第01章 塑形变形

1、11.3 1.3 塑性变形塑性变形定义定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形外载荷卸去后，不能恢复的变形。塑性塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质。而不发生断裂的性质。“” ” 伸长率，伸长率，“”断面收缩率。断面收缩率。%100%100%，常称为超塑性。，常称为超塑性。一、塑性变形的方式及特点一、塑性变形的方式及特点1 1、塑性变形的方式、塑性变形的方式 滑移滑移 是金属材料在切应力的作用下位错沿滑移面和滑移是金属材料在切应力的作用下位错沿滑移面和滑移方向运动而进行的切变过程。方向运动而进行的切变过程。是最主要的变形机制是最主要

2、的变形机制； 孪生孪生 是重要的变形机制，一般发生在低温形变或快是重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时；孪生变形可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开速形变时；孪生变形可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动，动，间接的对塑性变形有贡献间接的对塑性变形有贡献。 2（1 1）滑移）滑移 滑移面滑移面：原子最密排面；：原子最密排面； 滑移方向滑移方向：原子最密排方向。：原子最密排方向。 滑移系滑移系：滑移面和滑移向的组合。：滑移面和滑移向的组合。 滑移系越多，材料的塑性越好。滑移系越多，材料的塑性越好。3 （2 2）孪生）孪生 孪晶孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的晶：外形对称，好

3、象由两个相同晶体对接起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。 孪晶可分为孪晶可分为自然孪晶自然孪晶和和形变孪晶形变孪晶。 孪生的特点：孪生的特点： 比滑移困难；时间很短；变形量很小；孪晶层在试样比滑移困难；时间很短；变形量很小；孪晶层在试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样。中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样。 孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展。孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展。4 2 2、塑性变形的特点、塑性变形的特点 （1 1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性）各晶粒变形的不同时性和不均匀性 材料表面优先材料表面优先 与

4、切应力取向最佳的滑移系优先与切应力取向最佳的滑移系优先 （2 2）各晶粒变形的相互制约与协调）各晶粒变形的相互制约与协调 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。这就要求晶粒之间能够中变形，否则将造成晶界开裂。这就要求晶粒之间能够协调变形。协调变形。 冯冯米赛斯指出每个晶粒至少有五个独立的滑移系米赛斯指出每个晶粒至少有五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。5二、屈服与屈服强度二、屈服与屈服强度 1 1、屈服、屈服 在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加

5、、甚至下在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的现象，称为降的情况下，而变形继续进行的现象，称为屈服屈服。 下屈服点下屈服点s1:屈服过程中屈服过程中试验力第一次发生下降时，试验力第一次发生下降时，屈服阶段中的最小应力。屈服阶段中的最小应力。上屈服点上屈服点su:试样发试样发生屈服而力首次下降前生屈服而力首次下降前的最大应力。的最大应力。以以下屈服点下屈服点的应力作为材料的应力作为材料的屈服强度的屈服强度s62、屈服机理（屈服现象的解释）、屈服机理（屈服现象的解释） （外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程）（外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程）

6、（1）柯氏气团）柯氏气团概念：溶质原子，杂质，位错和外力的相互作用概念：溶质原子，杂质，位错和外力的相互作用 位错与杂质原子交互作用，位错被钉扎。杂质原子聚集在位错线的周围，形成气团。 提高外应力，位错才能运动；一旦运动，继续发生塑性变形所需的外应力降低。7 但是，在20世纪60年代后，Gilman和Johnston发现：无位错的铜晶须，低位错密度的共价键晶体Si,Ge以及离子晶体LiF也存在屈服现象，怎么去解释？ （2）金属材料塑性变形的应变速率与可动位错金属材料塑性变形的应变速率与可动位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比83 3、屈服强度、屈服强度 s=

7、Fs/A 由于金属材料存在上下屈服点，或者屈服点不明确，一般将一般将 0.20.2定为屈服强度定为屈服强度。 屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据。提高屈服强度，机件不易产生塑性变形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力重新分布，容易引起脆性断裂。9 三、影响屈服强度的因素（提高屈服强度三、影响屈服强度的因素（提高屈服强度的途径）的途径）（一）影响屈服强度的内因（一）影响屈服强度的内因 （1 1）金属本性及晶格类型）金属本性及晶格类型屈服强度在理论上来说是使位错开始运动的临界切应力，其值由位错运动所受的各种阻力决定。 位错运动的阻力包括晶格阻力（晶格阻力（P-NP-N力）力）和位错

8、交互位错交互作用产生的阻力作用产生的阻力。（A)晶格阻力（派纳力） 10（B) 位错交互作用的阻力。交互产生的阻力包括平行位错间交互作用产生的阻力平行位错间交互作用产生的阻力和运动位错与林位错交互作用产生的阻力运动位错与林位错交互作用产生的阻力。剧烈冷变形位错密度增加剧烈冷变形位错密度增加4-54-5个数量级个数量级-形变强化形变强化！11（c）晶界阻力晶界阻力 晶界是位错运动的障碍。 要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。 霍尔培奇关系式 细化晶粒，可以提高材料的强度（细晶强（细晶强化）。化）。12（d d）溶质元素）溶质元素 在纯金属中加入溶质原子形成固熔合金，将显著提高强度，此即为

9、固溶强化固溶强化。 在溶质原子的周围形成了晶格畸变应力场，该应力场与位错应力场产生交互作用，使位错运动受阻。从而提高提高了屈服强度。（e e）第二相）第二相对于不可变形的第二相质点，根据位错理论，位错在运动过程中，只能绕过第二相质点，在第二相质点周围留下位错环，位错环对后续位错产生斥力，提高位错的运动阻力。金属中的第二相质点有的可以用粉末冶金等方法获得，称为弥散强化弥散强化；有的可以用固溶处理加时效方法获得，称为沉淀强化或析出强化沉淀强化或析出强化。13 （二）外因（二）外因 温度提高，位错运动容易，s。 应变速率提高，s。 应力状态 切应力，越有利于塑形变形，s14 四、应变硬化四、应变硬化

10、 或称形变硬化，加工硬化或称形变硬化，加工硬化 1.定义：定义：当外力达到屈服强度后，塑性变形需要不断增加外力才能继续进行。这表明金属材料有一定的阻止继续塑性变形的能力，这就是应变硬化性能。 塑性应变是硬化的原因，硬化是塑性应变的结果。应变硬化是位错增殖，运动受阻所致。152 2、应变硬化指数、应变硬化指数 Hollomon关系式： S=keS=ken n （描述了塑性变形后真应力与真应变之间的关系） n应变硬化指数；k硬化系数 应变硬化指数应变硬化指数n n反映了金属材料抵抗继续塑性反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。变形的能力。是表征金属材料应变硬化

11、行为的性能指标。 n=1，理想弹性体;n=0材料无硬化能力。大多数金属材料的n值在0.1-0.5之间。n n与屈服强度与屈服强度 s s成反比的关系，即成反比的关系，即n ns=常数常数16 3 3、形变强化的意义、形变强化的意义（1）应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。（2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。（3）形变硬化是材料强化手段之一。特别是无相变强化材料，通过喷丸和冷挤压对表面进行强化。如1Cr18Ni9Ti 40%形变强化，强度提高数倍；17五、缩颈现象 1 1、缩颈、缩颈 （1）缩颈的意义 变形集中于局部区域；失稳的临界条件。 （2）缩颈的判据 S=ds/de (

12、式1-22) 在缩颈点处，Sb=keBn 经过积分，得eB=n 即：金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性变量时，缩颈便产生。性变量时，缩颈便产生。 18 2 2、抗拉强度、抗拉强度 b 实际材料在静拉伸条件下的最大承载能力。 意义意义： （1）易于测定，重现性好,广泛用作产品规格说明或质量控制指标。 （2）作为脆性材料设计参数，就是脆性材料的断裂强度。 （3）s/b对材料成型加工极为重要。 （4）b1/3HBW（布氏硬度）；淬火钢-11/2b（疲劳极限）19六、静力韧度六、静力韧度 韧性：韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力,或指材料抵抗裂

13、纹扩展的能力。 J/m2 静力韧度：静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功。J/m3 UT=b b或者或者U UT T=1/2(=1/2(b+ s) 20七 弹性与塑性的应用 1.在工程上弹性与塑性的应用准则：在工程上弹性与塑性的应用准则： 构件的服役应力不能超过弹性极限或屈服强度。应用：精密机床，仪表弹簧。 2.材料刚度：由弹性模量表征材料刚度：由弹性模量表征 构件构件的刚度由构件的几何形状，尺寸和材料的刚度决定。 3.结论：结论： 服役中的材料应提高弹性极限或屈服强度，加工中的材料应降低弹性极限或屈服强度。21 金属断裂的性质和机理取决于一系列的内因和外因：内因是指金属材料的组织结

14、构，而外因则指施加于材料或结构件上的应力、加载方式、温度和环境等。在工程应用中，总是希望材料处于韧性状态，而避免脆性状态。1.4 金属的断裂金属的断裂22 材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂断裂。（断裂使材料失去完整性）（机件三大失效形式之一）一、断裂的基本类型 1、根据断裂前塑性变形大小分类 脆性断裂；韧性断裂 2、根据断裂面的取向分类 正断；切断 3、根据裂纹扩展的途径分类 穿晶断裂；沿晶断裂 4、根据断裂机理分类 解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂235%断面收缩率：断面收缩率：作为分界点，粗略作为分界点，粗略分为脆性断裂和韧性分为脆性断裂和韧性断裂。断裂。24二、断裂及断口特征

15、（一）韧性断裂与脆性断裂（宏观）（一）韧性断裂与脆性断裂（宏观） 1 1、韧性断裂；、韧性断裂；（1）断裂特点： 断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢； 断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力成45o角。（2）断口特征 断口呈纤维状，灰暗色。杯锥状。 断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇 （3）危害，不及脆性断裂，断裂前机件已变形失效。25韧性断裂（延性断裂）：韧性断裂（延性断裂）：指金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，指金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量.微观形貌的一个

16、典型特征就是微观形貌的一个典型特征就是韧窝韧窝。26韧性断裂过程与杯锥状断口的形成韧性断裂过程与杯锥状断口的形成（如何产生了这种韧窝状的端口形貌呢？）（如何产生了这种韧窝状的端口形貌呢？）内颈缩内颈缩27微孔形核和长大的位错模型：微孔形核和长大的位错模型：28 2 2、脆性断裂、脆性断裂（1）断裂特点 断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆； 断口与正应力垂直。（2）断口特征 平齐光亮，常呈放射状或结晶状； 人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。 材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。 例如：T、脆性。脆性断裂：解理断裂和沿晶断裂解理断裂和沿晶断裂。29解理断裂：解理断裂：指金属材料在一定的

17、条件下，当外加正应力达到一定指金属材料在一定的条件下，当外加正应力达到一定 数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶穿晶断断 裂。解离面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。裂。解离面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。30（二）解理断裂的微观断口特征电镜观察（1）河流状 解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。 裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。 解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。 河流的方向与裂纹扩展的方向是一致的，河流的方向与裂纹扩展的方向是一致的，可根据可根据“河流河流”的流向确定解理裂纹的扩展

18、的流向确定解理裂纹的扩展方向，方向，“河流河流”反方向获得裂纹源。反方向获得裂纹源。31解理裂纹沿孪晶解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头界扩展留下的舌头状凹坑或凸台。状凹坑或凸台。不管是河流状还是舌不管是河流状还是舌状的解理断裂，都有状的解理断裂，都有一个特点：一个特点：表面是平表面是平整的。整的。舌状花样舌状花样32准解理：微观形态特征是解离的小平面上有明显的撕裂棱，断裂面准解理：微观形态特征是解离的小平面上有明显的撕裂棱，断裂面 由平直的解离面和韧窝所组成。具有少量的河流花样。由平直的解离面和韧窝所组成。具有少量的河流花样。由于晶体内存在弥散硬由于晶体内存在弥散硬质点，解理裂纹起源于质点，解理裂纹起源于晶内硬质处点晶内硬质处点，形成从，形