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1、,材料物理性能-力学性能,第四节 塑性变形及性能指标,材料物理性能-力学性能,一、塑性变形机理,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。,无机材料在常温时大都缺乏这种性能，使得材料的应用受到限制，必须研究塑性形变的机理，首先从单晶入手，这样可以不考虑晶界的影响。,材料物理性能-力学性能,1.金属材料的塑性变形,材料物理性能-力学性能,晶体的滑移,晶体的孪生,材料物理性能-力学性能,滑移是晶体一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分作相对移动。,材料物理性能-力学性能,滑移平面图,材料物理性能-力学性能,滑移立体图,材料物理性能-力学性能,
2、单晶锌变形后滑移带的照片,材料物理性能-力学性能,产生滑移的条件：面间距大；每个面上是同一种电荷的原子，相对滑动面上的 电荷相反；滑移矢量（柏氏矢量）小。,材料物理性能-力学性能,1.晶体滑移的描述,滑移系:包括滑移方向和滑移面，即滑移按一定的晶面和方向进行。滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移。,材料物理性能-力学性能,材料物理性能-力学性能,1.孪生的描述,孪生是晶体一部分相对另一部分，对应于一定的晶面（孪晶面）沿一定方向发生转动（切变）的结果。孪生时，晶体变形部分中所有与孪晶面平行的原子平面均向
3、同一方向移动，移动距离与该原子面距孪晶面之距离成正比。,材料物理性能-力学性能,晶体的孪生,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。,材料物理性能-力学性能,2.晶体孪生的特点,（1）孪生变形也是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区，因此，孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多，只有在滑移过程很困难时，晶体才发生孪生。（2）孪生是一种均匀切变，即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离，且每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。（3）孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。,材料物理性能-力学性能,位错是晶
4、体中最为常见的缺陷之一,晶体在结晶时受到杂质温度变化或振动产生的应力作用，或由于晶体受到打击切削研磨等机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行间相互滑移，而不再符合理想晶体的有秩序的排列，由此形成的缺陷称位错。位错是原子的一种特殊组态，是一种具有特殊结构的晶格缺陷，因为它在一个方向上尺寸较长，所以被称为线状缺陷。,材料物理性能-力学性能,设有一简单立方结构的晶体，在切应力 的作用下发生局部滑移，发生局部滑移后晶体内在垂直方向出现了一个多余的半原子面，显然在晶格内产生了缺陷，这就是位错，这种位错在晶体中有一个刀刃状的多余半原子面，所以称为刃型位错。位错线的上部邻近范围受到压应力，而下部邻近
5、范围受到拉应力，离位错线较远处原子排列正常。通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃型位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示。当然这种规定都是相对的。,刃型位错,材料物理性能-力学性能,材料物理性能-力学性能,材料物理性能-力学性能,当力持续作用，处于移动面1的下端棱上原子产生一个位移，使它们的位置与半晶面2上端原子位置连成一线，半晶面1和2的原子（红点）形成一个新原子面，晶面2 进一步向右移动，形成一个附加半晶面。依次类推，下一步2和3 连接起来。外力持续作用的结果：晶体在剪切应力作用下，不是晶体中所有原子都同时移动，而是其中一小部分，在较小外力作用下，使晶体两部分彼此相对移动。,
6、材料物理性能-力学性能,从上图可以理解在外力作用下：刃型位错的形成过程；刃型位错沿滑移面从晶体内部移出的过程；位错线运动的特点：整个原子组态作长距离的传播，而每一参与运动的原子只作短距离（数个原子间距）的位移。,材料物理性能-力学性能,材料物理性能-力学性能,材料物理性能-力学性能,材料物理性能-力学性能,（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性.（2）各晶粒变形的互相协调性.,晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒其滑移面上的剪应力差别大，晶粒相互制约，所以不易产生滑移。,材料物理性能-力学性能,陶瓷材料的塑性变形,陶瓷材料一般呈多晶状态。,陶瓷材料中还存在气孔、微裂纹、玻璃相。,陶瓷材料中的位错不
7、易向周围晶体传播，所以陶瓷很难进行塑性变形；更易在晶界处积累而产生应力集中，形成裂纹引起断裂。,材料物理性能-力学性能,产生滑移机会多少取决于晶体中的滑移系统数量。对于金属，金属键没有方向性，滑移系统多。所以易于滑移而产生塑性形变。对无机材料，离子键和共价键具有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大。只有个别滑移 系统才能满足几何条件与静电作用条件。晶体 结构愈复杂，满足这种条件就愈困难。所以不易产生滑移。,材料物理性能-力学性能,金属 非金属由一种离子组成 组成复杂金属键无方向性 共价键或离子键有方向 结构简单 结构复杂 滑移系统多 滑移系统少,金属与非金属晶体滑移难易的比较,材料物理性能-力
8、学性能,3 非晶态材料的塑性变形,非晶态玻璃材料，不存在晶体中的滑移和孪生的变形，它们的永久变形是通过分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的温度下进行，故普通无机玻璃在室温下没有塑性。,材料物理性能-力学性能,4 高分子材料的塑性变形,结晶态高分子塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程；,材料物理性能-力学性能,非结晶态高分子的塑性变形有两种方式：在正应力作用下形成银纹（非晶态高分子材料塑性变形的主要变形机理）,在切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束。,材料物理性能-力学性能,二、屈服现象与屈服强度,1 屈服现象,材料物理性能-力学性能
9、,屈服现象的描述,拉伸过程中，外力不增加试样仍然继续增长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况下试样可以继续伸长变形，此现象就为材料的屈服现象。,材料物理性能-力学性能,屈服点,材料在拉伸屈服时对应的应力值为屈服点。,上屈服点su,下屈服点sl,屈服伸长：屈服阶段产生的伸长。,屈服点,材料物理性能-力学性能,塑性应变速率 柏氏矢量 可动位错密度位错运动平均速率,一定条件下：塑性变形为滑移-孪生机制。孪晶成核应力孪晶长大应力,材料物理性能-力学性能,2.屈服强度,定义：材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量变形的能力，这一应力值就成为材料的屈服
10、强度。,下屈服点sl重复性好，通常把sl作为屈服强度：sl=Fsl/A0,材料物理性能-力学性能,屈服强度的应用,屈服强度是工程技术上最重要的力学性能指标之一。,屈服强度是工程设计中重要的参考依据。,材料物理性能-力学性能,三、影响金属材料屈服强度的因素,1 晶体结构,金属材料的屈服过程主要是位错的运动。,纯金属单晶体的屈服强度从理论上讲是位错开始运动所需的临界切应力，由位错运动所受的各种阻力决定。,材料物理性能-力学性能,晶格阻力：派纳力 式（1-25）位错间的交互作用产生的阻力,材料物理性能-力学性能,位错间的交互作用产生的阻力类型,（1）平行位错间交互作用产生的阻力；,（2）运动位错与林
11、位错间交互作用产生的 阻力。,材料物理性能-力学性能,材料物理性能-力学性能,2 晶界与亚结构,多晶体材料中晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多，对材料屈服强度的提高贡献越大。,晶界增多晶粒内位错塞积的长度将缩短，应力集中程度不足以推动相邻晶粒内的位错滑移。,s=i+kyd-1/2,材料物理性能-力学性能,晶界与亚晶界,亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界。,材料物理性能-力学性能,3 溶质元素,固溶合金中，由于溶质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。,材料物理性能-力学性能,固溶强化
12、实例,材料物理性能-力学性能,4 第二相,对于细小弥散的第二相质点，当位错线绕过不可变形的质点时，必须克服弯曲位错的线张力，可阻止塑性变形，提高屈服强度。,当位错线与可变形的第二相质点相遇时，由于位错可以切过，使之同基体一起产生变形，可阻止塑性变形，提高屈服强度。,材料物理性能-力学性能,5 温度,材料物理性能-力学性能,6 应变速率与应力状态,在应变速率较高的情况下，金属材料的屈服应力将显著升高。,应力状态的影响：切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度就越低。,材料物理性能-力学性能,4.应变硬化,定义：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象称为应变
13、硬化。应变硬化是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。绝大部分金属和高分子材料具有应变硬化。,材料物理性能-力学性能,抗拉强度与缩颈条件,塑性与塑性指标,超塑性产生的条件,1.超细晶粒2.合适的变形条件3.应变速率敏感指数高,材料物理性能-力学性能,在2000年出版的SCIENCE上，卢柯领导的研究小组公布了关于纳米材料超塑延展性的研究成果。他们在实验中发现纳米金属铜样品在室温下具有的神奇特性超塑延展性，而没有加工硬化效应。即将晶粒为纳米尺度的铜放在室温下反复冷轧，延伸率能达到5100%，而不出现硬化现象。,材料物理性能-力学性能,卢柯 男，1965年5月出生于甘肃华池。,1985年8月（20岁）毕业于南京理工 大学机械系；1985年考入中科院金属研究所攻读硕士学位；1990年（25岁）在金属研究所获工 学博士学位，导师为中国科学院院士王景唐先生（已故）；1993年（28岁）中国科学院金属研究所聘他为研究员；1995年（30岁）成为博士生导师；1997年（32岁）担任“快速凝固非 平衡合金国家重点实验室”主任；2003年(38岁)成为中国最年轻的中科院院士。,材料物理性能-力学性能,小 结,金属材料的屈服强度是一个对成分、组织、应力状态、温度等极为敏感的力学性能。,改变金属材料的成分或热处理都可使屈服强度产生明显变化。,
