FH2.3-塑变性能指标

《材料性能学》付华石家庄铁道大学2/6/20231第2章材料的塑性变形2.1.材料的塑性变形机理2.1.1金属与陶瓷晶体的塑性变形机理2.1.2陶瓷材料的塑性变形特点2.1.3高分子材料的塑性变形2.2冷变形金属的回复与再结晶2.2.1塑性变形对材料性能的影响2.2.2冷变形金属的回复与再结晶2.2.3材料的热加工与冷加工2.3塑性变形的力学性能指标2/6/202322.3

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

2/6/202332.3.1屈服强度一、屈服强度的表示及工程意义

屈服：材料由弹性变形向弹-塑性变形过渡的明显标志。σs：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σsl；无明显屈服：人为确定----条件屈服强度。2/6/20234规定残余伸长应力σr：卸除拉力后，0.05%,0.1%,0.2%残余伸长

------σr0.05，σr0.1，σr0.2。规定总伸长应力σt

：标距部分的总长,σt0.5。加载过程中易自动测量。条件屈服强度：

统一用σ0.2表示σs

（不计测量方法）2.3.1屈服强度2/6/20235σs的工程意义：①不允许过量塑变的设计与选材依据；σs

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②σs/σb

高：有利：充分发挥高强度，减轻机件质量。不利：塑变抗力高，局部应力集中处不易通过塑变缓解---突然脆断。2/6/20236二、影响屈服强度的因素σs

的产生机理：（难点）①材料在变形前可动位错密度很小，或虽有大量位错但被钉扎（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：②随塑性变形的发生，位错能快速增殖，即可动位错急速增加。2.3.1屈服强度2/6/20237③位错运动速率与外加切应力有强烈依存关系：τ----沿滑移面上的切应力。τ0----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。2.3.1屈服强度2/6/20238解释：材料的宏观塑性应变速率

（试验机夹头移动速率）与可动位错密度ρ、位错运动速率

及柏氏矢量b成正比。变形前可动位错密度ρ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τ，是上屈服点的由来。2.3.1屈服强度2/6/20239塑性变形一旦发生，位错大量增殖，位错密度ρ增加：另一方面，位错间相互作用增强，位错缠结；这2方面的原因使位错运动速率下降，相应的应力突然降低，产生屈服降落平台。2.3.1屈服强度一方面，要保持一定的塑性应变速率；2/6/202310屈服降落平台的明显与否取决于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τ的变化越大，屈服现象越明显。材料SiGeWCrMoLiFFe-3%SiCuAgm'1.4(600~900℃)1.4~1.7(420~700℃)5<7<814.5352003002.3.1屈服强度2/6/202311

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。

Cu200，Ag300。

本质很硬的材料，m′很小，若要提高υ→→τ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2/6/202312bcc金属的m′较小(＜20)→→明显的屈服现象。fcc金属的m′较大(100~200)→→屈服现象不明显。应力敏感指数m′愈小，υ的变化所需切应力τ的变化越大，屈服现象越明显。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屈服强度屈服波动2/6/2023132.影响σs

的因素内在因素：化学成分、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σs

的大小。晶格阻力√位错间交互作用力位错与各种缺陷间的交互作用阻力2.3.1屈服强度2/6/202314b-----柏氏矢量（滑移方向上的原子间距）ω----位错宽度，ω=a/(1-γ)，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(τP-N)：派尔斯（Peierls）和纳巴罗（Nabarro）（1）晶体结构（晶格阻力）：τp-N(派-纳力)2.3.1屈服强度2/6/202315派-纳力推导十分复杂，也不精确，

它的一些定性结果有：1)本质上，位错宽度ω越小，τP-N越大，位错难以滑移，屈服强度越高。从能量角度看：ω小→→晶格畸变大，位错运动阻力高→→

τp-N大，σs大。bcc.2.3.1屈服强度2/6/2023162)位错宽度ω主要决定于结合键和晶体结构。共价键：键角和键长难改变，位错宽度很窄，

ω≈b，τP-N很高但很脆；金属键：无方向性，位错宽度较大，

Cu：ω≈6b，派-纳力很低。2/6/2023173)派-纳力公式第一次定量地由位错的存在，推算晶体的切变强度。推算：τP-N＝3.6×10-4G，比刚性模型计算的理论值（约G/30）小得多，接近实验值。4)解释为什么滑移面和方向都是原子最密排面和方向。b最小（原子密排方向）、a最大（原子最密排面），位错宽度ω最大，点阵阻力最小，派-纳力最小。2.3.1屈服强度2/6/202318（2）摩擦阻力：位错间交互作用阻的阻力。

τ=αGbρ1∕2α：fcc=0.2;bcc=0.4.

ρ↑→τ↑,σs↑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2/6/202319（3）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：2.3.1屈服强度（Hall-Petch公式）2/6/202320d-----（亚）晶粒平均直径。

σi---位错运动的总阻力（摩擦阻力）；

K---晶界钉扎常数。

d↓→位错塞积长度↓→应力集中↓→→不足以开动相邻晶粒的位错滑移。Hall-Petch公式：适用于晶界与亚晶界、纳米晶。纳米材料中，可动位错少，启动应力高。2.3.1屈服强度2/6/202321晶粒大小对室温机械性能的影响：晶粒直径（μm）400501052下屈服点（KN/m2）86121180242345例：10#钢σs与晶粒大小的关系细晶粒组织的高温强度反而较低。高温下晶界在应力作用下产生粘滞性流动，晶界相对滑动；产生“扩散蠕变”，2.3.1屈服强度2/6/202322

细化晶粒，塑韧性提高！√：

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。

细晶→应力集中小→裂纹不易萌生；

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。

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。2.3.1屈服强度2/6/202323(4)

溶质元素(固溶强化）

晶格畸变→→应力场→→与位错应力场交互作用→→σs↑→→固溶强化间隙、置换、空位→→强化σs空位――σs↑，塑性下降。（原子能工业）辐照空位。2.3.1屈服强度2/6/202324（5）第二相与第二相的形状、尺寸、数量、分布有关。细小弥散分布：σs↑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2/6/202325bcc金属的σs随T↓而急剧增高；

bcc金属τp-N大，而τp-N属短程力，对温度很敏感。fcc金属的σs随T↓变化不大。(6)温度屈服强度随温度的变化2.3.1屈服强度2/6/202326(7)应变速率与应力状态影响明显：静拉伸10-3/S,

冷轧、拉拔103/S→→σs↑

切应力有利于塑变，σs↓。σs对成分、组织、温度、应力状态极为敏感。2.3.1屈服强度2/6/202327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2/6/2023282.3.2应变硬化指数1.

机理：应变硬化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2/6/2023292.表征：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n：n=0.5~1n=1，完全理想弹性体

n=0，S=K=常数，无应变硬化

n---反映了材料抵抗继续塑变的能力。

2.3.1屈服强度2/6/2023303.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。层错能低（Ag\Au\Cu,不锈钢，α黄铜等）→→易出现层错→→扩展位错d宽，→→交滑移难发生→→位错应力集中高，滑移带平直→→n大。2.3.1屈服强度2/6/2023314．加工硬化的实际意义n大，强化效果突出

。不能热处理强化的材料：奥氏体不锈钢、有色金属等，更重要。

n大，冲压性好（深冲压），应变均匀能力大。保证变形均匀；防止突然过载断裂；强化金属。2.3.1屈服强度2/6/202332

2.3.1屈服强度2/6/202333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2/6/202334韧性金属单向拉伸光滑试样的实际最大承载能力。σb易于测定，重复性好，选材设计的重要依据。2.3.3抗拉强度σb

σs/σb

,冲压成型要求σs/σb要小。

σs一定时，n越大，σb越高。σb意义：2/6/202335缩颈时dF=0缩颈时：

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。2.3.3抗拉强度2/6/202336小结：强度指标的意义。σsσb加工硬化n2/6/2023371.陶瓷材料的强度（一）陶瓷材料的强度特点

1．陶瓷材料的抗拉强度低于金属。固体粉料烧结大量气孔，裂纹多而大；组织结构不均匀，缺陷多。（75%的α-Al2O3）2/6/2023382．陶瓷材料的抗压强度比抗拉强度大得多，其差别的程度大大超过金属。抗压强度是工程陶瓷材料的一个常测指标。3．气孔和密度对陶瓷断裂强度有重大影响。2/6/202339（二）影响陶瓷材料强度的因素2/6/2023401．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2/6/202341透明氧化铝瓷（烧结白刚玉），99.5%以上Al2O3真空下烧结。Al2O3纯度很高，气孔极少。透明氧化铝的显微组织1200x影响陶瓷材料强度的因素2/6/202342电熔刚玉的显微组织耐火材料1200x白色粗大的柱状晶：

α-Al2O3相；暗黑色：玻璃相，黑色的圆洞：气孔。影响陶瓷材料强度的因素2/6/202343锰锌铁氧体的显微组织白色块状晶相：

(MnZn)Fe2O4；条状析出相：Fe2O3；暗黑色组织：玻璃相；圆形：气孔；过烧-------性能劣化。1200x影响陶瓷材料强度的因素2/6/202344钛酸钡的显微组织广泛应用的压电陶瓷。优良的介电性能和电光性能等。1200x白色块状晶相：BaTiO3，晶粒内部有孪晶。黑圆洞：气孔；晶界处有少量玻璃相。过烧，性能劣化。影响陶瓷材料强度的因素2/6/202345(1)晶粒尺寸晶粒尺寸越小，陶瓷材料室温强度越高。(细晶强化）α：经验指数；氧化物/碳化物陶瓷：α＝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2/6/202346(2)气孔

有气孔时陶瓷材料的强度；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，应力增大；气孔引起应力集中，强度下降；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2/6/202347(3)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。2/6/2023482．试样尺寸尺寸效应工程陶瓷材料的强度指标通常为弯曲强度。相同体积下，试样厚度越小，应力梯度越大，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：

0.6cm长-----760Mpa

12cm长-----275Mpa2.应力分布变化影响陶瓷材料强度的因素2/6/202349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。高温下，晶界软化、滑移，强度大幅度下降，表现一定的塑性；提高陶瓷的高温强度，应减少玻璃相和杂质。3．温度影响陶瓷材料强度的因素2/6/202350高分子材料的塑性变形玻璃态高聚物（Tb~Tg）和结晶性聚合物（Tb~Tm）典型的拉伸应力-应变曲线及试样形状的变化冷拉

2/6/202351聚合物的屈服应变可达20%左右（金属<1%）。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2/6/202352BC段：高聚物特有的“细颈”沿样品扩展；AB段：分子链滑移，银纹形成；应变增加、应力下降，“应变软化”；颈缩高分子材料的塑性变形

2/6/202353CD：分子链重组，微纤维结构，试样均匀拉伸，“取向硬化”。D点：断裂强度σb，断裂伸长率εb。高分子材料的塑性变形

2/6/202354屈服机理比较复杂，因状态不同而异。应力-应变曲线依赖于时间和温度。屈服点是很难给出确切定义：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：高分子材料的塑性变形

2/6/2023552/6/202356聚合物的五种应力－应变曲线：

硬而脆；硬而强；强而韧；软而韧；软而弱。“软”和“硬”：模量的低或高；“弱”和“强”：强度的大小；“脆”-----无屈