材料力学性能第一章2a

五、包申格效应产生了少量塑性变形的材料（残余应变<4%），再同向加载则弹性极限（屈服强度）升高；反向加载则弹性极限（屈服强度）降低的现象。24第三节非理想弹性与内耗

包申格应变是度量

包申格效应的定量

指标。它是指在给

定应力下，拉伸卸

载后第二次再拉伸

与拉伸卸载后再压

缩两曲线之间的应

变差。工程意义：

不利：经拉伸变形成型的构件要考虑其承受

压缩载荷的能力，以免使微量塑性变形抗力

下降造成危害。特别是承受应变疲劳载荷作

用的机件，呈现循环软化现象。

有利：如薄板反向弯曲成型，拉拔的钢棒经

辊压校直等。

25第三节非理想弹性与内耗包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。因为经过正向变形后，晶内位错最后总是停留在障碍密度较高处，一旦有反向变形，则位错很容易克服曾经扫过的障碍密度较低处。

林位错对位错运动的影响

26第三节非理想弹性与内耗第三节非理想弹性与内耗消除包申格效应的方法：预先进行较大的塑性变形，或在第二次受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火，如钢在400～500℃，铜合金在250～270℃退火。

2728材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。材料的种类和性质不同，其塑性变形机理也不相同。第四节

塑性变形及其性能指标29一、塑性变形的机理1

金属材料的塑性变形金属常见的塑性变形机理为——滑移＋孪生滑移是在切应力作用下，沿着滑移面和滑移方向进行的切变过程。思考：何为滑移系？哪些面可做滑移面

？fcc，bcc，hcp的滑移系有几个？室温与高温下有何区别？滑移系的多少与金属的塑性好坏有何关系？第四节

塑性变形及其性能指标30孪生是金属在切应力作用下的另外一

种塑性变形方式。孪生变形可以调整

滑移面的方向，使新的滑移系开动，

间接对塑性变形有贡献。思考：在什么条件下金属会以孪生方式塑性变形？为什么？金属的滑移系较少、低温、高速变形的条件下。第四节

塑性变形及其性能指标31第四节

塑性变形及其性能指标在切应力下孪晶中的晶格位向变化321.

金属塑性变形的特点1）各晶粒塑性变形的非同时性金属多晶体中，不同相、不同晶粒在外

力作用下由弹性变形向塑性变形的过渡

不可能同时开始。所以人为规定了一些微量残留变形量条件，如0.05％，表示力学性能。第四节

塑性变形及其性能指标332

）塑性变形量的不均匀性不同组织的塑性变形程度不同，在外部宏观变形量不大的情况下，有些晶粒可能已经达到极限，出现早期开裂。补充：取向因子cosφcosλ组织越不均匀，塑性变形不同时性和不均匀性越严重。第四节

塑性变形及其性能指标拉应力与分切应力关系图

34因子。

第四节

塑性变形及其性能指标

取向因子cosφcosλ分切应力τ=(P/A)cosφcosλ

≥τ临界

φ—外应力与滑移面法线的夹角；

λ—外应力与滑移方向的夹角；

Ω=

cosφcosλ称为取向35第四节

塑性变形及其性能指标3）各晶粒塑性变形的相互协调性多晶体金属作为一个连续整体，不允许各个晶粒

在任一滑移系自由变形，否则必将导致晶界开

裂，这就要求各晶粒之间能协调变形。每个晶粒

必须能同时沿几个滑移系进行滑移，或在滑移的

同时产生孪生变形，以保持材料的整体性。4）变形过程中金属的力学性能和其它物理性能、化学性能会发生变化。如密度降低、电阻和矫顽力增加、化学活性增大以及抗腐蚀性能降低等。2.

陶瓷材料的塑性变形

陶瓷材料最大的缺点是脆－即塑性变形很难，为

什么？

共价键具有方向性，且是强固的结合键，使晶体具有

较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的能力。离子键方

向性虽不明显，但受静电作用力的限制，其实际可动

滑移系较少。

多晶材料，还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。位错不

易向周围晶粒传播，更易在晶界处塞积而产生应力集

中，形成裂纹。

36第四节塑性变形及其性能指标化合物LiFMgOAl2O3SiO2Si3N4SiCSi负电性差3.02.32.01.71.20.70离子键（％）8973635130110共价键（％）112737497089100第四节塑性变形及其性能指标陶瓷材料离子键与共价键的混合比

37非晶态玻璃，在室温下没有塑性，为什么？

没有晶体的滑移系，塑性变形通过分子

（原子）位置的热激活交换来进行的，属

于粘性流动变形机制，塑性变形需要在一

定温度下进行。

非晶的

原子排

布

38第四节塑性变形及其性能指标3.

高分子材料的塑性变形

结晶态高分子

塑变过程－薄晶转变为

沿应力方向排列的微纤维束。

非晶态高分子

塑变过程－正应力作用下形成银纹，切应力作用下无取向分子链转变为排列的纤维束。

39第四节塑性变形及其性能指标40银纹（craze）：银纹是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于它的密度低，对光线的反射能力很高，看起来呈银色，因而得名。银纹产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位，银纹内部为有取向的纤维和空洞交织分布。银纹＝裂纹

？第四节塑性变形及其性能指标聚苯乙烯板中的银纹图中箭头指主应力方向；

（b）是图（a）中一段的放大照片

41(b)第四节

(a)塑性变形及其性能指标二、屈服现象与屈服强度

1

屈服现象

在材料拉伸曲线上，弹性变形向塑性变

形的过渡阶段有一个平台或锯齿。在外力

不增加或上下波动的情况下试样可以继续

伸长，这种现象称为材料在拉伸实验时的

屈服现象。许多铁基合金、有色金属和高

分子材料中会出现屈服现象。

42第四节塑性变形及其性能指标2

屈服强度

定义：屈服强度－材料开始塑性变形的应力。

通常用下屈服点的应力值表示。

何为上、下屈服点？物理意义：材料抵抗起始塑性变形的能力或产

生微量塑性变形的能力。

43定义式：σ

s

=

Fs

/

A0σ

sl

=

Fsl

/

A0第四节塑性变形及其性能指标44第四节

塑性变形及其性能指标屈服伸长变形是不均匀的

吕德斯带第四节塑性变形及其性能指标吕德斯带的显微照片

45第四节塑性变形及其性能指标屈服现象发生的三个要素：

材料变形前可动位错密度很小

随塑性变形发生，位错能快速增殖

位错运动速率与外加应力有强烈依存关系塑性应变速率柏氏矢量的模

可动位错密度

46位错运动平均速率

•

−ε

=

bρ

v第四节塑性变形及其性能指标沿滑移面上的切应力位错以单位速率运动位错运动速率应力敏感指数

所需的切应力m’值越低，则使位错运动速率变化所需之应力变化越大，屈服现象越明显。

47m'

−v

=

(τ

/τ0)对于看不到明显屈服现象的材料，工程上其屈服强度由人为按标准规定，称为条件屈服强度。(1)比例极限

应力超过σp时即认为材料开始屈服。(2)弹性极限

应力超过σe时即认为材料开始屈服。(3)屈服强度

以规定发生一定的残留变形为标准，如以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为σ0.2。

48第四节塑性变形及其性能指标在测量标准中，用规定残余伸长应力σr和规定总伸长σt表示材料的屈服强度。σr0.05、

σr0.1、

σr0.2、

σt0.5σr和σt都可以表征材料的屈服强度，但σt可以在加载过程中测量，且容易实现测量自动化。

49第四节塑性变形及其性能指标

工程意义：

屈服强度是很重要的力学性能指标。

1

作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材的依据；

2

根据屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆性断裂的参考依据。

50第四节塑性变形及其性能指标第四节塑性变形及其性能指标也就是说，屈服强度高，提高了许用应力，减轻了零件或构件的重量，减小零件尺寸和体积，但是，对缺口敏感，脆性增加，所以要选最佳值。

51第四节塑性变形及其性能指标

传统的强度设计方法：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。

52第四节塑性变形及其性能指标3

高分子材料的屈服

通常把拉伸曲线上出现应力极大点定义

为屈服点，其对应的应变约为5％～10

％，甚至更大。如拉伸曲线上不出现极

大点，则对应应变2％处的应力为屈服

强度。

53三、影响材料屈服强度的因素

(金属)

内因：晶格类型、结合键、组织结构

1

晶体结构

屈服强度从理论上讲是位错开始运动所需的

临界切应力，其值由位错运动所受的各种阻

力决定。

FCC金属位错容易移动，即容易屈服；

BCC金属位错运动阻力大，屈服强度高。

54第四节塑性变形及其性能指标第四节塑性变形及其性能指标a：滑移面的晶面间距ω：位错宽度位错宽度大，晶格畸变小，位错易于移动ω

=

a/(1−ν)

Gτp-n：晶格阻力；v：泊松比；G：切变模量fcc：

a

=

3原子间距bcc：

a

=

2原子间距

55Cu的屈服强度小于Fe？第四节塑性变形及其性能指标1/2τ

=αGbρτ：位错间交互作用产生的阻力α：比例系数（fcc

0.2,

bcc

0.4）ρ：位错的密度

G：切变模量

b：柏氏矢量的模

产生加工硬化现象的原因

562

结合键

陶瓷的结合键为离子键和共价键，结合力最

大，要塑变必须使键断开，所以屈服强度最

高，脆性最大；金属键结合力属于中，有一

个范围，取决于原子本性（原子半径及其电

子结构），屈服强度属于中等；高分子的分

子键力很小，分子链容易彼此滑过，所以屈

服强度很低。

57第四节塑性变形及其性能指标3

组织结构

使金属强化的因素引起屈服强度升高，

有四种机制：细晶强化（屈服强度与晶粒

大小的关系）；固溶强化（屈服强度与溶

质浓度的关系）；第二相强化（屈服强度

与第二相的类型、尺寸、形状、数量、分

布等有关）；形变强化方式、形变量等。

58第四节塑性变形及其性能指标第四节塑性变形及其性能指标晶界是位错运动的障碍霍耳—配奇(Hall-Petch)公式σi：位错运动的总阻力，决定于晶体结构

和位错密度

ky：晶界对强化贡献大小的钉扎常数

d：晶粒平均直径

59−1/2σs

=σi

+kyd第四节塑性变形及其性能指标在固溶合金中，由于溶质原子与溶剂原子直径不同，在溶质原子周围形成晶格畸变应力场，该应力场与位错应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而使屈服强度提高，产生固溶强化。通常间隙固溶体的强化作用更大。

60第四节塑性变形及其性能指标低碳铁素体中固溶强化效果

6162

第四节第二相种类

塑性变形及其性能指标不可变形

克服弯曲位错的线张力，其与