FH2.3-塑变性能指标

1、22:551 1材料性能学材料性能学付华付华石家庄铁道大学石家庄铁道大学22:552 2第第2章章 材料的塑性变形材料的塑性变形l2.1. 材料的塑性变形机理材料的塑性变形机理l2.1.1 金属与陶瓷晶体的塑性变形机理金属与陶瓷晶体的塑性变形机理l2.1.2 陶瓷材料的塑性变形特点陶瓷材料的塑性变形特点l2.1.3 高分子材料的塑性变形高分子材料的塑性变形l2.2 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶l2.2.1 塑性变形对材料性能的影响塑性变形对材料性能的影响l2.2.2 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶l2.2.3 材料的热加工与冷加工材料的热加工与冷加工l2.

2、3 2.3 塑性变形的力学性能指标塑性变形的力学性能指标22:553 32.3 力学性能指标2类力学性能指标材料的强度指标；材料的塑形指标表征材料对塑性变形和断裂抗力。表征材料塑性变形能力。 屈服强度抗拉强度断裂强度延伸率断面收缩率 22:554 42.3.1 屈服强度屈服强度一、屈服强度的表示及工程意义一、屈服强度的表示及工程意义 屈服：材料由弹性弹性变形向弹弹-塑性塑性变形过渡的明显标志。 s：材料抵抗起始（或微量）塑变的能力。屈服强度的表示：有屈服平台：下屈服点sl；无明显屈服： 人为确定-条件屈服强度。22:555 5规定残余伸长规定残余伸长应力r： 卸除拉力后，0.05%, 0.1%

3、, 0.2% 残余伸长 -r0.05，r0.1，r0.2 。规定总伸长规定总伸长应力t ： 标距部分的总长,t0.5。加载过程中易自动测量。条件屈服强度：条件屈服强度： 统一用统一用0.2表示表示s （不计测量方法）（不计测量方法） 2.3.1 屈服强度屈服强度22:556 6s的工程意义：不允许过量塑变的设计与选材依据；s 不是越高越好， 视具体形状、尺寸、 服役条件而定。2.3.1 屈服强度屈服强度s/b 高：高：有利有利：充分发挥高强度，减轻机件质量。不利不利：塑变抗力高，局部应力集中处 不易通过塑变缓解-突然。22:557 7二、影响屈服强度的因素二、影响屈服强度的因素 1.1.s s

4、 的产生机理的产生机理：（难点）：（难点） 材料在变形前可动位错密度可动位错密度很小，或虽有大量位错但被钉扎钉扎（杂质原子或第二相质点 ）。1957年，Gilman和Johnston提出金属材料屈服的三个条件三个条件： 随塑性变形的发生，位错能 快速增殖快速增殖，即可动位错急速增加。 2.3.1 屈服强度屈服强度22:558 8位错运动速率位错运动速率与外加切应力有强烈依存关系： -沿滑移面上的切应力。0-位错以单位速率运动所需的切 应力。 m-位错运动速率应力敏感指数。 标志位错速度对应力的敏感性 。0( /)m 2.3.1 屈服强度屈服强度22:559 9解释：J材料的宏观塑性应变速率宏观

5、塑性应变速率 （试验机夹头移动速率）与可动位错密度、位错运动速率位错运动速率 及柏氏矢量 b成正比。J变形前可动位错密度较小，为了满足一定的塑性变形应变速率 的要求，必须增大位错运动速率 ，需要有较高应力，是上屈服点的由来。 2.3.1 屈服强度屈服强度0( /)m 22:551010J塑性变形一旦发生，位错大量增殖，位错密度增加：另一方面，位错间相互作用增强，位错缠结；J这2方面的原因使位错运动速率位错运动速率下降，下降，相应的应力突然降低，产生屈服降落平台屈服降落平台。 2.3.1 屈服强度屈服强度一方面，要保持一定的塑性应变速率 ；0( /)m 22:551111屈服降落平台的明显与否取

6、决于m值，即位错运动速率对应力的敏感指数。m值越低，位错运动速率变化所需的应力的变化越大，屈服现象越明显。材料材料SiGeWCrMoLiFFe-3%SiCuAgm1.4(600900)1.41.7(420700)57814.5352003002.3.1 屈服强度屈服强度0( /)m 22:551212: 本质较软的材料（本质较软的材料（fcc），），稍许提高应力就引起位错运动速率大幅上升，m很大, 屈服现象不明显。: Cu 200，Ag 300。: 本质很硬的材料，本质很硬的材料，m很小， 若要提高要大上屈服点， 明显的屈服现象 。: Ge：1.4, Si：1.4-1.7。2.3.1 屈服强度

7、屈服强度0( /)m 22:551313bcc金属金属的 m较小(20)明显的屈服现象。fcc金属的 m较大(100200)屈服现象不明显。应力敏感指数m愈小愈小，的变化所需切应力的变化越大，屈服屈服现象越明显明显。小结：变形机制的改变：滑移孪生 ，有利位向增多；极快速生长，爆发性传播；2.3.1 屈服强度屈服强度屈服屈服波动波动22:5514142. 2. 影响影响ss 的因素的因素内在因素：化学成分、晶体结构、组织结构晶体结构、组织结构等；外部因素：温度、应变速率等。 屈服是位错运动的结果；位错运动阻力决定了s 的大小。J晶格阻力J位错间交互作用力J位错与各种缺陷间的交互作用阻力2.3.1

8、 屈服强度屈服强度22:551515ub-柏氏矢量（滑移方向上的原子间距）u-位错宽度，=a/(1-) ，a为滑移面间距： fcc密排-位错宽度大；bcc位错宽度小。理想晶体中仅存在1个位错运动时所克服的阻力。派-纳力(P-N)：派尔斯（Peierls）和纳巴罗 （Nabarro）J（1）晶体结构（晶格阻力）： p-N ( 派-纳力)2.3.1 屈服强度屈服强度22:551616派-纳力推导十分复杂，也不精确，它的一些定性结果有 ：J1)本质上，位错宽度位错宽度越小越小，P-N越大，位错难以滑移，屈服强度越高屈服强度越高。 J从能量角度看：l小晶格畸变大，位错运动阻力高 p-N大，s大。lbc

9、c.2.3.1 屈服强度屈服强度22:551717J2)位错宽度主要决定于结合键结合键和晶体结构晶体结构。J共价键共价键：键角和键长难改变，位错宽度很窄， b， P-N很高但很脆；J金属键金属键：无方向性，位错宽度较大， Cu：6b，派-纳力很低。 22:551818J3)派-纳力公式第一次定量第一次定量地由位错的存在，推算晶体的切变强度。 推算：P-N3.610-4G，比刚性模型计算的理论值（约G/30）小得多，接近实验值。J4)解释为什么滑移面和方向滑移面和方向都是原子最密排面和方向最密排面和方向。Jb最小最小（原子密排方向）、a最大最大（原子最密排面），位错宽度最大，点阵阻力最小点阵阻力

10、最小，派派-纳力最小纳力最小。2.3.1 屈服强度屈服强度22:551919J（2） 摩擦阻力：位错间交互作用阻的阻力。 =Gb 12：fcc=0.2; bcc=0.4 . , s摩擦阻力有两种类型：平行位错间；运动位错与林位错间。2.3.1 屈服强度屈服强度22:552020J（3 3）晶界阻力（晶界与亚结构）晶界阻力（晶界与亚结构）细晶强化 霍尔-配奇（Hall-Petch）屈服强度与晶粒的尺寸的关系： 12sid2.3.1 屈服强度屈服强度（Hall-Petch公式）公式）22:552121ud-（亚）晶粒平均直径。u i-位错运动的总阻力（摩擦阻力）； u K-晶界钉扎常数。u d位错

11、塞积长度位错塞积长度应力集中应力集中 不足以开动相邻晶粒的位错滑移。不足以开动相邻晶粒的位错滑移。12siduHall-Petch公式： 适用于晶界与亚晶界、纳米晶。 u 纳米材料中，可动位错少，启动应力高。2.3.1 屈服强度屈服强度22:552222l晶粒大小对晶粒大小对室温室温机械性能的影响：机械性能的影响：晶粒直径晶粒直径（m） 400501052下屈服点下屈服点（KN/m2） 86121180242345例：10#钢s与晶粒大小的关系L细晶粒组织的高温强度反而较低细晶粒组织的高温强度反而较低。L高温下晶界在应力作用下产生粘滞性流动，L晶界相对滑动；产生“扩散蠕变”，2.3.1 屈服强

12、度屈服强度22:552323J 细化晶粒，塑韧性提高！：l 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。l 细晶应力集中小裂纹不易萌生；l 细晶晶界多裂纹不易传播在断裂过程中可吸 收较多能量,表现出高韧性高韧性。l 细化晶粒是常温下可同时提高材料强度和细化晶粒是常温下可同时提高材料强度和 塑韧性的唯一方法。塑韧性的唯一方法。2.3.1 屈服强度屈服强度22:552424J(4) (4) 溶质元素溶质元素( (固溶强化）固溶强化） 晶格畸变晶格畸变应力场与位错应力场交互作用 s s固溶强化固溶强化间隙、置换、空位强化s s空位ss，塑性下降。（原子能

13、工业）辐照空位。2.3.1 屈服强度屈服强度22:552525J（5 5）第二相）第二相与第二相的形状、尺寸、数量、分布有关。细小弥散分布：ss不可变形质点：位错线弯曲绕过可变形质点：位错线切过，绕过切过2.3.1 屈服强度屈服强度22:552626lbcc金属的s随随T而急剧增高； bcc金属p-N大，而p-N属短程力，属短程力，对温度很敏感对温度很敏感。lfcc金属的s随随T变化不大。J(6) 温度温度屈服强度随温度的变化 2.3.1 屈服强度屈服强度22:552727J(7)应变速率与应力状态应变速率与应力状态u 影响明显： 静拉伸10-3/S, 冷轧、拉拔103/S su 切应力有利于

14、塑变，s。s对成分、组织、温度、应力状态极为敏感。对成分、组织、温度、应力状态极为敏感。2.3.1 屈服强度屈服强度22:552828小结：力学性能指标小结：力学性能指标材料的强度指标；材料的塑形指标屈服强度应变硬化指数抗拉强度 断裂强度等。延伸率 断面收缩率等。 指标的意义及影响因素 22:5529292.3.2 应变硬化指数应变硬化指数1. 机理：应变硬化应变硬化是材料阻止继续塑性变形的能力是材料阻止继续塑性变形的能力。位错的多系滑移位错的交滑移 割阶、位错缠结 、 位错锁、 胞状结构、刃位错不能交滑移，刃位错密度增大，产生应变硬化。 2.3.1 屈服强度屈服强度22:5530302. 表

15、征：Holloman公式： S真应力；e-真应变；K-硬化系数； n-应变硬化指数。应变硬化指数。nSKe应变硬化指数 n ：n=0.51 n=1，完全理想弹性体 n=0， S=K=常数，无应变硬化 n- n-反映了材料抵抗继续塑变的能力。反映了材料抵抗继续塑变的能力。 2.3.1 屈服强度屈服强度22:5531313.影响n的因素：层错能Al的层错能高不易形成扩展层错，d小易交滑移n小。层错能层错能低低（AgAuCu,AgAuCu,不锈钢，不锈钢，黄铜等）黄铜等）易出现层错易出现层错扩展位错扩展位错d d宽宽，交滑移难发生交滑移难发生位错应力集中高，位错应力集中高，滑移带平直滑移带平直n n

16、大大。2.3.1 屈服强度屈服强度22:5532324加工硬化的实际意义ln大，强化效果突出 。l不能热处理强化的材料：奥氏体不锈钢、有色金属等，更重要。 l n大，冲压性好（深冲压），应变均匀能力大。J保证变形均匀；J防止突然过载断裂；J强化金属。2.3.1 屈服强度屈服强度22:553333 2.3.1 屈服强度屈服强度22:553434力学性能指标力学性能指标材料的强度指标；材料的塑形指标屈服强度应变硬化指数抗拉强度 断裂强度等。延伸率 断面收缩率等。 指标的意义及影响因素 2.3.1 屈服强度屈服强度22:553535J韧性金属单向拉伸光滑试样的实际最大承载能力。Jb易于测定，重复性好

17、，选材设计的重要依据。2.3.3 抗拉强度抗拉强度b s/b ,冲压成型要求s/b要小。 s一定时，n越大，b越高。b意义：22:553636缩颈时dF=0缩颈时： 塑性变形的发展大于应变硬化。塑性变形的发展大于应变硬化。应变硬化赶不上塑性变形的发展。应变硬化赶不上塑性变形的发展。2.3.3 抗拉强度抗拉强度22:553737小结：小结：:强度指标的意义。:s:b:加工硬化n22:5538381. 陶瓷材料的强度 l（一）陶瓷材料的强度特点（一）陶瓷材料的强度特点 ?1陶瓷材料的抗拉强度低抗拉强度低于金属。l固体粉料烧结l大量气孔，裂纹多而大；l组织结构不均匀，缺陷多。（75%的-Al2O3）

18、22:5539392陶瓷材料的抗压强度抗压强度比抗拉强度大大得多， 其差别的程度大大超过金属。 抗压强度抗压强度是工程陶瓷材料的一个常测指标。?3气孔和密度气孔和密度对陶瓷断裂强度有重大影响。 22:554040（二）影响陶瓷材料强度的因素（二）影响陶瓷材料强度的因素外在因素试样尺寸形状环境(温度湿度酸碱度)应变速率应力状态内在因素微观结构缺陷（形状大小）22:554141?1显微结构晶相：晶粒尺寸、形貌和取向气孔：尺寸、形状和分布晶界玻璃相：组分、结构和形态裂纹：尺寸、密度和形状等陶瓷材料的制备工艺。 影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素22:554242透明氧化铝瓷（烧结白刚玉），

19、透明氧化铝瓷（烧结白刚玉）， 99.5%以上以上Al2O3l真空下烧结。lAl2O3纯度很高，气孔极少。 透明氧化铝的显微组织 1200 x影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素22:554343电熔刚玉的显微组织l耐火材料1200 xl白色粗大的柱状晶柱状晶： -Al2O3相；l暗黑色：玻璃相玻璃相，l黑色的圆洞：气孔气孔。影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素22:554444锰锌铁氧体的显微组织锰锌铁氧体的显微组织白色块状晶相：晶相： (MnZn)Fe2O4；条状析出相析出相：Fe2O3；暗黑色组织：玻璃相玻璃相；圆形：气孔气孔；过烧过烧-性能劣化。性能劣化。1200 x影响

20、陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素22:554545钛酸钡钛酸钡 的显微组织l广泛应用的压电陶瓷。l优良的介电性能和电光性能等。1200 xl白色块状晶相块状晶相：BaTiO3， 晶粒内部有孪晶孪晶。l黑圆洞：气孔气孔；l晶界处有少量玻璃相少量玻璃相。l过烧，性能劣化。影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素22:554646(1) 晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸越小，陶瓷材料室温强度越高。(细晶强化）afkd：经验指数； 氧化物/碳化物陶瓷：1/2； k 是与材料结构、显微结构有关的比例常数。 影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素22:554747(2)气孔气孔 l 有气孔时陶瓷

21、材料的强度；bpfe0f0陶瓷材料的强度随气孔率p的增加而下降。气孔使受力相截面积减少截面积减少，应力增大；气孔引起应力集中应力集中，强度下降；l 无气孔时陶瓷材料强度有关的常数。影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素22:554848(3)(3)晶界相晶界相晶界相：若能阻止裂纹扩展并松弛裂纹尖端 应力场，可提高强度和塑性。影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素助烧剂：低熔点晶界相，提高致密度。脆性晶界玻璃相： 对强度不利， 通过热理使其晶化。 22:554949?2 2试样尺寸试样尺寸J尺寸效应l工程陶瓷材料的强度指标通常为弯曲强度。弯曲强度。l相同体积下，试样厚度越小，应力梯度

22、越大， 弯曲强度越高。 尺寸大，含大尺寸危险裂纹的机会大。石英玻璃纤维分段： 0.6 cm长-760 Mpa 12cm长-275 Mpa2.应力分布变化影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素22:555050通常在800以下，温度对陶瓷材料强度影响不大。陶瓷材料耐高温性能较好。陶瓷材料耐高温性能较好。高温下，晶界晶界软化软化、滑移滑移，强度大幅度下降强度大幅度下降， 表现一定的塑性塑性；提高陶瓷的高温强度， 应减少玻璃相减少玻璃相和和杂质杂质。?3温度温度影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素22:555151高分子材料的塑性变形高分子材料的塑性变形 玻璃态高聚物（TbTg）和结晶

23、性聚合物（TbTm）典型的拉伸应力-应变曲线及试样形状的变化 J冷拉 22:555252聚合物的屈服应变可达20%左右（金属1%） 。N屈服点：屈服点： 最大应力点； 5-10%，甚至更大。 无极大值： 定义2应变处的应力为屈服强度。 高分子材料的塑性变形高分子材料的塑性变形 22:555353JBC段：高聚物特有的“细颈”沿样品扩展；JAB段：分子链滑移，银纹形成；应变增加、应力下降，“应变软化应变软化”；颈缩高分子材料的塑性变形高分子材料的塑性变形 22:555454CD：分子链重组，微纤维结构，试样均匀拉伸， “取向硬化取向硬化”。 JD点：J断裂强度b， 断裂伸长率b。高分子材料的塑性变形高分子材料的塑性变形 22:555555N屈服机理比较复杂，因状态不同而异。 N应力-应变曲线依赖于时间和温度。 N屈服点是很难给出确切定义：屈服点是很难给出确切定义：N通过高温退火可使永久变形恢复，不同于金属。通过高温退火可使永久变形恢复，不同于金属。聚合物屈服特点：聚合物屈服特点：高分子材料的塑性变形高分子材料的塑性变形 22:55565622:555757聚