固体材料的变形与断裂变化

塑性变形
1. 定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大于弹性 极限时，材料不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即 在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有残留变 形或永久变形。
2. 塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率(δ%) 或断面减缩率(ψ%)表示。
3. 实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子相 邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位 置，物体将留下永久变形。
➢ 在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心立方晶格 的铜及铝，虽然它们都具有12个滑移系，但铁的塑性不如铜 及铝，而具有密排六方晶格的镁及锌等，因其滑移系仅有3 个，故其塑性远较具有立方晶格的金属差。
滑移的临界分切应力
当晶体受到外力作用 时，不论外力大小、方向 如何，均可将其分解成垂 直某一晶面的正应力与沿 此晶面的切应力。当单晶 体作用在滑移系上的分切 应力大于临界分切应力时， 晶体才能开始滑移。
弹性变形
1. 定义：变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变 形消失。
2. 特点：服从虎克定律，即应力与应变成正比
3. 比例系数E称为弹性模量,G称为切变模量，它反映材料对弹
性变形的抗力，代表材料的“刚度” 。
4. 实质： 弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子间 距偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶体材料 反应为晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。原子的相邻关系还未 发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可以使变形完全 恢复。
滑移的特点：
※ 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应 力大小不同。
※ 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶 体两部分沿滑移面作整体的滑动。
※ 滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格位 向的变化。 ※ 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的 晶向进行。
塑性变形的方式
金属材料在外力作用下发生塑性变形，通常发生塑性变 形的方式有：滑移、孪生、扭折、扩散蠕变、晶界滑动。
6.2 单晶体的塑性变形
• 滑移 • 孪生 • 晶体的扭折
滑移概念
滑移：在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面) 和一定方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑动。
光镜下：滑移带。 滑移现象
电境下：滑移线。
滑移过程
在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使晶 格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一个新的平衡位置，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。
• 作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，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的吸引力，晶格分离，材料则 出现断裂。
6.1 变形概述
• 名词概念 • 变形过程 • 弹性变形 • 塑性变形 • 塑性变形的方式
变形过程中的名词概念
1. 变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。
2. 应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面 垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同截面相切的称为“剪应 力”或“切应力”。
滑移系
➢ 滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排晶面； ➢ 滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最密排方向； ➢ 一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方
式称为“滑移系”。 ➢ 滑移系上位错运动的阻力（派纳力）最小。
典型晶格的滑移系
FCC
滑移系对性能的影响
➢ 晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大，材料的 塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的滑移方向数目比 滑移面数目的作用更大。
塑性变形过程－－断裂
1. 断裂：变形量大至K点，试样发生断裂。
2. 实质：断裂的实质是原子间承受的力超出最大吸引力，原子 间的结合破坏而分离。
3. 韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫“韧性 断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细 条状，断口呈纤维状，灰暗无光。
4. 脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具 有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。脆性断裂可沿晶界 发生，称为“晶间断裂”，断口凹凸不平；脆性断裂也可穿过 各个晶粒发生，称为“穿晶断裂”，断口比较平坦。
3. 应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线 段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为“线应变”； 物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的改变值称为“剪应 变”或“角应变”；变形后物体内任一微小单元体体积的改变 同原单位体积之比值称为“体积应变”。
变形过程
低碳钢的拉伸曲线
在应力低于弹性极限σe时， 材料发生的变形为弹性变形； 应 力 在 σe 到 σb 之 间 将 发 生 的变形为均匀塑性变形；在 σb之后将发生颈缩；在K点 发生断裂。
塑性变形过来自百度文库－－屈服
1. 屈服：材料开始发生塑性变形。
2. 屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，这种变 形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿状的平台。这是 部分材料所具有的特征。
3. 屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗力，也称 为屈服极限，用σs表示。对具有屈服现象的材料用屈服现 象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明显的材料，则以 所产生的塑性应变的0.2%时的应力值表示。
第六章 固体材料的变形与断裂
• 变形概述 • 单晶体的塑性变形 • 多晶体的塑性变形 • 塑性变形对金属组织及性能的影响
塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也是材料成 型的一种重要加工方法。大多数金属均具有良好的塑性变形能 力，这也是金属材料获得广泛应用的重要原因之一。塑性变形 可以改变金属的外形，也是塑性材料成形的主要方法之一。同 时塑性变形也会改变材料的内部组织和结构，从而影响到它的 宏观性能，可使材料的某些性能如强度等得到显著的提高。但 在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能带来某些不利的 影响，为了消除塑性变形(冷加工)这些不利的影响，在加工之后 或加工过程中，通常还对材料进行加热，使其内部发生回复和 再结晶过程。所以，塑性变形和再结晶是材料研究中的重要问 题。