材料的变形与断裂
第8章 金属高温下的变形与断裂
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典型的蠕变曲线
金属蠕变过程用蠕变曲线来描述。 金属蠕变过程用蠕变曲线来描述。典型的蠕变曲线如图。 （1）Oa线段：是试样在t 温度下承受恒定拉应力σ时所产 线段： 线段 生的起始伸长率δq。 若应力超过金属在该温度下的屈服强度，则δq包括弹性伸长 弹性伸长 塑性伸长率两部分。 率和塑性伸长率 塑性伸长率 此应变还不算蠕变 应变还不算蠕变，而是由外载荷引起的一般变形过程。 应变还不算蠕变
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(二)扩散蠕变
(二)扩散蠕变 扩散蠕变： 扩散蠕变：是在较高温度(约比温度(T／Tm)远超过0.5)下的 ( 一种蠕变变形机理。 它是在高温下大量原子和空位定向移动造成的 高温下大量原子和空位定向移动造成的。 高温下大量原子和空位定向移动造成的 在不受外力情况下，原子和空位的移动无方向性，因而宏观 上不显示塑性变形。 但当受拉应力σ作用时，在多晶体内产生不均匀的应力场 产生不均匀的应力场。 产生不均匀的应力场
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刃位错攀移克服障碍的几种模型： 刃位错攀移克服障碍的几种模型： 可见，塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移 面上运动（a），或与异号位错相遇而对消（b），或形成亚 晶界（c），或被晶界所吸收（d）。
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当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时，位错源便可能 再次开动而放出一个位错，从而形成动态回复过程 动态回复过程。 动态回复过程 这一过程不断进行，蠕变得以不断发展。
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本章介绍内容： 本章介绍内容： 阐述金属材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象 蠕变现象。 蠕变现象 讨论蠕变变形和断裂的机理 蠕变变形和断裂的机理。 蠕变变形和断裂的机理 介绍高温力学性能指标及影响因素。 为正确选用高温金属材料和合理制定其热处理工艺提供基础 知识。
材料的塑性变形与断裂行为研究
材料的塑性变形与断裂行为研究材料的塑性变形与断裂行为是材料科学与工程领域中非常重要的研究方向。
通过深入研究材料的塑性变形与断裂行为，可以为材料的设计与制造提供重要的依据，从而提高材料的性能与可靠性。
一、塑性变形行为在材料的塑性变形行为研究中，我们主要关注材料在受力下的形变与变形过程。
塑性变形是指材料在外力作用下能够发生持续的变形，而不会恢复到初始状态。
这种变形是由材料内部的晶体结构发生滑移与重排所引起的。
晶体结构的缺陷与晶界的运动对塑性变形行为起着重要的作用。
塑性变形行为的研究可以通过实验与模拟两种方法进行。
在实验中，常用的方法包括拉伸、压缩和剪切等试验。
通过测量材料的应变与应力，可以得到材料的应力-应变曲线。
这个曲线可以反映材料的力学性能与塑性变形行为。
另外，还可以通过光学显微镜和电子显微镜观察材料的变形结构与晶界运动。
在模拟方法中，常用的手段是有限元分析。
有限元分析可以通过数值计算的方法模拟材料的力学行为。
通过建立合适的模型，可以预测材料的应力分布、应变分布和位移分布等。
有限元分析可以帮助研究人员深入理解材料的力学行为，并优化材料设计与制造过程。
二、断裂行为研究除了塑性变形行为，断裂行为也是材料研究的重要方向。
断裂是指材料在受力下破裂的现象。
断裂行为的研究可以帮助我们了解材料的强度与韧性，从而为材料的设计与应用提供指导。
断裂行为的研究主要包括断裂形态与断裂机制的研究。
断裂形态指的是材料在受力下发生破裂时的外观与形态。
不同的材料在破裂时会出现不同的断裂形态，如拉伸破裂、剪切破裂和韧窝破裂等。
通过观察与分析断裂形态，可以揭示材料的断裂机制与破裂过程。
断裂机制是指材料在受力下破裂的原因与机理。
材料的断裂机制与其微观结构有关。
不同的材料具有不同的断裂机制，如晶体的滑移与塑性变形、晶界的开裂与断裂以及多孔材料中的裂纹扩展等。
通过研究断裂机制，可以在材料设计与制造中预测和控制材料的断裂行为，提高材料的韧性与可靠性。
第8章材料的变形与断裂
第8章材料的变形与断裂材料的变形与断裂是材料科学中的重要研究内容，对于了解材料的性能和使用寿命具有重要意义。
材料的变形是指在外力作用下，材料的形状、尺寸或结构发生改变的过程。
而断裂则是指在外力作用下，材料由于受到极限载荷或破坏源的影响，导致形成裂纹最终导致材料的破裂。
材料的变形可以分为弹性变形和塑性变形两种情况。
在小应力作用下，材料会发生弹性变形，即在去除外力后能够恢复其原状。
而在大应力作用下，材料会发生塑性变形，即即使去除外力，材料也无法完全恢复其原状。
材料的弹性模量是一个衡量材料抗弹性变形能力的重要参数，不同材料具有不同的弹性模量，常见材料如金属具有较大的弹性模量，而聚合物则具有较小的弹性模量。
材料的塑性变形是材料工程中非常重要的一个特性，塑性变形不仅与材料的力学性能有关，还与材料的微观结构和晶格缺陷等因素有关。
材料在塑性变形过程中会产生塑性应变和塑性应力，塑性应变是材料发生塑性变形时所引起的应变，而塑性应力则是材料发生塑性变形时所引起的应力。
常见的材料塑性变形包括屈服、流动、硬化等过程。
材料的断裂是指在外力作用下，材料发生了破裂。
材料的断裂主要分为两种形式：韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂是指材料在外力作用下具有一定韧性，在发生破裂前能够发生大量的塑性变形。
而脆性断裂则是指材料在外力作用下没有发生明显的塑性变形，很快发生破裂。
韧性断裂常见于许多金属材料，而脆性断裂则常见于一些玻璃、陶瓷等材料。
材料的断裂形式可以通过断口分析来确定。
不同的断口形式对应着不同的材料断裂机制。
常见的断裂形式有拉断、韧窝断裂、脆窝断裂等。
拉断是指材料发生拉伸断裂，断口两侧平整光滑，常见于高强度的金属材料。
而韧窝断裂则是指材料发生韧性断裂，断口两侧有明显的韧窝。
脆窝断裂则是指材料发生脆性断裂，断口两侧有明显的断裂窝。
通过对断口形态的观察可以判断材料的断裂机制和断裂韧性。
材料的变形和断裂不仅仅涉及到力学性能的研究，还和材料的制备工艺、微观结构、晶体缺陷、应力和温度等因素有关。
材料的变形与断裂
发生一系列复杂得交割作用,出现位错得缠结等等现象,使位错
得运动受阻,位错源不断发出得位错不能顺利地移出晶体,发生
位错地塞积,造成位错密度得逐渐增大。变形量越大,位错密度
就越大,变形得抗力也越就大。随着位错密度得升高,位错之间
得平均距离减小,她们之间得相互干扰和交互作用进一步增强,
因而强度和硬度也就越来越大。
滑移得实质就是位错得运动
位错得滑移面就就是晶体得滑移面,柏氏矢量得 方向就就是晶体得滑移方向。为了使位错得能量较低, 在结构容许得条件下,尽量减小柏氏矢量,所以原子得 密排方向就成为了位错得柏氏矢量得方向。
位错得增殖
塑性变形得过程中,尽管位错移出晶体产 生滑移台阶,但位错得数量(位错密度)却在不 断得增加,这就是因为在外应力作用下发生塑 性变形时位错会发生增殖。
2. 特点:颈缩发生后,宏观表现为外力在下降,工 程应力在减小,但颈缩区得材料承受得真实应 力依然在上升。
3. 极限强度:材料开始发生颈缩时对应得工程应
力σb ,这时试样出现失稳,颈缩真实应力依
然在上升,但能承受得总外力在下降。
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
塑性变形过程－－断裂
1. 断裂:变形量大至K点,试样发生断裂。
作用在晶格上得正应力只能使晶格得距离加大,不能 使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置,不能产生塑 性变形;正应力达到破坏原子间得吸引力,晶格分离,材料 则出现断裂。
材料在正应力作用下,在应力方向虽然不能发生塑性 变形,但应力得分解在另一方向就有切应力,可使晶格沿 另外得方向上发生滑移。
滑移系
➢ 滑移发生得晶面称为滑移面,通常为晶体得最密排晶 面;
➢ 滑移滑动得方向称为滑移方向,通常也为晶体得最密 排方向;
连续介质力学中的大变形与断裂研究
连续介质力学中的大变形与断裂研究引言连续介质力学是研究材料在外力作用下的变形和断裂行为的学科，是物理力学的一个重要分支。
在材料科学、工程力学、地球物理学等领域都有广泛的应用。
本文将着重介绍连续介质力学中的大变形与断裂研究。
1. 大变形的介绍大变形是指在外力作用下，材料的形状、体积或内部结构发生明显改变的现象。
当应变达到一定程度时，常规的线弹性理论不能再正确描述材料的变形行为。
因此，理论上需要引入非线性弹性理论来研究大变形现象。
非线性理论根据材料的本构关系和变形描述方程的非线性性质，可以更准确地描述大变形行为。
2. 大变形的数学描述在连续介质力学中，大变形通常通过应变张量的非线性关系来描述。
应变张量是一种描述变形的物理量，用于衡量物体内部相对位移的大小。
在大变形的情况下，应变张量的组分由线性校正项和非线性校正项构成。
3. 大变形与材料性质大变形会显著影响材料的力学性质。
例如，材料的刚度、强度、塑性行为等参数会随着应变增加而发生变化。
另外，在大变形过程中，材料可能会出现局部失稳、产生脆性断裂等现象。
因此，研究大变形对材料性质的影响具有重要的理论和应用价值。
4. 断裂力学的基本原理断裂力学是研究材料在外部载荷作用下发生破裂现象的学科。
断裂是指材料在外力作用下突然失效并发生破碎的过程。
断裂力学的基本原理涉及三个方面：断裂起始准则、裂纹扩展准则和破坏力学。
4.1 断裂起始准则断裂起始准则是研究材料在何时发生破裂的标准。
常用的准则包括拉伸准则、剪切准则和能量准则等，用来描述材料的破裂临界条件。
4.2 裂纹扩展准则裂纹扩展准则是研究裂纹在材料中的扩展行为。
通过研究裂纹的扩展速率和扩展角度等参数，可以确定断裂的发展过程。
4.3 破坏力学破坏力学是研究材料在断裂过程中的破坏机理和破坏能力的学科。
破坏力学通过研究断裂面的断面形态、破碎能量消耗等参数，来描述材料的破坏行为。
5. 大变形与断裂的关系大变形和断裂是紧密相关的。
焊接材料的塑性变形与断裂机理
焊接材料的塑性变形与断裂机理焊接是一种常见的金属加工方法，通过高温加热和冷却过程将两个或多个金属材料连接在一起。
在焊接过程中，焊接材料的塑性变形和断裂机理是非常重要的因素，它们直接影响着焊接接头的质量和性能。
首先，我们来探讨焊接材料的塑性变形机理。
塑性变形是指金属材料在受到外力作用下发生的可逆形变过程。
在焊接过程中，焊接材料会受到焊接电弧或热源的加热，从而达到熔化温度。
一旦焊接材料熔化，它就会变得可塑性，可以通过外力进行塑性变形。
焊接材料的塑性变形主要是通过热塑性变形和冷塑性变形来实现的。
热塑性变形是指焊接材料在高温下受到外力作用时发生的塑性变形。
在焊接过程中，焊接材料受到焊接电弧或热源的加热，使其达到熔化温度，然后通过焊接工具施加的外力进行塑性变形。
热塑性变形的优点是能够使焊接接头的形状更加精确，缺点是容易产生热裂纹和变形。
冷塑性变形是指焊接材料在冷却过程中受到外力作用时发生的塑性变形。
在焊接过程中，焊接材料在熔化后会迅速冷却，形成焊缝。
在冷却过程中，焊接材料会受到外力的作用，使其发生塑性变形。
冷塑性变形的优点是能够增加焊接接头的强度和硬度，缺点是容易产生冷裂纹和变形。
除了塑性变形，焊接材料的断裂机理也是非常重要的。
断裂机理是指焊接材料在受到外力作用下发生破裂的过程。
在焊接过程中，焊接材料会受到焊接电弧或热源的加热和冷却过程的影响，从而产生内部应力。
如果这些内部应力超过了焊接材料的强度极限，就会导致焊接接头的断裂。
焊接材料的断裂机理主要有两种，一种是脆性断裂，另一种是韧性断裂。
脆性断裂是指焊接材料在受到外力作用下迅速破裂的过程。
脆性断裂的特点是断口平整，没有明显的塑性变形。
脆性断裂主要是由于焊接材料中存在的缺陷或内部应力引起的。
韧性断裂是指焊接材料在受到外力作用下发生延展性破裂的过程。
韧性断裂的特点是断口不平整，有明显的塑性变形。
韧性断裂主要是由于焊接材料中的晶粒细化和断口韧化等因素引起的。
综上所述，焊接材料的塑性变形和断裂机理是影响焊接接头质量和性能的重要因素。
华南师范大学材料科学与工程教程第八章 材料的变形与断裂(二)
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C =S cos cos
施密特定律首先在六方晶系如Zn、Mg中得到证实。
右图中显示了纯度 99.999 ％（质量 分数）的单晶锌在拉伸时的屈服点随晶 体位向变化的实验结果。 面心立方金属也符合施密特定律 但对体心立方金属，则不服从施密特定
位错宽度如何确定？阻力大小？
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• 位错宽度的界定：位错中心A处，离两端平衡位置为b/2，一直往 两侧延伸到原子列偏离原平衡位置的位移为b/4时，位错两侧的宽度以W 表示，即为位错宽度。
•派－纳力（τP－N） 理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所 需克服的阻力。
τP－N的大小主要取决于位错宽度W，W越小，τP－N就 越大，材料就难变形，相应的屈服强度也越大；
• cos cos 值大者，称为软取向，此时材料的屈服点
较ห้องสมุดไป่ตู้；
• 反之， cos cos 值小者，称为硬取向，材料屈服点
也较高
• 取向因子最大值在 + ＝90o的情况下， cos cos ＝1/2； • 当滑移面垂直于拉力轴或平行于拉力轴时，在滑移面 上的分切应力为零，因此不能滑移。
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三、滑移与孪晶变形
1、滑移观察 1）光学显微镜观察
试样表面内有许多平行的或几组交叉的细线，是相
对滑移的晶体层与试样表面的交线
——滑移带
2）电子显微镜观察
滑移带是由是由更多的一组平行线构成
——滑移线
试样内的滑移带不是均匀分布的，滑移线构成的滑移台阶高约100nm， 如果滑移 b=0.25，则从滑移台阶的高度可粗略估计约有 400个位错移出了 8 晶体表面。
（ 作 用 能 ） 平衡距离
材料的塑性形变和断裂特性研究
材料的塑性形变和断裂特性研究材料科学是现代工程学和科学领域中的一个重要学科，它研究的是材料的性质、结构和性能。
材料科学的发展离不开对材料的塑性形变和断裂特性的深入研究。
塑性形变是材料在外力作用下发生的永久性形变，而断裂是材料在受到破坏力作用下发生的破裂过程。
一、塑性形变的研究材料的塑性形变是指在外力的作用下，材料不断变形，同时维持其形状。
塑性形变的研究对于材料的加工、应用以及性能优化具有重要意义。
1.1 动力学模拟在塑性形变的研究中，动力学模拟是一种常用的手段。
通过计算机模拟，可以模拟出材料在外力作用下的形变规律，并预测材料的机械性能。
1.2 结晶核心和位错塑性形变过程中，结晶核心和位错起着重要的作用。
结晶核心是材料中形成晶体的起始点，位错则是晶体中由于原子或离子位置的偏移而导致的杂质。
1.3 材料变形的不均匀性材料在塑性形变过程中，存在变形的不均匀性。
这种不均匀性主要表现在晶粒的变形程度、形状和取向的差异上。
二、断裂特性的研究材料的断裂特性是指材料在受到破坏力作用下发生的破裂过程。
对材料的断裂特性进行研究，有助于材料的设计和应用。
2.1 断裂韧性断裂韧性是材料在断裂前能够吸收的能量。
断裂韧性高的材料具有较好的抗拉、抗冲击等性能。
2.2 断裂模式断裂模式是指材料在发生断裂时，裂纹扩展的方式。
根据裂纹的扩展方向和形状，可以判断材料的断裂模式。
2.3 断裂机理材料的断裂机理是指在外力作用下，裂纹是如何扩展、如何传播的过程。
研究断裂机理可以为材料的改进提供指导。
三、塑性形变与断裂特性的关系塑性形变和断裂特性是密不可分的。
塑性形变的程度和方式会直接影响材料的断裂特性。
3.1 塑性形变对断裂的影响塑性形变可以改善材料的断裂特性。
通过增加材料的变形能力，可以减缓材料的断裂速度，增加材料的韧性。
3.2 断裂对塑性形变的限制断裂会对塑性形变产生限制。
当材料中存在裂纹时，裂纹会在外力的作用下扩展，最终导致材料的破裂。
第八章材料的变形与断裂
质原子切变模量较大，对位错有斥力，反之切变模量较小时则有 吸力。
第八章材料的变形与断裂
间隙式的溶质原子 对于间隙式的溶质原子，当其溶于体心立方中，会造成
不对称畸变。这时，溶质原子不仅和刃型位错，也和螺型位 错有强烈的交互作用，因而产生了很强的固溶强化效果。
第八章材料的变形与断裂
2）双交滑移机制 高层错能的面心立方和体心立方，变形时的 位错增殖主要是靠双交滑移。 见书上P342
第八章材料的变形与断裂
合金的变形与强化
固溶强化： 合金在形成单相固溶体后，变形时的临界切应力都高于
纯金属。
置换式的溶质原子，考虑溶质原子与溶剂原子尺寸的差别。 尺寸相差越大，溶解度越小，强化效果越大。 原子尺寸差别（或称错配）所引起的晶格畸变，会产生一
第八章材料的变形与断裂
三. 位错的增殖
1）F-R源（弗兰克－瑞德源） 塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移
台阶，但位错的数量(位错密度)却在不断的增加，这 是因为在外应力作用下发生塑性变形时位错会发生增 殖。
例如
第八章材料的变形与断裂
位错的增殖
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，扩展到晶体外的产生滑移台阶 可为柏氏矢量的整数倍。
3 消除：去应力退火。
第八章材料的变形与断裂
金属的断裂
一. 理论断裂强度 利用原子间结合力的模型可以求出金属的理论断裂强度。
第八章材料的变形与断裂
断裂的原理
断裂的原理
断裂是指物体在外力作用下发生的断裂现象。
其原理可以通过以下几个方面来解释：
1. 弹性变形超过临界值：当物体受到外力作用，发生弹性变形时，如果该变形超过了物体材料的临界值，就会导致断裂。
这是因为材料会出现应力集中现象，从而使局部区域的应力达到材料的破坏强度，导致断裂发生。
2. 力的作用方式：外力作用的方式也会影响物体的断裂。
如果外力作用是拉伸或剪切，那么断裂主要是由于物体材料的韧性不足，无法抵抗住外力的拉伸或剪切作用，从而导致断裂出现。
3. 材料的结构和强度：物体的断裂还与材料的结构和强度有关。
例如，当材料中存在缺陷、裂纹等局部结构问题时，外力作用下断裂易发生。
而材料的强度也会直接影响物体的抗拉强度，强度越低，断裂风险越大。
需要注意的是，由于你要求没有相同标题的文字，此处只是对断裂原理的简要解释，并没有使用标题相同的文字描写。
工程材料的力学行为-变形、断裂与疲劳的工程方法
工程材料的力学行为-变形、断裂与疲劳的工程方法工程材料的力学行为变形、断裂与疲劳的工程方法工程材料的力学行为是指材料在受力作用下的变形、断裂和疲劳等力学特性。
这些特性对于工程设计和材料选择至关重要。
本文将介绍工程材料的力学行为变形、断裂和疲劳的工程方法。
一、变形的工程方法变形是指材料在受力作用下发生的形状和尺寸的改变。
变形的工程方法主要包括弹性变形和塑性变形。
1.弹性变形弹性变形是指材料在受力作用下发生的可逆变形。
当外力作用消失时，材料会恢复到原来的形状和尺寸。
弹性变形的工程方法主要包括杨氏模量和泊松比。
杨氏模量是指材料在弹性变形时单位应力下的应变。
杨氏模量越大，材料的刚度越大，弹性变形能力越强。
泊松比是指材料在弹性变形时横向应变与纵向应变之比。
泊松比越小，材料的弹性变形能力越强。
2.塑性变形塑性变形是指材料在受力作用下发生的不可逆变形。
当外力作用消失时，材料不会恢复到原来的形状和尺寸。
塑性变形的工程方法主要包括屈服强度、延伸率和冷加工硬化指数。
屈服强度是指材料在塑性变形时开始发生塑性变形的应力值。
延伸率是指材料在塑性变形时断裂前的伸长量与原始长度之比。
冷加工硬化指数是指材料在冷加工过程中硬度的增加量。
二、断裂的工程方法断裂是指材料在受力作用下发生的破裂现象。
断裂的工程方法主要包括断裂韧性和断裂强度。
1.断裂韧性断裂韧性是指材料在断裂前吸收的能量。
断裂韧性越大，材料的抗断裂能力越强。
断裂韧性的工程方法主要包括冲击韧性和拉伸韧性。
冲击韧性是指材料在受冲击载荷作用下的抗冲击能力。
拉伸韧性是指材料在拉伸载荷作用下的抗拉伸能力。
2.断裂强度断裂强度是指材料在断裂时的应力值。
断裂强度越大，材料的抗断裂能力越强。
三、疲劳的工程方法疲劳是指材料在受交变载荷作用下发生的损伤和破坏。
疲劳的工程方法主要包括疲劳寿命和疲劳极限。
1.疲劳寿命疲劳寿命是指材料在受交变载荷作用下能够承受的循环次数。
疲劳寿命越长，材料的抗疲劳能力越强。
第七章 固体材料的变形与断裂
当 和 都 接 近 45º， 取 向 因 子取得极大值，s最低，称为软
位向，在外力作用下最易塑变；
当和只要有一个接近90º时， 取向因子趋近于零，s趋近无穷
大，叫硬位向，此时不会产生滑 移，直至断裂。
图7-7 分切应力的分析图
显然，同一晶体可有几组晶体学上完全等价的滑 移系，但实际先滑移的是处在软位向的滑移系。
8(c)。使滑移面法线与外力轴夹角增大，使外力与滑
移方向夹角变小。
图7-8 单晶体拉伸变形过程
转动机制：滑移前如图中虚线所示。滑移后，每 层薄片之间，沿滑移面和滑移方向产生相对位移，如 图中实线所示。
图7-9 拉伸时晶体转动机制示意图
力偶n1－n2 使晶体向拉力轴方向转动， 角逐渐变大。
图7-9 拉伸时晶体转动机制示意图
单晶圆柱体截面积为A，轴向拉力 P，则P在滑移方向的分力为Pcos，
而滑移面的面积为A/cos，于是，
外力在该滑移面沿滑移方向的分
切应力 为：
图7-7 分切应力的分析图
式中，P/A为试样拉伸时横截面上的正应力。
当滑移系中的分切应力达到其 临界分切应力值而开始滑移时，则
P/A 为 宏 观 上 的 起 始 屈 服 强 度 s ， cos cos称为取向因子。
图7-3 金属单晶体拉伸 后的实物照片
滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平 行的更细的线所组成的，称为滑移线，如图7-4所示。
图7-4 滑移带形成示意图
晶体塑性变形是不均匀性的，滑移只是集中发生 在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则 未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。
2．滑移系
塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动， 这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。 晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同。
金属材料受力后会弯曲或断裂
金属材料受力后会弯曲或断裂金属材料是一类常见的工程材料，广泛应用于建筑、航空、汽车制造等领域。
在使用过程中，金属材料会承受各种外部力的作用，如拉力、压力、弯曲力等。
然而，这些力的作用会导致金属材料发生变形，甚至出现弯曲或断裂的情况。
本文将针对金属材料在受力后发生弯曲或断裂的原因以及相应的预防措施进行探讨。
首先，金属材料在受力后发生弯曲的原因有多种。
主要原因之一是金属材料的内部结构造成的。
金属材料的内部由晶粒组成，晶粒与晶粒之间通过晶界连接着。
当外力作用到金属材料上时，晶粒之间的晶界可能发生滑移或移位，导致材料整体发生塑性变形。
这种滑移和移位会导致材料内部产生应力集中区域，从而造成金属材料整体弯曲。
此外，金属材料的晶粒尺寸和材料的纯度也会影响金属材料的强度和塑性，进而影响材料在受力后的弯曲情况。
其次，金属材料在受力后出现断裂的原因也有多方面。
一方面，金属材料的强度不足可能导致断裂。
当外力作用到金属材料上超过材料的强度极限时，金属材料就会发生破裂。
此外，金属材料的内部存在缺陷也可能导致断裂。
缺陷包括气孔、夹杂物、裂纹等，这些缺陷会导致材料内部应力集中，从而引起断裂。
此外，金属材料的应力集中也可能导致断裂。
当外力作用到金属材料上时，如果材料表面存在缺口或切口等形状不良的部分，外力就会在这些部分产生应力集中，进而引发断裂。
对于金属材料在受力后弯曲或断裂的情况，我们应该采取相应的预防措施。
首先，正确选择金属材料是非常重要的。
对于不同场合的应用，需要选择适合强度和塑性的金属材料，以免在受力下出现过度弯曲或断裂。
其次，合理设计金属结构也是关键。
在设计过程中，应该避免金属结构出现应力集中的部位，适当增加支撑或加强结构刚度等方式来预防弯曲或断裂。
此外，采用适当的材料处理方法也能有效预防金属材料受力后弯曲或断裂。
比如，通过热处理可以改善金属材料的强度和塑性，进而提高金属材料的抗弯曲和抗断裂能力。
此外，加强金属材料的监测和检测也是重要的一环。
第8章 材料的变形与断裂(四)
8-46曲线1表示在发生二次再结晶周围，只
有一次再结晶的晶粒随温度升高均匀增大的情形， 曲线2表示不含MnS夹杂的高纯度的硅钢片的晶
粒长大与温度的关系
2013-7-13
由此表明没有明显的二次再结晶
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材料科学基础
第8章 材料的变形与断裂
当加入少量杂质形成第二相（如硅铁中的MnS）能强烈钉扎住晶 界，阻碍晶界的移动，晶粒也就不会长大。
而当加热到高温，某些局部区域的MnS夹杂熔解，该处的晶粒便优先长 大，吞并了周围的晶粒，这就形成了晶粒的反常长大。 二次再结晶对材料的力学性能肯定有不良影响 但对硅钢片退火是有意要形成二次再结晶的，产生强的再结晶织构（110） [001]（即高斯织构）和大晶粒，很适合制作变压器铁心等软磁材料。
二次再结晶的产生：主要是再结晶后晶粒长大过程中，只有少数晶粒 能优先长大，而大多数晶粒不易长大，这是因为： 冷变形造成了变形织构，再结晶退火至一定温度时（如对硅钢片至 少在900℃以上）又形成了再结晶织构，当织构形成后，各个晶粒的 取向趋于一致，晶粒间的位向差很小时，晶界是不易移动的，因为界 面能是随位向差的增大而增大，直至形成大角度晶界，界面能才趋于 一恒定值。 因此形成强烈织构后晶粒是不易长大的；
材料科学基础
第8章 材料的变形与断裂
第八章 材料的变形与断裂（四）
2013-7-13Leabharlann 1 材料科学基础
第8章 材料的变形与断裂
8.11 冷变形金属的再结晶
再 在加热温度更高时发生再结晶，而在此之前变形金属的力学性能和物 结 理性能都是逐渐变化的，但只要加热到某一确定值（或者说是一个很窄 晶 的温度范围），就可看到力学性能和物理性能急剧变化，加工硬化可以 现 完全消除，性能可恢复到未变形前的退火状态。 象 显微组织也发生明显变化，由拉长的变形晶粒变为新的等轴晶粒
材料力学中的变形与断裂研究
材料力学中的变形与断裂研究材料力学是研究材料在外界作用下的变形与断裂行为的科学，应用广泛于各个领域。
变形与断裂的研究不仅关乎着材料的性能与稳定性，也对于材料的设计和制造具有重要意义。
一、材料的变形材料的变形是指材料由原来的形状、尺寸、结构和性质等相应地发生改变的过程。
材料的变形可以是弹性或塑性的，而弹性变形是指在外力作用下，材料发生形变但在去掉外力后能完全恢复原状；而塑性变形则是指材料在外力的作用下形成的变形会部分或完全保留下来。
在材料的变形过程中，重要的参数之一是应力。
应力是指单位面积上所受的力，可以是拉伸、压缩或剪切力。
应力和材料之间的关系可根据材料的应力－应变曲线来描述。
应力－应变曲线可以反映材料的强度和韧性等性质。
二、材料的断裂随着外界条件的变化和作用力的增加，材料可能会发生断裂。
断裂是材料破裂的过程，由于材料内部承受的载荷过大而导致材料失去结构完整性。
研究材料的断裂行为有助于预测材料的寿命和安全性。
材料的断裂可以分为静态断裂和疲劳断裂两类。
静态断裂是指在静态载荷下材料的破裂，例如材料受到巨大的拉伸或压缩力时发生断裂。
疲劳断裂则是指在频繁重复的载荷作用下材料破裂，例如金属材料在长时间的交变应力下逐渐疲劳而导致断裂。
三、材料力学研究的重要性材料力学的研究对于材料的设计和制造具有重要意义。
通过研究材料的变形和断裂行为，可以对材料的强度、耐久性和寿命等进行评估和预测，从而选择合适的材料和设计出高性能的产品。
同时，材料力学的研究也为新材料的开发和创新提供了理论基础。
通过对材料内部结构和物理特性的深入了解，可以引导材料的设计和制备，提升其性能和功能。
在实际应用中，材料力学的研究对于工程和科学领域具有重要价值。
例如，航空航天领域对于材料的强度和耐久性要求极高，研究变形与断裂行为可以提供有效的材料选择和设计方案，确保航空器的安全运行。
四、材料力学研究的发展趋势随着科技的不断进步，材料力学的研究也在不断发展。
固体材料的变形与断裂分解课件 (一)
固体材料的变形与断裂分解课件 (一)固体材料的变形与断裂分解课件是材料学中非常重要的一门课程。
它主要讲述了固体材料在外界作用下的变形行为，以及在超过其承受极限时的断裂分解过程。
以下是本课件的主要内容。
一、固体材料的变形1. 弹性变形弹性变形是指材料在受到外部力作用时，能够迅速恢复原状的现象。
在本课件中，我们会讲述弹性模量的概念及计算方法，并结合实例进行分析。
2. 塑性变形塑性变形是指材料在受到外部力作用时，产生塑性不可逆变形的现象。
本课件中，我们将深入探讨材料的屈服点、本构关系、应变硬化等概念及计算方法，以及应用于实际情况的案例分析。
3. 蠕变变形蠕变变形是指材料在长时间受持续应力作用下，产生缓慢但逐渐加重的塑性变形现象。
本课件将探讨蠕变现象的影响因素及计算方法，并分析蠕变材料的工程应用。
二、固体材料的断裂分解1. 断裂韧性断裂韧性是指材料在断裂过程中，所能承受的最大应力值，也是衡量材料抗断裂能力和脆性程度的重要指标。
本课件将介绍断裂韧性的概念和计算方法，并结合实例进行分析。
2. 断裂形式材料在断裂时，可能会出现拉伸、剪切、压缩等不同的断裂形式。
本课件将详细讲解不同断裂形式的特点和影响因素，并以实际案例进行分析比较。
3. 断裂方式材料的断裂方式有很多种，主要有韧性断裂和脆性断裂。
本课件将深入探讨这两种不同断裂方式的特征、影响因素及其应用。
总之，固体材料的变形与断裂分解课件是材料学中不可或缺的一门课程。
通过对本课件的学习，学生们将对于材料变形规律、断裂现象及应对措施等方面有更深刻的理解和认识。
同时，也为他们今后的材料科学研究和工程应用提供了有力的支持和帮助。
金属及合金的塑性变形与断裂
晶粒。
工业纯铁在塑性变形前后的组织变化
(a) 正火态
(b) 变形40%
(c) 变形80%
5%冷变形纯铝中的位错网
塑性变形对金属组织的影响
晶粒拉长，纤维组织 → 各向异性 (沿纤维方向的强度、塑性最大）
变形10% 100×
变形80% 纤维组织
100×
变形40% 100×
工业纯铁 不同变形度 的显微组织
2.位错的增殖
位错增值模型.swf 螺位错双交滑移增殖模型.swf
3.位错的交割与塞积
位错在障碍物前的塞积
位错：AB 、CD （固定不动）
mn⊥b2
位错
当两条位错线交割时，每条位错线上都可能出 现长度相当于另一条位错线b的割阶,这就增加
了位错长度，是位错能量升高，是变形所需的
总能量升高； 另外，当割阶垂直于滑移面时， 此割阶有阻止位错运动的作用，会使晶体进一 步滑移的抗力增加，这是加工硬化的主要原因。
量和分布有关。第二相
可以是纯金属、固溶体
或化合物，工业合金中
第二相多数是化合物。
+钛合金(固溶体第二相)
当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细， 分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性 略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。 弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而 阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。
固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错 的运动。即溶质原子与位错弹性交互作用的结果，如下图所示，使 溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小畸变，使系统更加稳定， 此即称为柯氏(cotrell)气团。显然，柯氏气团对位错有“钉扎”作用。 为了使位错挣脱气团而运动，必须施加更大的外力。因此，固溶体 合金的塑性变形抗力要高于纯金属。
金属材料的塑性变形与断裂机理
金属材料的塑性变形与断裂机理金属材料是广泛应用于工业和制造领域的重要材料之一。
塑性变形和断裂机理是金属材料力学行为的基本特征，对于理解金属材料的性能和改善其工程应用具有重要意义。
本文将从塑性变形和断裂机理两个方面进行论述，以帮助读者更好地理解金属材料的性质和行为。
一、塑性变形机理1.1 密排层错结构金属材料中晶体的构造对其塑性变形性能具有重要影响。
密排层错结构是金属材料中晶体排列的一种常见结构。
该结构可以使晶体在受力时发生滑移，从而引发材料的塑性变形。
滑移过程中，晶体内的原子相互滑动，使材料发生变形，从而增加其塑性。
1.2 双曲面交错结构双曲面交错结构是另一种常见的金属材料晶体排列方式。
在受力作用下，晶体发生双曲面滑移，从而引起材料的塑性变形。
该结构可以增加晶体滑移的方向，提高材料的塑性。
1.3 变形机制金属材料的塑性变形机制主要包括滑移、孪晶形成和机械孪生等。
滑移是晶体中原子相互滑动引起的变形机制，主要通过滑移面和滑移方向来确定滑移产生的位置。
孪晶形成是在某些条件下晶体内部形成镜像结构，从而产生变形。
机械孪生是晶体中发生变形所产生的一种特殊形态。
二、断裂机理2.1 断裂类型金属材料的断裂类型包括韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。
韧性断裂是材料发生延性断裂，即在承受一定载荷后，材料仍能继续变形；脆性断裂是材料在承受载荷后突然断裂，变形能力较差；疲劳断裂是材料在长时间重复加载的作用下产生的断裂现象。
2.2 断裂因素金属材料的断裂受到多种因素的影响，主要包括应力、环境和缺陷等。
应力是导致材料发生断裂的最主要因素，当应力超过材料的承受能力时，断裂就会发生。
环境因素如温度、湿度等也会对金属材料的断裂行为产生影响。
此外，材料内部的缺陷如裂纹、夹杂等也会加速材料的断裂。
2.3 断裂表征方法断裂行为的表征对于评估材料的性能具有重要意义。
常见的断裂表征方法包括断口形貌观察、断口分析和断裂韧性测试等。
通过观察断口形貌可以了解材料的断裂模式，进一步深入分析可以推测断裂的原因。
大学材料科学基础材料的变形与断裂
1 强度和塑性的概念。 2 单晶体塑性变形的宏观规律和位错机制。 3 多晶体塑性变形特点。 4 塑性变形对金属组织、性能的影响。 5 金属强化机制。 6 冷变形金属的回复和再结晶。
第一节 金属变形概述
金属拉伸试验曲线（应力-应变曲线）
两种拉伸曲线： 载荷－伸长曲线和应力－应变曲线
均匀塑性变形和局部塑性变形
第八章 材料的变形与断裂
金属构件在使用过程中，最终的失效形式有两 种：塑性变形和断裂，此外塑性变形也是金属材料 的一种主要成型方式：锻造、轧制等。对于工程结 构材料来说，最重要的是它的机械性能：强度、塑 性等，而这些性能又和材料的塑性变形行为密切相 关，因此研究金属的变形和断裂行为十分重要，是 本课程的一个重点内容。
（2）滑移系
滑移带的分布不是任意的，说明单晶 体中的滑移是沿着一定的晶面和晶向进行 的，这些特定的晶面和晶向叫滑移面和滑 移方向，一个滑移面和该面上一个滑移方 向的组和构成一个滑移系。
不同晶体结构中滑移系是不同的，一 般来说滑移面是晶体中的原子密排面，滑 移方向是晶体中的原子密排方向。
SLIP SYSTEM IN FCC: {111} <110>
弹性变形和塑性变形的本质区别 ？
弹性变形和塑性变形的本质区别在于在外力作用下 点阵原子位移距离的大小：
弹性变形――位移小于一个原子间距；
塑性变形――位移超过一个原子间距。
塑性变形中包含了弹性变形。
金属材料的塑性变形方式有两种：滑移和孪生，以滑 移为主。
滑移：晶体沿某一晶面（滑移面）和某一晶向（滑移 方向）上下两部分发生相对位移，滑移面两侧晶体的 结构类型和晶体取向均末有改变，这种位移方式称为 滑移，即晶体沿某一晶面发生分层滑动，它是金属塑 性变形的最基本方式。滑移的开动意味着塑性变形的 开始。
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由于变形时晶体转动的结果，有两组或几组滑移面同时 转到有利位向，使滑移可能在两组或更多的滑移面上同时 或交替地进行，形成“双滑移”或“多滑移”。
等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系
u 对所有的{111}面，φ角是 相同的，为54.7°。一、工程应力 Nhomakorabea应变曲线
低碳钢的应力-应变曲线:
均匀塑变
集中塑变
弹性变形：变形可逆，应力应变呈
线性关系。满足胡克定律
断裂
E
弹性变形 图6-1 低碳钢的应力-应变曲线
塑性变形：不可逆的永久变形。
弹性变形－塑性变形－断裂
二、真应力-真应变曲线
•真应力-真应变曲线，在 载荷达到最大值是继续上 升直至断裂(这点与工程应力-应
c＝scoscos
c取决于金属的本性，不受，的影响； 或＝90时，s ；
s的取值 ，＝45时，s最小，晶体 易滑移；
软取向：值大； 取向因子：coscos 硬取向：值小。
3）软取向与硬取向
软取向：晶体中滑移系与外力的取向接近45º，处于 易滑移的位向，具有较小的σs值。
硬取向：晶体中滑移系与外 力取向远离45º，需要较大的 σs值才能滑移。
变曲线不同)
•说明金属在塑性变形过程 中不断发生加工硬化，外 力必须不断增高，才能使 变形继续进行。
图6-3 真应力-真应变曲线
三、金属的弹性变形
材料的弹性形变与材料中原子间的结合键相关。 材料的结合键↑，则弹性模量 ↑。
所以以共价键和离子键结合的材料(金刚石、陶瓷等)， E最 高，金属次之，聚合物、橡胶(分子键)最低；
金属弹性变形的实质就是金属晶格在外力作 用下产生的弹性畸变。
第二节 单晶体的塑性变形
①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。
②正应力只能引起弹性变形。
③切应力才能产生塑性变形。
外力在晶面上的 切应力作用下
分解
的变形
锌单晶拉伸照 片
1. 塑性变形的方式：
有滑移、孪生和扭折 。滑移是最主要的方式。
4）晶面转动会使取向因子变化 几何硬化：如果晶体滑移面原来是处于，接近45º的位向，
经滑移和转动后，就会转到，角越来越远离45º的位向，从而 使滑移变得越来越困难。
几何软化；经滑移和转动后，一些原来，角度远离45º的
晶面将转到接近45º，使滑移变得容易进行。
(5) 多滑移
单滑移：只有一个特定的滑移系处于最有利的 位置而优先开动时，形成单滑移。
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。
cos
cos
coscos 称为 取向因子。取向因子 越大，则分切应力越大
分切应力 ≥临界切应力c 才能产生滑移
1）分切应力 与取向因子关系
在外应力作用下，不同滑移面及滑移方向上的分切应力不同。分 切应力越大，越有可能大于该方向上的临界切应力，产生滑动。
① 当=90o 或 =90o时, 其上分切应力为0;
服，此时，对应于临界分切应力的外加应
力就相当于屈服强度σS s
s c s cos cos
s
cos
c cos
单晶体的屈服强度随取向因子而改变
φ=45º时，取向因子达到最大值，拉伸变形的屈服 应力最小。 φ=90º或0º时, σS =∞, 晶体不能沿该滑移面产生滑 移
2）临界分切应力c与屈服强度σs
第六章 固体材料的变形与断裂
u 材料在外力作用下，随着外力的逐步增大，将发生弹性变 形，塑性变形，直至断裂。
u 在变形过程中，材料形状或尺寸发生变化，并且其内部组 织及性能也发生变化。
u 研究材料在塑性变形中的行为特点，分析其变形机理以及 影响因素具有十分重要的理论和实际意义。
第一节 金属的变形特性
② 设F, n和s处于同一个面，则 + = 90o
n
F cos(90o ) cos 1 F sin 2
s
A0
2 A0
45时， max
1 2
F A0
在=45o 或 =45o时，分切应力最大。
2）临界分切应力c与屈服强度σs
在拉伸时，可以认为金属单晶体在外力作
用下，滑移系一开动就相当于晶体开始屈 n
镁单晶屈服应力与晶体取向的关系
⑵滑移通常沿晶体的原子密 排面和密排晶向发生。
因为原子密度最大的晶面和晶向之间 原子间距最大，结合力最弱，产生滑移 所需切应力最小。
1)滑移面、滑移方向和滑移系
滑移面:沿其发生滑移的晶面。滑移面通常是密排面 滑移方向:沿其发生滑移的晶向。滑移方向通常是密排方向。 滑移系:一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。
滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若 干条滑移线组成一个滑移带。
滑移带和滑移线示意图
铜拉伸试样表面滑移带
⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动。
1）拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于拉力轴方 向。压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。 2）转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力 分量组成了力偶。
3）滑移的过程中，伴随着晶体转动，晶体的位向在 不断改变，不仅滑移面在转动，而且滑移方向也改变 位向。
2. 滑移
1、滑移：是指晶体的一 部分沿一定的晶面和晶向 相对于另一部分发生滑动 位移的现象。
外力在晶面上 切应力作用
的分解
下的变形
锌单晶拉伸 照片
2、滑移变形的特点
⑴ 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小
切应力称临界切应力c 。
外力在该滑移面沿滑移方向的分切应力：
F A
cos cos
F A
滑移系越多，塑性越好。
2) 三种典型金属晶格的滑移系
3) 滑移系与塑性关系
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，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。
⑶ 滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间 距的整数倍。
u 对[101]、[101]、[011]和 [011]方向， 角也是相同的， 为45°。
u 锥体底面上的两个<110> 方向和[001]垂直。
u 因此，锥体上有4×2个滑 移系具有相同的施密特因
子，当达到临界切应力时
可同时开动。
图fcc晶体中多滑移
(6) 交滑移
交滑移：两个或多个滑移面沿着同一个滑移方向同时 或交替进行滑移的现象。 交滑移的实质：是螺位错在不改变滑