第五章-固体材料的变形与断裂课件

固体材料的变形与断裂主讲人：张立斌第五章

固体材料的变形与断裂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断裂第五章

固体材料的变形与断裂5.1弹性变形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。1、材料的变形方式：2、弹性变形：E或G表示使原子离开平衡位置的难易程度，只取决于晶体的原子结合本性，而与晶粒大小以及组织变化无关，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）分子键材料第五章

固体材料的变形与断裂2、弹性变形：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。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：5.1弹性变形第五章

固体材料的变形与断裂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；晶体的一部分相对另一部分沿着一定晶面和晶向的运动。2、滑移：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。3、滑移带高温下还有扩散蠕变、晶界滑动。第五章

固体材料的变形与断裂5.2单晶体的塑性变形位错运动所受的阻力即派纳力为4、滑移系式中：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第五章

固体材料的变形与断裂5.2单晶体的塑性变形5、滑移系与塑性的关系：滑移系多，塑性好；6、临界分切应力ФλPn滑移方向A刚好使滑移开始进行的切应力叫临界分切应力

P在滑移方向上的分力为Pcosλ，滑移面为一个椭圆其面积为，

则切应力为第五章

固体材料的变形与断裂5.2单晶体的塑性变形6、临界分切应力当时，对应的切应力达到临界分切应力与材料的属性及温度等有关，当条件一定时，为定值。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，第五章

固体材料的变形与断裂5.2单晶体的塑性变形外力在滑移面上可以分解成正应力和切应力，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。7、晶体转动：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。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。

第五章

固体材料的变形与断裂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（孪晶方向）相对另一部分发生均匀切变的过程。9、孪生：10、孪生变形的特点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；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。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第五章

固体材料的变形与断裂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。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23

PA产生应力集中：若晶粒大，则r↑→L↑→n↑→应力↑→临近滑移系开动，塑性变形由一个晶粒过渡到相邻的另一个晶粒继续进行。障碍物滑移面位错源L第五章

固体材料的变形与断裂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：第五章

固体材料的变形与断裂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。第五章

固体材料的变形与断裂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：③、形变织构（择优取向）；①、形成纤维组织；②、形成胞状亚结构；第五章

固体材料的变形与断裂2、塑性变形对金属性能的影响：5.4塑性变形对金属组织与性能的影响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。①.产生了各向异性；第五章

固体材料的变形与断裂5.5金属及合金强化的位错解释1、固溶强化：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①.概念②.机理第五章

固体材料的变形与断裂5.5金属及合金强化的位错解释2、加工硬化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①.概念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。第五章

固体材料的变形与断裂5.5金属及合金强化的位错解释3、沉淀强化（时效强化）在合金基体中均匀弥散分布细小的第二①.概念②.机理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）。位错