金属与热力学61 金属及合金的塑性变形与断裂

1、12金属的变形特性金属的变形特性晶体的塑性变形晶体的塑性变形组织与性能的变化组织与性能的变化多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形合金的塑性变形合金的塑性变形36.1 6.1 金属的变形特性金属的变形特性 纳米铜的室温超塑性45n 变形变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。n 应力应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为同截面垂直的称为“正应力正应力”或或“法向应力法向应力”，同截，同截面相切的称为面相切的称为“剪应力剪应力”或或“切应力切应力”。n 应变

2、应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为为“线应变线应变”；物体内两互相垂直的平面在变形后夹；物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的改变值称为角的改变值称为“剪应变剪应变”或或“角应变角应变”；变形后物；变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位体积之比值体内任一微小单元体体积的改变同原单位体积之比值称为称为“体积应变体积应变”。6作用在机件上的外力作用在机件上的外力载荷载荷FFF = F （MPa）外力外力 内力内力 应力应力FF静载荷静载荷动载荷动载

3、荷= F /SSFSF7FFF8FFF9n 定义：定义：弹性变形弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。部分变形。n 特点特点 变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变形消失。形消失。 在弹性变形范围内，应力与应变之间保持单值线性函在弹性变形范围内，应力与应变之间保持单值线性函数关系。数关系。 材料的最大弹性变形量随材料的不同而不同。材料的最大弹性变形量随材料的不同而不同。10 弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结

4、合子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶体材料反映为晶格发生了伸长力。晶体材料反映为晶格发生了伸长( (缩短缩短) )或歪扭。或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去除后，原子原子的相邻关系还未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。间结合力便可以使变形完全恢复。 11在弹性变形范围内，应力与应变服从虎克定律。在弹性变形范围内，应力与应变服从虎克定律。 式中，式中，、分别为正应力和分别为正应力和切应力，切应力，、分别为正应变和分别为正应变和切应变；比例系数切应变；比例系数E称为弹性称为弹性模量（杨氏模量），模量（杨氏模量），G称为切称为切变模量，它反映材料对

5、弹性变模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的变形的抗力，代表材料的“刚度刚度” 。oe121314)(1002. 11061017547NNSFE%9 . 1019. 0109 . 01017107E例例1 1：股骨最小截面积：股骨最小截面积6 6 1010-4-4m m2 2，抗压强度，抗压强度 1717 10107 7N/mN/m2 2，骨，骨骼杨氏模量骼杨氏模量E=0.9E=0.9 10101010N/mN/m2 2；求：受压负荷多大时骨骼碎裂？假定碎裂前应力与应变是线性求：受压负荷多大时骨骼碎裂？假定碎裂前应力与应变是线性关系，则碎裂时应变为多少？关系，则碎裂时应变为多少？解：抗

6、压强度即碎裂时的应力解：抗压强度即碎裂时的应力SF15n 定义：不能恢复的永久性变形叫定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形塑性变形。当应力。当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。n 塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率长率(%)(%)或断面减缩率或断面减缩率(%)(%)表示。表示。 n 实质：塑性变形的实质是在应力的作用下

7、，材料内实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。 16n 屈服屈服：材料开始发生塑性变形。：材料开始发生塑性变形。n 屈服现象屈服现象：即使外力：即使外力不再增加，试样也会不再增加，试样也会继续变形，这种变形继续变形，这种变形属于塑性变形，在拉属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿伸曲线上会出现锯齿状的平台。这是部分状的平台。这是部分材料所具有的特征。材料所具有的特征。17n 屈服强度屈服强度：表示材料对：表示材料对开始发生微

8、量塑性变形开始发生微量塑性变形的抗力，也称为屈服极的抗力，也称为屈服极限，用限，用s表示。对具有表示。对具有屈服现象的材料用屈服屈服现象的材料用屈服现象发生时对应的应力现象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明表示；对屈服现象不明显的材料，则以所产生显的材料，则以所产生的塑性应变答的塑性应变答0.2%时的时的应力值表示。应力值表示。 18n 均匀变形均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体进行均：在屈服后的变形阶段，试样整体进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力，材料的变形将匀的塑性变形。如果不再增加外力，材料的变形将不能继续下去。不能继续下去。 n 原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生了加工原因

9、：维持材料均匀变形的原因是材料发生了加工硬化。硬化。 已经发生变形处的强度提高，进一步变形困已经发生变形处的强度提高，进一步变形困难，即变形要在更大的应力作用下才能进行。下一难，即变形要在更大的应力作用下才能进行。下一步的变形发生在未变形或变形相对较小的位置，达步的变形发生在未变形或变形相对较小的位置，达到同样变形后，在更大的应力作用下发生变形。到同样变形后，在更大的应力作用下发生变形。19n 颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，产生了颈缩，颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域进行。即塑性变形集中在一局部区域进行。 n 特点：颈缩发生后，宏观表现为外力

10、在下降，工程应力特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降，工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真实应力依然在上升。在减小，但颈缩区的材料承受的真实应力依然在上升。20n 开始发生颈缩时对应开始发生颈缩时对应的工程应力的工程应力b b ，这，这时试样出现失稳，颈时试样出现失稳，颈缩真实应力依然在上缩真实应力依然在上升，但能承受的总外升，但能承受的总外力在下降。力在下降。21n 韧性断裂韧性断裂：在断裂前有明：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂显塑性变形后发生的断裂叫叫“韧性断裂韧性断裂”。在晶体。在晶体构成的材料中，内部的晶构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条状，粒都被拉长成为细条状，断口呈纤

11、维状，灰暗无光。断口呈纤维状，灰暗无光。n 断裂断裂：变形量大至：变形量大至K点，试样发生断裂。点，试样发生断裂。n 实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，原实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，原子间的结合破坏而分离。子间的结合破坏而分离。22n 脆性断裂脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂脆性断裂”。脆性断。脆性断裂可沿晶界发生，称为裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂晶间断裂”，断口凹凸不平；，断口凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为脆性断裂也可穿过各个

12、晶粒发生，称为“穿晶断裂穿晶断裂”，断口比较平坦。断口比较平坦。 沿晶脆性断口沿晶脆性断口23n 材料在外力作用下发生塑性变形，依材料的性质、材料在外力作用下发生塑性变形，依材料的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性变形的方式也外界环境和受力方式不同，进行塑性变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方式有：不相同，通常发生塑性变形的方式有：滑移滑移、孪生孪生、蠕变蠕变、流动流动。n 其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。而非晶其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样只能以流动体材料原子为无规则堆积，像液体一样只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度的参数为

13、粘度。方式来进行，衡量变形的难易程度的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己形状的为固体。形状的为固体。24例例2 2：铝吊杆的设计：铝吊杆的设计设计要求：一金属吊杆能承受设计要求：一金属吊杆能承受45000N45000N的外加载荷。为确保使用的外加载荷。为确保使用安全，吊杆最大允许应力为安全，吊杆最大允许应力为25000 N/cm25000 N/cm2 2，吊杆的长度为，吊杆的长度为150cm150cm，最大弹性变形不超过最大弹性变形不超过0.25cm0.25cm。（假设此金属的弹性模量为。（假设此金属的弹性模量为10107 7

14、N/cmN/cm2 2）解：吊杆的横截面积解：吊杆的横截面积208 . 12500045000cmFA假设吊杆为圆棒状，则其直径假设吊杆为圆棒状，则其直径cmAd51. 140应力为应力为25000N/cm25000N/cm2 2时，应变时，应变cm10100071002525. 0000lElll，则25然而，要求吊杆的长度最小为然而，要求吊杆的长度最小为150cm150cm。因而，我们必须。因而，我们必须增大其横截面积，此时增大其横截面积，此时应变为应变为0.0016670.001667时，应力时，应力2N/cm16670 E0.00166715025. 00ll此时吊杆的横截面积此时吊杆

15、的横截面积2045000cmFA2.716671直径直径cmAd8511. 1426kbb 极限载荷点0lkl0dFee 弹性极限点sS 屈服点K 断裂点拉伸曲线FFLkdl应力应变曲线0SF0ll缩颈sFeFbFo27 当材料单位面积上所受的应力当材料单位面积上所受的应力e es s时，材料将产生时，材料将产生明显的塑性变形。明显的塑性变形。材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（a a） 屈服强度屈服强度（ S S）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。 S S =F =Fs s/S/S0 0

16、（MPaMPa）28 b =Fb/S0 （MPa）（b b）抗拉强度抗拉强度（b ） 抗拉强度是材料在拉断抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。前承受最大载荷时的应力。 它表征了材料在拉伸条它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。件下所能承受的最大应力。抗拉强度抗拉强度 是脆性材料选材的依据。是脆性材料选材的依据。bFlbFo29常用常用 和和 作为衡量塑性的指标。作为衡量塑性的指标。伸长率：断面收缩率:%10000lllk%10000sssk0lkl0dFFLkd306.2 6.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形31 滑移带形成示意图 滑移变形的不均匀性滑移变形的不均匀性：在滑移

17、线内部以及滑移：在滑移线内部以及滑移带之间的晶面都没有发生明显的滑移。带之间的晶面都没有发生明显的滑移。 工业纯铜中的滑移线32 晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方向进行，将其称为学方向进行，将其称为和和。 滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶面和晶向。面和晶向。 每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系滑移系。滑移系的个数：滑移系的个数：(滑移面个数）滑移面个数）（每个面（每个面上所具有的滑移方向的个数）上所具有的滑移方向的个数）。3

18、3 n 滑移面为滑移面为111n 滑移方向为滑移方向为n 滑移系共有滑移系共有 4312个个 34 bcc晶体112 和123面的滑移系n 低温时滑移面为低温时滑移面为112，中温时多为，中温时多为110，而高温时多为，而高温时多为123n 滑移方向为滑移方向为n 滑移系为滑移系为11062+ 112121+ 123241，其滑移，其滑移系可能有系可能有12-48个。个。 35 n 密排六方晶体中，滑移方向一般都是密排六方晶体中，滑移方向一般都是n当当c/a接近或大于接近或大于1.633时，时，0001为最密排面，滑移为最密排面，滑移系即为系即为0001，共有三个，共有三个n当当c/a小于小于

19、1.633时，时，0001不再是密排面，滑移面将不再是密排面，滑移面将变为柱面变为柱面1010或斜面或斜面1011，滑移系分别为三个和六，滑移系分别为三个和六个。个。 36373839 滑移过程开始时的分切应力就称为滑移过程开始时的分切应力就称为临界分切应力临界分切应力。假设其横截面积为假设其横截面积为A， 为滑移面法线与中心轴线夹为滑移面法线与中心轴线夹角，角， 为滑移方向与外力为滑移方向与外力F夹角。夹角。coscoscoscoscoscosAFAF外力外力F在滑移方向上的分力为在滑移方向上的分力为而滑移面的面积则为而滑移面的面积则为A/cos Fcos在滑移方向上的分切应力在滑移方向上的

20、分切应力 为：为： 40 当当分切应力达到临界值时，晶面间的滑移开始，这也与宏分切应力达到临界值时，晶面间的滑移开始，这也与宏观上的屈服相对应，因此这时观上的屈服相对应，因此这时F/A应当等于应当等于 s，即：，即：式中，式中， s称为称为临界分切应力临界分切应力，是一个与材料本性以及试验，是一个与材料本性以及试验温度、加载速度等相关的量，与加载方向等无关，可通过温度、加载速度等相关的量，与加载方向等无关，可通过实验测得。实验测得。 称为称为取向因子取向因子或或schmid因子，因为取因子，因为取向因子向因子大则材料在较小大则材料在较小s作用下即可达到临界分作用下即可达到临界分切应力切应力s，

21、从而发生滑移，因此被称为，从而发生滑移，因此被称为软取向软取向，反之则称，反之则称为为硬取向硬取向。 41一些金属晶体的临界分切应力值一些金属晶体的临界分切应力值 4243 444546图fcc晶体中多滑移 474849金属晶体的理论切变强度：金属晶体的理论切变强度：2Gm一般金属：一般金属： m=104105MPa实际金属单晶：实际金属单晶： 110MPa50n 原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。n 多个位错的运动导致晶体的宏观变形。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。51525354金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2

22、) 加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2) 5556 5758 孪生是晶体塑性变形的另一种常见方式，是指在孪生是晶体塑性变形的另一种常见方式，是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分发生均匀和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分发生均匀切变的过程。切变的过程。 a. 变形前 b. 滑移 c. 孪生晶体滑移和孪生变形后的结构与外形变化示意图596061 (a)孪晶面与孪生方向 (b)孪生变形时晶面移动情况面心立方晶体孪生变形示意图62铜单晶在4.2K的拉伸曲线63：在形变过程中形成的孪

23、晶组织，在金相形貌上一般呈：在形变过程中形成的孪晶组织，在金相形貌上一般呈现透镜片状，多数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶。现透镜片状，多数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶。：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织，退火孪：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织，退火孪晶的形貌与形变孪晶有较大区别，一般孪晶界面平直，且孪晶片晶的形貌与形变孪晶有较大区别，一般孪晶界面平直，且孪晶片较厚。较厚。 锌晶体中的形变孪晶 孪生形变总是萌发于局部应力高度集中的地方（在多孪生形变总是萌发于局部应力高度集中的地方（在多晶体中往往是晶界），其所需要的临界分切应力远大于滑晶体中往往是晶界），其所需要的临界分切应力远大于滑移变形所需临界分切应力。移变形所需临界分切应力。 铜晶体中的退火孪晶组织64 在孪生过程中，整个孪晶区域作了均匀切变，其各层的相在孪生过程中，整个孪晶区域作了均匀切