材料的变形
高分子材料的变形行为
高分子材料的变形行为高分子材料是一种由长链分子组成的材料，具有许多独特的物理和化学性质。
它们广泛应用于各个领域，如塑料制品、纺织品、医疗器械等。
在使用过程中，高分子材料的变形行为对其性能和应用起着至关重要的作用。
一、弹性变形高分子材料在受到外力作用时具有一定的弹性变形能力。
当外力作用消失后，材料会恢复初始形状。
这种弹性变形主要是由于高分子材料内部的分子链的弹性回弹作用引起的。
高分子材料的分子链通常由相互之间的化学键连接，分子间的键长和键角可以通过变形来适应外力作用。
这种弹性变形可以使高分子材料具有良好的回弹性和柔韧性。
二、塑性变形高分子材料在受到较大的外力作用时，会发生塑性变形。
与弹性变形不同，塑性变形是指材料在外力作用下无法完全恢复其初始形状。
这是因为分子链在受到外力作用时会发生断裂或重新排列，使材料的内部结构发生改变。
塑性变形可以使材料产生更大的变形量，但也会降低材料的强度和刚度。
三、蠕变蠕变是高分子材料长期受到静态外力作用时发生的一种缓慢的变形现象。
这种变形主要是由于分子链的滑移和分子之间的长程运动引起的。
在高温和高应力的条件下，分子链会相互穿越和滑移，导致材料发生形变。
蠕变会导致高分子材料的尺寸和形状发生改变，影响其应用效果。
四、破坏行为高分子材料在受到较大外力作用时会发生破坏。
这种破坏行为可以分为脆性破坏和韧性破坏两种。
脆性破坏是指材料在受到外力作用后，突然发生断裂或破碎。
这种破坏主要是由于高分子材料内部的缺陷、孔隙或分子链的断裂引起的。
韧性破坏则是指材料在受力作用下逐渐发生塑性变形，并最终发生断裂。
不同材料的破坏行为取决于其分子结构、晶体结构和外力作用方式等因素。
五、变形行为的调控为了提高高分子材料的性能和延长其使用寿命，可以通过调控材料的变形行为来实现。
例如，可以通过添加增韧剂来提高材料的抗拉强度和韧性，减少塑性变形的发生。
也可以通过控制材料的分子链长度和分子间交联程度来改变材料的弹性行为。
材料的塑性变形
完整晶体原子排列位置
8
2.2 理想晶体的强度
假定在晶体特定的晶面及结晶向上施加切应力τ,引起晶体 上半部分相对于下半部分沿两层原子间MN面上移动,如图所示 ，在切应力作用下，势必引起MN面上原子同时移动，同时切 断MN面上所有的原子键，此过程为晶体的整体滑移，
上、下半晶体相对移动
9
2.2 理想晶体的强度
32
2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路
（2）柏氏矢量的性质与表示方法
柏氏矢量具有守恒性,具体表现在如下： ➢柏氏矢量与柏氏回路的起点、形状、大小和位置无关, 只要回路不与其他位错线或原位错线相遇，则回路所包 含的晶格畸变总量不会改变； ➢一条位错线具有唯一的柏氏矢量，即位错线各部分的 柏氏矢量均相同； ➢若几条位错线汇交于一点时，则指向节点的各位错的 柏氏矢量之和等于离开结点的各位错柏氏矢量之和，
螺形位错 示意图
26
（2）位错的类型
b.螺位错—几何特征
①位错线与原子滑移方向 平行；
②位错线（ZHOU）围原子 的配置是螺旋状的,即形成螺 位错后,原来与位错线垂直的 晶面，变为以位错线为中心 轴的螺旋面，
27
2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（2）位错的类型
c.混合位错
如果在外力τ作用下,两部分之间发生相对滑移,在晶 体内部已滑移部分和未滑移部分的交线既不垂直也不平 行于滑移方向（伯氏矢量b），这样的位错称为混合位 错，如下图所示，位错线上任一点，经矢量分解后，可 分解为刃位错与螺位错分量。
滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对滑移或畸变， 由伯格斯于1939年首先提出，故称为伯格斯矢量，简称 为伯氏矢量，
30
2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路
第二章 材料的变形塑性变形1
? 阵点（原子、分子、离子或 者原子团）在三维空间中呈 周期性规则排列形成的阵列 称为 空间点阵 ，简称 点阵。
? 在点阵中取出具有代表性的 基本单元（最小平行六面体） 作为点阵的组成单位，称为 晶胞 。
? 晶胞选取原则：
? 反映出点阵的对称性
? 棱和角相等的数目最多
? 直角数目最多
? 有最小的体积
对于Al单晶：每根滑移线的滑移量为100~200nm；两滑移线间距~20nm； 滑移带之间~2000nm
一、滑移变形的概念
? 是晶体在切应力作用下，一部分晶体相对 于另一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向 (滑移方向）产生的相对位移，且不破坏晶 体内部原子排列规律性的塑变方式叫滑移。
二、滑移的晶体学特征
三、滑移的临界分切应力
? 滑移系只提供了金属滑移的可 能性，而金属在外力的作用下 滑移的驱动力是 沿滑移面滑移 方向上的分切应力 。
? 单晶体受力后，外力在任何晶 面上都可分解成正应力和切应 力。正应力只能引起弹性变形 及断裂。只有在切应力的作用 下金属晶体才能产生塑性变形。
临界分切应力
? 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。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。
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。
左图中单晶体受拉应力 F作用， 滑移面法线方向 N与F夹角为f， 滑移方向和 F夹角为λ；注意： 滑移方向 S、拉力轴 F和滑移面 的法线 N三者不必在同一平面， 即 f+λ≠900 。
第二章-材料的变形——弹性变形备课讲稿
伪弹性是相变造成的，不遵从胡克定律。
伪弹性变形的量级大约在60％左右，大大超过正常弹性变形．
图1－15为伪弹性材料的应力一应变线示意图。
母相→M
CD段：M弹性变形 GH段：母相的恢复弹性变形
M→母相
母相→M
CD段：M弹性变形 GH段：母相的恢复弹性变形
M→母相
AB段为常规弹性变形阶段，为应力诱发马氏体相变开始的应力， C点处马氏体相变结束， CD段为马氏体的弹性应变阶段． 在CD段卸载，马氏体作弹性恢复，表示开始逆向相变的应力 F点开始马氏体逆转变，马氏体相变回原来的组织 到G点完全恢复初始组织 GH为初始组织的弹性恢复阶段，恢复到初始组织状态，没有任何
在正常状态下，晶格中的离 子能保持在其平衡位置仅作 微小的热振动，这是受离子 之间的相互作用力控制的结 果．一般认为，这种作用力 分为引力和斥力，引力是由 正离子和自由电子间的库仑 力所产生，而斥力是由离子 之间因电子壳层产生应变所 致．引力和斥力都是离子间 距的函数。
引力
斥力
离子互相作用时的受力模型
注：对于橡胶态的高分子聚合物，则在弹性变形范围内，应力和应变之间不呈线性 关系，且变形量较大．
一、弹性变形及其实质
胡克定律
正应力下：σ=E·ε 切应力下：τ=G·γ
σ、τ分别为正应力和切应力 ε、γ分别为正应变和切应变 E为弹性模量（正弹性模量、杨氏模量） G为切变模量。
一、弹性变形及其实质
弹性模量与切变模量之间关系为：
晶体结构：对各向异性晶体，沿原子密排面E较大。 化学成分与微观组织：对金属材料，变化很小。 温度：金属的弹性模量随温度升高的下降速度比陶
瓷材料高出大约1倍。高温下，希望用陶瓷材料替 代金属。
弹性模量的测量
第八章 材料的变形和断裂
名词解释（1）加工硬化（变形强化）：当金属外加应力超过屈服强度后，随着变形程度的增加，变形的抗力也增加，要继续变形，必须增加外力，这种现象就叫加工硬化。
（2）颈缩：当应力达到抗拉强度时，试样不在均匀伸长，而是试样局部地方截面开始变细。
（3）位错宽度：（4）孪晶变形：晶体在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向，在一个区域内发生连续顺序的切变，变形导致这部分的晶体取向改变了。
（5）多滑移：在多个滑移系上同时或交替进行的滑移。
（6）交滑移：晶体在两个或者多个滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。
（7）发生多系滑移时，在两个相交滑移面上运动的位错必然会互相交截，原来一直线位错经过交截后就会出现弯折部分，如果弯折部分仍在滑移面上，就叫扭折，若弯折部分不再滑移面上，就叫割阶。
（8）派纳力：在理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所需克服的阻力（9）纤维组织：金属经过冷变形后，等轴状晶粒沿受力方向拉长，其中的夹杂物或者第二相也随之拉长。
（10）形变织构：金属在形变时，晶体的滑移面会移动，使滑移层逐渐转向与拉力轴平行。
原来的各个晶粒是任意取向的，现在由于晶粒的转动使各个晶粒的取向趋于一致，这就形成了晶体的择优取向。
（11）回复：在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶体某些变化。
（12）再结晶：冷变形金属由拉长的变形晶粒生成无畸变的新的等轴晶粒的过程。
（13）二次再结晶：（14）热变形：金属在再结晶温度以上的加工变形。
（15）蠕变：材料在高温下的变形不仅与应力有关，而且和应力作用的时间有关。
（16）应变时效：低碳钢经过少量预变形后，如果去载后立即再行加载则不会出现明显的屈服平台；若在室温下放置一较长的时间或在低温下经过短时加热后在进行拉伸试验，则屈服点又复出现，且屈服应力提高。
（17）第二相强化：当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。
（18）固溶强化：合金在形成单向固溶体后，变形时的临界切应力都高于纯金属，这叫做固溶强化。
材料的塑性变形1
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。
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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。
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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。
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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。
金属材料强度及变形性能分析
金属材料强度及变形性能分析简介：金属材料的强度和变形性能是决定材料使用和应用范围的重要性能指标。
强度指材料抵抗外力破坏的能力，而变形性能则表征材料在外力作用下的形变特性。
本文将重点分析金属材料的强度和变形性能，并对其影响因素进行深入探讨。
一、金属材料的强度分析：1. 抗拉强度：金属材料的抗拉强度是指材料在拉伸力作用下抵抗破坏的能力。
抗拉强度取决于材料的原子结构、晶粒尺寸、晶体缺陷等因素。
常见的金属材料如钢、铝、铜等具有不同的抗拉强度。
2. 屈服强度：屈服强度是金属材料在拉伸过程中，从线性弹性阶段到非线性弹性阶段的临界点。
屈服强度是材料首次发生可见塑性变形的应力水平。
屈服强度反映了金属材料在外力作用下的抗变形能力。
3. 延伸率和断裂伸长率：延伸率和断裂伸长率是反映材料延展性能的重要参数。
延伸率指的是材料在断裂前的拉伸程度，断裂伸长率是指材料在断裂时相对于原始长度的变化程度。
较高的延伸率和断裂伸长率意味着材料具有良好的可塑性和变形能力。
二、金属材料的变形性能分析：1. 弹性变形：弹性变形是指金属材料在外力作用下具有恢复性的形变。
弹性变形区域内，材料的形状通过去除外力而恢复到初始状态。
弹性变形的特点是应变与应力呈线性关系，且应力和应变之间的关系服从胡克定律。
2. 塑性变形：塑性变形是指金属材料在外力作用下发生的不可逆形变，形变后无法完全恢复到初始状态。
金属材料的塑性变形可以通过冷加工、热加工等方式实现。
塑性变形主要由材料内部的晶格滑移、位错等现象引起。
3. 硬化和回弹：硬化是指金属材料在塑性变形过程中变得更加坚硬和脆性的现象。
在连续塑性变形中，材料会经历晶格被位错锁定的过程，导致材料的硬度增加。
回弹是指金属材料在去除外力后，部分形变恢复到原始状态的现象。
三、影响金属材料强度和变形性能的因素：1. 材料的组成和制备工艺：不同元素的添加和不同的制备工艺会对金属材料的强度和变形性能产生重要影响。
2. 晶体结构和晶粒尺寸：晶体结构的不同会导致材料的强度和塑性发生变化，较大的晶粒尺寸能够提高材料的强度，但会降低塑性。
材料力学之四大基本变形
WZ
IZ ymax
一、变形几何关系
( y)d d y
d
d
y
z
y
dx
y
CL8TU3-2
bh3
bh2
I Z 12 , WZ 6
d4
I Z 64
d3
, WZ 32
IZ
(D4 d 4)
64
D4
64
(1 4 )
WZ
D3
32
(1 4 )
（1）求支座反力
M A 0, M 0 RBl 0 M B 0, RAl M 0 0
（2）列剪力方程和弯矩方程
RB
M0 l
RA
M0 l
AC段 :
Q1
RA
M0 l
M1
RA x
M0 l
x
(0 x a)
CB段 :
Q2
返回
例3-1: 传动轴如图所示，转速 n = 500转/分钟，主动轮B输入功率NB= 10KW，A、 C为从动轮，输出功率分别为 NA= 4KW ， NC= 6KW，试计算该轴的扭矩。
先计算外力偶矩
A
B
C x
mA
9550
NA n
9550 4 500
76.4Nm
mB
9550 NB n
9550 10 500
四大基本变形复习
1.轴向拉伸与压缩 2.剪切 3.扭转 4.弯曲
1.轴向拉压
受力特征：受一对等值、反向的纵向力，力的作用线与杆轴线 重合。 变形特征：沿轴线方向伸长或缩短，横截面沿轴线平行移动
《材料的塑性变形》课件
A coscosλ称取向因子或Schmid因子。
Schmidt定律：只有当作用在滑移面上沿滑移方 向的分切应力达到某一临界值时，晶体才开始滑 移。
外力在滑移方向的分切应力
τc = σs cosφ cosλ
对于某一滑移系，取向因子越大，分切应力也越大。 当λ= φ= 45 °时，即滑移面和滑移方向与作用力均为45°时， 在该滑移面滑移方向上分切应力最大。
τmax= σ/2 当τmax达到τc时，晶体发生滑移。此时σs 值最小, 且σs = 2τc。 等于、趋近此方位称为有利方位或软取向；远离此方向称为不 利方向或硬取向；处于软取向的滑移系首先发生滑移。
影响临界切应力的因素
1)金属的种类： 原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑，τc↑。
2)化学成分： 溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。
扭折带的作用 1)协调变形：适应变形条件的约束,能引起应力松弛，使晶体不致断裂。 2)促进变形：改变取向,有可能处于软取向,促进滑移,进一步激发变形。
（a)孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移； （b)协调扭折带的形成容许试样适应试验条件的约束
伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带
形变带(Deformation Band)
3)变形温度： 温度↑， τc↓ 4)变形速度：
速度↑，τc↑
2 孪生
孪生(Twinning): 形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一
部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分 发生的均匀切变。
例：面心立方晶体的孪生变形
（a）孪晶面和孪生方向 （b）孪生变形时原子的移动源自孪生和滑移比较滑移
孪生
● 材料为整体，需要有协调机制（扩散蠕变或位错滑移）。
高分子材料的变形
7
1.2 热固性塑料的变形
热固性塑料是刚硬的三维网络结构，分子不易运动，在拉伸时表现出陶瓷一样的变形 特征。但是，在压应力下它们仍能发生大量的塑性变形。
如图3-17所示为环氧树脂在室温下单向拉伸 和压缩时的应力—应变曲线。环氧树脂的玻璃化 温度为100℃，这种交联作用很强的聚合物，在 室温下为刚硬的玻璃态。
工程材料及热处理
2
高分子材料的变形
高分子材料具有已知材料中可变范围最宽（从 液体、软橡胶到刚性固体）的变形性质，变形行为 主要受结构特点的影响。高分子材料由大分子链构 成，这种大分子链一般都具有柔性，除了整个分子 的相对运动外，还可实现分子不同链段之间的相对 运动，而这种分子的运动对温度和时间具有强烈的 依赖性。
环氧树脂在拉伸时好像典型的脆性材料，而 压缩时则易剪切屈服，并有大量的变形，且屈服 之后出现应变软化。环氧树脂剪切屈服的过程是 均匀的，试样均匀变形而没有任何局集化现象。
图3-17 环氧树脂在室温下拉伸和压缩时的 应力—应变曲线
工程材料及热处理
高分限于某一局部区域，形成剪切带。剪切带是具有高剪切应变的薄层， 双折射度很高，说明剪切带内的分子链取向高度一致。剪切带通常发生 于材料的缺陷或裂缝处，也可能在因应力集中引起的高应力区。而在结 晶相中，除滑移外，剪切屈服还可通过孪生和马氏体转变的方式进行。
3
1.1 热塑性高分子材料的变形
如图3-16所示为某热塑性高分子材料的典型应力—应变曲线。设σL，σy ，σb分别为其 比例极限、屈服强度和断裂强度。
图3-16 热塑性高分子材料的典型应力—应变曲线
4
当σ<σL时，应力与应变呈线性关系，主要是由 键长和键角的变化引起的普通弹性变形；当σ>σL时， 链段发生可恢复的运动，产生可恢复的变形，同时 应力—应变曲线变为非线性关系；当σ>σy时，高分 子材料屈服，同时出现应变软化，即应力随应变的 增加而减小，随后出现应力平台，即应力不变而应 变持续增加，最后出现应变强化导致材料断裂。屈 服后产生塑性变形，即外力去除后留下的永久变形。 由于高分子材料具有黏弹性，其应力—应变行为受 温度、应变速率的影响很大。一般来讲，随着温度 的上升或应变速率的减小，高分子材料的屈服强度 和断裂强度均下降，而塑性增加。
金属材料冷热不均变形的原因
金属材料冷热不均变形的原因主要有以下几点：
1. 热胀冷缩：金属在受热时会膨胀，受冷时会收缩，当金属材料的一部分受热或受冷时，由于温度的不均匀分布，会导致金属材料的冷热不均变形。
2. 内部应力：金属材料在加工或使用过程中会产生内部应力，当金属材料受热或受冷时，内部应力会导致金属材料发生形变。
3. 结构不均匀：金属材料的结构不均匀也会导致冷热不均变形，例如金属材料中存在晶粒大小差异、组织不均匀等情况，会使金属材料在受热或受冷时出现不均匀的变形。
4. 外部约束：金属材料在受热或受冷时，如果受到外部约束限制，会导致金属材料的冷热不均变形，例如在焊接过程中，焊接点受热后会产生热变形，如果受到外部约束，则会导致焊接点出现形变。
变形性大小由什么判断？
变形性（deformability）是指材料在受力下发生形状变化的能力。
变形性的大小可以通过以下几个因素来判断：
1. 材料的硬度：硬度是材料抵抗形变的能力。
一般来说，硬度越高的材料越难发生形状变化，即变形性越小。
2. 材料的弹性模量：弹性模量（或杨氏模量）是材料在受力时恢复原状的能力。
弹性模量越高，材料的变形能力就越小。
3. 材料的屈服强度：屈服强度是材料开始发生塑性变形的临界点，屈服强度越高，材料的变形性越小。
4. 材料的塑性：塑性是指材料在受力下能够产生可逆的形变，即材料可以保持新形状。
具有良好塑性的材料通常具有较大的变形性。
5. 结晶结构：材料的晶体结构也会影响其变形性。
例如，多晶材料通常比单晶材料具有更好的变形性。
需要注意的是，材料的变形性不仅取决于上述因素，还与外界施加的应力状态、温度、速度等条件有关。
不同的材料和应用领域可能对变形性有不同的要求。
因此，在选择材料时
需要综合考虑以上因素，以满足具体需求。
第五章 材料的变形
三、塑性变形对材料组织性能的影响 显微组织的变化 晶粒拉长，纤维状组织 形变织构 在金属塑性变形时，随着变形程度的增加，各个晶粒从原来 互不相同的取向逐渐向主变形方向转动。当变形量很大时，各个 晶粒在空间取向上将呈现出一定程度的一致性，这一现象称为晶 粒的择优取向，形变金属中的这种组织状态称为形变织构。
第二节 金属及合金的回复与再结晶
金属经冷塑性变形后，组织和性能都发生了明显变化。金属晶体 中缺陷密度增大，自由焓升高，并且变形金属中储存能的存在， 使得金属处于一种热力学亚稳定状态，其组织和结构具有恢复到 稳定状态的倾向。在常温下，由于原子的活力很小，原子的扩散 速度很慢，这种变化很小。如果温度升高，使金属原子获得足够 的活力，则冷变形金属就会由亚稳状态向稳态转变，并发生一系 列组织和性能的变化。这种转变可分为三个过程，即回复、再结 晶和晶粒长大。
公式：
τ0 ＝σscosλcosφ
晶体在滑移时的转动 晶体的塑性变形是由于滑移面沿着滑移方向运动产生的，在滑 移的同时，晶体也会发生转变，从而使晶体的空间取向发生了变化。 如果晶体受拉伸产生滑移时，如果两端不受限制，在滑移过程中， 为使滑移面和滑移方向保持不变，晶体轴线就会发生偏移。但是， 拉伸时，在夹头的作用下，晶体轴线不能自由偏斜，这就迫使滑移 面发生转动，使位向发生了改变。
金属热加工后的组织 • 纤维组织（热加工流线） 在热加工过程中，钢锭中的粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸 长，这样就使铸锭中枝晶间富集的杂质和非金属夹杂的走向逐渐与变形 方向一致，使它们变成条带状、线状（脆性夹杂变成链状）或片层状， 在宏观试样上沿着变形方向呈现一条一条的细线，这就是热加工钢中的 流线，由一条条流线勾画出来的热加工钢中的这种组织就是纤维组织。 纤维组织的出现将使钢的机械性能呈现各向异性，在沿着纤维伸展 的方向上具有较高的机械性能，而在垂直于纤维伸展的方向性能则较差。 在制定工件的加工工艺时，必须合理的控制流线的分布情况，尽量使纤 维与应力方向一致。
材料的变形课件
《材料的变形》PPT课件
四、金属的热加工
在工业生产中，钢材和许多零件的毛坯都是在加热至高温后 经压力加工而制成的。
B
D
滑移面A C (a)
B
D
滑移面A C (b)
B
D
AC 滑移面
(c)
B
D
AC (d)
B
D
AC (e)
F-R位错源
《材料的变形》PPT课件
B
D
AC (f)
二、多晶体的塑性变形与强化
实际工业生产中使用的金属材料很多都是多晶体。多晶体由许 多位向不同的单晶组成，因此其塑性变形过程也更为复杂。
多晶体塑性变形的特点
冷塑性变形引起的加工硬化，可以通过加热发生再结晶来加 以消除。如果钢在再结晶温度以上进行加工，塑性变形引起的加 工硬化便可以立即被再结晶过程所消除。因此，在再结晶温度以 上的加工称为热加工。反之，在再结晶温度以下的加工称为冷加 工。
金属在高温下强度降低而塑性提高，所以热加工的主要优点 是容易变形，且变形量大，能量消耗少，即使是脆性材料也较容 易加工。但由于金属在表面要发生氧化，所以热加工比冷加工产 品表面的粗糙度和尺寸精度都要差。一般的，冷加工适合于厚度 较小，而且尺寸精度和粗糙度要求较高的场合。厚度较大和变形 量较大的工件则需要进行热加工。在热加工工程中，金属内部同 时发生着加工硬化和再结晶软化，这种再结晶过程和加工硬化同 时进行的过程称为动态再结晶。
《材料的变形》PPT课件
孪生区域 A C EG
材料的变形
材料的变形材料的变形是指在受到外力作用下，材料产生形状、尺寸或结构上的变化。
材料的变形分为弹性变形、塑性变形和破坏性变形。
弹性变形是指物体在受到外力作用下，当外力去除后，物体能恢复到原来的形状、尺寸和结构的变形。
材料发生弹性变形时，其分子、原子或离子的相互作用力发生改变，但并未破坏化学键的强度和结构。
塑性变形是指物体在受到外力作用下，当外力去除后，物体不能完全恢复到原来的形状、尺寸和结构的变形。
当材料受到的应力超过其抗张强度、抗压强度或抗剪强度时，材料发生塑性变形，分子、原子或离子发生了移动或重排。
破坏性变形是指材料在受到外力作用下超过其破坏极限时的变形。
当材料受到的应力超过其抗拉强度、抗压强度或抗剪强度时，会发生材料的破坏性变形，使得材料发生断裂或破碎。
材料的变形程度可以通过应变来量化。
应变是指单位长度内物体的形变量，通常用百分比或小数表示。
应变可以分为线性应变和非线性应变。
线性应变是指物体形变与外力成正比的应变，适用于弹性变形。
非线性应变是指物体形变与外力不成正比的应变，适用于塑性变形和破坏性变形。
材料的变形可以用应力-应变曲线来描述。
应力-应变曲线是通过对材料施加不同的应力，测量材料的变形程度得到的曲线。
在弹性变形阶段，应力-应变曲线是一条直线，称为弹性区。
在塑性变形阶段，应力-应变曲线开始产生弯曲，称为屈服区。
在破坏性变形阶段，应力-应变曲线急剧上升，直至断裂。
材料的变形可以通过不同的方法加以改善。
例如，增加材料的强度、硬度、韧性和耐磨性，可以减少弹性区和塑性区的变形程度。
改变材料的结构、组成和工艺，可以改善材料的塑性性能和破坏韧性，使材料在承受外力时能够更好地抵抗变形和破坏。
总之，材料的变形是材料在受到外力作用下产生的形状、尺寸或结构上的变化。
了解材料的变形性能，可以帮助我们更好地选择和应用材料，在不同的工程和科学领域中发挥其最佳性能和效果。
材料弹性变形
材料弹性变形
材料在外力的作用下会发生变形。
当外力去除后物体能自动恢复到原来的尺寸和形状时，则该变形称为弹性变形，不能恢复原来尺寸的变形则称为塑性变形。
物体所表现这种性质，主要是由物体内部微观粒子间的相互作用力造成的。
物体内部的微观粒子主要受到正负电荷间的引力和同性电荷间的斥力作用。
当斥力和引力达到平衡时，物体在宏观上表现为稳定的尺寸和形状。
当物体受到外力作用时，微观粒子间的作用力平衡被打破，产生相对位移，物体在宏观上表现为变形。
如果变形不大，外力去除后物体内部粒子可以重新回复到原有的平衡位置，这时的变形就是弹性变形。
如果变形较大，物体内部粒子产生了较大的位移，外力去除后不能回复原位，这时就产生了塑性变形；当发生过量的塑性变形时，材料就会破裂。
衡量物体弹性的主要指标是弹性模量，其物理意义是：材料产生单位应变时所需的应力大小，单位为MPa。
弹性模量的本质是物体内部粒子离开平衡位置的难易程度，所以它只取决于物体内部粒子结合的特性，而晶粒大小、组织结构等特性对它的影响不大。
从这个意义上说，弹性模量是一种对结构特性不敏感的性质。
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4.2.1 滑移
• 滑移现象 • 滑移系-滑移几何学 • 临界分切应力 • 滑移时晶体的转动 • 多滑移和交滑移
（1）滑移现象 滑移带
• 抛光金属单晶 样品在拉伸变 形后，表面发 现平行线条， 称为滑移带
• 许多零件（结构）在制造或使用过程当中都 要承受外力或负载的作用，如铝制飞机的机 翼，陶瓷制成的飞机发动机热端部件，聚合 物基复合材料制成的飞机蒙皮。
• 材料在受力后，发生弹性变形、塑性变形甚 至断裂，因而要求一定的力学性能
• 本章在介绍变形规律的基础上，探讨影响材 料力学性能的微观机制。
4.1 弹性变形和塑性变形
– Bcc结构金属的塑性不如fcc
• 金属的强度、塑性与温度有关。
(3)临界分切应力
• 切应力较小时,只发生弹性变形 • 由于存在晶格阻力，只有当作用于滑移面上沿着
滑移方向的分切应力达到某一临界值时，晶体才 开始滑动-塑性变形。 • 这一应力对应于外界应力－屈服极限。 • 临界分切应力是材料特性参数，与金属种类、晶 体结构、纯度、温度等有关。
孪生变形的物理现象
• 抛光面出现浮凸,如图； • 腐蚀、x射线衍射或偏
振光照明也可观察到； • 说明孪生时晶体的方向
发生了变化
孪晶
孪生变形
• 孪生是塑性变形的一种方式。变形后原来的单晶体 形成镜像对称关系的一对晶粒－孪晶。
(1)孪生变形的特点
• 与滑移相似,孪生沿着特定的晶面、晶向变形 • 孪生部分晶体的取向改变，滑移时晶体取向不变 • 孪生是部分晶体的均匀切变，滑移是不均匀切变 • 孪生部分原子位移正比于该层原子距离孪生面的距离，相邻
屈服应力与滑移系方向有关； 软取向：有些滑移系与外力 的取向接近45º角，处于易滑 移 的 位 向 ， σs 较 小 ， 称 为
“软取向”。
硬取向：有些滑移系与外力 取向偏离45º很远，σs较大， 称为硬取向。
(4)滑移时晶面的转动
• 拉伸时，滑移方向及滑移面逐渐趋向于与外 力方向平行；
• 压缩时，晶面转动的结果是使滑移面逐渐趋 于与压力轴线垂直。
• 发生交滑移时， 表现为波纹状滑 移带。
4.2.2 孪生
• 滑移是金属变形的主要方式 • 如果滑移不能（易）进行时，例如
– 低温变形：如-Fe,Cu在4.2K变形； – 快速成型：如爆炸变形； – 滑移系少的多晶体变形：如Mg,Zn,Cd等六方结
构金属的变形 – 滑移系上的分切应力很小等
• 可能发生挛生等变形方式
• 滑移系取决于晶体结构。
• 由于晶体中滑移阻力(Peierls-Nabarro力）是各向 异性的，晶体容易滑移的晶面（简称滑移面）和 易滑移方向（简称滑移方向）是相对固定的。
常见的滑移系
• 滑移方向总是晶体的密排方向，滑移面一般 是晶体的密排面-滑移阻力小；
• 每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系：
一些金属的临界分切应力
临界分切应力的计算
若横截面积A上受到法向载荷P的作用 滑移面面积 A / cos 切向力=P cos 切应力分量 P cos P cos cos cos cos
A / cos A 当开始滑移时 c scos cos
Ｍｇ晶体的屈服应力与取向
临界分切应力是材料常数， 与滑移系位向无关；
（5）多滑移与交滑移
• 若有几组滑移系相对于外力轴的 取向相同，分切应力同时达到临 界值，则滑移就在两组或多组滑 移系上同时或交替进行，称为多 滑移、复滑移或双滑移。
• 如果滑移受到阻力，可以改变滑 移系，如果滑移方向不变称为交 滑移。-螺型位错交滑移
• 发生多滑移时会 出现几组交叉的 滑移带，
• 滑移是金属塑性变形的 基本形式
• 滑移后不改变晶体内部 原子排列规律性（结构p
2 a (1 )b
• 实验观察结果发现滑移线不是任意排列的，而是 相互平行（或互成一定角度），说明滑移是沿着 特定的晶面和晶向进行的
• 滑移面和面上的一个滑移方向构成一个滑移系 (slip system)。
应力与变形
• 正应力分量只能 引起弹性变形和 断裂
• 切应力分量才是 引起塑性变形的 动力。
• 材料通常是多晶体。
• 多晶体的变形与其中各个晶粒的变形行为密 切相关。
• 研究单晶体的塑性变形，能使我们掌握晶体 变形的基本过程及实质，有助于进一步理解 多晶体的变形
4.2 单晶体的塑性变形
• 塑性变形的微观机制主要有滑移、孪生等。 • 滑移是最普遍的变形机制，孪生只在滑移不
滑移带与滑移线
• 在电子显微镜下，每个 滑移带实际是由许多聚 集在一起的相互平行的 滑移线组成，这些滑移 线实际上是晶体表面产 生的小台阶；
• 滑移线之间的距离为几 十nm，而沿每一滑移 线的滑移量(即台阶高 度)可达几百nm。
滑移模型
• 滑移是以一定晶面为界 晶体的一部分相对于另 一部分沿着（界面）晶 面上的一定方向发生平 移滑动
• 在外力作用下， 材料会发生变形
• 变形包括弹性变 形和塑性变形
• 当外力达到一定 程度，超过原子 间的作用力，发 生断裂
（1）弹性变形
• 外力卸除后，能够完全恢 复的变形，普弹性相当于 原子间键长或键角的变化
• 弹性模量反映弹性变形的 难易，取决于原子间的作 用力。各向异性
• 可由正应力、切应力引起
弹性变形的特点
• 可逆性，去除外力变形恢复（立即或逐渐） • 变形量小，<1%(普弹性） • 应力-应变大致服从虎克定律
E ; G
• 弹性模量对组织不敏感，各向异性
（2）塑性变形
• 塑性变形是外力去除后不能恢复的永久变形。 • 永久变形源于原子发生了有秩序的永久位移，
原子已经到达新的平衡位置，因而在外力去 除后不能恢复。 • 塑性变形量可以很大，如塑性加工
– Fcc，{111}<110>，12个； – Hcp, (0001)<1120>，3个；
– Bcc, {110}<111>,{112}<111>,{123}<111>,48
• 金属（尤其是多晶体）的塑性与滑移系数量有关
– Hcp的塑性不如bcc和fcc;
• 金属的塑性还与滑移面原子密排程度及滑移方向数 目等因素有关，