华南师范大学材料科学与工程教程第八章材料的变形与断裂(一)

1、1第八章第八章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 （一）（一）2概述概述3一、金属变形概述一、金属变形概述4图中，图中， s s表示开始塑性变表示开始塑性变形的应力，称为形的应力，称为屈服强度屈服强度，工程上以去除外力后发生工程上以去除外力后发生0.1%0.1%0.2%0.2%残留变形时的残留变形时的应力为标准，该点以下为应力为标准，该点以下为弹性变形弹性变形部分，部分， s s点以上点以上为为塑性变形塑性变形，随变形程度，随变形程度增大，变形的抗力也增大，增大，变形的抗力也增大，要继续变形就要增加外力，要继续变形就要增加外力，此称为此称为加工硬化加工硬化。 b b在曲线的最高点，表示在曲线的

2、最高点，表示材料的材料的拉伸强度拉伸强度。在在 b b以下时，材料只发生均匀伸长，到了以下时，材料只发生均匀伸长，到了 b b点，材料局部点，材料局部地方截面开始变细地方截面开始变细颈缩，也称失稳。再继续拉伸，颈缩颈缩，也称失稳。再继续拉伸，颈缩处越来越细，最后不能承受重力，迅速断裂。处越来越细，最后不能承受重力，迅速断裂。5二、金属的弹性变形二、金属的弹性变形1、主要特点：、主要特点：变形可逆，去除外力后变形消失变形可逆，去除外力后变形消失服从虎克定律，应力服从虎克定律，应力应变呈线性关系应变呈线性关系 为应变EEG83)1 (233. 0 泊松比（ ），在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向

3、应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值！ G62、弹性模量、弹性模量 （E、G）是原子间结合力的反映和量度是原子间结合力的反映和量度（作用能）（作用能）（作用力）（作用力）平衡距离平衡距离在外力作用下发生弹性变形，内部原子间距离偏离平衡位置；在没有外力时，晶体内原子间的结合能和结合力可以预测弹性变形的难易程度取决于作用力弹性变形的难易程度取决于作用力原子间原子间距离曲线的斜率距离曲线的斜率S0由于金属材料的弹性变形很小（由于金属材料的弹性变形很小（0.1%），），原子间距离只能在原子间距离只能在r0附近变化，可把附近变化，可把S0看看成是常数，则弹性变形所需的外力成是常数，则弹性变形

4、所需的外力F = S0（rr0） = S0/ r0， E = S0/ r0这就是虎克定律和弹性模量的微观解释这就是虎克定律和弹性模量的微观解释7弹性模量是原子间结合力强弱的反映，是一个对弹性模量是原子间结合力强弱的反映，是一个对组织不敏感的性能组织不敏感的性能指标指标，加入少量合金元素和热处理对弹性模量影响不大，加入少量合金元素和热处理对弹性模量影响不大 例如碳钢、铸钢和各种合金钢的弹性模量都差别不大，（例如碳钢、铸钢和各种合金钢的弹性模量都差别不大，（E 200GPa）但它们的屈服强度和抗拉强度可以相差很大）但它们的屈服强度和抗拉强度可以相差很大弹性模量在工程技术上表示材料的刚度，有些零件或

5、工程构件主要弹性模量在工程技术上表示材料的刚度，有些零件或工程构件主要是按刚度要求设计的，刚度条件满足，强度一般情况下也是满足的是按刚度要求设计的，刚度条件满足，强度一般情况下也是满足的在相同外力作用下，刚度大的材料发生弹性变形量就小在相同外力作用下，刚度大的材料发生弹性变形量就小 如铁的弹性模量是铝的三倍，则铁的弹性变形只有铝的三分之一如铁的弹性模量是铝的三倍，则铁的弹性变形只有铝的三分之一E = S0/ r08三、滑移与孪晶变形三、滑移与孪晶变形金属在应力超过屈服强度时，就要发生塑性变形金属在应力超过屈服强度时，就要发生塑性变形 两种主要的塑性变形形式：两种主要的塑性变形形式：滑移和孪晶滑

6、移和孪晶变形变形1、滑移观察滑移观察 在预先经过抛光的纯铝或纯铁试样，经适当变形之后，在光学显微镜下观察可看到试样表面有许多平行的或几组交叉的细线滑移带，是相对滑移的晶体层与试样表面的交线 如用电子显微镜观察，可看到光镜下的一条黑线是由更多的一组平行线构成滑移线 试样内的滑移带不是均匀分布的，滑移线构成的滑移台阶高约100nm 滑移是晶体内位错运动的结果，当一个位错沿着一定的平面运动，移出晶体表面时所形成的台阶大小是一个柏氏矢量（取b0.25nm），），从滑移台阶的高度可粗略估计约有400个位错移出了晶体表面。92、 滑移机制滑移机制晶体中已滑移的部分与未滑移部分的晶体中已滑移的部分与未滑移部

7、分的分界是以位错作为表征，其分界是一个分界是以位错作为表征，其分界是一个过渡区域过渡区域位错的宽度位错的宽度位错的宽度是两种能量平衡的结果位错的宽度是两种能量平衡的结果界面能小界面能小位错宽度窄位错宽度窄弹性畸变能？弹性畸变能？位错宽度增加？位错宽度增加？位错宽度是影响位错运动的重要参数，宽位错宽度是影响位错运动的重要参数，宽度越大越容易运动！度越大越容易运动！10图中所示，位错中心由A移到移到B时，若时，若A和和B对于位错两侧的原子列是对称的，对于位错两侧的原子列是对称的，位错不受力，即只要位错处于对称位置位错不受力，即只要位错处于对称位置（位移为（位移为b或或b/2时），位错不受力。时），

8、位错不受力。若位错中心若位错中心A不是移到不是移到B位置，而是移位置，而是移到了很小的距离，位错两侧不再保持是等到了很小的距离，位错两侧不再保持是等距离和对称的，由于位错两侧原子列对位距离和对称的，由于位错两侧原子列对位错的作用力不能抵消，于是位错运动时就错的作用力不能抵消，于是位错运动时就产生了阻力。产生了阻力。位错宽度大时，非对称性的影响较弱，位错宽度大时，非对称性的影响较弱，位错运动较容易。位错运动较容易。位错宽度大时位错运动所需克服的能垒小，位错宽度窄时，需克服的能垒位错宽度大时位错运动所需克服的能垒小，位错宽度窄时，需克服的能垒大。大。位错宽度的界定位错宽度的界定：位错中心：位错中心

9、A处，离两端平衡位置为处，离两端平衡位置为b/2，一直往两侧延，一直往两侧延伸到原子列偏离原平衡位置的位移为伸到原子列偏离原平衡位置的位移为b/4时，位错两侧的宽度以时，位错两侧的宽度以W表示，即为表示，即为位错宽度。位错宽度。11理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所需克服的阻力理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所需克服的阻力派纳力（派纳力（PN） PN的大小主要取决于位错宽度的大小主要取决于位错宽度W，W越小，越小，PN就越大，材料就难变形，相就越大，材料就难变形，相应的屈服强度也越大应的屈服强度也越大位错宽度（也就是派纳力）主要取决于结合键的本质和晶体结构：对于方向性很强方向性很强的共价键

10、，键角键长都很难改变，位错宽度很窄 W b ，派纳力很大，宏观上屈服强度很大但很脆；对于没有方向性没有方向性金属键，位错宽度较大，如面心立方金属Cu，其 W 6b，而其派纳力是很低 位错在不同的晶面和晶向上运动，其位错宽度不同。位错只有沿着原子排列最紧密方向上运动，派纳力才最小，金属中的滑移面和滑移方金属中的滑移面和滑移方向都是原子排列最紧密的面和方向。向都是原子排列最紧密的面和方向。位错运动的推动力位错运动的推动力12在金属中面心立方金属和沿基面（0001）滑移的密排六方金属，其派纳力最低； 对不是沿基面滑移而是沿棱柱面（1010）或棱锥面（1011）滑移的密排六方金属，位错宽度较小，派纳力

11、增大；位错宽度较小，派纳力增大；对于体心立方金属，派纳力稍大于面心立方，但更主要的是派对于体心立方金属，派纳力稍大于面心立方，但更主要的是派纳力随温度的降低而急剧增高纳力随温度的降低而急剧增高体心立方金属多数具有低温脆性体心立方金属多数具有低温脆性的原因的原因133、滑移面和滑移方向、滑移面和滑移方向 滑移面和滑移方向通常是原子排列最紧密的平面和方向，对不同的金滑移面和滑移方向通常是原子排列最紧密的平面和方向，对不同的金属晶体结构，其滑移面和滑移方向自然也不相同。属晶体结构，其滑移面和滑移方向自然也不相同。对面心立方金属，原子排列最紧密的面是对面心立方金属，原子排列最紧密的面是111，原子最密

12、集的方向为，原子最密集的方向为，因此滑移面为，因此滑移面为111，共有四个；滑移方向，共有四个；滑移方向，共有三个若分，共有三个若分别列出则为：别列出则为： 110 111 110 111 110 111 110 111 101 111 101 111 101 111 注：后面的面是与前面的面相平行的，因而它们的滑移系相同，例如注：后面的面是与前面的面相平行的，因而它们的滑移系相同，例如110 (111)滑移系滑移系与与110 (111)相同。相同。滑移方向uvw是在滑移面hkl上的,也就是hu+lv+kw=014对体心对体心 立方金属，原子排列最密集的平面和方向是立方金属，原子排列最密集的平

13、面和方向是110 ，110 有有6个，个，有有2个，因此有个，因此有12个滑移系（个滑移系（这只是这只是最容易滑移最容易滑移的平面和方向）的平面和方向）体心立方金属的滑移变形受合金元素、晶体位向。温度和应变速率的体心立方金属的滑移变形受合金元素、晶体位向。温度和应变速率的影响较大。影响较大。也可观察到在也可观察到在112和和123上进行滑移，方向还是上进行滑移，方向还是111，即体心立方，即体心立方金属可能有金属可能有48个滑移系个滑移系15对密集六方金属，当对密集六方金属，当c/a较大较大即（即（c/a） 1.63，如如Cd、Zn、Mg等滑移面为（等滑移面为（0001），滑移方向是），滑移方向是，组合的结果只有三个，组合的结果只有三个滑移系；当滑移系；当c/a较小时在棱柱面原子排列的密度较基面上大，滑移面较小时在棱柱面原子排列的密度较基面上大，滑移面就变为就变为 1010，如，如Ti16滑移系的多少是影滑移系的多少是影响金属塑性好坏响金属塑性好坏的重要因素的重要因素密排六方金属的滑