第一章材料在静拉伸载荷下的力学性能塑性变形

第一章材料在静拉伸载荷下的力学性能塑性变形第1页，共38页，2023年，2月20日，星期一2023/4/141

但滑移系的数目不是决定金属塑性的唯一因素。例如，fcc金属(如Cu、Al)的滑移系虽然比bcc金属(如a-Fe)的少，但因前者晶格阻力低，位错容易运动,位错不容易塞集，故塑性优于后者，屈服强度也较低。孪晶是金属材料在切应力作用下的另一种塑性变形方式,孪晶变形可以调整滑移面的方向,使新的滑移系开动,间接对塑性变形有贡献。第2页，共38页，2023年，2月20日，星期一

fcc、bcc和hcp三类金属材料都能以孪生方式产生塑性变形，但fcc金属只在很低的温度下才能产生孪生变形。bcc金属在冲击载荷或低温下也常发生孪生变形。hcp金属及其合金滑移系少，并且在c轴方向没有滑移矢量，因而更易产生孪生变形。孪生变形也是沿特定晶面和特定晶向进行的。

第3页，共38页，2023年，2月20日，星期一多晶体金属塑性变形特点多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规律与单晶体金属相同。但由于多晶体金属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性变形具有如下一些特点。

1.各晶粒变形的不同时性和不均匀性

2.各晶粒变形的相互协调性

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屈服现象外力不增加，或者下降，试样继续伸长的现象。非均匀塑性变形吕德斯带布满试样时，屈服结束，进入均匀塑性变形阶段。钢板冷冲压之前进行预先冷变形（1－2％），防止褶皱。第5页，共38页，2023年，2月20日，星期一屈服现象的本质材料的塑性应变速率与材料中的可动位错密度，位错运动速度和位错柏氏矢量的关系为在有明显屈服点的材料中(含有微量间隙溶质原子的体心立方金属，如Fe、Mo，Nb、Ta等),由于溶质原子对位错的钉扎作用，可动位错密度较小，在塑性变形开始时，可动位错必须以较高速度运动，才能适应试验机夹头运动（一定）的要求。

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但位错运动速度决定于其所受外力的大小，即为作用于滑移面上的切应力；为位错以单位速度运动时所需的切应力；m为位错运动速率的应力敏感性指数，表明位错速度对切应力大小的依赖程度。

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因此，欲提高位错运动速度，就需要较高的应力。塑性变形一旦开始，位错便大量增殖，使位错密度迅速增加，从而使相应降低和所需应力下降。这就是屈服开始时观察到的上屈服点及屈服降落。

锯齿的产生：位错相互作用，使可动位错密度下降－－开动－－下降－－－开动－－第8页，共38页，2023年，2月20日，星期一位错速度的应力敏感性m也是一个重要因素，m值越小，为使位错运动速度变化所需的应力变化越大，屈服现象就越明显，反之亦然。如体心立方金属，m<20，而面心立方金属m>100，因此，前者屈服现象明显。

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屈服标准

σS定义:材料开始塑性变形的应力。根据使用场合不同，工程上常用的屈服标准有三种：

(1)比例极限：

应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力，国际上常采用σp表示，超过σp时即认为材料开始屈服。σS≥σP

规定非比例伸长应力，规定残余伸长应力

屈服强度σS第10页，共38页，2023年，2月20日，星期一(2)弹性极限：

试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。以σe表示（σ0.01）。应力超过σe时即认为材料开始屈服。σe≥σP

(3)屈服强度：

通常以规定发生一定的残留变形为标准，如常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为σ0.2。(注意与规定弹性极限的区别，屈服点明显与不明显的区别)第11页，共38页，2023年，2月20日，星期一影响屈服强度的内在因素（5条）

从位错理论来看，无论是内在因素还是外在因素，之所以影响屈服强度，都和它们阻碍位错运动的情况有关。（1）金属本性及晶格类型：合金中的位错主要分布于基体相内，位错运动阻力首先来自于基体相。临界切应力和弹性模量G有关,G值越高其临界切应力越大。过渡族金属Fe、Ni等，G较高，其临界切应力也高，因而屈服强度也高。

第12页，共38页，2023年，2月20日，星期一临界切应力还与晶体类型有关。金属滑移方向的原子间距b(柏氏矢量)越大，临界切应力越大。如面心立方金属Cu、Al和六方金属Mg、Zn等b小，而体心立方金属α－Fe、Cr等b大，因此，α－Fe、Cr等的屈服强度都较Cu、Al、Zn、Mg高。以α—Fe为基的钢的屈服强度也比奥氏体钢的屈服强度高。第13页，共38页，2023年，2月20日，星期一

根据多晶体的塑性变形滑移机构，位错运动时需要克服晶界的阻力，因而晶粒大小会影响屈服强度。位错在基体金属中的运动阻力或叫摩擦阻力，主要决定于晶体结构（弹性模量和b）和位错密度决定于晶体结构的常数晶粒直径此乃著名的霍尔－派奇公式（2）晶粒大小——细晶强化第14页，共38页，2023年，2月20日，星期一

应该指出，bcc金属的ks较fcc和hcp金属的ks高，所以bcc金属的细晶强化效果最好，而fcc和hcp晶系的金属则较差。

用细化晶粒来提高金属屈服强度的方法叫做细晶强化，它不仅可以提高强度，而且还可提高塑性和韧性，所以它是金属强韧化的一种好办法。亚结构作用和晶界相同，上式也适合。第15页，共38页，2023年，2月20日，星期一

把异类元素原子溶入基体金属得到固溶合金，可以有效地提高屈服强度。这样的强化方法叫做固溶强化。固溶强化的效果决定于溶质原子的性质、浓度以及与溶剂原子的直径差等。间隙固溶体强化效果大；置换固溶体强化效果较差。图中是不同合金元素对铁素体钢强化效果。可以看出其强化效果都随浓度提高而增加，间隙固溶强化效果最高。(3)固溶强化第16页，共38页，2023年，2月20日，星期一(4)第二相的影响

工业合金，特别是高强度合金，在基体上大都分布有第二相。它们一般是些硬而脆的物质，如金属间化合物和金属碳化物。在合金中，虽然第二相的比例不大，但因它们是以微小颗粒分布于基体上，却显著地影响屈服强度（弥散强化

）。这些第二相组织可用粉末冶金法获得，但一般多用合金化和热处理方法获得（如时效强化）。第17页，共38页，2023年，2月20日，星期一(5)形变强化

金属预先塑性变形可以提高屈服强度，塑性变形量越大，屈服强度提高幅度也越大。这种因塑性变形而提高屈服强度的现象叫做形变强化或加工硬化。在金属塑性变形阶段，变形曲线上升可以说明金属的形变强化现象。

形变强化的本质也是位错密度增大（位错增殖）和位错运动受阻（位错反应和位错交割）的结果。

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时效强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。

在这几种强化机制中，只有细晶强化既能提高强度又能增加塑性。另外几种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性。第19页，共38页，2023年，2月20日，星期一影响屈服强度的外在因素影响屈服强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高，材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆性和冲击脆性。应力状态的影响也很重要，切应力分量越大的应力状态，越有利于塑性变形，屈服强度越低，扭转比拉伸屈服强度低，拉伸比弯曲屈服强度低，压缩时更低，三向压缩最低。通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。

第20页，共38页，2023年，2月20日，星期一σS的工程意义

在传统的强度设计方法中，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σs/n，安全系数n一般取2或更大；对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n，安全系数n一般取6。需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的曲强比增加，材料的脆断危险性增加了。（用断裂韧性设计更全面）第21页，共38页，2023年，2月20日，星期一

屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的其他某些力学性能和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。第22页，共38页，2023年，2月20日，星期一真应力-应变曲线和加工硬化1.真实应力-应变曲线

由下图可以看出，工程应力－应变曲线往往不能真实反映或度量变形过程中真正的应变和应力。拉伸时工程应变总大于真应变，工程应力小于真应力。第23页，共38页，2023年，2月20日，星期一2、真应力-应变关系

真应力-应变关系:

从试样开始屈服到发生颈缩，这一段应变范围中真应力和真应变的关系，可用Hollomon关系式描述

S=Kεn

n

加工硬化指数或应变硬化指数

K

强度硬化指数

S

真应力

ε

真应变。

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理想的弹性体和理想的塑性体限定了一般材料加工硬化指数n的变化范围，理想弹性体n=1为一45度斜线，理想塑性体n=0为一水平直线，n=1/2的为一抛物线。

金属材料的n值一般为0.1－0.5第25页，共38页，2023年，2月20日，星期一加工硬化的实际意义

形变强化是金属的一个重要性能，在生产中具有十分重要的实际意义。1．形变强化可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件安全。机件在使用过程中，某些薄弱部位因偶然过载会产生局部塑性变形，如果此时金属没有形变强化能力去限制塑性变形继续发展，则变形会一直流变下去，而且因变形使截面积减小，过载应力越来越高，最后会导致颈缩，而产生韧性断裂。但是，由于金属有形变强化性能，它会尽量阻止塑变继续发展，使过载部位的塑性变形只能发展至一定程度即停止下来，保证了机件的安全使用。第26页，共38页，2023年，2月20日，星期一金属在塑变时，由于应力和材料性能的不均匀性，截面上各点的塑变起始时间和大小各不一样，如果没有形变强化性能，则先变形的部位就会流变下去，造成严重的不均匀塑变，从而不能获得合格的冷变形金属制品。但是，由于金属有形变强化能力，哪里先变形它就在那里阻止变形继续发展，并将变形推移至别的部位去，这样变形和强化交替重复(即变形和强化的联合)就构成了均匀塑性变形，从而获得了合格的冷变形加工金属制品。2．形变强化可使金属塑变均匀进行，保证冷变形工艺的顺利实现。第27页，共38页，2023年，2月20日，星期一3．形变强化可提高金属强度，和合金化、热处理一样，也是强化金属的重要工艺手段。

这种方法可以单独使用，也可以和其它强化方法联合使用，对多种金属进行强化，尤其是对于那些不能热处理强化的金属材料，这种方法就成了最重要的强化手段。如18-8奥氏体不锈钢，变形前强度不高，σ0.2=20公斤力／毫米，σb=60公斤力／毫米。但是经40％轧制后，σ0.2=80～100公斤力／毫米，提高3～4倍，σb=120公斤力／毫米，提高一倍。高碳钢丝经过铅浴等温处理后拉拔，可以达到2000MPa以上。但是，形变强化方法只能使强度提高，而塑性损失了很多。

生产上常用的喷丸和表面滚压属于金属表面形变强化，除了造成有利的表面残余压应力外，也强化了表面材料，因而可以有效地提高疲劳抗力。第28页，共38页，2023年，2月20日，星期一4．形变强化还可降低塑性改善低碳钢的切削加工性能。

低碳钢因塑性好，切削时易产生粘刀现象，表面加工质量差，此时可利用冷变形降低塑性，使切屑容易脆离，改善切削加工性能。

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颈缩条件和抗拉强度

1.颈缩条件

应力-应变曲线上的应力达到最大值时即开始出现颈缩。在颈缩前变形沿整个试样长度是均匀的，因为材料应变硬化使试样承载能力增加，可以补偿因试样截面减小使其承载力的下降。在B点之后，由于应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域产生缩颈。

B点是最大力点，也是局部塑性变形开始点，亦称拉伸失稳点或塑性失稳点。第30页，共38页，2023年，2月20日，星期一

出现颈缩时正是相当于负荷-变形曲线上的最大载荷处，因此，应有dF=0F=AS

dF=d(S·A)=AdS+SdA=0

即

-dA/A=dS/S

根据塑性变形时体积不变条件，即dV=0V=LALdA+AdL=0

dL/L=-dA/A=dε

故dS/dε=S

这就是出现颈缩的条件，即当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。

第31页，共38页，2023年，2月20日，星期一颈缩条件

可见，当真实应力．应变曲线上某点的斜率(应变硬化速率)等于该点的真实应力(流变应力，即屈服后继续塑性变形并随之升高的抗力)时，缩颈产生。依据颈缩条件，倘若已有真应力-应变曲线，并作出相应的应变硬化速率和应变的关系，这两个曲线的交点即表示在该应变量下将要开始颈缩，在交点的左方dS/dε>S，硬化作用较强，足以补偿因截面之减小所引起的应力升高，而在交点的右方dS/dε<S，加工硬化的能力已经失去或已十分微弱，导致颈缩发生。dS/dε=S第32页，共38页，2023年，2月20日，星期一在缩颈点(拉伸失稳点)处Hollomon关系成立

Sb为试样的真实抗拉强度可以推导出

这表明，当金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时，缩颈便会产生。由此可以估计材料的均匀变形能力。由不可能很大。第33页，共38页，2023年，2月20日，星期一缩颈颈部应力修正

缩颈一旦产生，拉伸试样原来所受的单向应力状态就被破坏，而在缩颈区出现三向应力状态，这是由于缩颈区中心部分拉伸变形的径向收缩受到约束所致。在三向应力状态下，材料塑性变形比较困难。为了继续塑性变形，就必须提高轴向应力，因而缩颈处的轴向真实应力高于单向受力下的轴向真实应力，并且随着颈部进一步变细，真实应力还要不断增加。第34页，共38页，2023年，2月20日，星期一可利用Bridgmen关系式对颈部轴向拉应力进行修正

S——