning
无机非金属材料的离子键和共价键具有明显 的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有 个别的滑移系能满足位错运动的几何条件和 静电作用条件，不易发生塑性变形，延展性 一般较差。
高温时位错运动速度快，使得Al2O3等在室 温下不易滑移的脆性材料，在温度大于 1000℃以上，也能产生一定程度的塑性变 形。
Rather, these materials deform by viscous flow, the same manner in which liquids deform; the rate of deformation is proportional to the applied stress.
Non-crystalline ceramics
Plastic deformation does not occur by dislocation motion for Non-crystalline ceramics because there is no regular atomic structure.
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）
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
蠕变（Creep）：指在恒定的应力作用下，材 料的应变随时间增加而逐渐增大的现象。
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 做σε/tT （MPa），上角标表示温度，下角标 ε/t表示在给定的时间内产生的蠕变应变。
如： σ1/1000500= 200MPa 表示材料在500℃ 时，1000小时产生1％的蠕变极限为 200MPa。
ψ = (A0-Al)/ A0×100%
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。
塑性（plasticity）
The stress is not proportional to strain, and permanent, unrecoverable deformation
Crystalline ceramics
For crystalline ceramics, plastic deformation occurs,as with metals,by the motion of dislocation.
One reason for the hardness and brittleness of these materials is the difficulty of slip.
滞弹性（弹性后效）：材料在快速加载或快速卸 载之后，随时间的延长而产生的附加弹性应变 的性能。
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σεT （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 如σ1*10-5500 = 80MPa ，表示在500℃下，第 二阶段的稳态蠕变速率等于1*10（-5）%/h的 蠕变极限为80MPa
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).
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。
4 应力达到σb时，材料开始发生不均匀变形，形成颈 缩。应力随之迅速下降，达到σk时材料短裂。 σk叫 条件断裂强度 (rupture strength ) 。
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
最大应力下总伸长率δg t
断后伸长率δ 断面收缩率
材料施加压应力，则增加蠕变的阻力。 显微结构的影响：
气孔率增加，蠕变率也增加；晶粒尺寸减小，蠕变率越大；玻璃相随着 温度的升高，粘度降低，因而变形速率增大，即蠕变率也增加。
组成：组成不同，材料的蠕变行为不同； 晶体结构：共价键结构程度的增加，抗蠕变
性能较好。
材料的 黏弹性与滞弹性
黏弹性（Viscoelasticity）定义：材料的变形 处于理想的弹性固体和理想的黏性液体之间， 既有固体的弹性，又有液体的黏性。
For crystalline ceramic materials for which the bonding is predominantly ionic,there are very few slip systems along which dislocations may move.
This is a consequence of the electrically charged nature of the ions.
无机非金属材料的离子键和共价键具有明显的方 向性，滑移系统较少，不易发生塑性变形，延展 性一般较差。
塑性变形的机理 plastic deformation mechanisms
滑移和孪晶是晶体塑性变形的两种基本形式。 plastic deformation mechanisms for crystalline
3 外力超过σs(σ0.2)后，材料发生明显而均匀的塑性变 形，要增大应变必须提高应力。这种随变形增大，变 形抗力也增大的现象叫加工硬化(strain hardening) 或应变硬化。
应力达到σb后，材料均匀变形结束， σb叫材料的抗 拉强度(tensile strength )，是材料极限承载能力的 标志。
材料的受力形变三种情况
❖ 脆性材料(非金属材料)：只有弹性形变，无塑性
形变或塑性形变很小。
❖ 延性材料(金属材料) ：有弹性形变和塑性形变。 ❖ 弹性材料 (橡 胶) ：弹性变形很大，没有残
余形变（无塑性形变）。
金属的应力-应变曲线 工程应力-应变曲线(以低碳钢为例) 当应力低于σe时，应力与应变成正比：σ=Eε
A material that experiences very little or no plastic deformation upon fracture is termed brittle.
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.
Creep: the time-dependent plastic deformation of materials subjected to a constant load(or stress) and the temperatures greater than about 0.4Tm.
延 伸 率
➢ oa段形变是瞬时发生的和时间没有关系 ➢ 第一阶段蠕变ab，蠕变减速阶段 A为常数。
低温时n=1， Alnt；
高温时n=2/3，
1
3At3
➢ 第二阶段蠕变bc，稳态蠕变阶段
d
（常数）
K
K应t变与时间
成d正t 比
➢ 第三阶段蠕变cd，加速蠕变阶段。
应变率随时间增加，最后到d点断裂
Typical creep curve(strain vs time) three(four) distinct regions
b a 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
d 增加而加快
c 第三阶段蠕变
第二阶段蠕变
o
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 蠕变减速阶段 瞬时发生的和时间没有关系
３、方法
１）锻造 自由锻造和模膛锻造
自 由 锻 造
模 膛 锻 造
２）板料冲压（又称薄板冲压和冷冲压）
３）冷拔和冷镦
４）轧制、挤压等
２）加热时冷变形金属的组织与性能的改变
• 出现再结晶，原子重新排列。此称热变形。
• 条件：加热温度高于再结晶温度，即：
T T再＝（0.5Hale Waihona Puke Baidu0.7）T熔（K）。
On the other hand, for ceramics in which the bonding is highly covalent, slip is also difficult and they are brittle for the following reasons:(1) the covalent bonds are relatively strong;(2) there are also limited numbers of slip systems; and (3) dislocation structure are complex.
E称为弹性模量， 表示材料的刚性。 此应力范围内撤
去应力则变形完 全消失，称为弹 性变形。 σe称为弹性极限 (elastic limit) 。
2 应力超过σe时发生塑性变形，应力去除后 变形部分恢复。开始发生塑性变形的最小应力 叫屈服极限 (yeilding limit) σs。
对于无明显屈服极限的材料，规定以产生 0.2%残余变形的应力作为屈服极限，以σ0.2表 示。
For slip in some directions, ions of like charge are brought into close proximity to one another, because of electrostatic repulsion, this mode of slip is very restricted.( this is not a problem in metal; since all atoms are electrically neutral)
晶界蠕变理论
多晶陶瓷中存在大量晶界，当晶界位相差大时， 可以把晶界看成是非晶体，
因此在温度较高时，晶界的粘度迅速下降， 外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。 常温下无机材料呈脆性，不需考虑蠕变，但在
高温下，会产生不同程度的蠕变。
影响蠕变的因素
温度：温度升高，蠕变增大 应力：蠕变随着拉应力的增加而增大，若对
材料的塑性 塑性变形的机理 材料的蠕变 材料的塑性指标 材料的超塑性
利用固态金属的塑性，使其受力，改变 形状、尺寸并改善组织，性能，获得所需形状 、尺寸和可靠性能的毛坯或零件。
2、条件
１）塑性材料。低碳钢、铝、铜合金最好； ２）受力塑性变形、满足屈服条件：
σ>σs（材料屈服强度）。
are slip and twinning
无机非金属材料的离子键和共价键具有明显 的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有 个别的滑移系能满足位错运动的几何条件和 静电作用条件，不易发生塑性变形，延展性 一般较差。
高温时位错运动速度快，使得Al2O3等在室 温下不易滑移的脆性材料，在温度大于 1000℃以上，也能产生一定程度的塑性变 形。
Rather, these materials deform by viscous flow, the same manner in which liquids deform; the rate of deformation is proportional to the applied stress.
Non-crystalline ceramics
Plastic deformation does not occur by dislocation motion for Non-crystalline ceramics because there is no regular atomic structure.
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）
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
蠕变（Creep）：指在恒定的应力作用下，材 料的应变随时间增加而逐渐增大的现象。
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 做σε/tT （MPa），上角标表示温度，下角标 ε/t表示在给定的时间内产生的蠕变应变。
如： σ1/1000500= 200MPa 表示材料在500℃ 时，1000小时产生1％的蠕变极限为 200MPa。
ψ = (A0-Al)/ A0×100%
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。
塑性（plasticity）
The stress is not proportional to strain, and permanent, unrecoverable deformation
Crystalline ceramics
For crystalline ceramics, plastic deformation occurs,as with metals,by the motion of dislocation.
One reason for the hardness and brittleness of these materials is the difficulty of slip.
滞弹性（弹性后效）：材料在快速加载或快速卸 载之后，随时间的延长而产生的附加弹性应变 的性能。
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σεT （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 如σ1*10-5500 = 80MPa ，表示在500℃下，第 二阶段的稳态蠕变速率等于1*10（-5）%/h的 蠕变极限为80MPa
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).
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。
4 应力达到σb时，材料开始发生不均匀变形，形成颈 缩。应力随之迅速下降，达到σk时材料短裂。 σk叫 条件断裂强度 (rupture strength ) 。
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
最大应力下总伸长率δg t
断后伸长率δ 断面收缩率
材料施加压应力，则增加蠕变的阻力。 显微结构的影响：
气孔率增加，蠕变率也增加；晶粒尺寸减小，蠕变率越大；玻璃相随着 温度的升高，粘度降低，因而变形速率增大，即蠕变率也增加。
组成：组成不同，材料的蠕变行为不同； 晶体结构：共价键结构程度的增加，抗蠕变
性能较好。
材料的 黏弹性与滞弹性
黏弹性（Viscoelasticity）定义：材料的变形 处于理想的弹性固体和理想的黏性液体之间， 既有固体的弹性，又有液体的黏性。
For crystalline ceramic materials for which the bonding is predominantly ionic,there are very few slip systems along which dislocations may move.
This is a consequence of the electrically charged nature of the ions.
无机非金属材料的离子键和共价键具有明显的方 向性，滑移系统较少，不易发生塑性变形，延展 性一般较差。
塑性变形的机理 plastic deformation mechanisms
滑移和孪晶是晶体塑性变形的两种基本形式。 plastic deformation mechanisms for crystalline
3 外力超过σs(σ0.2)后，材料发生明显而均匀的塑性变 形，要增大应变必须提高应力。这种随变形增大，变 形抗力也增大的现象叫加工硬化(strain hardening) 或应变硬化。
应力达到σb后，材料均匀变形结束， σb叫材料的抗 拉强度(tensile strength )，是材料极限承载能力的 标志。
材料的受力形变三种情况
❖ 脆性材料(非金属材料)：只有弹性形变，无塑性
形变或塑性形变很小。
❖ 延性材料(金属材料) ：有弹性形变和塑性形变。 ❖ 弹性材料 (橡 胶) ：弹性变形很大，没有残
余形变（无塑性形变）。
金属的应力-应变曲线 工程应力-应变曲线(以低碳钢为例) 当应力低于σe时，应力与应变成正比：σ=Eε
A material that experiences very little or no plastic deformation upon fracture is termed brittle.
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.
Creep: the time-dependent plastic deformation of materials subjected to a constant load(or stress) and the temperatures greater than about 0.4Tm.
延 伸 率
➢ oa段形变是瞬时发生的和时间没有关系 ➢ 第一阶段蠕变ab，蠕变减速阶段 A为常数。
低温时n=1， Alnt；
高温时n=2/3，
1
3At3
➢ 第二阶段蠕变bc，稳态蠕变阶段
d
（常数）
K
K应t变与时间
成d正t 比
➢ 第三阶段蠕变cd，加速蠕变阶段。
应变率随时间增加，最后到d点断裂
Typical creep curve(strain vs time) three(four) distinct regions
b a 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
d 增加而加快
c 第三阶段蠕变
第二阶段蠕变
o
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 蠕变减速阶段 瞬时发生的和时间没有关系
３、方法
１）锻造 自由锻造和模膛锻造
自 由 锻 造
模 膛 锻 造
２）板料冲压（又称薄板冲压和冷冲压）
３）冷拔和冷镦
４）轧制、挤压等
２）加热时冷变形金属的组织与性能的改变
• 出现再结晶，原子重新排列。此称热变形。
• 条件：加热温度高于再结晶温度，即：
T T再＝（0.5Hale Waihona Puke Baidu0.7）T熔（K）。
On the other hand, for ceramics in which the bonding is highly covalent, slip is also difficult and they are brittle for the following reasons:(1) the covalent bonds are relatively strong;(2) there are also limited numbers of slip systems; and (3) dislocation structure are complex.
E称为弹性模量， 表示材料的刚性。 此应力范围内撤
去应力则变形完 全消失，称为弹 性变形。 σe称为弹性极限 (elastic limit) 。
2 应力超过σe时发生塑性变形，应力去除后 变形部分恢复。开始发生塑性变形的最小应力 叫屈服极限 (yeilding limit) σs。
对于无明显屈服极限的材料，规定以产生 0.2%残余变形的应力作为屈服极限，以σ0.2表 示。
For slip in some directions, ions of like charge are brought into close proximity to one another, because of electrostatic repulsion, this mode of slip is very restricted.( this is not a problem in metal; since all atoms are electrically neutral)
晶界蠕变理论
多晶陶瓷中存在大量晶界，当晶界位相差大时， 可以把晶界看成是非晶体，
因此在温度较高时，晶界的粘度迅速下降， 外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。 常温下无机材料呈脆性，不需考虑蠕变，但在
高温下，会产生不同程度的蠕变。
影响蠕变的因素
温度：温度升高，蠕变增大 应力：蠕变随着拉应力的增加而增大，若对