一4塑性变形及其性能指标

霍尔-配奇公式： σ s=σ i+kyd-1/2
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4.3.2.1 晶界与亚晶界
亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界 。
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4.3.3 溶质元素
固溶合金中，由于溶质与溶剂原子直径不同，在 溶质原子周围形成晶格畸变应力场。 该力场与位错应力场产生交互作用，使位错运动 受阻，从而使屈服强度提高产生固溶强化。
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4.2 屈服现象与屈服强度
4.2.1 屈服现象
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4.2.1.1 屈服现象的描述
拉伸过程中，外力不增加试样仍然继续增长；
或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外
力不增加或上下波动的情况下试样可以继续伸长
变形，此现象就为材料的屈服现象。
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4.2.1.2 屈服点
材料在拉伸屈服时对应的应力值为屈服点。
回忆：力—伸长曲线
不均匀集 中塑性变 形
屈服塑 性变形
弹性变形 阶段
均匀塑 性变形
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4.1 塑性变形机理
材料的塑性变形：是微观结构的相邻部分 产生永久性位移，但并不引起材料破裂的 现象。
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4.1.1 金属材料的塑性变形
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4.1.1.1 金属材料变形的机理
晶体的滑移
晶体的孪生
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4.1.1.4 多晶体金属材料的塑性变形
（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性。 （2）各晶粒变形的互相协调性。
多晶体材料的塑性变形
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多晶体晶界对变形的阻碍作用：
（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量 缺陷。 （ 2 ）晶界对变形的影响 : 滑移、孪生多终止于晶 界,极少穿过。
位错是一种线缺陷,它是晶体中 某处一列或若干列原子发生了 有规律错排现象。
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刃型位错
刃形位错可以看作是由于在y轴的上半部分插入了一片 额外的原子面所产生。这个原子面的插入使上半部分晶 体中的原子受到挤压，而使下半部分晶体中的原子受到 拉伸。
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刃型位错的运动
位错在剪应力下沿着滑移面移动，这个应力趋向于使样 品的上表面向右移动。
（6）滑移时晶体发生转动。
①位向和晶面的变化：
拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向; 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。
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② 滑移的临界分切应力（c）
(外力在滑移方向上的分解)
c：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。
c＝s cos cos ③ 取向因子的变化：
几何硬化：，远离45，滑移变得困难；
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4.1.4 高分子材料的塑性变形
结晶态高分子塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列 的微纤维束并伸展的过程。
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4.1.1.1非结晶态高分子的塑性变形有两种方式
① 在正应力作用下形成银纹（非晶态高分子材料塑
性变形的主要变形机理）
② 在切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的
纤维束。
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小结
金属材料的屈服强度是一个对成分、组织、 应力状态、温度等极为敏感的力学性能。 改变金属材料的成分或热处理都可使屈服 强度产生明显变化。
对金属材料感兴趣的同学可以参考金属学方 面的参考书和资料。
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4.5 应变硬化
定义：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后， 随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象称 为应变硬化。 应变硬化是材料阻止继续塑性变形的一种力学性
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4.1.2 陶瓷材料的塑性变形
陶瓷材料一般呈多晶状态。 陶瓷材料中还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。 陶瓷材料中的位错不易向周围晶体传播，所以 陶瓷很难进行塑性变形；更易在晶界处积累而 产生应力集中，形成裂纹引起断裂。
Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱGO
4.1.3 非晶态材料的塑性变形 非晶态玻璃材料，不存在晶体中的滑移和孪生的 变形，它们的永久变形是通过分子位置的热激活 交换来进行的，属于粘性流动变形机制，塑性变 形需要在一定的温度下进行，故普通无机玻璃在 室温下没有塑性。
（2）孪生是一种均匀切变，即切变区内与孪晶面平行的 每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一 定的距离，且每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与 孪生面的距离成正比。
（3）孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。
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③ 孪生与滑移有如下差别：
(1)孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只集中在一些滑移 面上进行。 (2)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。 (3)与滑移系类似，孪生要素也与晶体结构有关，但同一结构的孪 晶面、孪生方向与滑移、滑移方向可以不同。 (4)孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多，孪生本身提供的变形量 很小，但能改变滑移面方向使新滑移系开动。
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螺位错及运动
滑移面的一部分ABEF沿平行于位错线EF的方向发生了 滑移。
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（3）由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变 形量，因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原 子间距的整数倍。
（4）滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面) 和其上密度最大的晶向(密排方向)进行，这是由于密排 面之间、密排方向之间的间距最大，结合力最弱，点阵 阻力最小，因此滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为 该面上的密排方向。
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4.6.1 缩颈
描述：一些金属材料和高分子材料在拉伸时，变 形集中于局部区域的特殊状态，它是在应变硬化 与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑 性变形的发展，使变形集中于试样局部而产生的。
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4.6.2 产生缩颈的工程应力
应变硬化 系数K
应变硬化 指数n
n b K e
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4.2.2.3 屈服强度的应用
屈服强度是工程技术上最重要的力学性能 指标之一。
作为防止过量塑性变形的参考依据。 根据屈服强度与抗拉强度比的大小，衡量材 料进一步产生塑性变形的倾向。如：金属冷 加工和防止脆断。
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4.3 影响金属材料屈服强度的因素 4.3.1 晶体结构 金属材料的屈服过程主要是位错的运动。 纯金属单晶体的屈服强度从理论上讲是位错 开始运动所需的临界切应力，由位错运动所 受的各种阻力决定，包括：晶格阻力、位错 间交互作用产生的阻力等。
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（5）一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个 滑移系。 滑移系的个数 :( 滑移面个数）×（每个面上所具 有的滑移方向的个数） 滑移系数目与材料塑性的关系：
（1）一般滑移系越多，塑性越好；
（2）与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；
（3）与同时开动滑移系数目有关（c）。
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4.3.3.1 固溶强化实例
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固溶强化的影响因素：
① 溶质原子含量越多，强化效果越好； ② 溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好； ③ 溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好；
④ 间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。
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4.4.4 第二相
软基体＋硬第二相
弥散强化
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4.2.1.2 屈服现象形成的原因
1. 晶体
b
ε塑性应变速率，ρ 可动位错密度，v位错运动平均速率

/

0
m'
Г 沿滑移面上的切应力
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2. 高分子材料的屈服机理 晶态高分子材料，屈服是薄晶转变为沿应 力方向排列的微纤维束的过程； 非晶态高分子材料，屈服是正应力作用下 银纹和剪切力作用局部区域的无取向分子 链成为有一定规则排列的纤维组织的过程。
孪晶与未变形部分晶体原子以孪晶面为对称面成镜面对称关系。 孪生所需的临界切应力比滑移的大得多，孪生只在滑移很难进行
的情况下才发生。
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② 晶体孪生的特点
（1）孪生变形也是在切应力作用下发生的，并通常出现 于滑移受阻而引起的应力集中区，因此，孪生所需的临 界切应力要比滑移时大得多，只有在滑移过程很困难时， 晶体才发生孪生。
几何软化；，接近45，滑移变得容易。
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2. 晶体的孪生
孪生：在切应力作用下 晶体一部分相对于一定 晶面（孪生面）和晶向 （孪生方向）发生切变 的变形过程。 孪晶与未变形的基体间 以孪晶面为对称面成镜 面对称关系 。
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①
孪晶中的晶格位向变化
发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。
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* ① 滑移的位错机制
实际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算值低 3～4个数量级，表明晶体滑移并不是晶体的一部分相 对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位 错在滑移面上运动来逐步地进行的。 晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发生，这说明 位错的运动要克服阻力。位错运动的阻力首先来自点阵 阻力。
碳钢有较高的加工硬化指数n，n约为0.2。 汽车身板铝合金化 ，其
n值较低，冷加工或冲压性能差 2)对于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，是零件安 全使用的可靠保证。 3)形变强化是提高材料强度的重要手段。
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4.6 抗拉强度与缩颈条件
抗拉强度标志着材料在承受拉伸载荷的实际 承载能力。
位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍位 错运动） 位错绕过第二相粒子（粒子、位错环阻碍位错运动）
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4.4.5 温度
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4.4.6 应变速率与应力状态
在应变速率较高的情况下，金属材料的屈 服应力将显著升高。 应力状态的影响：切应力分量越大，越有 利于塑性变形，屈服强度就越低。
规定残余伸长应力σ r：指试样卸除拉伸力后，其 标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比 时的应力。
规定总伸长应力σ t：指试样标距总伸长（弹性伸 长加塑性伸长）达到规定的原始标距百分比时的 应力。
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4.2.2.2 高分子的屈服强度
高分子材料的屈服点通常把拉伸曲线上出 现最大应力的点定义为屈服点。 如拉伸曲线上没出现极大值，则定义应变 2%处的应力为屈服强度。
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② 位错
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③ 位错立体图
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4.3.1.1 位错间的交互作用产生的阻力类型
（1）平行位错间交互作用产生的阻力；
（2）运动位错与林位错间交互作用产生的 阻力。
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4.3.2 晶界与亚结构
多晶体材料中晶界是位错运动的重要障碍，晶界 越多，对材料屈服强度的提高贡献越大。 晶界增多晶粒内位错塞积的长度将缩短，其应力 集中程度不足以推动相邻晶粒内的位错滑移。
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4.2.2 屈服强度
定义：材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵 抗起始塑性变形或产生微量变形的能力，这一应 力值就成为材料的屈服强度。 下屈服点σ sl重复性好，通常把作为σ sl屈服
强度： σ sl=Fsl/A0
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4.2.2.1 条件屈服强度
对看不到明显屈服现象的材料，屈服强度人为按 标准确定。称为条件屈服强度。
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1. 晶体的滑移
滑 移
滑移是晶体一部分沿一定的晶面（滑移面） 和晶向（滑移方向）相对于另一部分作相对 移动。
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①滑移平面图
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②滑移立体图
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③ 滑移特点
（1）滑移只能在切应力作用下才会发生，不同金属产生 滑移的最小切应力（称滑移临界切应力）大小不同。钨、 钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。 （2）滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。 滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动，而 是通过位错的运动来实现的。
n
缩颈应力唯一地依赖于材料的应变硬化系数K和应 变硬化指数n（等于最大载荷点的真应变eb）。
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4.7 塑性变形的评价和表征
塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。
同学们知道塑性变形的用处吗？
最大应力下非比例伸长率δ
g
指标：伸长率
最大应力下总伸长率δ 断后伸长率δ
gt
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纳米铜的室温超塑性
能。绝大部分金属和高分子材料具有应变硬化。
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应变硬化的利弊
利 强化金属的重要途径； 提高材料使用安全性； 材料加工成型的保证。 变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高。
弊
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＊ 4.5.1 加工硬化指数n的实际意义
反映了材料开始屈服以后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定 了材料开始发生颈缩是的最大应力。（σb或Sb） 1)金属的加工硬化指数（能力），对冷加工成型工艺是很重要的。低
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精品课件！
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精品课件！
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