固体材料的变形与断裂

1、第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 本章主要研究塑性变形与断裂。本章主要研究塑性变形与断裂。为何研究塑变？为何研究塑变？ 1.1.材料强度与塑性是两个重要力学性能指标。材料强度与塑性是两个重要力学性能指标。 强度：材料抵抗外力而不产生塑性变形及断裂的能力。强度：材料抵抗外力而不产生塑性变形及断裂的能力。 塑性：材料产生永久变形的能力。塑性：材料产生永久变形的能力。 2. 2.某些材料成型需要压力加工某些材料成型需要压力加工 塑性变形塑性变形 3. 3.塑性变形导致材料组织、性能变化、导致加工硬化。塑性变形导致材料组织、性能变化、导致加工硬化。 4. 4.了解塑性变形微观结构

2、机制，可以为强化材料提供依据。了解塑性变形微观结构机制，可以为强化材料提供依据。第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.1 6.1 金属材料的变形特性金属材料的变形特性6.1.1 6.1.1 应力应力应变曲线应变曲线1.1.工程应力工程应力应变曲线应变曲线2.2.真应力真应力真应变曲线真应变曲线第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.1 6.1 金属材料的变形特性金属材料的变形特性6.1.1 6.1.1 应力应力应变曲线应变曲线3.弹性变形弹性变形 4.4.塑性变形塑性变形 当当s s时，外力卸除，变形不能恢复。时，外力卸除，变形不能恢复。永久变形。永久

3、变形。第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移1.1.滑移现象滑移现象 （1 1）概念：在切应力下，晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生相对滑动。）概念：在切应力下，晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生相对滑动。是位错运动的结果。是位错运动的结果。 （2 2）滑移带：）滑移带： 抛光晶体，塑性变形后，表面可见滑移带抛光晶体，塑性变形后，表面可见滑移带1 1个滑移带由数条滑移线组成，滑移线之间产生滑移台阶。个滑移带由数条滑移线组成，滑移线之间产生滑移台阶。说明：说明： 滑移由位错运动结果，

4、一个位错滑移到表面形成一个原子大小台阶，大量位滑移由位错运动结果，一个位错滑移到表面形成一个原子大小台阶，大量位错滑移产生上千个原子台阶。错滑移产生上千个原子台阶。 滑移线即为滑移面，晶体中某些特定晶面。滑移线即为滑移面，晶体中某些特定晶面。 塑性变形不均匀塑性变形不均匀第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移2.2.滑移系滑移系根据派根据派- -纳力：晶格滑移最小阻力纳力：晶格滑移最小阻力滑移沿晶体的密排晶面和密排晶向上进行。滑移沿晶体的密排晶面和密排晶向上进行。 密排晶面面间距最大（密排晶面面间距最大（

5、a)a)，面之间结合力弱，面之间结合力弱。 密排晶向原子间距最小（密排晶向原子间距最小（bb）滑移面滑移面密排面。密排面。滑移方向滑移方向密排晶向。密排晶向。第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移2.2.滑移系滑移系滑移系：滑移系：一个滑移面与该面上的一个滑移方向构成一个滑移系。一个滑移面与该面上的一个滑移方向构成一个滑移系。金属的滑移系越多，其塑性越好，金属的滑移系越多，其塑性越好，参与滑移的晶面、晶向多参与滑移的晶面、晶向多讨论三种常见晶格的滑移面、滑移方向、滑移系。讨论三种常见晶格的滑移面、滑移方向

6、、滑移系。（1 1）体心立方晶格体心立方晶格（bccbcc）滑移面：滑移面：110 110 共六个共六个滑移方向：滑移方向： 每个面上有每个面上有2 2个个滑移系：滑移系：6 6* *2=122=12个个第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移2.2.滑移系滑移系讨论三种常见晶格的滑移面、滑移方向、滑移系。讨论三种常见晶格的滑移面、滑移方向、滑移系。（2 2）面心立方晶格面心立方晶格（fccfcc）滑移面：滑移面：111 111 共共4 4个面个面滑移方向：滑移方向： 每个面上每个面上3 3个方向个方向滑移

7、系：滑移系：4 4* *3=123=12（3 3）密排六方晶格密排六方晶格(hcp(hcp) )滑移面：滑移面：0001 10001 1个个滑移方向：滑移方向： 3 3个个滑移系：滑移系：1 1* *3=33=3个个fccfcc、bccbcc金属塑性好，金属塑性好，hcphcp金属塑性差。金属塑性差。金属的塑性变形能力：金属的塑性变形能力：fccbcchcpfccbcchcp第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移3.3.滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力切应力，使晶体滑移切应力，使晶体滑移当切应力达到某

8、一临界值当切应力达到某一临界值c c时，晶体滑移，时，晶体滑移，塑性变形开始，即塑性变形开始，即ssc:c:使滑移系开始开动的最小分切应力。使滑移系开始开动的最小分切应力。例：设有一圆棒单晶体，横截面为例：设有一圆棒单晶体，横截面为A A0 0，受拉力，受拉力F F :外力外力F F与滑移面法线夹角与滑移面法线夹角:外力外力F F与滑移方向夹角与滑移方向夹角则则: :外力在滑移方向的分切应力外力在滑移方向的分切应力=F/A/cos=F/A/cos* *cos=F/Acos=F/A* *coscos* *cos=cos=* *coscos* *coscos当=F/A=s 时, 达到c(临界分切应

9、力),则晶体滑移.所以 c=s*cos*cos 即 s=c/cos*cos材料一定,c为常数,所以s的大小取决于cos*cos(取向因子)第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移3.3.滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力当=45o 时，cos*cos(取向因子)=1/2 最大值，而s最小=45o -软位向，易滑移。当=90o =0o 或=90o =0o时（硬位向），s趋于无穷大当外力与滑移面垂直或平行时，当外力与滑移面垂直或平行时，此滑移面不能滑移。此滑移面不能滑移。-单晶体各向异性。单晶体各向异性。第六

10、章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移4.4.滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动在滑移的同时，晶体中滑移面和滑移方向会向外力方向转在滑移的同时，晶体中滑移面和滑移方向会向外力方向转动。动。以密排六方晶体为例：（以密排六方晶体为例：（见图见图静态）（静态）（动画图动画图）分解的正应力构成一个力偶，使滑移面向平行于外力方向分解的正应力构成一个力偶，使滑移面向平行于外力方向转动。转动。结果：软位向会转向硬位向 几何硬化 硬位向会转向软位向 几何软化 第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2

11、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移5.5.多滑移与交滑移多滑移与交滑移（1 1）多滑移：）多滑移：单滑移：一组滑移系参与滑移。单滑移：一组滑移系参与滑移。多滑移：两组或两组以上滑移系同时进行滑移（滑移线呈交叉状）多滑移：两组或两组以上滑移系同时进行滑移（滑移线呈交叉状） 可能滑移开始时可能滑移开始时, ,多个滑移系处于软位向。多个滑移系处于软位向。 可能滑移时晶体转动，使几个滑移系转至软位向。可能滑移时晶体转动，使几个滑移系转至软位向。以面心立方单晶体为例：以面心立方单晶体为例：若外力轴为（若外力轴为（001001）方向：）方向：与与111111四个晶面法线的夹角相同

12、：四个晶面法线的夹角相同： = 54= 54。7 70 0与每个滑移面的两个滑移方向夹角相同与每个滑移面的两个滑移方向夹角相同=45=450 0可同时有可同时有4 4* *2=82=8个滑移系同时开动。个滑移系同时开动。滑移是位错运动，多滑移时，造成位错交割、缠结，使加工滑移是位错运动，多滑移时，造成位错交割、缠结，使加工硬化效果增强。硬化效果增强。第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移5.5.多滑移与交滑移多滑移与交滑移（2 2）交滑移）交滑移交滑移交滑移:两个或多个滑移面同时沿一个滑移方向滑移（滑移线

13、呈波纹状）两个或多个滑移面同时沿一个滑移方向滑移（滑移线呈波纹状） 刃位错：刃位错：bt构成滑移面构成滑移面不能交滑移不能交滑移 螺位错：螺位错：bt 任何包含位错线的密排面都可为滑移面，多个滑移面可沿同一个方向滑移。任何包含位错线的密排面都可为滑移面，多个滑移面可沿同一个方向滑移。（见书图见书图6-13） 第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移6.6.单晶体的应力单晶体的应力- -应变曲线应变曲线7.7.滑移的位错解释滑移的位错解释滑移是位错在滑移面上沿滑移方向运动的结果。第六章第六章 固体材料的变形与

14、断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.16.2.1滑移滑移7.7.滑移的位错解释滑移的位错解释滑移是位错在滑移面上沿滑移方向运动的结果。需要明确两个问题（可能会误解的问题）（1）位错滑移至表面消失，本应塑性变形后位错密度降低，但实际塑性变形使位错密度显著升高。 因为晶体内部存在位错源，塑变时产生新位错（因为晶体内部存在位错源，塑变时产生新位错（F-RF-R源）源）（2 2）滑移是位错运动，本应位错密度）滑移是位错运动，本应位错密度 越高，塑变越容易，强度应该越低，但塑性变形后会使强度升高，产生加越高，塑变越容易，强度应该越低，但塑性变形后会使强度升高，产

15、生加工硬化。工硬化。因为：因为： 升高，形成密集位错网，滑移时位错缠结，交割和塞积，结果阻碍位错运动升高，形成密集位错网，滑移时位错缠结，交割和塞积，结果阻碍位错运动 ，使强度提高。，使强度提高。第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.26.2单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形6.2.26.2.2孪生孪生塑性变形的另一种形式。塑性变形的另一种形式。概念：在切应力下，晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）概念：在切应力下，晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分做均匀的切变。相对于另一部分做均匀的切变。两部分晶体以孪晶面为分界面构

16、成镜面对称。两部分晶体以孪晶面为分界面构成镜面对称。晶体结构不同，孪晶面与孪生方向不同晶体结构不同，孪晶面与孪生方向不同孪晶面孪晶面孪生方向孪生方向bccbcc112112fccfcc111111hcphcp10121012可能会发生孪生变形的情况如下：可能会发生孪生变形的情况如下：* *滑移系少的滑移系少的hcphcp金属金属低温下的低温下的bccbcc、fccfcc金属或塑性变形速度极快的金属或塑性变形速度极快的bccbcc、fccfcc。孪生变形所需分切应力远大于滑移分切应力，因此多数晶体都发生滑移变形。孪生变形所需分切应力远大于滑移分切应力，因此多数晶体都发生滑移变形。第六章第六章 固

17、体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 . .多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形实际金属都是多晶体实际金属都是多晶体由无数个空间位向不同的小单晶体组成由无数个空间位向不同的小单晶体组成结论：晶粒越细，材料的室温强度、硬度越高，塑性、韧性越好。结论：晶粒越细，材料的室温强度、硬度越高，塑性、韧性越好。6.3.1 6.3.1 多晶体的塑性变形过程多晶体的塑性变形过程1.1.晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响以两个晶粒拉伸为例：拉伸后产生以两个晶粒拉伸为例：拉伸后产生“竹节竹节”状，说明晶界阻碍塑性变形状，说明晶界阻碍塑性变形晶界强度高。晶界强度高。因为： (1)晶界原子排列紊乱，晶格畸变大；晶

18、界原子排列紊乱，晶格畸变大； (2)位错运动到晶界受到阻碍，形成位错塞积群，阻碍滑移，使强度提高。位错运动到晶界受到阻碍，形成位错塞积群，阻碍滑移，使强度提高。 第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 . .多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形6.3.1 6.3.1 多晶体的塑性变形过程多晶体的塑性变形过程2.2.晶粒位向的影响晶粒位向的影响 线表示滑移面A A、B B、C C各晶粒位向不同各晶粒位向不同 软位向的软位向的“A”A”晶粒首先滑移，位错在晶界塞积。晶粒首先滑移，位错在晶界塞积。在外力在外力P P下下 A A晶粒转动，当转至周围晶粒晶粒转动，当转至周围晶粒“B”B”的的

19、位向时，位错穿越晶界，使第二批晶粒滑移，依位向时，位错穿越晶界，使第二批晶粒滑移，依次第三批次第三批.产生宏观塑变。产生宏观塑变。fccfcc、bccbcc金属塑性好：金属塑性好：滑移系多、协调好。滑移系多、协调好。hcphcp金属塑性差：金属塑性差：滑移系少，各晶粒难以协调。滑移系少，各晶粒难以协调。第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 . .多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形6.3.26.3.2晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响细化晶粒强化细化晶粒强化( (晶界强化晶界强化) )：由于细化晶粒，使材料强度、硬度：由于细化晶粒，使材料强度、硬度升高的现象。升高的

20、现象。细晶：使s、HB 、 ak，提高综合性能的主要途径。霍尔霍尔配奇（配奇（Hall-petchHall-petch）公式：）公式： s s=0 0+K+Kd d- - 0 0: :相当于单晶强度。相当于单晶强度。 d d：晶粒直径。：晶粒直径。dd、s s（如图如图）第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 . .多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形6.3.26.3.2晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响1.1.晶粒细晶粒细, ,强度高的原因强度高的原因2.2.晶粒细，塑性好的原因晶粒细，塑性好的原因第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.46.4

21、塑性变形对组织与性能的影响塑性变形对组织与性能的影响6.4.16.4.1塑性变形对组织结构的影响塑性变形对组织结构的影响1.1.显微组织变化显微组织变化原多边形等轴晶粒沿变形方向被拉长原多边形等轴晶粒沿变形方向被拉长变形量很大时，晶粒变为长条状或纤维状（见右图）变形量很大时，晶粒变为长条状或纤维状（见右图）纤维状组织：各向异性纤维状组织：各向异性第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.46.4塑性变形对组织与性能的影响塑性变形对组织与性能的影响6.4.16.4.1塑性变形对组织结构的影响塑性变形对组织结构的影响2.2.亚结构变化亚结构变化随变形量,位错密度,位错交织、缠结胞

22、状亚结构。退火：=106108/cm2大量塑变：=10111012/cm2第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.46.4塑性变形对组织与性能的影响塑性变形对组织与性能的影响6.4.26.4.2塑性变形对性能的影响塑性变形对性能的影响1.1.力学性能：力学性能：加工硬化（加工硬化（work hardeningwork hardening）：由于塑性变形，使金属的强度、硬度升高，）：由于塑性变形，使金属的强度、硬度升高，塑性和韧性降低的现象。塑性和韧性降低的现象。( (如图如图)（1 1）有利一面）有利一面强化材料的一种途径强化材料的一种途径形变强化形变强化 尤其适合于不能热

23、处理强化的材料：冷拔、冷拉、冷挤压；冷冲尤其适合于不能热处理强化的材料：冷拔、冷拉、冷挤压；冷冲.使工件顺利成型（使工件顺利成型（如图如图）保证零部件工作安全保证零部件工作安全某处过载，超过某处过载，超过ss，塑变，强度升高。，塑变，强度升高。（2 2）不利一面）不利一面 加工硬化机理：塑性变形使位错密度加工硬化机理：塑性变形使位错密度,位错缠结、交割、塞积，阻碍位错进一步位错缠结、交割、塞积，阻碍位错进一步滑移，使形变抗力滑移，使形变抗力第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.46.4塑性变形对组织与性能的影响塑性变形对组织与性能的影响6.4.26.4.2塑性变形对性能的

24、影响塑性变形对性能的影响2.2.物理性能：物理性能：电阻率电阻率导热性导热性导磁率导磁率矫顽力矫顽力3.3.化学性能：化学性能： 耐腐蚀性耐腐蚀性若想消除加工硬化，需要再结晶退火。若想消除加工硬化，需要再结晶退火。第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.46.4塑性变形对组织与性能的影响塑性变形对组织与性能的影响6.4.36.4.3形变织构形变织构 ：变形量很大时（变形量很大时（7090%7090%），金属各晶粒具有择优取向），金属各晶粒具有择优取向变形织构变形织构原因：变形时原因：变形时, ,晶粒转动晶粒转动, ,使多晶体各晶粒位向趋于一致使多晶体各晶粒位向趋于一致. .

25、1.1.丝织构丝织构：拔丝时形成：拔丝时形成, ,使某一晶向使某一晶向/拔丝方向。拔丝方向。 如：如：a-Fe a-Fe （110110）拔丝向拔丝向. .2 2板织构：板织构：轧制时形成轧制时形成. . 例例. .冷扎黄铜：冷扎黄铜：110 110 形变织构形变织构各向异性各向异性. . 金属杯金属杯 “ “ 制耳制耳”第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.46.4塑性变形对组织与性能的影响塑性变形对组织与性能的影响6.4.4.6.4.4.残余内应力残余内应力1.1.宏观内应力（第一类内应力）宏观内应力（第一类内应力） 表面、心部变形不均匀。表面、心部变形不均匀。 常导

26、致材料翘曲变形。常导致材料翘曲变形。2.2.微观内应力（第二类内应力）微观内应力（第二类内应力） 由于各晶粒、亚晶粒变形不均匀、引起应力集中，导致裂纹、断由于各晶粒、亚晶粒变形不均匀、引起应力集中，导致裂纹、断裂。裂。 在在ss下开裂。下开裂。3.3.点阵畸变（第三类内应力）点阵畸变（第三类内应力） 由于高密度位错，造成点阵畸变由于高密度位错，造成点阵畸变产生加工硬化主要原因。产生加工硬化主要原因。去应力退火（回复退火）：消除第一、第二类内应力，保持部分加工硬化。去应力退火（回复退火）：消除第一、第二类内应力，保持部分加工硬化。 再结晶退火：消除所有内应力，消除加工硬化。再结晶退火：消除所有内应力，消除加工硬化。第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 6.56.5金属及合金强化的位错解释金属及合金强化的位错解释强度：材料抵抗外力不产生塑性变形与断裂的能力。强度：材料抵抗外力不产生塑性变形与断裂的能力。塑性变形：多数为位错滑移造成。塑性变形：多数为位错滑移造成。因此因此, ,凡是阻碍位错滑移的因素均为能提高材料强度。凡是阻碍位错滑移的因素均为能提高材料强度。细晶强化、加工硬化（形变强化）的机理已经讲过，下面细晶强化、加工硬