第三章塑性变形

第三章塑性变形第一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.1金属材料塑性变形机制与特点塑性变形是永久性变形。常温或低温下，单晶体的塑性变形主要有滑移、孪生，还有扭折。滑移是晶体在切应力作用下沿一定的晶面和晶向进行切变的过程，如面心立方结构的（111）面[101]方向等。滑移系统越多，材料的塑性越大。第二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四(1)滑移的显微观察由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面和晶向作相对的移动，即晶体塑性变形的滑移机制。右下图铜中的滑移带（×500）第三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四（2）滑移线和滑移带滑移带（slipband）是由一系列相互平行更细的线组成的。这些线为滑移线（slipline）。滑移线实际上是在晶体表面产生的小台阶。下图滑移线和滑移带示意图第四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四（3）滑移系

滑移是沿着特定的晶面(称为滑移面slipplane)和晶向(称为滑移方向slipdirection)上运动。一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系（slipsystem）。滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。滑移系的个数=(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）第五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四结论:①滑移与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列的最密排面和最密排晶向。②滑移系主要与晶体结构有关。每一种晶格类型的金属都有特定的滑移系，且滑移系数量不同。晶体结构不同，滑移系不同；一般晶体中滑移系越多，滑移越容易进行，塑性越好。与同时开动滑移系数目有关（k）第六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四（4）滑移的临界分切应力（τk）

能使晶体滑移的力是外力在滑移系上的分切应力。通常把给定滑移系上开始产生滑移所需分切应力称为滑移的临界分切应力（criticalresolvedshearstress）。第七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四三种常见金属晶体结构的滑移系第八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四（5）滑移时晶体的转动

随着滑移的进行，晶体的取向发生改变的现象称为晶体的转动。对于密排六方结构结构，这种现象尤为明显。拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴线方向。压缩时，滑移面逐渐趋于与压力轴线方向垂直。

滑移时不仅滑移面发生转动，而滑移方向也逐渐改变，滑移面上的分切应力也随之改变。φ=45º时分切应力最大。

第九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四经滑移转动后，若φ角趋近于45º，则分切应力逐渐增大，滑移越来越容易，称为几何软化(geometricalsoftening)；若φ角远离45º，则滑移越来越困难，称为几何硬化(geometricalhardening)。第十页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四

（6）多系滑移

等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。单滑移：只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先开动时，形成单滑移。多滑移：由于变形时晶体转动的结果，有两组或几组滑移面同时转到有利位向。第十一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四交滑移（cross-slip）：指两个或多个滑移面共同沿着一个滑移方向的滑移。交滑移的实质是螺位错在不改变滑移方向的情况下，从一个滑移滑到交线处，转到另一个滑移面的过程。

第十二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四滑移的表面痕迹

单滑移：单一方向的滑移带；

多滑移：相互交叉的滑移带；

交滑移：波纹状的滑移带。第十三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四孪生是发生在金属晶体内局部区域的一个切变过程，切变区域宽度较小，切变后形成的变形区的晶体取向与未变形区成镜面对称关系，点阵类型相同。第十四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四(1)孪生变形：是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面(孪晶面：twiningplane)和一定方向(孪生方向；twiningdirection)相对于另一部分作均匀的切变（协同位移）所产生的变形。但是不同的层原子移动的距离也不同。变形与未变形的两部分晶构成镜面对称,合称为孪晶（twin）。均匀切变区与未切变区的分界面称为孪晶界。第十五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四FCC晶体孪生变形FCC晶体的孪生面是（111），孪生方向是[112]。图2是FCC晶体孪生示意图。fcc中孪生时每层晶面的位移是借助于一个不全位错（b=a/6[112]）的移动造成的，各层晶面的位移量与其距孪晶面的距离成正比。孪晶在显微镜下观察呈带状或透镜状。每层（111）面的原子都相对于邻层（111）晶面在[112]方向移动了此晶向原子间距的一个分数值。第十六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四右图2中带浅咖啡色的部分为原子移动后形成的孪晶。可以看出，孪晶与未变形的基体间以孪晶面为对称面成镜面对称关系。如把孪晶以孪晶面上的[112]为轴旋转180度，孪晶将与基体重合。其他晶体结构也存在孪生关系，但各有其孪晶面和孪晶方向。第十七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四铜中的变形孪晶锌中的变形孪晶第十八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第十九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四(2)孪生的特点

①孪生变形是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻的应力集中区。因此孪生的τk比滑移大得多。hcp中常以孪生方式变形，bcc中在冲击或低温也可能借助于孪生变形，fcc中一般不发生孪生变形。②孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作均匀切变。而滑移是不均匀的。③孪生的两部分晶体的位向不同，形成镜面对称的位向关系。而滑移后晶体各部分的位向并未改变。第二十页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四④孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。但孪生能改变晶体取向，使滑移转到有利位置。⑤由于孪生变形后，局部切变可达较大数量，所以在变形试样的抛光面上可以看到浮凸，经重新抛光后，表面浮凸可以去掉，但因已变形区和未变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或侵蚀后有明显的衬度，仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶体（密排六方金属很容易产生孪生变形），面心立方晶体中很难发生孪生。第二十一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四(3)孪晶的类型及形成

按孪晶（twin）形成原因可将孪晶分为：变形孪晶（deformationtwinning）、生长孪晶、退火孪晶

①变形孪晶(机械孪晶)：机械变形产生的孪晶。特征：透镜状或片状。其形成通过形核和长大两个阶段生产。形核是在晶体变形时以极快速度爆发出薄片孪晶；生长是通过孪晶界的扩展使孪晶增宽。孪生变形在σ—ε曲线上表现为锯齿状变化，如下图。孪生变形与晶体结构类型有关。hcp中易发生，fcc一般不易发生，但在极低温度下才会产生。②生长孪晶：晶体自气态，液态，或固体中长大时形成的孪晶。③退火孪晶：形变金属在其再结晶过程中形成的孪晶。第二十二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四孪生对塑变的直接贡献比滑移小得多；孪生改变晶体的位向，使硬位向的滑移系转到软位向，激发晶体的进一步滑移，对滑移系少的密排六方金属尤其重要。第二十三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四孪生和滑移的区别第二十四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.1.2多晶体材料的塑性变形

1.晶粒取向的影响

晶界具有阻滞效应：90%以上的晶界是大角度晶界，其结构复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受阻而不易直接传到相邻晶粒，晶界附近变形较晶粒内部小。原因(1)晶界的特点：原子排列不规则,分布有大量缺陷。(2)晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。

第二十五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四晶界具有取向差效应：多晶体中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。在变形过程中各晶粒具有相互制约和协调性。在多晶体中，外力作用下处于有利位向的晶粒首先滑动→位错开动，增殖→晶界上位错塞积→应力集中（τ>τk）→相邻晶粒位错源开动→相邻晶粒变形→塑变，各晶粒间变形而得到相互协调与配合。

第二十六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四原因：（1）各晶粒之间变形具有非同时性。（2）要求各晶粒之间变形相互协调否则独立变形会导致晶体分裂。（3）理论分析指出，多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑移系进行滑移，保证晶粒形状的自由变化。能否满足该要求与晶体的结构类型有关。第二十七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四

2.晶界对性能的影响

晶界对晶粒变形具有阻碍作用。拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状，每个晶粒中的滑移带均终止于晶界附近，晶界附近位错塞积，塞积数目n为：n=kлτ0l/Gb第二十八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四

位错塞积，密度增高，材料强度提高。因此，晶粒越细，晶界越多，材料强度（包括σs，σb，σ-1）越高，塑性较好，称为细晶强化（grainsizestrenthing），其σs与d关系如下：

σs=σ0＋kd-1/2Hall－Petch公式晶粒直径（μm）400501052下屈服点（KN/m2）

8612118024234510钢σs与晶粒大小的关系第二十九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四锌的单晶和多晶的拉伸曲线比较由上图锌的拉伸曲线可以看出：比较：同一材料多晶体的强度高，但塑性较低。单晶塑性高。

第三十页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四原因：多晶中各个晶粒的取向不同。在外力作用下，某些晶粒的滑移面处于有利的位向，受到大于σk的切应力，位错开始滑移。当相邻晶粒处于不利位向，不能开动滑移系时，则变形晶粒中的位错不能越过晶粒晶界，而是塞积在晶界附，这个晶粒的变形便受到约束，整个多晶的变形困难得多。结果：只有加大外力，才能使那些滑移面位向不利的晶粒逐渐加入滑移，结果多晶试样强度上升，塑性下降。第三十一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四晶粒越细，强度和塑韧性越高的原因：（1）晶粒越细，强度越高（细晶强化：霍尔－配奇公式s=0+kd-1/2）。原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）（2）晶粒越细，塑韧性提高原因：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。细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现高韧性。第三十二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四晶界对硬度的影响低碳钢的σb与晶粒直径的关系第三十三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3、多晶体塑性变形的特点1）各晶粒变形的非同时性和非均匀性材料表面优先与切应力取向最佳的滑移系优先2）各晶粒塑性变形的相互制约与协调晶粒间塑性变形的相互制约晶粒间塑性变形的相互协调晶粒内不同滑移系滑移的相互协调保证材料整体的统一第三十四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四①

塑性变形是不可逆变形，变形度大，一般金属的塑性远大于弹性。②

金属的塑性变形主要由切应力引起，只有切应力才能使晶体产生滑移或孪生变形。③

金属塑性变形阶段除了塑性变形本身外还伴随有弹性变形和形变强化，其应力—应变关系不再是简单的直线关系。3.1.3塑性变形的特点第三十五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四④

高温下，金属塑性变形除了决定于应力外，还和温度及时间有关,即高温时间效应。⑤

表征金属塑性变形的力学性能指标都是很敏感的性能指标。⑥

金属塑性变形时还会引起应变硬化、内应力及一些物理性能的变化。第三十六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.1.4塑性变形对材料组织和性能的影响

塑性变形对材料组织和性能的影响主要表现在以下方面：显微组织变化：晶粒形状的变化、亚结构的变化、形变织构性能的变化：加工硬化、力学性能、物理性能、化学性能第三十七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四2023/6/2117位错行为绕过和切过第三十八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四（一）显微组织变化

经塑性变形后材料的显微组织(microstructure)变化是：

1.晶粒形状的变化(1)出现大量的滑移带和孪晶带。(2)晶粒形状发生了变化。随变形度增大，等轴状晶粒→扁平晶粒→纤维组织。纤维组织(fibermicrostructure）分布方向是材料流变伸展方向。(3)当金属中组织不均匀，如有枝晶偏析或夹杂物时，塑性变形使这些区域伸长，这在后序的热加工或热处理过程中会出现带状组织(bandmicrostructure)。第三十九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四低碳钢塑性变形后纤维组织

a)30%压缩b)50%压缩

第四十页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四

2.亚结构(sub—grain)的变化（1）随变形度增大，位错密度迅速增大。（2）位错组态和分布等亚结构发生变化：变形度增大，位错密度增大→位错呈纷乱不均匀分布→位错缠结→位错胞(称为胞状亚结构)→细长状变行胞。胞状亚结构的形成不仅与变形度有关，而且还取决于材料类型。层错能高易出现胞状结构；层错能低，易形成较为均匀而复杂的位错网。右图为低碳钢形变(胞状)亚结构第四十一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四

3.形变织构(1)形变织构(deformationtexture):是晶粒在空间上的择优取向(preferredorientation)，如右上图。（2）类型及特征①丝织构②板织构右图是因形变织构造成的制耳第四十二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四（二）加工硬化：金属材料在塑性变形过程中，随着变形量的增加，强度和硬度不断上升，而塑性和韧性不断下降的现象。实际各晶体的加工硬化曲线因其晶代表结构类型、取向、杂质含量及温度等因素的不同而有所变化。其情况如下：(1)fcc和bcc显示出典型的三个阶段硬化；(2)hcp初始阶段与fcc相近，但hcp第一阶段远远超过了fcc和bcc；第四十三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四(3)当bcc含有杂质原子，因杂质原子与位错交互作用，将产生屈服现象并使曲线发生变化。从以上分析可知，塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素。

第四十四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四(三)残余应力

1.储存能（storedenergy）:储存能的表现形式：宏观残余应力、微观残余应力、点阵畸变2.残余应力（retainedstress）及其分类:(1)第一类内应力(firstinternalstress)—宏观残余应力：由于金属材料各部分宏观变形量不均匀而造成的，对应的畸变能不大，仅占总储存能的0.1％左右。这类内应力的平衡范围是整个晶体。(2)第二类内应力—微观残余应力：由晶粒或亚晶粒间变形不均匀而造成的内应力，其作用范围与晶粒尺寸相当（同一数量级），即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡，这种内应力可达到很大的数值。第四十五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四(3)第三类内应力—点阵畸变：由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等），造成点阵畸变而引起的内应力。其范围是几个到几十个原子间距的尺度（几十至几百纳米）。变形金属中储存能的绝大部分用于形成点阵畸变。总的贮能中，耗散热能占90%，而三种内应力代表的弹性储存能占10%，其中：第一类应力(宏观内应力)约占0.1%，第二类内应力(微观内应力)约占0.9%，第三类内应力(点阵畸变)占约9%。第四十六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四受力试样中，应力达到某一特定值后，应力虽不增加（或在微小范围内波动），而变形却急速增长的现象称为屈服。它标志着材料的力学响应由弹性变形阶段进入塑性变形阶段，称为物理屈服现象3.2屈服现象及其本质第四十七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.2.1物理屈服现象光滑试样拉伸试验时屈服变形开始于试样微观不均匀处，或存在应力集中的部位，一般在距试样夹持部分较近的地方。局部屈服开始后，逐渐传播到整个试样。试样表面出现与拉伸轴线成45°方向的滑移带，并逐渐传播到整个试样表面。滑移带遍布全部试样表面时，应力-应变曲线到达Ｃ点。屈服应变量BC是靠屈服变形提供的。第四十八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四上屈服点：试样开始屈服时对应的应力。下屈服点：载荷首次降低的最低载荷或不变载荷。

屈服过程：试样继续伸长，应力保持为定值或有微小的波动，在拉伸曲线上出现一个应力平台区，试样在此恒定应力下的伸长。

第四十九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四

吕德斯带：在发生屈服延伸阶段，试样的应变是不均匀的，在试样表面可观察到与纵轴约呈45º交角的应变痕迹，称为吕德斯(Lüders)带。吕德斯带会造成拉伸和深冲过程中工件表面不平整。

第五十页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.2.2屈服现象的本质（1）与金属中微量的溶质原子有关，即柯氏（Cottrell）气团理论溶质原子与位错的应力场发生弹性交互作用，形成柯氏气团（Cottrell）钉扎位错运动，必须在更大的应力作用下才能产生新的位错或使位错脱钉，表现为上屈服点；一旦脱钉，使位错继续运动的应力就不需开始时那么大，故应力值下降到下屈服点，试样继续伸长，应力保持为定值或有微少的波动。

第五十一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四（2）位错运动与增殖理论:材料塑性变形时应变速度ε’与晶体中可动位错的密度ρ、位错运动的平均速度V及位错的柏氏矢量b成正比。应变速率ε’=

bρv，位错运动速度v=（τ/τ0）m滑移面上切应力、位错产生单位滑移速度所需应力0

、应力敏感系数m。要出现明显的屈服：可动位错密度小、应力敏感系数m小第五十二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四开始变形时，ρ低，欲使应变速率固定，需要较大的v值，故需要较高的应力τ，表现为上屈服点；一旦塑性变形开始后，位错迅速增殖，ρ增加，必然导致v的突然下降（为保持应变速率固定），所以所需的应力τ突然下降，产生了屈服现象。

是否产生屈服点现象还与材料的m值有关，m小的材料，如Ge，Si，Fe等出现显著的上下屈服点。第五十三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四应变时效：将低碳钢试样拉伸到产生少量预塑性变形后卸载，然后重新加载，试样不发生屈服现象，但若产生一定量的塑性变形后卸载，在室温停留几天或在低温（如150℃）时效几小时后再进行拉伸，此时屈服点现象重新出现，并且上屈服点升高，这种现象。应变时效原因：室温长期停留或低温时效期间，溶质原子C、N又聚集到位错线周围重新形成气团所致。

3.2.3应变时效第五十四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四解决由于吕德斯带造成的工件表面不平整的措施:A.加入少量能夺取固溶体合金中的溶质原子，使之形成稳定化合物的元素。B.板材在深冲之前进行比屈服伸长范围稍大的预变形（约0.5%~2%变形度），使位错挣脱气团的钉扎，然后尽快进行深冲。第五十五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.3真实应力-应变曲线及形变强化规律拉伸试验中，试样完成屈服应变后，便进入形变强化阶段。拉伸过程中的真实应力S按每一瞬时试样的真实截面积A计算S=P/A式中P为截面面积为A时的载荷。真实应变ε=ln(l/lo)低碳钢工程应力-应变曲线与真应力-真应变曲线第五十六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.3.1冷变形金属的真应力-应变关系从屈服点到颈缩之间的形变强化规律，可以用Hollomon公式描述：S=Kεnε为真实塑性应变，K为强度系数，n为应变强化指数，表示材料的应变强化能力或对进一步塑性变形的抗力。当n=0时，为理想塑性材料的典型情况。当n=1时，应力与应变成线性关系，为理想弹性材料的典型情况。n与应变硬化速率dS/dε的关系式：dS/dε=nS/ε第五十七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.3.2缩颈条件分析缩颈是韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象，是应变硬化与截面减小共同作用的结果。在金属试样拉伸力－伸长曲线极大值B点(拉伸失稳点)之前，dP>0；B点后，dP<0。第五十八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四颈缩判据的图示当真实应力—应变曲线上某点的斜率等于该点的真实应力时，缩颈产生。第五十九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四缩颈判据：拉伸失稳或缩颈时：dP=0∵P=SA 故dP=AdS+SdA=0

在塑性变形过程中，dS恒大于0，AdS为正值，表示材料应变硬化使试样承载能力增加；dA恒小于0，SdA为负值，表示截面收缩使承载能力下降。由均匀塑性变形阶段体积不变的条件：即dV=0∵V=AL∴AdL+LdA=0

故：

或第六十页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四在拉伸失稳点处Hollomon关系成立：故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。第六十一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四形变强化定义：在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度之后，要使塑性变形继续下去，需要不断增加外力才能继续进行，在真应力应变曲线上表现为流变应力不断上升。3.3.3形变强化金属有一种阻止继续塑性变形的抗力，这种抗力就是应变硬化性能。第六十二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四Hollomon方程：

S=K

n

描述产生塑性变形后的真应力-应变曲线ε为真实塑性应变，K为强度系数，n为应变强化指数。n=0，理想塑性材料。n=1，理想弹性材料。n=0.05～0.5，大多数金属材料第六十三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四n值通常由实验测定n值与屈服强度近似成反比：n×s≈常数如低碳钢和低合金高强度钢：n≈70/s应变强化指数n的大小，表示材料的应变强化能力或对进一步塑性变形的抗力，是一个很有意义的性能指标。n值越大，应力-应变曲线越陡。第六十四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四b=n形变强化容量（均匀变形量）：b代表材料均匀变形能力的大小和形变强化的可能性大小缩颈判据：在缩颈开始时的真应变在数值上与应变强化指数n相等。利用这一关系，可以大致估计材料的均匀变形能力。第六十五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四形变强化技术意义形变强化可使金属零件具有抵抗偶然过载的能力，保证安全。形变强化与塑性变形相配合，能保证材料在截面上的均匀变形，可以保证某些冷成形工艺，如冷拔线材和深冲成形等顺利进行。形变强化是工程上强化材料的重要手段。

18-9型不锈钢，变形前σ0.2=196MPa，经40%冷轧后，σ0.2=780～980MPa，屈服强度提高4～5倍。第六十六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四北宋科学家沈括在《梦溪笔谈·器用》中讲述用冷锻制造铠甲时指出：“凡锻甲之法，其始甚厚，不用火，冷锻之，比元厚三分减二，乃成。其末留头许不锻，隐然如瘊子，欲以验未锻时厚薄，如浚河留土笋也，谓之“瘊子甲”。

文中所说的“三分减二”的冷加工变形量，与现代金属冷加工常用变形量60～70％相比，极为近似。利用的就是形变强化的规律。形变强化技术意义第六十七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四形变强化过程中的损伤金属材料的形变强化现象是与塑性变形过程相伴存在并不断发展的，属于提高材料强度的因素。形变强化过程中造成的损伤：塑性韧性降低，脆性增加，或者承载能力降低甚至诱发早期断裂。微孔损伤：材料形变强化过程中产生的最早的不连续因素。第六十八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.3.4韧性的概念及静力韧度分析韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，而韧度则是度量材料韧性的力学性能指标。对拉伸断裂来说，韧度可以理解为应力-应变曲线下的面积。A:高强度、低塑性、低韧性B:低强度、高塑性、低韧性C:中强度、中塑性、高韧性第六十九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章3.4应力状态对塑性变形的影响

3.4.1应力状态柔度系数同一种金属材料，在一定承载条件下产生何种失效形式，除与自身强度大小有关外，还与承载条件下的应力状态有关。不同的应力状态，其最大正应力σmax与最大切应力τmax的相对大小是不一样的。因此，对金属变形和断裂性质将产生不同影响。为此，我们必须知道不同静加载方式下试样中τmax和σmax的计算方法及其相对大小的表示方法。第七十页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四受力体一点的应力状态由材料力学可知，任何复杂应力状态均可用三个主力σ1、σ2和σ3（σ1>σ2>σ3）来表示。第七十一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四按材料力学强度理论：切应力弹塑性变形弹性变形正应力塑性断裂脆性断裂最大切应力理论：最大正应变理论：根据这三个主应力，计算最大切应力和最大正应变：应力状态柔度系数：第七十二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四对于金属材料：ν取0.25，则

单向拉伸时的应力状态只有σ1，σ2＝σ3＝0，因此α＝0.5α↑→τmax↑→应力状态越软，金属越易产生塑性变形和韧性断裂。第七十三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四应力状态柔度系数

第七十四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四

单向静拉伸的应力状态较硬，一般适用于塑性变形抗力与切断强度较低的所谓塑性材料试验。对于塑性较好的金属材料，则常采用三向不等拉伸的加载方法，使之在更“硬”的应力状态下显示其脆性倾向。第七十五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章3.4.2材料在扭转加载条件下的力学性能金属扭转试验按GB10128-88《金属扭转试验方法》进行。主要采用直径d0＝10mm、标距长度L0为50mm或100mm的圆柱形试样。1、扭转试验的特点1）扭转的应力状态软性系数α＝0.8，比拉伸大，易显示金属的塑性行为。2）圆形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象。所以能反映高塑性材料直至断裂前的变形能力和强度。第七十六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3）能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。4）扭转试验是测定大部分材料切断强度最可靠的方法。试样：圆柱或圆管第七十七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第七十八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四扭转曲线第七十九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四扭转试样中的应力与应变分析第八十页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四扭转应力状态特点：第八十一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章

试样在弹性范围内表面切应力τ和切应变γ为：1、切变模量G

弹性范围内，切应力τ与切应变γ之比。测出扭矩增量ΔT和相应扭角增量Δφ，求出切应力与切应变，即得扭转实验测定的力学性能指标：第八十二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四2、扭转屈服点τs在扭转曲线或试验机扭矩读盘上读出屈服时的扭矩Ts即可得扭转屈服点

τ0.3

3、规定非比例扭转应力τp

试样标距部分表面的非比例切应变γP达到规定数值时，按弹性扭转公式计算的切应力，称为规定非比例扭转应力τp4、抗扭强度τb试样在扭断前承受的最大扭矩Tb，利用弹性扭转公式计算的切应力为抗扭强度。第八十三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四扭转试验特点及应用第八十四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四(1)应力状态较软，适于拉伸脆性或低塑性材料；(2)轴向宏观塑性变形始终是均匀的；(3)对材料表面缺陷敏感；

(4)断口特征最明显，可准确测定切断强度。(5)高温扭转试验可用来研究金属在热加工条件下的流变性能与断裂性能，确定工艺参数；(6)可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和表面强化工艺的效果；

(7）根据扭转试验的宏观断口特征，可明确鉴别金属材料的最终断裂是正断还是切断。切断：断口平整且与试样轴线垂直，有回旋状塑性变形痕迹；正断：断面与试样轴线成45°角且呈螺旋状。第八十五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章3.4.3弯曲试验第八十六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四4.弯曲性能试验弯曲试验方法：GB/T10128-1988第八十七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章弯曲试验

第八十八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四考察材料在复杂应力状态下塑性变形能力弯曲工艺试验:第八十九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四Ni合金(板厚45mm)焊缝弯曲无裂纹为合格

例：焊接件弯曲工艺试验第九十页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章

弯曲试验原理

试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力：

M－最大弯矩：(三点弯曲M=FLS/4四点弯曲M=Fl/2)W－试样的抗弯截面系数：

圆形试样

矩形试样第九十一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章弯曲试验力学性能指标

金属抗弯试验方法按GB/T232-1999《金属材料弯曲试验方法》进行。1）规定非比例弯曲应力σpb试样弯曲时，外侧表面上的非比例弯曲应变εpb达到规定值时，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力。例如：σpb0.01或σpb0.2

三点弯曲：

四点弯曲：n－挠度放大系数Y－圆形试样的半径或矩形试样的半高

第九十二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四2）抗弯强度σbb根据试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力，称为抗弯强度。3）其它力学性能指标弯曲弹性模量、断裂挠度fbb、断裂能量U。第九十三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章弯曲力－挠度曲线第九十四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第九十五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章弯曲试验特点与应用1、弯曲试验的特点1）

弯曲试验的试样形状简单，操作方便。2）

弯曲试验时不存在试样偏斜对试验结果的影响，可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。3）

弯曲试验时，试样的表面应力最大，可较灵敏地反映材料的表面缺陷。④b3>b4>b

第九十六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四2、弯曲试验的应用1）

常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。2）

常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等化学热处理及表面热处理机件的质量和性能。第九十七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.3.4压缩性能试验(1)压缩试验方法：压缩试验用的试样其横截面为圆形或正方形，试样长度L一般为直径或边长的2.5－3.5倍。金属的单向压缩试验按GB/T7314-2005《金属材料室温压缩试验方法》进行。第九十八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四典型材料压缩曲线1-高塑性材料；2-低塑性材料第九十九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章

1、规定非比例压缩应力σpc

2、抗压强度σbc试样压至破坏过程中的最大应力。如果试验时金属材料产生屈服现象，还可测定压缩屈服点σbc.3、相对压缩率ckck=[(ho-hk)/ho]×100%4、相对断面扩展率ck

ck=[(Ak-Ao)/Ao]×100%第一百页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第二章为了减小试样在压缩过程呈腰鼓状的趋势，试样的两端需加工成具有α角度的凹圆锥面，以便使试样能均匀变形。

第一百零一页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四压缩应力状态1=2=0，3=-max=0.5(45截面)smax==2理想情况(端部无摩擦)实际情况(端部摩擦)端部约束变形鼓肚复杂应力状态第一百零二页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四压缩断裂形式切断:碳纤维增强镁基复合材料压缩断裂正断:纵向裂纹，如陶瓷材料注意:高塑性材料压扁而不破坏第一百零三页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.4.4压缩试验(1)应力状态软性系数α＝2，应力状态较软，材料易产生塑性变形。主要测定拉伸时呈脆性的金属材料在塑性状态下的力学行为。(2)拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。脆性材料在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线45°方向产生断裂，具有切断特征。软钢：易压缩成腰鼓状、扁饼状。

第一百零四页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四铸铁:拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断。

因此,塑性变形小的材料，或者使用工况为压缩状的材料，应采用压缩实验(3)应力状态很软，适于低塑性及脆性材料；(4)一般不用于塑性材料；(5)试验时要减小端面摩擦；

(6)一般规定h0/d0(h0/F0)为定值，以便试验结果能相互比较。第一百零五页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四3.4.5硬度试验硬度：抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力第一百零六页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四1、布氏硬度HB(Brinell-hardness)

实验原理：布氏硬度计

压头布氏硬度试验（单击）第一百零七页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四第一百零八页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四压痕几何相似：第一百零九页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四动画演示第一百一十页，共一百二十五页，编辑于2023年，星期四布氏硬度试验P/D2选配表第一百一十一页，共