2011塑性变形机制(1)
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塑性力学(一)
（四）学习塑性力学的基本方法 塑性力学是连续介质力学的一个分支，故研 究时仍采用连续介质力学中的假设和基本方法。 (1) 受力分析及静力平衡条件(力的分析) 对一点单元体的受力进行分析。若物体受力作用 ，处于平衡状态，则应当满足的条件是什么？（静力 平衡条件）
(2) 变形分析及几何相容条件(几何分析) 材料是连续的，物体在受力变形后仍应是连续 的。固体内既不产生“裂隙”，也不产生“重叠”。则 材料变形时，对一点单元体的变形进行分析，应满 足的条件是什么？（几何相容条件） (3)力与变形间的本构关系 (物理分析) 固体材料受力作用必然产生相应的变形。不同的 材料，不同的变形，就有相应不同的物理关系。则对 一点单元体的受力与变形间的关系进行分析，应满足 的条件是什么？（物理条件，也即本构方程。）
（一）σ-ε曲线的简化 （二）σ-ε的关系式（分为三个不同的状态）
鉴于学习塑性力学问题的复杂性，通常在塑性理 论中要采用简化措施。为此得到基本上能反映材料的 力学性质，又便于数学计算的简化模型。 （一）σ-ε曲线的简化 理想弹塑性模型（软钢） 分段模型 大致分为两类： 连续模型 线性强化弹塑性模型 幂次强化模型 R-O模型
（6）包氏效应
卸载后，如果进行反向加载 （拉伸改为压缩）首先出现压缩 的弹性变形，后产生塑性变形， 但这时新的屈服极限将有所降 低，即压缩应力应变曲线比通常 的压缩试验曲线屈服得更早了。 这种由于拉伸时的强化影响到压 缩时的弱化现象称为包辛格 (Bauschinger)效应 (一般塑性理 论中都忽略它的影响) 。
小结： 由两个实验我们得到了四个结论： 1）应力－应变关系不再一一对应，且一般是非线性 的。 2）应力－应变的多值性。（出现卸载时） 3）在静水压力作用下，体积的改变都是弹性变形， 没有塑性变形。 4）在静水压力作用下，材料的塑性行为不受影响。
[工学]金属塑性变形与轧制原理ppt20113
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0.2 金属塑性成形方法的分类 0.2.1按温度特征分类 1.热加工： 在充分再结晶温度以上的温度范围内所完成的加工过 程，T=0.75∽0.95T熔 。 2.冷加工： 在不产生回复和再结晶温度以下进行的加工T=0.25T熔 以下。 3.温加工 ：介于冷热加工之间的温度进行的加工. 0.2.2按受力和变形方式分类 由压力的作用使金属产生变形的方式有锻造、轧制和挤压 1.锻造：用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使金属进行塑性变 形的过程。 分类： 自由锻造：即无模锻造，指金属在锻造过程的流动不受工具限制 （摩擦力除外）的一种加工方法。 模锻：锻造过程中的金属流动受模具内腔轮廓或模具内壁的严格 控制的一种工艺方法。
m 1 2 3
3
B
1.7变形速度 变形速度：变形程度对时间的变化率，或者说是应变对时间的变化率。
d dt
s
1
一般用最大主变形方向的变形速度来表示各种变形过程的变形速度。 如轧制和锻压时用高向变形速度表示 v y hx
锻压
2vy H h H v y ln h H h
4．拉拔 金属通过固定的具有一定形状的模孔中拉拔出来，从而使金属断面缩小 长度增加的一种加工方法。 拉拔法具有以下特点: ①拉拔方法可以生产长度较大、直径极小的产品,并且可以保证沿整个长 度上横断面完全一致； ②拉拔制品形状和尺寸精确,表面质量好； ③拉拔制品的机械强度高； ④拉拔方法的缺点是每道加工率较小,拉拔道次较多，能量消耗较大。 5．冲压 （拉延） 压力机的冲头把板料顶入凹模中进行拉延，加工方法如图，用来生产薄 壁空心制品，如子弹壳，各种仪表器件、器皿及锅碗盆勺等。
轧制
2v
H h R H h
第六章金属材料塑性变形(1)
第六章金属材料塑性变形(1)
第2节 多晶体金属的塑性变形
一、多晶体的塑性变形特点
1.不均匀的塑性变形过程
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。施密特因子较大(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
第6章 金属材料的塑性变形
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形
一、滑移变形的概念 二、滑移与切应力 三、滑移与位错的运动
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 一、滑，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)的一定
滑移方向上的分切应力为：
称为施密特定律，τc是一常数，但 材料的屈服强度σs则随拉力轴相对 于晶体的取向不同而不同，即晶体
材料存在各向异性。
第六章金属材料塑性变形(1)
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 三、滑移与位错的运动
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 三、滑移与位错的运动
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，即施密特因子较小
(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。
第六章金属材料塑性变形(1)
方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑
动。
第六章金属材料塑性变形(1)
第2节 多晶体金属的塑性变形
一、多晶体的塑性变形特点
1.不均匀的塑性变形过程
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。施密特因子较大(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
第6章 金属材料的塑性变形
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形
一、滑移变形的概念 二、滑移与切应力 三、滑移与位错的运动
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 一、滑，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)的一定
滑移方向上的分切应力为：
称为施密特定律，τc是一常数，但 材料的屈服强度σs则随拉力轴相对 于晶体的取向不同而不同，即晶体
材料存在各向异性。
第六章金属材料塑性变形(1)
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 三、滑移与位错的运动
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 三、滑移与位错的运动
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，即施密特因子较小
(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。
第六章金属材料塑性变形(1)
方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑
动。
第六章金属材料塑性变形(1)
2011塑性变形机制(1)解析
在300℃ 拉伸的锌单晶体
工业纯铁压缩变形——滑移线（电镜下）
滑移线（Slip Line）：滑移带中的细线．滑移线是滑移面两侧 晶体相对滑动所造成的。滑移带和滑移线间的晶体片层并未 发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动。 滑移层(Slip Lamina)：相邻滑移线间的晶体片层． 滑移量( Slippage)：每条滑移线所产生的台阶高度．
全程性：持续至断裂前。 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。
塑性变形（Plastic Deformation）
不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 变形先后顺序：先发生弹性变形，后发生塑性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此，
沿滑移面滑移方向上的分切应力； 能够引起滑移系开动的分切应力.
A0
滑移方向
SS
A
外力在滑移方向的分切应力
φ---滑移面法线与横截面法线间夹角； λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角.
横截面A0上的正应力: P
A0 滑移面A上的全应力: S P P cos cos
A A0
滑移面上沿滑移方向的分切应力:
11
滑移系(Slip System):
一个滑移面和其上的一个 滑移方向构成一个滑移系。 具体晶体中滑移系是有限 的。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格
体心立方晶格
面心立方晶格
滑移面 {110}
滑移 方向
{111} {110}
{111}
密排六方晶格
滑移系
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀，并且能承受的 一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更 大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好 于密排六方晶格。
工业纯铁压缩变形——滑移线（电镜下）
滑移线（Slip Line）：滑移带中的细线．滑移线是滑移面两侧 晶体相对滑动所造成的。滑移带和滑移线间的晶体片层并未 发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动。 滑移层(Slip Lamina)：相邻滑移线间的晶体片层． 滑移量( Slippage)：每条滑移线所产生的台阶高度．
全程性：持续至断裂前。 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。
塑性变形（Plastic Deformation）
不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 变形先后顺序：先发生弹性变形，后发生塑性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此，
沿滑移面滑移方向上的分切应力； 能够引起滑移系开动的分切应力.
A0
滑移方向
SS
A
外力在滑移方向的分切应力
φ---滑移面法线与横截面法线间夹角； λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角.
横截面A0上的正应力: P
A0 滑移面A上的全应力: S P P cos cos
A A0
滑移面上沿滑移方向的分切应力:
11
滑移系(Slip System):
一个滑移面和其上的一个 滑移方向构成一个滑移系。 具体晶体中滑移系是有限 的。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格
体心立方晶格
面心立方晶格
滑移面 {110}
滑移 方向
{111} {110}
{111}
密排六方晶格
滑移系
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀，并且能承受的 一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更 大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好 于密排六方晶格。
材料力学性能-第一章-塑性变形(1)
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
滑移面－原子最密排的晶面 滑 移
滑移方向－原子最密排方向 系
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 <110>
(111)
体心立方
面心立方
密排六方
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
例如，温度升高时，bcc金属可能沿{112}及 {123}滑移，这是由于高指数晶面上的位错源容 易被激活。轴比为1.587的钛(hcp)中含有氧和氮 等杂质时，若氧含量为0.1％，滑移面为(1010)， 当氧含量为0.01％时，滑移面变为(0001)。由于 hcp金属只有三个滑移系，所以其塑性较差，并 且这类金属塑性变形程度与外加应力方向有很大 关系。
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 τ
图1-15 晶体中通 过位错运动造成 滑移的示意图
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
位错运动过程中滑移面上原子位移情况如
图1-16所示。当晶体通过位错运动产生滑移时，
只在位错中心的少数原子发生移动，而且它们
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 滑移变形的特点： 滑移只能在切应力作用下发生，产生 滑移的最小切应力称为临界切应力；
滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面 和晶向发生，这是因为原子密度最大的 晶面和晶向之间的间距最大，原子结合 力最弱，产生滑移所需切应力最小。
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
为了降低两个不全位错间
2011《模具寿命与材料》知识总汇
一、模具特点：1生产效率高2有利于自动化生产3产品互换性好4少、无切削加工、省材料5质量、精度高二、模具成型工艺：1 锻模：（1）镦锻—冷镦、温镦、热镦，热锻—模锻、胎模锻2挤压3拉拔：拉丝、拔管4冲压：分离、成形5压铸6塑料成形：模压成型、挤压成型、塑料成型三、模具的分类：1按再结晶温度分：冷变形模具、温变形、温变形模具2按模具加工的坯的工作温度分：热作模具、冷作模具、温作模具3按成形的材料分：1金属成形用模具2非金属成形用模具五、模具的设计时间T1：从模具设计到模具所有工艺文件、图样完成所用的时间，称模具设计时间T1。
六、模具的制造时间T2：模具从制造开始到初次使用时所用的时间，称为T2。
七模具的安装、调试时间T3：模具制造出来后，装在相应生产设备上，调试生产第一件合格产品所用的时间，称为模具的安装、调试时间T3。
八模具的修复及维护时间T4：模后，暂时性地失去功能或为了维护所用的时间，称为模具的修复及维护时间T4。
T4包含拆卸、重新装在设备上所用的时间。
九、模具的工作时间T5:模具在设备上生产出合格产品所模具的工作时间T5。
十、模具寿命与生产关率：减少模具的装配和修模次数与时间，提高模具的首次寿命与修复寿命，都能起到提高生产率的作用；设备工作节奏越快，模具寿命对生产率的影响就越大。
大批量生产时，缩短制模时间，采用快换模装置，缩短装模时间，减少修复次数，将增加工作时间整个时间的相对比例，会有效地提高生产率。
模具寿命的影响因素“1.凹圆角半径要小，几何形状：凹模角度一定时，挤压力越小，模具寿命越高。
模具结构形式：采用组合式模具。
导向装置的模具十一、1模具服役：模具安装调试后，正常生产合格产品的过程叫模具服役。
模具损伤：模具在使用过程中，出现尺寸变化或微裂纹，但没有立即丧失服役能力的状态叫模具损伤。
模具失效：模具受到损坏，不能通过修复而继续服役时叫模具失效。
广义的来讲，模具失效是指一套模具完全不能再用，生产中一般指模具的主要工作件不能再用。
材料的塑性变形1
滑移：指晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向 （滑移方向）相对于另一部分发生滑动的现象。
8
2、滑移系 金属材料在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变
过程。 滑移面：面间距最大原子最密排晶面。 滑移方向：原子最密排的方向。 一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。
滑移系越多，金属的塑性越好，但并不是唯一因素。 金属的塑性还受温度、成分和预先变形程度等的影响。
24
滑移：是靠位错沿滑移面的运动而实现的。 当位错移动到晶体表面时，便产生大小为 b 的滑移台阶，若
有大量位错沿滑移面上运动到表面，宏观上，晶体的一部分 相对另一部份沿滑移面发生了相对位移，这便是滑移。 滑移矢量与柏氏矢量 b 平行。
刃位错的滑移过程 a）原始态晶体，b，c）位错滑移中间阶段；d）位错移出晶体表面，形成一个台阶
上有2个滑移方向，共有6×2=12 滑移系。
11
bcc金属的滑移系：除｛110｝晶面族外，也可为｛112｝和 ｛123｝晶面族，此三种滑移面及其共同的滑移方向<111> 的组合，总共有48个可能的滑移系。
bcc金属滑移系虽较多（为fcc 4 倍多），但其滑移面原子密 排程度不如 fcc ，滑移方向数目也较少，故其塑性不如fcc金 属好。
即为滑移的临界分切应力定律。
c－临界切应力，为材料常数，
与晶体取向无关。
22
转动原因：晶体滑移后使正应力和切应力分量组成了力偶。 转动结果：使滑移面法线与外力轴夹角φ增大，使外力与滑
移方向夹角λ变小。
23
6、滑移机理: 若将滑移设想为刚性整体滑动，所
需理论临界切应力值比实测临界切 应力值大3～4个数量级。 实际上，滑移是通过滑移面上位错 的运动来实现的。
8
2、滑移系 金属材料在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变
过程。 滑移面：面间距最大原子最密排晶面。 滑移方向：原子最密排的方向。 一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。
滑移系越多，金属的塑性越好，但并不是唯一因素。 金属的塑性还受温度、成分和预先变形程度等的影响。
24
滑移：是靠位错沿滑移面的运动而实现的。 当位错移动到晶体表面时，便产生大小为 b 的滑移台阶，若
有大量位错沿滑移面上运动到表面，宏观上，晶体的一部分 相对另一部份沿滑移面发生了相对位移，这便是滑移。 滑移矢量与柏氏矢量 b 平行。
刃位错的滑移过程 a）原始态晶体，b，c）位错滑移中间阶段；d）位错移出晶体表面，形成一个台阶
上有2个滑移方向，共有6×2=12 滑移系。
11
bcc金属的滑移系：除｛110｝晶面族外，也可为｛112｝和 ｛123｝晶面族，此三种滑移面及其共同的滑移方向<111> 的组合，总共有48个可能的滑移系。
bcc金属滑移系虽较多（为fcc 4 倍多），但其滑移面原子密 排程度不如 fcc ，滑移方向数目也较少，故其塑性不如fcc金 属好。
即为滑移的临界分切应力定律。
c－临界切应力，为材料常数，
与晶体取向无关。
22
转动原因：晶体滑移后使正应力和切应力分量组成了力偶。 转动结果：使滑移面法线与外力轴夹角φ增大，使外力与滑
移方向夹角λ变小。
23
6、滑移机理: 若将滑移设想为刚性整体滑动，所
需理论临界切应力值比实测临界切 应力值大3～4个数量级。 实际上，滑移是通过滑移面上位错 的运动来实现的。
材料的塑性变形1
29
如：沿 fcc 晶体[001]方向施加外力，力轴与四个{111}面的 夹角均为54.7°，力轴和四个<110>方向的夹角均为45°。此 时就会有几个滑移系同时产生滑移（多滑移）。
30
若发生双滑移或多系滑移，在表面上所见到的滑移线就不再 是一组平行线，会出现二组或多组的交叉形的滑移带。
铝在双滑移时产生的交叉形滑移带
35
二、孪生变形
孪生：在切应力作用下，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。此切变并未使晶体点 阵发生变化，但却使切变区晶体取向与未切变区晶体呈镜 面对称。
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。
36
孪生变形： 发生切变的部分称孪生带或孪晶， 均匀切变区与未切变区的分界面称为孪晶界。 发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面； 孪生面的移动方向称为孪生方向。
不锈钢中的交叉滑移带
31
2）交滑移： 交滑移：是指两个或多个滑移面沿同一个滑移方向滑移。 交滑移实质：是螺位错在不改变滑移方向的情况下，从一个
滑移面滑到交线处，转到另一个滑移面的过程。 交滑移：表面滑移线是弯曲的折线，而不再是平直的。
螺位错XY的交滑移 a）滑移面为A面，b）交滑移到B面，c）再次滑移到A面
25
螺位错的滑移： 位错线向左移动一个原子间距，则晶体因滑移而产生的台阶
亦扩大了一个原子间距。
螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程 （a）原始状态的晶体；（b）（c）位错滑移中间阶段；（d）位错移出晶体表面，形成一个台阶。
26
晶体通过位错运动产生滑移时，只是位错中心的少数原子发 生移动，其移动距离远小于一个原子间距，因而所需临界切 应力小，这种现象称作位错的易动性。
第二章 材料的变形——塑性变形1
许多滑移系并非同时参与滑移。只有当外力 在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值 时，该滑移系方可首先发生滑移，该分切应 力称为滑移的临界分切应力。 沿滑移面滑移方向的分切应力； 能够引起滑移系开动的分切应力。
切应力的作用下，晶格发生弹性外扭，进一步将使晶格发生滑 移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶体不能恢 复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的滑移将得到 宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台阶。
向(孪生方向)发生切变，形成对称的晶格排列，发生切变
部分叫做孪生带，或简称为孪晶。切变部分和未切变部分 呈镜面对称，对称面为孪生面。
孪生变形的特点
孪生需要的临界切应力很大，仅在滑移困难时才会发 生。一般孪生出现在滑移系很少的晶体结构的材料中 (如密排六方晶格金属)；某些容易发生滑移的立方材 料仅在低温度滑移困难或受冲击时来不及滑移时才可 能产生孪生。 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，移动量都相同。
滑移、孪生、蠕变、晶界滑动。
2.1 滑移
单晶体的塑性变形的主要方式是滑移和
孪生。其中滑移是最基本、最普遍的塑 性变形方式，孪生只是在滑移难以进行 的情况下出现。
单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸，试样表
面就会出现一系列平行的变形痕迹。 光镜观察，试样表面形成的浮凸，由一系列 滑移迹线组成，称为滑移带。
就越来越大。
此外，塑性变形也会导致晶格畸变，使外力和滑移面的相 对位向也会发生变化。使开动位错所需应力增大。
பைடு நூலகம்
2.2孪生变形
——孪晶：两个晶体或者晶体的两个部分沿
一个公共晶面构成镜面堆成的位向关系
金属塑性变形与轧制原理ppt2011.3
x x m , y m , z z m y
1.9应力与应变的关系 弹性变形时应力与应变的关系：由材料力学知,单向应力状态时的应力与应变 关系是虎克定律,一般应力状态的各向同性材料,应力与应变关系服从广义虎克定律:
1 [ x ( y z )] E 1 y [ y ( z x )] E 1 z [ z ( x y )] E
1.2直角坐标系中一点的应力状态
应力状态：过一点所有不同方位的截面上的应力集合称为该点的应力状态。 取六面体中三个相互垂直的表面作为微分面，如果这三个微分面上的应力为已知， 则该单元体任意方向上的应力分量都可以定出。这就是说，可以用质点在三个相互 垂直的微分面上的应力完整地描述该质点的应力状态。 三个相互垂直微分面上的应力都可以按坐标轴的方向分成三个分量。三个应力 分量中有一个是正应力分量另外两个则是剪应力分量 ABCD面叫x面，CDEF面叫y面，CFGB面叫z面。 每个应力分量的符号都带有两个下角标。第一个角标表示该应力分量的作用面， 第二个角标则表示它的作用方向
2v H h R H h
hx
轧制
拉伸
l lL L ln
vy
1.8球应力分量与偏差应力分量 一般来说,物体的变形可以看作是体积变形和形状变形的总和.因此,一点的应力状 态可分为两部分: 1.体积变化的应力分量,称之为球应力分量或静水压力分量. 2.物体几何形状变化的应力分量,称之为偏差应力分量. 球应力分量仅引起物体体积变化,偏差应力分量引起物体形状变化. 1 m ( 1 2 3 ) 3
x y z
斜面上的）主应力：没有剪应力的微分面称为过该点的主平面,主平面上的正应力 称为主应力。主平面的法线方向称为该点应力主方向或应力主轴。对应于任一 点的应力状态，一定存在相互垂直的三个主方向、三个主平面和三个主应力。 若选三个相互垂直的主方向作为坐标轴，那么可以使问题大为简化。三个主应 力用σ1 、σ2 、σ3 表示。 （2）主应力图示：表示一点的主应力大小和方向的应力状态图示。主应力 图示有九种。四个为三向主应力图，三个为平面主应力图，二个单向主应力图 示如下图
第二节 弹性变形和塑性变形-1
产生原因：在应力作用下-溶质原子有序分布某一 晶向附加应变或者变形不均匀引起温度梯度变化 由热胀冷缩引起的附加应变。 长期承受载荷的测力弹簧（正弹性后效影响）；
油压表测力弹簧；经过较直的工件-变弯-反弹性后 效。
（2）弹性滞后
------ 非瞬间加载条件下的弹性后效。
加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回 线 ------ 弹性滞后环
铍青铜 抗拉强度(Mpa):1105 屈服强度(0.2%)Mpa:1035
有色金属弹性之王
5.弹性不完善性
（1）弹性后效 Elastic aftereffect
瞬间加载------正弹性后效
瞬间卸载------负弹性后效
e
e
1
e1
e1
e2
e1
e2 e2
0
t0
t0
t
实际的弹性材料在不同程度上普遍存在弹性后效和弹性
滞后现象。
这两种现象在弹性元件的工作过程中是相随出现的，其后果是降低元 件的品质因素并引起测量误差和零点漂移，在传感器的设计中应尽量 使它们减小。
影响因素：
（1）起始塑性变形的非同时性有关（材料 组织不均性、固溶体浓度等）；
（2）外在服役条件。如温度升高，弹性后 效速度加快。
（3）应力状态。应力状态柔度越大，弹性 后效现象越显著。
given metalcal Nanoindenter in
(111) Copper. All
particles in ideal lattice
positions are omitted and
the color code refers to
如卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，因为在反 向路径上，像林位错这类障碍数量较少，而且也不一定 恰好位于滑移位错运动的前方，故位错可以再较低应力 下移动较大距离，即第二次反向加载，规定残余伸长应 力降低。
油压表测力弹簧；经过较直的工件-变弯-反弹性后 效。
（2）弹性滞后
------ 非瞬间加载条件下的弹性后效。
加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回 线 ------ 弹性滞后环
铍青铜 抗拉强度(Mpa):1105 屈服强度(0.2%)Mpa:1035
有色金属弹性之王
5.弹性不完善性
（1）弹性后效 Elastic aftereffect
瞬间加载------正弹性后效
瞬间卸载------负弹性后效
e
e
1
e1
e1
e2
e1
e2 e2
0
t0
t0
t
实际的弹性材料在不同程度上普遍存在弹性后效和弹性
滞后现象。
这两种现象在弹性元件的工作过程中是相随出现的，其后果是降低元 件的品质因素并引起测量误差和零点漂移，在传感器的设计中应尽量 使它们减小。
影响因素：
（1）起始塑性变形的非同时性有关（材料 组织不均性、固溶体浓度等）；
（2）外在服役条件。如温度升高，弹性后 效速度加快。
（3）应力状态。应力状态柔度越大，弹性 后效现象越显著。
given metalcal Nanoindenter in
(111) Copper. All
particles in ideal lattice
positions are omitted and
the color code refers to
如卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，因为在反 向路径上，像林位错这类障碍数量较少，而且也不一定 恰好位于滑移位错运动的前方，故位错可以再较低应力 下移动较大距离，即第二次反向加载，规定残余伸长应 力降低。
第10章 材料的变形与回复再结晶02
{
冷变形金属回复—回复动力学
• 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系
x0 Q ln( ) = c0 ⋅ t ⋅ exp(− ) x RT
x0 –原始加工硬化残留率；x－退火时加工硬化残留率； c0－比例常数；t－加热时间；T－加热温度。
• 动力学曲线特点 （1）没有孕育期； （2）开始变化快，随后变慢； （3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。
塑性变形后金属的组织变化
3 形成位错胞 变形量 位错缠结 位错胞 （大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。)
塑性变形后金属的性能变化
残余应力（约占变形功的10％） 第一类残余应力（σⅠ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。 1 分类 第二类残余应力（σⅡ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。 第三类残余应力（σⅢ）：点阵畸变，由位错、空位等引起。80-90%。
• 再结晶退火
{
恢复变形能力 改善显微组织 消除各向异性 提高组织稳定性
• 再结晶退火温度：T再＋100～200℃。
冷变形金属再结晶—再结晶晶粒大小的控制
• 再结晶晶粒的平均直径
G d = k N
1/ 4
（晶粒大小－变形量关系图）
加热过程的晶粒正常长大
• 正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。 • 驱动力：界面能差。界面能越大，曲率半径越小，驱动力越大。 (长大方向是指向曲率中心,而再结晶晶核的长大方向相反.) 晶界趋于平直; • 晶粒的稳定形状 晶界夹角趋于120℃; 二维坐标中晶粒边数趋于6.
冷变形金属回复—回复机理
• 低温回复 （0.1－0.3Tm） • 中温回复 （ 0.3－0.4Tm） • 高温回复 （>0.4Tm） 点缺陷运动
位错滑移
塑性变形1
交滑移和多滑移的区别： 发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带；发生交滑移时会出现 曲折或波纹状的滑移带。 交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限制。可以同时进 行共向滑移。
滑移变形的主要特点 ：
滑移只能在切应力的作用下发生。 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。
因为在最密晶面之间的面间距最大，原子面之 间的结合力最弱；沿最密晶向滑移步长最小， 滑移所需外加切应力最小。
多 交 系 滑 单系滑移 滑 移 移
不同合金加工硬化效果不同
比较单滑移、多滑移和交滑移
（1）单滑移：只有一组滑移系处于最有利的取向（m最大） 时，分切应力最大，便进行单系滑移。 （2）多滑移：在多个（>2）滑移系上同时或交替进行的滑移。 发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。 （3）交滑移: 晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方 向进行的滑移。
例如：
利用Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上有一段 位错，CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位错应向右移 动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号位错相消，产生一 位错环，内部CD段还存在。反复可生成一系列的位错环， 扩展到晶体外产生的滑移台阶可为柏氏矢量的整数倍。
L
根据计算,使两端固定的位错线弯曲到曲率半径为R圆弧所
<110>
<110> <111> <111> <1120> <1120>
0.49 5.68 27.44 33.8 0.81 13.7
Ni
Fe Nb Mg Ti 体心立 方 密排六
99.8 {111}
{110} 99.96 {110} 99.95 {0001} 99.99 {1010}
塑性变形_精品文档
塑性变形1. 引言塑性变形是固体力学中的一个基本概念，指的是材料在超过其弹性限度后，可以继续变形而不恢复原状的能力。
塑性变形可以发生在金属、塑料、陶瓷等材料中，常见于制造、建筑和工程领域。
本文旨在介绍塑性变形的基本原理、影响因素以及常见的塑性变形工艺。
2. 塑性变形的基本原理塑性变形与材料的内部结构和原子之间的相互作用有关。
在塑性变形过程中，材料中的晶体结构发生变化，原子之间的接触位置发生滑移。
这种滑移可以改变原子之间的相互作用，从而使材料继续变形。
塑性变形的基本原理可以归纳如下：•内部滑移：在材料中存在众多晶体结构，滑移发生时，晶体结构中的原子沿滑移面移动，发生形变。
•位错运动：位错是晶体结构中的缺陷，可以像滑行带一样在晶体中移动。
位错的运动是塑性变形的基本过程。
•变形时的晶界滑移：晶界是不同晶粒之间的边界，当材料变形时，晶界也会发生滑移，使晶粒相对于彼此发生位移。
3. 影响塑性变形的因素塑性变形的程度和方式受到多种因素的影响，以下是几个重要的影响因素：3.1 物质本身的性质不同材料的塑性变形性能不同。
金属通常具有良好的塑性，可以在大变形下发生塑性变形。
而一些脆性材料如陶瓷通常只能发生很小的变形，容易发生破裂。
此外，合金、塑料等材料也具有独特的塑性变形性质。
3.2 变形速率变形速率指的是材料在单位时间内发生的变形量。
较高的变形速率往往会导致材料在塑性变形过程中发生更大的变形。
这是因为较高的变形速率会加快位错的运动和晶界的滑动，使材料更容易发生塑性变形。
3.3 温度温度对塑性变形也有很大影响。
较高的温度能够使材料中的原子更容易滑动，从而促进塑性变形的发生。
相反，较低的温度会使材料变得更加脆性，减少塑性变形的程度。
3.4 应力状态材料受到的应力状态也会影响其塑性变形。
在拉伸应力作用下，材料会发生延伸变形；而在剪切应力作用下，材料会发生屈服变形。
不同应力状态下，材料的塑性变形方式有所不同。
4. 常见的塑性变形工艺塑性变形工艺是一种通过对材料施加力来改变其形状和尺寸的方法。
一、4.塑性变形及其性能指标
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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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4.6.1 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
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。
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
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第四节
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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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）
单晶体的塑性变形-1
σ
τ R = σ /2 λ =45º φ =45º
Adapted from Fig. 7.8, Callister 6e.
二、滑移的位错机制
晶体的滑移借助位错在滑移面上的运动逐步实现的
DISLOCATION MOTION
• Produces plastic deformation, • Depends on incrementally breaking bonds.
CRITICAL RESOLVED SHEAR STRESS
• Condition for dislocation motion:
τR > τCRSS
typically 10 -4 G to 10 -2 G
• Crystal orientation can make it easy or hard to move disl.
σ
τR = σ cos λ cos φ
σ
σ
τR = 0 λ=90º
τR = 0 φ=90º
τR = σ/2 λ=45º φ=45º
λ=90º- φ 当 φ=45º 时，取向因子有最大值 1/2 ，此时得 到最大分切应力，滑移处于最有利的取向，也 称软取向。 当 φ=00 、 90o 时 ， 取 向 因 子 为 0 ， 称 为 硬 取 向。 最大分切应力正好落在与外力轴成45º角的晶 面以及与外力轴成45º角的滑移方向上。
两根互相垂 直的刃型位 错的交割 刃型位错中 的割阶与扭 折形成 两个螺型位 错的交割 刃型位错与 螺型位错的 交割 带割阶位错 的运动
材料的变形与再结晶
如果发生双滑移或多系滑移，会出现交叉形的滑移带
交叉形的滑移带
3. 交滑移
螺位错在不改变滑移方向的情况下，从一个滑 移面转到另一个滑移面的过程。
3 .1塑性变形基本定律-新
在压力加工过程中，只要金属的密度不发生 变化，变形前后金属的体积就不会产生变化。
二、体积不变定律的应用
（1）确定轧制后轧件的尺寸。
设矩形坯料的高、宽、长分别为H、B、L，轧 后轧件的高、宽、长分别为h、b、l
矩形断面工件加工前后的尺寸
根据体积不变条件，则
V1 HBL
V2 hbl
HBL hbl
（3）在连轧生产中，为了保证每架轧机之间 不产生堆钢和拉钢，则必须使单位时间内金属从 每架轧机间流过的体积保持相等，即
F1v1 F2 v2 Fn vn
F1、F2 Fn 为每架轧机上轧件出口的断面积，
v1、 vn v2
为各架轧机上轧件的出口速度。
3.2
最小阻力定律及其应用
二、最小阻力定律的应用 1、判断金属变形后的横断面形状。
例：矩形六面体的镦粗
塑压矩形断面柱体变化规律
2.确定金属流动的方向。
轧制生产中的情况
（1） 利用最小阻力定律分析小辊径轧制的特点。
轧辊直径对宽展的影响
答：在压下量相同的条件下，对于不同辊径的 轧制，其变形区接触弧长度是不相同的，小辊径的 接触弧较大辊径小，因此，在延伸方向上产生的摩 擦阻力较小，根据最小阻力定律可知，金属质点向 延伸方向流动的多，向宽度方向流动的少，故用小 辊径轧出的轧件长度较长，而宽展较小。
(2)为什么在轧制生产中，延伸总是大于宽展？ 答：首先，在轧制时，变形区长度一般总是小于 轧件的宽度，因此沿长度方向摩擦阻力小，根据 最小阻力定律得，金属质点沿纵向流动的比沿横 向流动的多，使延伸量大于宽展量； 其次，由于轧辊对轧件有向前的摩擦力，必然 产生有利于延伸变形的水平分力，它使纵向摩擦阻 力减少，即增大延伸，所以，即使变形区长度与轧 件宽度相等时，延伸与宽展的量也并不相等，延伸 总是大于宽展。
二、体积不变定律的应用
（1）确定轧制后轧件的尺寸。
设矩形坯料的高、宽、长分别为H、B、L，轧 后轧件的高、宽、长分别为h、b、l
矩形断面工件加工前后的尺寸
根据体积不变条件，则
V1 HBL
V2 hbl
HBL hbl
（3）在连轧生产中，为了保证每架轧机之间 不产生堆钢和拉钢，则必须使单位时间内金属从 每架轧机间流过的体积保持相等，即
F1v1 F2 v2 Fn vn
F1、F2 Fn 为每架轧机上轧件出口的断面积，
v1、 vn v2
为各架轧机上轧件的出口速度。
3.2
最小阻力定律及其应用
二、最小阻力定律的应用 1、判断金属变形后的横断面形状。
例：矩形六面体的镦粗
塑压矩形断面柱体变化规律
2.确定金属流动的方向。
轧制生产中的情况
（1） 利用最小阻力定律分析小辊径轧制的特点。
轧辊直径对宽展的影响
答：在压下量相同的条件下，对于不同辊径的 轧制，其变形区接触弧长度是不相同的，小辊径的 接触弧较大辊径小，因此，在延伸方向上产生的摩 擦阻力较小，根据最小阻力定律可知，金属质点向 延伸方向流动的多，向宽度方向流动的少，故用小 辊径轧出的轧件长度较长，而宽展较小。
(2)为什么在轧制生产中，延伸总是大于宽展？ 答：首先，在轧制时，变形区长度一般总是小于 轧件的宽度，因此沿长度方向摩擦阻力小，根据 最小阻力定律得，金属质点沿纵向流动的比沿横 向流动的多，使延伸量大于宽展量； 其次，由于轧辊对轧件有向前的摩擦力，必然 产生有利于延伸变形的水平分力，它使纵向摩擦阻 力减少，即增大延伸，所以，即使变形区长度与轧 件宽度相等时，延伸与宽展的量也并不相等，延伸 总是大于宽展。
力学性能思考题2011答案
2. 决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些？提高金属材料的屈服强度有哪些 方法?
内在因素：晶体结构、位错间的交互作用（平行位错间的交互作用、运动位错与林位错 间的交互作用） 、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。 外在因素：温度、应变速率和应力状态 提高材料屈服强度的方法：细晶强化、加工硬化、固溶强化、弥散强化、降低温度、提 高应变速率、
12. 常温静拉伸试验可确定金属材料的哪些性能指标？说出这些指标的符号定 义、意义。
一、填空： 1． 影响材料弹性模数的因素有 键合方式和原子结构 、 晶体结构 、 化学成分 、 微观组织 、 温度 、 加载条件和载荷持续时间 等。 2． 提供材料弹性比功的途径有二， 提高材料的 弹性极限， 或降低 弹性模量 。 3． 退火态和高温回火态的金属都有包申格效应，因此包申格效应是多晶体金属 具有的普遍现象。 4． 金属材料常见的塑性变形机理为晶体的 滑移 和 孪生 两种。 5． 多晶体金属材料由于各晶粒位向不同和晶界的存在，其塑性变形更加复杂， 主要有各晶粒变形的 不同时性和不均匀性及各晶粒变形的 相互协调 的特点。 6． 影响金属材料屈服强度的因素主要有 金属的本性和晶格类型 、 晶粒的大小和亚结构 、 溶质元素 、 第二相 、 温度、应变速率、 应力状态 等。 7． 产生超塑性的条件是（ 1） 超细晶粒 ； （ 2） 一定的温度下的低变形速 率 ； （3） 应变速率敏感指数较高 0.3≤m≤1 。 8． 材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段，根据断裂过程材料的 宏观塑性变形过程，可以将断裂分为 脆性断裂 与 韧性断裂；按照晶体 材料断裂时裂纹扩展的途径，分为 穿晶断裂和 沿晶断裂 ；按照微观断 裂机理分为 剪切断裂 和 解理断裂 ；按作用力的性质可分为 正断型断 裂 和 切断性断裂 。 9.包申格效应： 金属材料经过 预先加载产生少量 的塑性变形,卸载而 后再同向加载,规定残余伸长应力 余伸长应力 降低 增加 ； 反向加载 ，规定残
塑性力学第一章
如果经受了很大的变形才破坏，材料具有较好的 韧性或延性，这时材料的塑性变形能力较强，便 称是塑性。在这种情况下，物体从开始出现永久 变形到最终破坏之间仍具有承载能力。
——采用塑性力学分析
三、塑性力学目的
研究在哪些条件下可以允许结构中某些 部位的应力超过弹性极限的范围，以充 分发挥材料的强度潜力
研究物体在不可避免地产生某些塑性变 形后，对承载能力和（或）抵抗变形能 力的影响
O
力应变曲线才以（1）式的规律沿MN
N M'
向下降。为了区分以上这种加载和卸
A'
载所具有的不同规律，就必须给出相
M ''
应的加卸载准则。
图2（a）
五、影响材料性质的其它几个因素
1、温度当温度上升时，材料的屈服应力将会 降低而塑性变形的能力则有所提高。
2、应变速率 如果实验时将加载速度提高几个数量 级，则屈服应力也会相应地提高，但材料的塑性应 变形能力会有所下降。 3．静水压力 当静水压力不太大时，材料体积的变 化服从弹性规律而不产生永久的塑性体积改变。
y2l(E2)l(E sl)P (Pe) ——垂直向下位移
若令
P
Pe
e
sl
E
,
P1 Pe 2
则当P由零增至Pe时，在图9的
坐标中为区间[0，1]上斜率等于
1的直线段OA。
O
线性强化
A
B 理想塑性
y e
图9
载荷-位移曲线
弹塑性解:
2 s.
当P由零逐渐增大到Pe时，第2杆的应力也逐渐增大而达到屈服状态： 如果P的值再继续增加，则（17）式已不再适用，相应的本构方程应改
6. 等向强化模型及随动强化模型
——采用塑性力学分析
三、塑性力学目的
研究在哪些条件下可以允许结构中某些 部位的应力超过弹性极限的范围，以充 分发挥材料的强度潜力
研究物体在不可避免地产生某些塑性变 形后，对承载能力和（或）抵抗变形能 力的影响
O
力应变曲线才以（1）式的规律沿MN
N M'
向下降。为了区分以上这种加载和卸
A'
载所具有的不同规律，就必须给出相
M ''
应的加卸载准则。
图2（a）
五、影响材料性质的其它几个因素
1、温度当温度上升时，材料的屈服应力将会 降低而塑性变形的能力则有所提高。
2、应变速率 如果实验时将加载速度提高几个数量 级，则屈服应力也会相应地提高，但材料的塑性应 变形能力会有所下降。 3．静水压力 当静水压力不太大时，材料体积的变 化服从弹性规律而不产生永久的塑性体积改变。
y2l(E2)l(E sl)P (Pe) ——垂直向下位移
若令
P
Pe
e
sl
E
,
P1 Pe 2
则当P由零增至Pe时，在图9的
坐标中为区间[0，1]上斜率等于
1的直线段OA。
O
线性强化
A
B 理想塑性
y e
图9
载荷-位移曲线
弹塑性解:
2 s.
当P由零逐渐增大到Pe时，第2杆的应力也逐渐增大而达到屈服状态： 如果P的值再继续增加，则（17）式已不再适用，相应的本构方程应改
6. 等向强化模型及随动强化模型
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拉伸: σ=Eε， 剪切: τ=Gγ， 拉伸: σ=Eε，E-杨氏模量 ；剪切: τ=Gγ，G-切变模量 。 弹性模量是重要的物理和力学参量， 弹性模量是重要的物理和力学参量，表示使原子离开平衡位置的难易程 只取决于晶体原子结合的本性，不依晶粒大小以及组织变化而变， 度，只取决于晶体原子结合的本性，不依晶粒大小以及组织变化而变， 是一种组织不敏感的性质。 是一种组织不敏感的性质。
滑移面(Slip Plane)和滑移方向 和滑移方向(Slip 滑移面(Slip Plane)和滑移方向(Slip Direction):
塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动， 塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体沿某 些特定的晶面及方向相对错开， 些特定的晶面及方向相对错开，这些晶面和晶向分别称 滑移面” 滑移方向” “滑移面”和“滑移方向”。 滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大， 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大，面间结合 密排面 力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 ），滑移方向方向是原子的最 力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。
A A0
滑移方向
S S
A
滑移面上沿滑移方向的分切应力: 滑移面上沿滑移方向的分切应力:
τ = S cos λ = σ cos ϕ cos λ
滑移面上的正应力: 滑移面上的正应力:
(2(2-2)
σ n = S cos ϕ = σ cos 2 ϕ
由（2-2），σ↑，则 τ↑ ），σ↑， σ↑
外力在滑移方向的分切应力
2. 塑性变形机制
Plastic Deformation Mechanism
塑性变形的过程
----晶格在外力作用前的状态 晶格在外力作用前的状态； 1 ----晶格在外力作用前的状态； ----晶格在外力作用下发生了弹性畸变 晶格在外力作用下发生了弹性畸变； 2 ----晶格在外力作用下发生了弹性畸变； ---当外力增加至临界值 晶格开始发生塑性变形； 当外力增加至临界值， 3 ---当外力增加至临界值，晶格开始发生塑性变形； ---外力卸去后 晶格发生了永久变形，原子间距仍恢复原状。 外力卸去后， 4 ---外力卸去后，晶格发生了永久变形，原子间距仍恢复原状。
φ---滑移面法线与横截面法线间夹角； ---滑移面法线与横截面法线间夹角； 滑移面法线与横截面法线间夹角 轴向拉力与滑移方向间夹角. λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角 A0 横截面A 上的正应力: 横截面A0上的正应力: σ = P A0 滑移面A上的全应力: 滑移面A上的全应力: S = P = P cos ϕ = σ cos ϕ
图中圆圈表示实验结果， 图中圆圈表示实验结果，曲线为按式 σ
s
=
τc 的理论计算结果。 的理论计算结果。 cos ϕ cos λ
一定金属在一定变形温度和变形速度条件下， 一定金属在一定变形温度和变形速度条件下，开始发生滑 常数， 移变形所需的临界切应力值为常数 与取向因子无关， 移变形所需的临界切应力值为常数，与取向因子无关，也与滑 移面上的正应力无关。 移面上的正应力无关。
室温下铁单晶体切应力切应变曲线
如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。 如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。 20MPa
a、b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸 b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸
τ = σ cos ϕ cos λ
滑移 方向 滑移系
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀， 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀，并且能承受 的一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移 滑移方向 的一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移 面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方 晶格好于密排六方晶格。 晶格好于密排六方晶格。 对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改变。 Al室 对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改变。如Al室 {111}，高温时增加{100} 因此塑性增加。 {100}， 温{111}，高温时增加{100}，因此塑性增加。
外 的 分 解 力 在 晶 面 上 的 变 形
切 应 力 作 用 下 照 片
锌 单 晶 的 拉 伸
晶体在正应力作用下的变形
位错运动造成的滑移示意图
临界切应力：
晶体滑移是在切应力作用下进行的， 晶体滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并 非同时参与滑移， 非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应 力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移， 力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该 分切应力称为滑移的临界分切应力； 分切应力称为滑移的临界分切应力； 临界分切应力 沿滑移面滑移方向上的分切应力； 沿滑移面滑移方向上的分切应力； 能够引起滑移系开动的分切应力. 能够引起滑移系开动的分切应力.
全程性：持续至断裂前。 全程性：持续至断裂前。 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。 可逆位移 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。 本质
Deformation） 塑性变形（Plastic Deformation）
不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 变形先后顺序 先发生弹性变形，后发生塑性变形。 先后顺序： 变形先后顺序：先发生弹性变形，后发生塑性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。 偏离虎克定律 应力与应变的关系偏离虎克定律。 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此， 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此， 原子的定向位移实现的 塑性变形时所施加的力或能应足以克服位垒， 塑性变形时所施加的力或能应足以克服位垒，使大量的原子群 能多次地定向地从一个平衡位置移到另一个平衡位置， 能多次地定向地从一个平衡位置移到另一个平衡位置，由此产 生宏观的塑性变形。 生宏观的塑性变形。 塑性变形的本质: 位错的运动（晶粒内部或 塑性变形的本质: 位错的运动（晶粒内部或晶粒之间产生的滑移 本质 及转动）； 及转动）；
τ →τc
σ →σs
τ c = σ s cosϕ cosλ
σs =
τc cos ϕ cos λ
cosψcosλ称取向因子（ Schmid因子） cosψcosλ称取向因子（或Schmid因子） 因子
一定时 只有 c一定时 σ 与 s
τ
cos ϕ cos λ
才构成如图函数关系
拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系 拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系 Mg
Deformation） 塑性变形机制（Mechanism of Plastic Deformation） （根据原子群移动所发生的条件和方式划分） 根据原子群移动所发生的条件和方式划分）
滑移(Slip) 滑移(Slip)：最主要的变形方式 (Slip) 孪生(Twinning) (Twinning)： 孪生(Twinning)：
弹性变形（ 弹性变形（Elastic Deformation）
过程：外力→应力→原子离开平衡位置→变形→原子位能增加→ 过程：外力→应力→原子离开平衡位置→变形→原子位能增加→返回趋
势→外力消失→变形消失→弹性变形 外力消失→变形消失→
可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。 可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。 单值性：应力与应变关系遵循虎克定律 单值性：应力与应变关系遵循虎克定律
单晶体塑性变形的主要机制为滑移与孪生。 单晶体塑性变形的主要机制为滑移与孪生。
2.1 滑移 滑移（Slip） 2.1.1滑移现象 2.1.1滑移现象
室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 滑移 滑移是通过位错的运动实现的 滑移是通过位错的运动实现的 位错的运动 位错沿滑移面滑移．当移动到晶体表面时，便产生了大小等 位错沿滑移面滑移．当移动到晶体表面时，便产生了大小等 滑移面滑移 于柏氏矢量的滑移台阶 的滑移台阶， 于柏氏矢量的滑移台阶，如果该滑移面上有大量位错运动到 晶体表面，宏观上， 晶体表面，宏观上，晶体的一部分相对另一部份沿滑移面发 生了相对位移，这就是滑移 滑移。 生了相对位移，这就是滑移。
单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸， 单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸，试样表面就会出现 一系列平行的变形痕迹。光镜观察， 一系列平行的变形痕迹。光镜观察，晶体表面上形成的浮 滑移带（ 由一系列滑移迹线组成，称为滑移带 凸，由一系列滑移迹线组成，称为滑移带（滑移面与试样 磨光平面交线的组合，无重现性） 磨光平面交线的组合，无重现性） 。
滑移时的临界切应力（ 2.1.2 滑移时的临界切应力（Critical Shear Stress)
滑移系只提供了金属滑移的 可能性， 可能性，而金属在外力作用 下滑移的驱动力是沿滑移面 滑移方向上的分切应力。 滑移方向上的分切应力。 单晶体受力后， 单晶体受力后，外力在任何 晶面上都可分解为正应力和 切应力。正应力只能引起弹 切应力。 性变形及解理断裂。 性变形及解理断裂。只有在 切应力的作用下金属晶体才 能产生塑性变形。 能产生塑性变形。
滑移带示意图
滑移
定义：在切应力作用下， 定义：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） 着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 位错在滑移面内的运动 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 平行 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 整数倍 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化 未发生变化。 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 滑移分别集中在某些晶面上，变形具有不均匀性。 滑移分别集中在某些晶面上，Slip System):
滑移面(Slip Plane)和滑移方向 和滑移方向(Slip 滑移面(Slip Plane)和滑移方向(Slip Direction):
塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动， 塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体沿某 些特定的晶面及方向相对错开， 些特定的晶面及方向相对错开，这些晶面和晶向分别称 滑移面” 滑移方向” “滑移面”和“滑移方向”。 滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大， 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大，面间结合 密排面 力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 ），滑移方向方向是原子的最 力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。
A A0
滑移方向
S S
A
滑移面上沿滑移方向的分切应力: 滑移面上沿滑移方向的分切应力:
τ = S cos λ = σ cos ϕ cos λ
滑移面上的正应力: 滑移面上的正应力:
(2(2-2)
σ n = S cos ϕ = σ cos 2 ϕ
由（2-2），σ↑，则 τ↑ ），σ↑， σ↑
外力在滑移方向的分切应力
2. 塑性变形机制
Plastic Deformation Mechanism
塑性变形的过程
----晶格在外力作用前的状态 晶格在外力作用前的状态； 1 ----晶格在外力作用前的状态； ----晶格在外力作用下发生了弹性畸变 晶格在外力作用下发生了弹性畸变； 2 ----晶格在外力作用下发生了弹性畸变； ---当外力增加至临界值 晶格开始发生塑性变形； 当外力增加至临界值， 3 ---当外力增加至临界值，晶格开始发生塑性变形； ---外力卸去后 晶格发生了永久变形，原子间距仍恢复原状。 外力卸去后， 4 ---外力卸去后，晶格发生了永久变形，原子间距仍恢复原状。
φ---滑移面法线与横截面法线间夹角； ---滑移面法线与横截面法线间夹角； 滑移面法线与横截面法线间夹角 轴向拉力与滑移方向间夹角. λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角 A0 横截面A 上的正应力: 横截面A0上的正应力: σ = P A0 滑移面A上的全应力: 滑移面A上的全应力: S = P = P cos ϕ = σ cos ϕ
图中圆圈表示实验结果， 图中圆圈表示实验结果，曲线为按式 σ
s
=
τc 的理论计算结果。 的理论计算结果。 cos ϕ cos λ
一定金属在一定变形温度和变形速度条件下， 一定金属在一定变形温度和变形速度条件下，开始发生滑 常数， 移变形所需的临界切应力值为常数 与取向因子无关， 移变形所需的临界切应力值为常数，与取向因子无关，也与滑 移面上的正应力无关。 移面上的正应力无关。
室温下铁单晶体切应力切应变曲线
如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。 如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。 20MPa
a、b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸 b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸
τ = σ cos ϕ cos λ
滑移 方向 滑移系
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀， 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀，并且能承受 的一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移 滑移方向 的一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移 面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方 晶格好于密排六方晶格。 晶格好于密排六方晶格。 对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改变。 Al室 对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改变。如Al室 {111}，高温时增加{100} 因此塑性增加。 {100}， 温{111}，高温时增加{100}，因此塑性增加。
外 的 分 解 力 在 晶 面 上 的 变 形
切 应 力 作 用 下 照 片
锌 单 晶 的 拉 伸
晶体在正应力作用下的变形
位错运动造成的滑移示意图
临界切应力：
晶体滑移是在切应力作用下进行的， 晶体滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并 非同时参与滑移， 非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应 力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移， 力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该 分切应力称为滑移的临界分切应力； 分切应力称为滑移的临界分切应力； 临界分切应力 沿滑移面滑移方向上的分切应力； 沿滑移面滑移方向上的分切应力； 能够引起滑移系开动的分切应力. 能够引起滑移系开动的分切应力.
全程性：持续至断裂前。 全程性：持续至断裂前。 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。 可逆位移 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。 本质
Deformation） 塑性变形（Plastic Deformation）
不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 变形先后顺序 先发生弹性变形，后发生塑性变形。 先后顺序： 变形先后顺序：先发生弹性变形，后发生塑性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。 偏离虎克定律 应力与应变的关系偏离虎克定律。 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此， 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此， 原子的定向位移实现的 塑性变形时所施加的力或能应足以克服位垒， 塑性变形时所施加的力或能应足以克服位垒，使大量的原子群 能多次地定向地从一个平衡位置移到另一个平衡位置， 能多次地定向地从一个平衡位置移到另一个平衡位置，由此产 生宏观的塑性变形。 生宏观的塑性变形。 塑性变形的本质: 位错的运动（晶粒内部或 塑性变形的本质: 位错的运动（晶粒内部或晶粒之间产生的滑移 本质 及转动）； 及转动）；
τ →τc
σ →σs
τ c = σ s cosϕ cosλ
σs =
τc cos ϕ cos λ
cosψcosλ称取向因子（ Schmid因子） cosψcosλ称取向因子（或Schmid因子） 因子
一定时 只有 c一定时 σ 与 s
τ
cos ϕ cos λ
才构成如图函数关系
拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系 拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系 Mg
Deformation） 塑性变形机制（Mechanism of Plastic Deformation） （根据原子群移动所发生的条件和方式划分） 根据原子群移动所发生的条件和方式划分）
滑移(Slip) 滑移(Slip)：最主要的变形方式 (Slip) 孪生(Twinning) (Twinning)： 孪生(Twinning)：
弹性变形（ 弹性变形（Elastic Deformation）
过程：外力→应力→原子离开平衡位置→变形→原子位能增加→ 过程：外力→应力→原子离开平衡位置→变形→原子位能增加→返回趋
势→外力消失→变形消失→弹性变形 外力消失→变形消失→
可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。 可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。 单值性：应力与应变关系遵循虎克定律 单值性：应力与应变关系遵循虎克定律
单晶体塑性变形的主要机制为滑移与孪生。 单晶体塑性变形的主要机制为滑移与孪生。
2.1 滑移 滑移（Slip） 2.1.1滑移现象 2.1.1滑移现象
室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 滑移 滑移是通过位错的运动实现的 滑移是通过位错的运动实现的 位错的运动 位错沿滑移面滑移．当移动到晶体表面时，便产生了大小等 位错沿滑移面滑移．当移动到晶体表面时，便产生了大小等 滑移面滑移 于柏氏矢量的滑移台阶 的滑移台阶， 于柏氏矢量的滑移台阶，如果该滑移面上有大量位错运动到 晶体表面，宏观上， 晶体表面，宏观上，晶体的一部分相对另一部份沿滑移面发 生了相对位移，这就是滑移 滑移。 生了相对位移，这就是滑移。
单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸， 单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸，试样表面就会出现 一系列平行的变形痕迹。光镜观察， 一系列平行的变形痕迹。光镜观察，晶体表面上形成的浮 滑移带（ 由一系列滑移迹线组成，称为滑移带 凸，由一系列滑移迹线组成，称为滑移带（滑移面与试样 磨光平面交线的组合，无重现性） 磨光平面交线的组合，无重现性） 。
滑移时的临界切应力（ 2.1.2 滑移时的临界切应力（Critical Shear Stress)
滑移系只提供了金属滑移的 可能性， 可能性，而金属在外力作用 下滑移的驱动力是沿滑移面 滑移方向上的分切应力。 滑移方向上的分切应力。 单晶体受力后， 单晶体受力后，外力在任何 晶面上都可分解为正应力和 切应力。正应力只能引起弹 切应力。 性变形及解理断裂。 性变形及解理断裂。只有在 切应力的作用下金属晶体才 能产生塑性变形。 能产生塑性变形。
滑移带示意图
滑移
定义：在切应力作用下， 定义：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） 着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 位错在滑移面内的运动 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 平行 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 整数倍 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化 未发生变化。 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 滑移分别集中在某些晶面上，变形具有不均匀性。 滑移分别集中在某些晶面上，Slip System):