第六章 金属及合金的塑性变形与断裂

沿晶脆性断裂断口形貌
三、影响材料断裂的基本因素

裂纹和应力状态 温度 其他：应力腐蚀断裂、氢脆断裂
四、断裂韧度及应用


1. 2. 3.
断裂韧度Kc是材料抵抗裂纹失稳扩展能力 的力学性能指标，反映了含裂纹材料的承 载能力。 应用： 确定构件的安全性 确定构件的承载能力 确定临界裂纹尺寸

1.
塑性变形对其他性能的影响
比电阻增加，导电性能和电阻温度系数下降， 热导率也略为下降。 磁导率、磁饱和度下降，磁滞和矫顽力增加。 内能增加，化学活性提高，腐蚀速度增快。
2. 3.
4.
晶体缺陷增加，扩散激活能减小，扩散速度增 加。
残余应力



材料的内应力指当产生应力的各种因素（如外力， 温度、加工处理过程等）不复存在时，由于不均 匀的塑性变形或相变而使材料内部依然存在的并 自身保持平衡的残余应力。 第一类内应力（宏观内应力）是在物体较大范围 内或许多晶粒范围内存在并保持平衡的应力。 第二类内应力(微观内应力）是在一个或少数晶粒 范围内存在并保持平衡的内应力。第三类内应力 （点阵畸变）是在若干原子范围存在并保持平衡 的内应力。
转动机制
（五）多系滑移

交滑移 两个或多个相交的滑移面沿一个滑移方 向进行滑移，使加工硬化效果逐渐下降。 发生交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移 带。
奥氏体钢中的交叉滑移带
（六）滑移的位错机制
晶体通过刃型位错移动造成滑移的示意图
刃型位错的滑移
位错的增殖
弗兰克—瑞德拉位错源
位错的交割与塞积
拉伸试样形状
塑性和韧性好的金属，通常以穿晶方式发生塑性 断裂，在断口附近会观察到大量的塑性变形的痕 迹，如缩颈。 断口形貌：韧窝，包括等轴韧窝和剪切韧窝。



韧窝
剪切韧窝 等轴韧窝
二、脆性断裂

断裂特点：无预兆，速度快，破快性强，容易导 致严重事故。
通常发生于高强度或塑性和韧性差的金属或合金 中；塑性较好的金属在低温、厚截面或高的应变 速率等条件下或裂纹起重要作用时，都可能以脆 性方式断裂。 起源于引起应力集中的微裂纹，沿着特定的解理 面扩展，发生解理断裂。 断口形貌：河流花样

残余拉应力的存在对金属材料的性能是有害的。 残余压应力的存在，反而可以提高工件的使用寿 命。
§6-6 金属的断裂

断裂是金属材料在外力的作用下丧失连续性的过 程，它包括裂纹的萌生和裂纹的扩展两个基本过 程。
断裂的研究涉及断裂力学、断裂物理、断裂化学 及断口学等几个方面。

一、塑性断裂

塑性断裂又称为延性断裂，断裂前发生大量的宏 观塑性变形，断裂时承受的工程应力大于材料的 屈服强度。
两个相互垂直的刃型位错的交割
位错的平面塞积
二、孪生
fcc晶体的孪生变形过程示意图
§6-3 多晶体的塑性变形
锌单晶与多晶体的应力应变曲线
§6-4 合金的塑性变形 一、单相固溶体的塑性变形

a)
产生固溶强化的主要原因：
溶质与溶剂的原子半径差所引起的弹性畸变阻 碍位错的运动 溶质原子偏聚于位错附近，形成柯氏气团，对 位错的钉扎。
A0、Af分别为试样断裂前后的横截面积。
（a）
（b）
（c）
不同类型的工程应力——应变曲线 （a）铝、铜及其合金和经热处理的钢材 （b）铝青铜和某些奥氏体钢 （c）某些脆性材料
真应力—应变曲线
F 真应力 t A F : 瞬时载荷 A : 试样的瞬时截面积 dL L 真应变 t ln L0 L L0
趋于平行于主变形方向。（轧制时形成）
对性能的影响


力学性能：利:深冲板材变形控制;弊：制 耳。 物理性能:硅钢片{100}[100]织构可减少铁 损。
塑性变形对金属性能的影响

加工硬化
加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形 量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降 的现象。 利 利弊 弊 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。
§6-2 单晶体的塑性变形

滑移 孪生
一、滑移 （一）滑移带

什么是滑移？
晶体的一部分对于另一部分Leabharlann Baidu某些晶面和晶 向发生滑动。

什么是滑移线？
当滑移的晶面移出晶体表面时，在滑移晶面 与晶体表面的相交处，即形成了滑移台阶，一个 滑移台阶就是一条滑移线。台阶的高度，标志着 滑移量的大小。
（二）滑移系
L
K
真应力
断裂 颈缩开始 不均匀塑性变形范围
e
均匀塑性变形范围 弹性范围
图1
真应变

真应力应变与工程应力应变之间的关系
L L0 L L 1 1 L0 L0 L0 在塑性变塑性变形过程件的体积的体积是保持不变的，即 AL A0 L0 F F L t ( 1) A A0 L0 L t ln ln( 1) L0
金属的弹性变形


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。 弹性阶段，正应力 =E 切应力 =G E和G分别为正弹性模量和切变模量，它们表征 了金属材料对弹性变形抗力 金属的弹性模量是一个对组织不敏感的性能指标， 它取决于原子间结合力的大小，其数值只与金属 的本性、晶体结构、晶格常数有关，金属材料的 合金化、加工过程及热处理对它的影响很小。
b)
固溶强化的规律：
a) b)
合金元素的质量份数越大，强化作用越大。
溶质与溶剂原子的尺寸相差越大，强化作用越 大。
间隙固溶体的溶质原子的强化作用大于置换固 溶体。 溶质与溶剂原子的价电子数相差越大，强化作 用越大。
c)
d)
二、多相合金的塑性变形


a)
两相的性能相近 按强度分数相加计算 软基体+硬的第二相

滑移面 滑移方向
金属晶体中的滑移系数量越多，金属的塑 性越好。 金属的塑性还与滑移面上的密排程度和滑 移方向的数目有关。

（三）滑移的临界分切应力

滑移系开动与否，取决于滑移面内沿滑移 方向上的分切应力值是否大于临界分切应 力 K。
coscos：取向因子
（四）滑移时晶体的转动
§6-5 塑性变形对金属组织和 性能的影响
对组织结构的影响
晶粒拉长; 形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。
形变织构
多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。

a)
b)
类型 丝织构： 某 一 晶 向 趋 于 与 拔 丝 方 向 平 行 。
（拉拔时形成）
板织构： 某晶面趋于平行于轧制面，某晶向

流变应力、加工硬化指数
通常把均匀塑性变形阶段的真应力—真应变 曲线称为流变曲线，此时的应力称为流变应力。
t K t
n
式中，K为常数，n为加工硬化指数，它表征 金属在均匀变形阶段的加工硬化能力。n值越大， 则变形时的加工硬化越显著。大多数的金属材料 的n值在0.10~0.50范围内，取决于材料的晶体结构 和加工状态。
脆性相呈连续网状分布在塑性相的晶界上（二
次渗碳体）；
b)
脆性相呈片状或层状分布在塑性相的基体上
（片状珠光体）；
体）。
c)
脆性相在塑性相中呈颗粒状分布（粒状珠光
位错绕过第二相粒子(粒子、位错环 阻碍位错运动)
弥散强化
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过程示意图
第六章 金属及合金的 塑性变形与断裂
纳米铜的室温超塑性
§6-1 金属的变形特性
工程应力应变曲线
F 工程应力： A0 L L0 工程应变： L0
F为外加载荷；
A0为试样的原始截面积； L0为试样的原始标距长度；
L为试样变形后标距的长度。
低碳钢的应力应变曲线


金属的强性指标： e：材料的弹性极限 s：材料的屈服极限或屈服点 L f L0 100% 0.2：条件屈服极限或屈服强度 L0 L0、Lf分别为试样断裂前后的标距长度。 b：强度极限或抗拉强度 5， 10指拉伸试样的直径分别为5mm和10mm 金属的塑性指标： ：伸长率 ：断面收缩率 A0 Af 100% A0