固体材料的变形与断裂分解课件

1、第6章 固体材料的变形与断裂6.1 弹性变形6.2 单晶体的滑移变形6.3 多晶体的滑移变形6.4 塑性变形对金属组织与性能的影响6.5 金属及合金强化的位错解释6.6 断裂1弹性变形塑性变形断裂26.1.1 弹性变形 定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形 特点：单调、可逆、变形量很小（0.51.0%） 弹性的物理本质：金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。弹性模量 E G 1.弹性模量的物理意义和作用 物理意义：材料对弹性变形的抗力。 用途：工程上亦称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同压力下产生的弹性变形就愈小。机器零件或构件用AE表示。2.影响弹性模量

2、的因素 * 晶体原子的本性和晶格类型；（原子结合的本性） 非过渡族，原子半径、E； 过渡族，原子半径、E，且E一般都较大。 原子密排方向的E大。 溶质原子与其强化； 显微组织（指热处理后）； 温度； 加载速率； 冷变形。一般影响不大。36.1.2 滞弹性 定义： 在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。 影响因素：a）晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。b）切应力越大，影响越大。c）温度升高，变形量增加。由于应变滞后于应力，使加载曲线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。 内耗 益处：减振材料（机床床身、缸体等）； 危害：长期承载的传感器，影响精度。 乐器要

3、求循环韧性小。46.2 单晶体的塑性变形 常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。 6.2.1 滑移 1 滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 光镜下：滑移带（无重现性）。 2 滑移的表象学 电镜下：滑移线。 5 2 滑移系 滑移面 （密排面） （1）几何要素 滑移方向（密排方向） 67 3 滑移的临界分切应力（c） c：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。 外力在滑移方向上的分解。 cscoscos 8 c取决于金属的本性，不受，的影响； 或90时，s ； cscosco

4、s s的取值 ，45时，s最小， 晶体易滑移； 软取向：值大； 取向因子：coscos 硬取向：值小。 910 4 滑移时晶体的转动 （1）位向和晶面的变化 拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。 几何硬化：，远离45，滑移变得困难；（2）取向因子的变化 几何软化；，接近45，滑移变得容易。1112 5 多滑移和交滑移 （1）滑移的分类 单滑移：处于软取向的一组滑移系首先开动。 多滑移：由于滑移过程中晶体的转动使两个或多个滑移系上交替滑移。 交滑移：两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。 （2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角

5、分别相等的一组滑移系。12 （2）交滑移机制 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程； 螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。13 面心立方晶体中，扩展位错由两个肖克莱不全位锗和它们所夹的层错带构成，如图2-24，扩展位错只能沿层错面移动。如果增大应力可使扩展位错束集，即使两个肖克莱不全位错结合成一个螺型全位错使可交滑移至另一滑移面，然后在该滑移面扩展开、如图6-14所示。热激活可促进交滑移，故升高温度有利于交滑移进行。交滑移过程还与扩展位错的宽度有关。当材料的层错能很低时，由于扩展位错宽度d与金属的层错能成反比。故扩展位错宽度大。束集时作的功也

6、大，交滑移困难。14 滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。156. 单晶体的应力-应变曲线第阶段-易滑移阶段:屈服后首先进行单滑移，在应力增加不大时，可发生大量塑变。此时加工硬化系数dd很小，约为10-4G。第阶段-线性硬化阶段：加工硬化系数比第阶段约大30倍且基本为常数。双滑移造成滑移带的交割，使位错密度急剧增加并互相缠结，加工硬化系数明显增高。第阶段-抛物线型硬化阶段：加工硬化系数逐渐降低，应力与应变关系为 K1/2。第阶段位错可通过交滑移克服滑移障碍，使变形易于进行，从而使加工硬化系数下降。166.2.2 孪生 定义：在切应力作

7、用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。 孪生面 A1111,A2112,A31012 1.孪生的晶体学 孪生方向 A1,A2,A3 孪晶区域 17 孪生的晶体学要素示意图K1表示孪生面，在形变过程中，不发生畸变和旋转；1为孪晶的孪生方向。垂直于孪生面K1并含有1矢量的平面就是剪切面。K2为另一个不畸变面；2表示K2面和剪切面的交线。s表示孪生切变，它引起孪生点阵。K1、K2、1、2和s叫做孪生的晶体学元素。如果给定两个元素（如K1和2或K2和1），其它元素就可以通过Bilby-Crocker形变孪生理论计算求得。一般孪晶可分为I型和II型孪

8、晶。当K1和2为有理数，K2及1为无理数，两个孪生晶体以K1面作镜面对称操作时，为I型孪晶；II型孪晶则是K2及1为有理数，K1和2为无理数，两个孪生晶体以1方向旋转作对称操作。K1、K2、1和2四个参量均为有理数时，孪晶为复合型孪晶，两个孪生晶体具有I型与II型的性质。 18变形与未变形两部分晶体合称为孪晶；均匀切变区与未切变区的分界面（即两者的镜面对称面）称为孪晶界；发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面；孪晶面的移动方向称为孪生方向。1920 2. 孪生变形的特点 滑移 孪生 相同点 1 切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；3 不改变结构。 不 同 点 晶体位向 不改变（对抛光面观察无重现性）。

9、 改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性） 位移量 滑移方向上原子间距的整数倍，较大。 小于孪生方向上的原子间距，较小。 对塑变的贡献 很大，总变形量大。 有限，总变形量小。 变形应力 有一定的临界分切压力 所需临界分切应力远高于滑移 变形条件 一般先发生滑移 滑移困难时发生 变形机制 全位错运动的结果 分位错运动的结果 216.2.3 晶体的扭折 对于那些既不能滑移也不能孪生的地方，为使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时，晶体会产生局部弯曲，这种形式的变形叫扭折。扭折是晶体弯曲变形或滑移在某些部位受阻，位错在那里堆积而成的。压缩时产生的理想对称扭折带是由好几个楔形区域组成。

10、扭折带的形成能协调相邻晶粒或同一晶粒中不同部位之间的变形，并能引起晶体的再取向，促进晶体变形能力的发挥。226.3 多晶体的塑性变形6.3.1多晶体塑性变形过程 1 晶粒之间变形的传播 位错在晶界塞积 应力集中 相邻晶粒位错源开动 相邻晶粒变形 塑变 2 晶粒之间变形的协调性 （1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。 （2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂） （3）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化） 3 晶界对变形的阻碍作用 （1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。 （2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。 236.3.2 晶粒大

11、小与性能的关系 a 晶粒越细，强度越高(细晶强化：由下列霍尔配奇公式可知) s=0+kd-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制，对纯铁和低碳钢，晶体尺寸从0.35到400m。） b 晶粒越细，塑韧性提高 晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。 细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现出高韧性。2425 6.4 塑性变形对材料组织和性能的影响 6.4.1 显微组织与性能的变化 1.随变形量增加，晶粒逐渐沿着形变方向被拉长,由多边形变为扁平形或长方形，形变量较大时可

12、变拉长成纤维状。 2.从微观上看，冷变形会增加位错密度，随变形量的增加，位错会交织缠结，随后形成胞状结构形变亚晶。胞内位错密度较低，胞壁是由大量位错缠结形成。 3.从机械性能看，形变量越大，形变金属的强度和硬度越高，而塑性韧性下降，这便是加工硬化。 256.4.2 形变织构 （1）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。 丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成） （2）类型 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向。（轧制时形成） 力学性能：利：深冲板材变形控制；弊：制耳。 （3）对性能的影响 (各向异性) 物理性能：硅钢片织构可减少铁损。

13、266.4.3 残余应力（约占变形功的10） 第一类残余应力（）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。 1 分类 第二类残余应力（）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。 第三类残余应力（）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。80-90%。 利：预应力处理，如齿轮的喷丸处理。 2 利弊 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。 3 消除：去应力退火。 276.5 金属及合金强化的位错解释 强度：是指材料在外力作用下，抵抗塑性变形与断裂的能力。 没有或极少有位错的金属材料，如晶须,其强度接近理论强度.金属材料退火状态下位错密度低，可动位错数目多，塑变是通过位错运动实现的，故变形抗力小，强度低

14、。随塑变的进行，位错不断增值，位错间及位错与其他晶体缺陷产生交互作用，阻碍位错的运动，故随位错密度的增加，强度不断提高。 目前常采用热处理、冷变形、细晶强化、弥散强化等方法增加位错密度或增大位错运动阻力，以提高金属材料的强度。286.5.1 cottrell 气团 晶体中溶质原子的溶入，引起了点阵畸变，形成了应力场。若晶体中同时存在位错，则位错的应力场与溶质原子的应力场将发生交互作用。为降低交互作用能，在温度和时间许可的条件下，溶质原子倾向于聚集到位错周围；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。 在刃位错的拉应力区分布着碳原子列，使总弹性应变能下降，晶体处于稳定状态。与

15、此类似，大的溶质原子将向拉应力区“凝聚”，小的溶质原子倾向于向压应力区“凝聚”，形成饱合的柯氏气团。当具有柯氏气团的位错在外力作用下，欲离开溶质原子时，势必升高应变能。这相当溶质原子对位错有钉扎作用，阻碍了位错的移动，是固溶强化的重要原因。当位错的移动速度小于溶质迁移速度，位错将拖着气团一起运动，当位错运动速度大于溶质迁移速度时，将挣脱气团而独立运动。无论是哪种情况，均使位错移动阻力增大，使金属强度增高。 296.5.2 位错交割和带割阶位错的运动 对于在滑移面上运动着的位错来说，穿过滑移面的其他位错称为林位错。林位错会阻碍位锚的运动。当应力足够大时，滑动位错将切过林位错继续滑动。 位错的互相

16、切割叫位错的交割。两位错交割后，各产生了一小曲折线段，其位向与长短由与其相交的垃错的柏氏矢量所决定，但具有原位错线的柏氏矢量。 位错交割生成的小曲折线段与原件错线在同一沿移面时，称为扭折。 30 通常情况下，位错交割生成的曲折线段与原位错线有不同的滑移面，这种由交割生成的小曲折线叫割阶。 当温度较低时难靠热激活来攀移，所以此时割阶成为原位错运动的阻力316.5.3 固定位错由三个位错中间夹以两片层错所构成的“屋顶形”复杂位错叫“面角位错”，也叫罗麦柯垂耳位错。326.5.4滑动位错与第二相质点的交互作用 合金中，当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中，将起到显著的强化效果。如果第二相微粒是

17、通过过饱和固溶体时效处理时，沉淀析出称为时效强化或沉淀强化。 第二相粒子的本性和尺寸决定了强化的机制。对于不可变形的第二相粒子，位错采用绕过机制。对可变形粒子，位错将采用切过机制。33粒子开始析出阶段，析出细小共格过渡相，位错采用切过机制，越过粒子，随粒子尺寸增大，合金强度不断升高。当析出相粒子长大到一定程度，相当于图中P点后，位错采用绕过机制通过粒子，所需切应力反而小于切过粒子所需切应力，这时位错就以绕过粒子方式移动，故台金强度转为随粒子的长大而下降。显然当粒子尺寸相当于P点时，合金具有最高强度。346.6 断裂断裂是材料在外力的作用下丧失连续性的过程。断裂过程可分为裂纹的萌生与裂纹的扩展两

18、部分。断裂的形式分为脆性断裂与韧性断裂。脆断指断裂前无明显变形的断裂；韧断指断裂前有明显塑变的断裂。断裂是工程构件主要破坏形式（断裂、磨损、腐蚀）之一。6.6.1 理论断裂强度理论断裂强度指两个相邻原子平面在拉力作用下，克服原子间键力作用，使两个原子面分离的应力。对许多金属材料晶须356.6.2 Griffith理论与断裂韧性出发点： 材料中已存在裂纹；局部应力集中；裂纹扩展（增加新的表面），系统的弹性平面应力状态平面应力状态格雷菲斯公式 适用于脆性材料，如玻璃、金刚石、超高强度高钢等。格雷菲斯-奥罗万-欧文公式 适用于工程金属材料36对于平面应变状态格雷菲斯公式为：断裂韧性KC 、GC、JC、C376.6.3 裂纹的萌生1. Smith机制 （碳化物开裂理论）2. Stroh机制 （位错塞积理论）3. Cotrell机制（位错反应理论）386.6.4 断裂形式根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂和韧性断裂一般规定光滑拉升试样的断面