第五章 固体材料的变形与断裂

第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与 断 裂
5.3 多晶体的塑性变形
2、多晶体塑性变形过程
A 3 2
滑移面
P
L
位错源
障碍物
c s cos cos
产生应力集中：
n a
c s cos cos
k a L n Gb
若晶粒大，则r↑→L↑ →n↑ →应力↑ →临近滑移系开动，
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5.5 金属及合金强化的位错解释
3、沉淀强化（时效强化） ①.概念 在合金基体中均匀弥散分布细小的第二 相微粒（硬化相）而提高合金强度的方法。如果 第二相微粒是通过过饱和固溶体时效处理或沉淀 析出得到的，则也称时效强化或沉淀强化）。
②.机理 位错运动过程中与第二相微粒相遇时， 位错以切过机制或绕过机制与第二相微粒发生 作用，位错绕过第二相粒子所需切应力与粒子 间距λ有关，即
本章内容结束
①.孪生使晶体的一部分发生均匀的切变，而滑移只集中在一些滑移面上；
通常情况下，滑移先进行，当其受阻时，才有可能发生 孪生。孪生后，使晶体的位向发生改变，原来处于硬位 向的滑移系转到软位向，从而激发了晶体的进一步滑移
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5.3 多晶体的塑性变形
1、单晶体与多晶体塑性变形的异同点： 1.1、相同点： 变形条件与方式相图（切应力）（滑移、孪生）； 1.2、不同点： ①、变形受晶界的阻碍； ②、变形受相邻晶粒位向的阻碍： ③、各晶粒变形不同步； ④、各晶粒变形不均匀。
5.2
单晶体的塑性变形
1、单晶体塑性变形的方式： 常温下有三种：滑移、孪生、扭折；
高温下还有扩散蠕变、晶界滑动。
2、滑移：
晶体的一部分相对另一部分 沿着一定晶面和晶向的运动。
3、滑移带 试样表面出现的滑移变形的痕迹，它
是由相互平行的滑移线组成；而滑移 线又是由微小的滑移台阶造成的。
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固体材料的变形与断裂
主讲人：张立斌
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5.1 弹性变形 5.2 单晶体的塑性变形 5.3 多晶体的塑性变形
5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响 5.5 金属及合金强化的位错解释 5.6 断裂
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5.1 弹性变形
典型晶体 体心立方 面心立方 密排六方
密排面及数量（M） 密排方向及数量（N） 滑移系数目（X） {110} {111} {0001} M=6 M=4 M=1 <111> <110> <11 2 0> N=2 N=3 N=3 X=12 X=12 X=3
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8、多滑移与交滑移
有两组及以上的滑移系同时开始滑移叫多滑移 位错从一个滑移面过渡到与之平行的另一个滑移面上沿着 同一个滑移方向继续滑移的现象叫交滑移。因为刃型位错 的滑移面是唯一的（位错线与柏氏矢量构成），故不能发 生交滑移；只有螺型位错才可能发生交滑移。
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5.2
4、滑移系
单晶体的塑性变形
2G b (1 ) e 1
2a
位错运动所受的阻力即派纳力为 p
式中：G—切变模量，ν—泊桑比，a—晶面间距，b—原子间距。
晶体内一个滑移面和滑移面上的一个滑移方向组成了滑移系
晶体的滑移系数目 X 晶体的密排面数目 M 每个面上的滑移方向数 目N
小塑性就越好。从公式看，在相同变形量的情况下，d越
小则L就小，n也小，应力集中就小，不至于打破结合键； 当应力达到极限值时，可以允许产生更大的塑性变形，故
d越小塑性就越好。
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5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响
1、塑性变形对金属显微组织的影响：
①、形成纤维组织； ②、形成胞状亚结构； ③、形变织构（择优取向）；
5.2
单晶体的塑性变形
晶体内部的一部分沿一定晶面（孪晶面）和晶向 9、孪生： （孪晶方向）相对另一部分发生均匀切变的过程。 10、孪生变形的特点
②.孪生后晶体变形部分的位向发生了改变，而后者则不变 ③.同一结构的孪生面与方向和滑移面与方向可以不同 ④.两者的应力－应变曲线不同； ⑤.前者的临界分切应力大于后者。
5.2
单晶体的塑性变形
滑移系多，塑性好；
n Ф P A λ
滑移方向
5、滑移系与塑性的关系： 6、临界分切应力 c
刚好使滑移开始进行的切应力叫临界分切应力 c
，
P在滑移方向上的分力为Pcosλ， 滑移面为一个椭圆其面积为
A S 4 4 cos cos
ab
a 2
则切应力为

P cos P cos cos cos cos S A
— 正应力 — 切应力 于晶体的原子结合本性，而与晶粒大小以及组织变 — 正应变 — 切应变 — 泊桑比 E — 杨氏模量G — 切变模量
化无关，属于组织不敏感性质参数。E（G）共价键材料 >E（G）金属（离子）键材料>E（G）分子键材料
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5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响
2、塑性变形对金属性能的影响： ①.产生了各向异性； ②.产生加工硬化； ③.使物理性能发生变化——如：导电性下降： ④.使化学性能发生变化——耐腐蚀性下降等。 ⑤.产生了残余内应力。
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5.1 弹性变形
2、弹性变形：
2.1、完全弹性体：应变随着应力瞬时达到平衡值，而与时间无关； 2.2、滞弹性： 在弹性范围内，载荷变化时，应变随时间
逐渐达到平衡值，即与时间有关：
2.3、内耗：
滞弹性时，应力应变曲线所包围的面积表示应力 循环一周所消耗的能量，叫内耗。
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1、材料的变形方式：
材料的变形方式主要由三种，分别为：弹性变形、 塑性变形和粘性变形。金属材料多为前两种变形，而有 些高分子材料可能发生第三种变形。
2、弹性变形：
E G E （ 2 1 ）G E (或 G 或 ) E或G表示使原子离开平衡位置的难易程度，只取决
s 0 Kd

1 2
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5.3 多晶体的塑性变形
3、晶粒尺寸d对强度与塑性的影响
3.2、d对塑性的影响
d小则单位体积内的晶粒数目就多，当总变形量一定 时，分摊到每个晶粒上的塑性变形量就小；当每个晶粒都 达到极限塑性变形量时，则总的塑性变形量就大，故d越
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5.2
单晶体的塑性变形
6、临界分切应力 c
当
s 时，对应的切应力达到临界分切应力 c
c cos cos
为定值。
s
c 与材料的属性及温度等有关，当条件一定时， c
c s cos cos
当滑移方向、滑移面法线及外力轴共面时，有λ+Ф=90O；此 时，如果λ=Ф=45O时，cosλcosФ取得极大值，故 取得极小值，
5.5 金属及合金强化的位错解释
1、固溶强化： ①.概念 ②.机理 晶体中溶质原子溶入，引起点阵畸变，形成了 应力场；而晶体中的位错也形成应力场。二者应力 场发生交互作用，使溶质原子聚集到位错周围而形 成比较稳定的分布，通常把溶质原子在位错周围的 聚集叫柯氏气团。柯氏气团对位错产生钉扎作用， 阻碍了位错的运动，提高了塑性变形抗力。 随着溶质原子的溶入，固溶体的强度 与硬度升高、塑性与刃型下降的现象
塑性变形由一个晶粒过渡到相邻的另一个晶粒继续进行。
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5.3 多晶体的塑性变形
3、晶粒尺寸d对强度与塑性的影响
3.1、d对强度的影响
d小→L↓ →n↓ →应力集中↓ →要使相邻晶粒中硬位向的 滑移系开动，必须要加大工作应力，从而提高了强度。 d小→单位体积内的晶粒数目多，晶界数目也多，对位错 运动阻碍就大，提高了塑性变形抗力，从而提高了强度。 Hall—petch公式为：
Байду номын сангаас
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5.6 断裂
4、裂纹的萌生： 裂纹源在晶体内薄弱处形成，萌生裂
纹时，需要应力，由应力集中提供；
5、裂纹扩展：
在载荷作用下，裂纹逐渐长长，长 大速度与载荷大小及材料性能及环 境条件等因素有关；
6、断裂： 裂纹长度达到最大临界尺寸时就发生断裂，
K1c a
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5.2
单晶体的塑性变形
力，而该正应力和切应力均会产生力偶， 在该力偶的作用下，使晶体发生转动。
转动后，原容易滑移的位向转到不易滑移 位向上，而原来处于不容易滑移的位向则 转到容易滑移的位向上而继续滑移。
7、晶体转动： 外力在滑移面上可以分解成正应力和切应
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5.5 金属及合金强化的位错解释
2、加工硬化 ①.概念 随着塑性变形量的增加，金属的强度 与硬度升高、塑性与刃型下降的现象 ②.机理
在滑移面上运动的两个位错相遇交割后， 各自产生一小曲折线段，这种由交割生成的小 曲折线段叫割阶，有时还可形成一些固定位错。 位错密度增加，割阶与固定位错数目也增加， 对位错运动的阻力增大，使晶体变形抗力增加， 从而提高了强度，即加工硬化。