金属材料塑性变形机制与特点

3.1金属材料塑性变形机制与特点3.2屈服现象及本质3.3真应力-应变曲线及形变强化规律3.4应力状态对塑性变形的影响,第三章塑性变形,3.1金属材料塑性变形机制与特点,3.1.1金属晶体塑性变形的机制3.1.2多晶体材料塑性变形特点,3.1.1金属晶体塑性变形的机制,3.1.2多晶体材料塑性变形特点,各晶粒塑变的不同时性和不均匀性各晶粒塑变的相互制约与协调,3.2屈服现象及本质,3.2.1物理屈服现象3.2.2屈服现象的本质,3.2.1物理屈服现象,像低碳钢这类材料，从弹性变形阶段同塑性变形阶段过度十分明显。表现在应力增加到一定数值时突然下降，随后，在应力不增加或应力在一微小范围内波动的情况下，变形继续增大，这便是屈服现象。它标志着材料的力学响应由弹性变形阶段进入塑性变形阶段，这一变化属于质的变化，有特定的物理含义，因此称为物理屈服现象。,屈服间段的变形是不均匀的，从上屈服点下降到下屈服点时，在试样局部区域开始形成与拉伸轴成45度的皱纹形带状变形区域（luders带），然后沿试样长度方向逐渐扩展，当luders带布满整个试样长度时，屈服伸长结束。试样进入均匀塑性变形阶段，屈服现象不仅在退火、正火、调质的中低碳钢中有，在铜及其合金中也有。这种屈服现象还有时效效应。如果在屈服一定的塑性变形处卸载。随后立即再拉伸，则屈服现象不出现。若卸载后在室温停留较长时间，或在较高温度留一定时间后，再拉伸，则曲线上屈服现象又重新出现，且新的屈服平台高于卸载时的曲线应变时效。,低碳钢的屈服与时效现象可由cottrell提出的气团概念来解释。退火低碳钢的屈服过程，如图31所示，属于物理屈服的典型情况。塑性变形在试样中的迅速传播开始于A点，伴随着明显的载荷降落，由A陡降到B。与屈服传播相对应的应力应变曲线为BC，成一平台，或成锯齿状，至C点屈服过程结束，并由此进入形变强化阶段。与最高屈服应力相对应的A点称为上屈服点，屈服平台BC对应的力称为下屈服点，BC段长度对应的应变量称为屈服应变。,3.2.2屈服现象的本质,物理屈服现象首先在低碳钢中发现，尔后在含有微量间隙溶质原子的体心立方金属，如Fe、Mo、Nb、Ta等，以及密排六方金属，如Cd和Zn中也发现有屈服现象。对屈服现象的解释，早期比较公认的是溶质原子形成Cottrell气团对位错钉扎的理论。以后在共价键晶体如硅和锗，以及无位错晶体如铜晶须中也观察到物理屈服现象。这些事实说明，晶体材料的屈服是带有一定普遍性的现象，对屈服的理解也比当初复杂一些。,其中材料的塑性应变速率b柏氏矢量可动位错密度位错运动速度位错运动速度，又决定于它所承受的应力。m材料本身的应力敏感系数。o使位错得到单位运动速度所需的应力。,屈服现象产生与下述三个因素有关：,材料在变形前可动位错密度很小（或虽有大量位错但被钉扎住）;随塑性变形发生，位错能快速增殖;位错运动速率与外力有强烈依存关系。,3.3真应力-应变曲线及形变强化规律,3.3.1冷变形金属的真应力-应变关系3.3.2颈缩条件分析3.3.3韧性的概念及静力韧度分析,3.3真应力-应变曲线及形变强化规律,当应力超过屈服强度之后，塑性变形并不像屈服平台那样连续流变下去，而需要继续增加外力才能继续进行，于是应力-应变曲线上表现为流变应力不断上升，出现了所谓形变强化现象。材料在形变强化阶段的变形规律用其应力-应变曲线（也叫流变曲线）描述。其应力S=P/A其应变,（因为条件应力条件应变不能真实反映变形过程中的应力应变的变化）图3-3比较了S-和-曲线，从应力的变化就可直观地看出使用S-曲线更为合理。在-曲线中，当载荷达到最大值时试样开始发生颈缩。此后虽然实际应力是在不断提高，但条件应力却在下降，致使断裂应力反比抗拉强度b低，这显然是不真实的，实际上在应力达到Sb（对应b的真应力）之后，几乎是按线形关系增加到断裂为止。相对于条件应力应变曲线，其应力应变曲线整个地向左上方移动了，在试样发生颈缩前两者差别不太大，在此以后-就完全不能采用了。,3.3.1冷变形金属的真应力-应变关系,从屈服点到颈缩之间的形变强化规律，可以用Hollomon公式S=Kn其中K强度系数n立变强化指数真实塑性应变n的大小表示材料的应变强化能力或对进一步塑变的抗力。n=0理想塑性材料n=1理想弹性材料,在双对数坐标上,这一关系表现为一直线,它的斜率等于n,在S/相同的条件下,n,S-曲线越陡,对n值较小的材料,当S/较大时,也可以有较高的形变强化速率,3.3.2颈缩条件分析,颈缩前：形变强化起主要作用。颈缩后：截面减小使承载力下降。当出现颈缩时：所以，可得到颈缩判据：即颈缩开始于应变强化速率与真应力相等的时刻。,3.3.3韧性的概念及静力韧度分析,韧性:材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。韧度:度量材料韧性的力学性能指标。只有强度与塑性具有较好的配合时,才能获得较高的韧性。选材原则:强度与塑性的最佳配合。静力韧度:静拉伸应力-应变曲线下所包围的面积减去断裂前吸收的弹性能。这个指标即包含强度,又包含塑性,是一典型的从属性指标。由其应力-真应变曲线,其斜率为形变强化量（图37）,静力韧度W可用图中梯形面积来近似计算:所以，当SK一定时:而W随断裂时其应力SK增加而显著增大。许多实验结果表明,由于材料塑性不足而引起的早期断裂往往和SK较低有关。,3.4应力状态对塑性变形的影响,3.4.1加载方式和应力状态软性系数3.4.2金属静拉伸力学性能扭转,3.4.1加载方式和应力状态软性系数,切应力-引起塑性变形和导致韧性断裂正应力-容易导致脆性断裂研究金属的变形与断裂特征,需要研究在不同加载形式下,切应力和正应力的相对大小。在一般复杂应力状态下,最大切应力,而按最大正应变条件计算得的等效最大应力,则定义二者的比值:软性系数,max应力状态越软,金属易于先产生塑性变形。应力状态越硬金属易于产生脆性断裂。测硬度时,其应力状态相当于三向不等压缩,因此,硬度试验时的加载方式属于很软的应力状态。,3.4.2金属静拉伸力学性能扭转,单向静拉伸最广泛的力学性能试验方法之一,揭示过量弹变塑变断裂三种失效形式，得到s、b、等构件的设计计算依据,又是评定和选用金属材料及其加工工艺的主要依据。,扭转的特点:,没有颈缩现象;最大正应力和最大切应力相等，=0;横截面上沿直径方向的切应力分布不均匀,表面应力最大;扭转试验可很好地测定塑性材料(塑性较好)直到断裂前的应力应变关系;扭转可灵敏地反映材料