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1、固体材料的变形与断裂,主讲人：张立斌,第五章 固体材料的变形与断裂,5.1 弹性变形,5.2 单晶体的塑性变形,5.3 多晶体的塑性变形,5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.5 金属及合金强化的位错解释,5.6 断裂,第五章 固体材料的变形与断裂,5.1 弹性变形,材料的变形方式主要由三种，分别为：弹性变形、塑性变形和粘性变形。金属材料多为前两种变形，而有些高分子材料可能发生第三种变形。,1、材料的变形方式：,2、弹性变形：,E或G表示使原子离开平衡位置的难易程度，只取决于晶体的原子结合本性，而与晶粒大小以及组织变化无关，属于组织不敏感性质参数。E（G）共价键材料E（G）金属（离子）键
2、材料E（G）分子键材料,第五章 固体材料的变形与断裂,2、弹性变形：,滞弹性时，应力应变曲线所包围的面积表示应力循环一周所消耗的能量，叫内耗。,2.1、完全弹性体：,应变随着应力瞬时达到平衡值，而与时间无关；,2.2、滞弹性：,在弹性范围内，载荷变化时，应变随时间逐渐达到平衡值，即与时间有关：,2.3、内耗：,5.1 弹性变形,第五章 固体材料的变形与断裂,5.2 单晶体的塑性变形,1、单晶体塑性变形的方式：,常温下有三种：滑移、孪生、扭折；,晶体的一部分相对另一部分沿着一定晶面和晶向的运动。,2、滑移：,试样表面出现的滑移变形的痕迹，它是由相互平行的滑移线组成；而滑移线又是由微小的滑移台阶造
3、成的。,3、滑移带,高温下还有扩散蠕变、晶界滑动。,第五章 固体材料的变形与断裂,5.2 单晶体的塑性变形,位错运动所受的阻力即派纳力为,4、滑移系,式中：G切变模量，泊桑比，a晶面间距，b原子间距。,晶体内一个滑移面和滑移面上的一个滑移方向组成了滑移系,第五章 固体材料的变形与断裂,5.2 单晶体的塑性变形,5、滑移系与塑性的关系：,滑移系多，塑性好；,6、临界分切应力,P在滑移方向上的分力为Pcos，,滑移面为一个椭圆其面积为,，,则切应力为,第五章 固体材料的变形与断裂,5.2 单晶体的塑性变形,6、临界分切应力,当滑移方向、滑移面法线及外力轴共面时，有+=90O；此时，如果=45O时，
4、coscos取得极大值，故,取得极小值，,第五章 固体材料的变形与断裂,5.2 单晶体的塑性变形,外力在滑移面上可以分解成正应力和切应力，而该正应力和切应力均会产生力偶，在该力偶的作用下，使晶体发生转动。,7、晶体转动：,转动后，原容易滑移的位向转到不易滑移位向上，而原来处于不容易滑移的位向则转到容易滑移的位向上而继续滑移。,8、多滑移与交滑移,有两组及以上的滑移系同时开始滑移叫多滑移,位错从一个滑移面过渡到与之平行的另一个滑移面上沿着同一个滑移方向继续滑移的现象叫交滑移。因为刃型位错的滑移面是唯一的（位错线与柏氏矢量构成），故不能发生交滑移；只有螺型位错才可能发生交滑移。,第五章 固体材料的
5、变形与断裂,5.2 单晶体的塑性变形,晶体内部的一部分沿一定晶面（孪晶面）和晶向（孪晶方向）相对另一部分发生均匀切变的过程。,9、孪生：,10、孪生变形的特点,.孪生使晶体的一部分发生均匀的切变，而滑移只集中在一些滑移面上；,.孪生后晶体变形部分的位向发生了改变，而后者则不变,.同一结构的孪生面与方向和滑移面与方向可以不同,.两者的应力应变曲线不同；,.前者的临界分切应力大于后者。,通常情况下，滑移先进行，当其受阻时，才有可能发生孪生。孪生后，使晶体的位向发生改变，原来处于硬位向的滑移系转到软位向，从而激发了晶体的进一步滑移,第五章 固体材料的变形与断裂,5.3 多晶体的塑性变形,1、单晶体与
6、多晶体塑性变形的异同点：,1.1、相同点：,变形条件与方式相图（切应力）（滑移、孪生）；,1.2、不同点：,、变形受晶界的阻碍；,、变形受相邻晶粒位向的阻碍：,、各晶粒变形不同步；,、各晶粒变形不均匀。,第五章 固体材料的变形与断裂,5.3 多晶体的塑性变形,2、多晶体塑性变形过程,产生应力集中：,若晶粒大，则rL n 应力 临近滑移系开动，塑性变形由一个晶粒过渡到相邻的另一个晶粒继续进行。,障碍物,滑移面,位错源,L,第五章 固体材料的变形与断裂,5.3 多晶体的塑性变形,3、晶粒尺寸d对强度与塑性的影响,3.1、d对强度的影响,d小L n 应力集中 要使相邻晶粒中硬位向的滑移系开动，必须要
7、加大工作应力，从而提高了强度。,d小单位体积内的晶粒数目多，晶界数目也多，对位错运动阻碍就大，提高了塑性变形抗力，从而提高了强度。,Hallpetch公式为：,第五章 固体材料的变形与断裂,5.3 多晶体的塑性变形,3、晶粒尺寸d对强度与塑性的影响,3.2、d对塑性的影响,d小则单位体积内的晶粒数目就多，当总变形量一定时，分摊到每个晶粒上的塑性变形量就小；当每个晶粒都达到极限塑性变形量时，则总的塑性变形量就大，故d越小塑性就越好。从公式看，在相同变形量的情况下，d越小则L就小，n也小，应力集中就小，不至于打破结合键；当应力达到极限值时，可以允许产生更大的塑性变形，故d越小塑性就越好。,第五章
8、固体材料的变形与断裂,5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响,1、塑性变形对金属显微组织的影响：,、形变织构（择优取向）；,、形成纤维组织；,、形成胞状亚结构；,第五章 固体材料的变形与断裂,2、塑性变形对金属性能的影响：,5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响,.产生加工硬化；,.使物理性能发生变化如：导电性下降：,.使化学性能发生变化耐腐蚀性下降等。,.产生了残余内应力。,.产生了各向异性；,第五章 固体材料的变形与断裂,5.5 金属及合金强化的位错解释,1、固溶强化：,晶体中溶质原子溶入，引起点阵畸变，形成了应力场；而晶体中的位错也形成应力场。二者应力场发生交互作用，使溶质原子聚集到位错
9、周围而形成比较稳定的分布，通常把溶质原子在位错周围的聚集叫柯氏气团。柯氏气团对位错产生钉扎作用，阻碍了位错的运动，提高了塑性变形抗力。,随着溶质原子的溶入，固溶体的强度与硬度升高、塑性与刃型下降的现象,.概念,.机理,第五章 固体材料的变形与断裂,5.5 金属及合金强化的位错解释,2、加工硬化,随着塑性变形量的增加，金属的强度与硬度升高、塑性与刃型下降的现象,.概念,.机理,在滑移面上运动的两个位错相遇交割后，各自产生一小曲折线段，这种由交割生成的小曲折线段叫割阶，有时还可形成一些固定位错。位错密度增加，割阶与固定位错数目也增加，对位错运动的阻力增大，使晶体变形抗力增加，从而提高了强度，即加工
10、硬化。,第五章 固体材料的变形与断裂,5.5 金属及合金强化的位错解释,3、沉淀强化（时效强化）,在合金基体中均匀弥散分布细小的第二,.概念,.机理,位错以切过机制或绕过机制与第二相微粒发生作用，位错绕过第二相粒子所需切应力与粒子间距有关，即,相微粒（硬化相）而提高合金强度的方法。如果第二相微粒是通过过饱和固溶体时效处理或沉淀析出得到的，则也称时效强化或沉淀强化）。,位错运动过程中与第二相微粒相遇时，,第五章 固体材料的变形与断裂,5.5 金属及合金强化的位错解释,3、沉淀强化（时效强化）,在第二相粒子体积分数相同时，粒子半径r粒子数目就越多，切应力越大强化作用越大。,第五章 固体材料的变形与
11、断裂,5.5 金属及合金强化的位错解释,4、细晶强化,.概念,减小晶粒尺寸来提高金属强度的方法：,晶界对位错运动起阻碍作用，晶粒越细小，单位体积内的晶界数目就越多，对位错运动阻碍作用就越强，使晶体塑性变形抗力增大，强度提高，即起到细晶强化的作用。,.机理,注意：细晶强化的同时，材料的塑性与韧性也提高 而其它强化方法则使塑性与韧性降低。！,第五章 固体材料的变形与断裂,5.5 金属及合金强化的位错解释,晶体内的位错有可移动位错和不可移动位错，后者对前者的移动起到阻碍作用；并且后者越多，对前者的移动阻碍作用也越强。故上述强化机理都是通过阻碍可移动位错的运动来实现的，只不过是阻碍的方法不同而已。,5
12、、力学性能指标：,在一定环境条件下，材料抵抗外加载荷而不发生破坏的行为能力，这种行为能力通常表现为塑性变形与断裂。故要提高强度，其方法主要有：固溶强化、加工硬化、弥散强化（沉淀强化）和细晶强化等。,第五章 固体材料的变形与断裂,5.6 断裂,材料在外力作用下丧失连续性的过程；,1、断裂：,2、断裂过程：,3、断裂形式：,裂纹萌生阶段、,裂纹扩展阶段、,断裂阶段；,断口呈现河流花样；,断口呈韧窝状：,第五章 固体材料的变形与断裂,5.6 断裂,在载荷作用下，裂纹逐渐长长，长大速度与载荷大小及材料性能及环境条件等因素有关；,4、裂纹的萌生：,5、裂纹扩展：,6、断裂：,裂纹长度达到最大临界尺寸时就发生断裂，,裂纹源在晶体内薄弱处形成，萌生裂纹时，需要应力，由应力集中提供；,本章内容结束,
