第二章彈性變形和塑性變形

1、第二章第二章 彈性變形與塑性變形彈性變形與塑性變形材料受力造成：彈性變形塑性變形斷裂Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E2.1 引言 彈性變形涉及構(gòu)件剛度構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。與兩個(gè)因素相關(guān)：構(gòu)件的幾何尺寸材料彈性模量 塑性變形的不同工程要求：加工過(guò)程工中降低塑變抗力服役過(guò)程中提高塑變抗力 彈性與塑性在工程上的應(yīng)用準(zhǔn)則： 服役中構(gòu)件的應(yīng)力不能超過(guò)彈性極限或屈服強(qiáng)度，加工中的材料應(yīng)降低彈性極限或屈服強(qiáng)度。 材料在載荷材料在載荷( (外力外力) )作用下的表現(xiàn)或反應(yīng)，人們習(xí)慣稱作用

2、下的表現(xiàn)或反應(yīng)，人們習(xí)慣稱之為力學(xué)行為。材料在載荷作用下，對(duì)于塑性材料來(lái)之為力學(xué)行為。材料在載荷作用下，對(duì)于塑性材料來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生彈性變形、塑性變形，直至斷裂。說(shuō)會(huì)產(chǎn)生彈性變形、塑性變形，直至斷裂。 物體受外力作用產(chǎn)物體受外力作用產(chǎn)生了變形，除去外力生了變形，除去外力后物體發(fā)生的變形完后物體發(fā)生的變形完全消失，恢復(fù)到原始全消失，恢復(fù)到原始狀態(tài)的變形。狀態(tài)的變形。 彈性變形示意彈性變形示意2.2 2.2 彈性變形彈性變形 材料的彈性變形應(yīng)用材料的彈性變形應(yīng)用彈簧是一種利用彈性來(lái)工作的機(jī)械零件。彈性變形：彈性變形：變形可逆；變形可逆；應(yīng)力應(yīng)變呈應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系。線性關(guān)系。彈性模量：彈性模量：原子間結(jié)

3、合原子間結(jié)合力的反映和力的反映和度量。度量。1 1、彈性變形的物理本質(zhì)、彈性變形的物理本質(zhì)外力外力(F)(F)與原子間引力與原子間引力(a / r (a / r m m) )、斥力、斥力(b / r (b / r n n) )的平衡過(guò)程。的平衡過(guò)程。mnrbraFfFnm02 2、彈性常數(shù)、彈性常數(shù)E = 2 (1+ )GE： 正彈性模量（楊氏摸量）：柏松比G：切彈性模量3 3、固體中一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、固體中一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)xyzz zz yz xx zx xx yy zy xy y正應(yīng)力： x 、 y 、 z正應(yīng)變： x 、 y 、 z切應(yīng)力：x y 、 y z 、 z x切應(yīng)變：x y

4、 、 y z 、 z x4 4、廣義虎克定律、廣義虎克定律 x = x - ( y + z ) / E y = y - ( z + x ) / E z = z - ( x + y ) / E x y = x y / G y z = y z / G z x = z x / G( 2 3 )單向拉伸時(shí)： x = x / E ， y = z = - / E5 5、影響彈性模量的因素、影響彈性模量的因素1）原子半徑：E = k / r m m12）合金元素： 影響不大。3）溫 度：影響原子半徑。4）加載速率： 影響小。5）冷變形：E 值略降低。6）彈性模量的各向異性單晶：最大值與最小值相差可達(dá)四倍。多

5、晶：介于單晶最大值與最小值之間6 6）彈性模量的各向異性）彈性模量的各向異性2.3 2.3 彈性極限與彈性比功彈性極限與彈性比功1 1、條件比例極限條件比例極限 p p ：規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力。規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力。 -彈性敏感元件彈性敏感元件 2 2、條件彈性極限條件彈性極限 e e ：規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力。規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力。3 3、彈性比功彈性比功 W We e（彈性應(yīng)變能密度）（彈性應(yīng)變能密度）材料開始塑性變形前單位體積所能吸材料開始塑性變形前單位體積所能吸收的彈性變形功。收的彈性變形功。e0e ee We = e e e / 2 = e2 / (2E)制造彈簧的材料要求高的彈制造彈簧的材料要求

6、高的彈性比功：（性比功：（ e e 大大 ，E E ?。┬。?.4 2.4 彈性不完善性彈性不完善性1 1、彈性后效彈性后效瞬間加載-正彈性后效瞬間卸載-負(fù)彈性后效0t10tee1e20tee1e2e1e22 2、彈性滯后、彈性滯后- 非瞬間加載條件下的彈性后效。加載和卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線不重合形成一封閉回線 - 彈性滯后環(huán)0e0e3 3、內(nèi)耗、內(nèi)耗 Q Q-1-1 彈性滯后使加載時(shí)材料吸收的彈性變形能大于卸載時(shí)所釋放的彈性變形能，即部分能量被材料吸收-彈性滯后環(huán)的面積。工程上對(duì)材料內(nèi)耗應(yīng)加以考慮4 4、包申格效應(yīng)、包申格效應(yīng) 產(chǎn)生了少量塑性變形的材料，再同向加載則彈性極限與屈服強(qiáng)度升高；反向

7、加載則彈性極限與屈服強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。載荷增加到一定程度時(shí)，材料發(fā)生的變形不能完全消失而一部分被保留下來(lái), 被保留的變形稱之為塑性變形或永久變形。 塑性變形示意塑性變形示意 2.5 2.5 材料的塑性變形材料的塑性變形 材料的塑性變形應(yīng)用材料的塑性變形應(yīng)用Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E材料的塑性變形應(yīng)用材料的塑性變形應(yīng)用納米銅的室溫超塑性 常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、扭折。一 滑移1 滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一 部分相對(duì)于另一部分沿著一 定的晶面（滑移面）和晶向

8、 （滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移， 且不破壞晶體內(nèi)部原子排列 規(guī)律性的塑變方式。 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E1 1、單晶體塑性變形、單晶體塑性變形二 孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分 沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取 向的鏡面對(duì)稱關(guān)系。 2 2 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形1 晶粒之間變形的傳播 位錯(cuò)在晶界塞積 應(yīng)力集中 相鄰晶粒位錯(cuò)源開動(dòng) 相鄰晶粒變形 塑變 2 晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性 （1）原因：各晶粒之間變形具

9、有非同時(shí)性。 （2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo) 致晶體分裂） （3）條件：獨(dú)立滑移系5個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變 化） 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形3 3 晶界對(duì)變形的阻礙作用晶界對(duì)變形的阻礙作用 （1 1）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。 （2 2）晶界對(duì)變形的影響）晶界對(duì)變形的影響: :滑移、孿生多終止于晶界滑移、孿生多終止于晶界, ,極少極少 穿過(guò)。穿過(guò)。 3 3 晶界對(duì)變形的阻礙作用晶界對(duì)變形的阻礙作用（3）晶粒大小與性能的關(guān)系 a 晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高(細(xì)晶強(qiáng)化：霍爾配奇公式)s=0+kd-1/2 原因：晶

10、粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。 （有尺寸限制） 晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中致的開裂機(jī)會(huì)減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。 b 晶粒越細(xì)，塑韌性提高 細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過(guò)程中可吸收較多能量,表現(xiàn)高韌性。合金的塑性變形合金的塑性變形一 固溶體的塑性變形 1 固溶體的結(jié)構(gòu) 2 固溶強(qiáng)化 （1）固溶強(qiáng)化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。 晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)； （2）強(qiáng)化機(jī)制 柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化。一 固溶體的塑性變形 2 固溶強(qiáng)化 （3）屈服和應(yīng)變時(shí)效 現(xiàn)象：上下屈服點(diǎn)、屈服延伸（呂德斯帶擴(kuò)展）。 預(yù)變

11、形和時(shí)效的影響：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時(shí)間或200加熱后再加載出現(xiàn)屈服。 原因：柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成-位錯(cuò)增值。一 固溶體的塑性變形 2 固溶強(qiáng)化 （4）固溶強(qiáng)化的影響因素 溶質(zhì)原子含量越多，強(qiáng)化效果越好； 溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強(qiáng)化效果越好； 價(jià)電子數(shù)差越大，強(qiáng)化效果越好； 間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果高于置換式溶質(zhì)原子。二二 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形 1 1 結(jié)構(gòu)：基體第二相。結(jié)構(gòu)：基體第二相。 2 2 性能性能 （1 1）兩相性能接近：按強(qiáng)度分?jǐn)?shù)相加計(jì)算。）兩相性能接近：按強(qiáng)度分?jǐn)?shù)相加計(jì)算。 （2 2）軟基體硬第二相）軟基體硬第二相 第二相網(wǎng)狀

12、分布于晶界（二次滲碳體）；第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）； a a結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 兩相呈層片狀分布（珠光體）；兩相呈層片狀分布（珠光體）； 第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）。第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）。二 多相合金的塑性變形2 性能（2）軟基體硬第二相 位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子( (粒子、位錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)粒子、位錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)) )b b 彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子（表面能、錯(cuò)排能、粒子阻（表面能、錯(cuò)排能、粒子阻 礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 晶粒拉長(zhǎng); 1 形成纖維組織

13、雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布。塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響2 形成形變織構(gòu)（1）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu) 取向的組織。 絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）（2）類型 板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平 行于主變形方向。（軋制時(shí)形成） 絲織構(gòu)板織構(gòu)制耳現(xiàn)象制耳現(xiàn)象絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。現(xiàn)各向異性。晶粒拉長(zhǎng)，但未出現(xiàn)織構(gòu)。晶粒拉長(zhǎng)，且出現(xiàn)織構(gòu)。塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響

14、 3 形成位錯(cuò)胞 變形量 位錯(cuò)纏結(jié) 位錯(cuò)胞 （大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯(cuò)密度低。) 2.6 2.6 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度1 1、物理屈服現(xiàn)象（非連續(xù)形變強(qiáng)化）、物理屈服現(xiàn)象（非連續(xù)形變強(qiáng)化）PL0ABCDEF應(yīng)變時(shí)效2 2、屈服現(xiàn)象的解釋、屈服現(xiàn)象的解釋位錯(cuò)增值理論：柯氏氣團(tuán)概念：柯氏氣團(tuán)概念：溶質(zhì)原子、雜質(zhì)、位錯(cuò)和外力的交互作用溶質(zhì)原子、雜質(zhì)、位錯(cuò)和外力的交互作用 = b = ( /0 )m材料塑性應(yīng)變速率、可動(dòng)位錯(cuò)密度 、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率 、柏氏矢量b 、滑移面上切應(yīng)力 、位錯(cuò)產(chǎn)生單位滑移速度所需應(yīng)力0 、應(yīng)力敏感系數(shù)m 金屬及合金強(qiáng)化的位錯(cuò)解釋金屬及合金強(qiáng)化的位錯(cuò)解釋Cottrell氣團(tuán)氣團(tuán)

15、晶體中溶質(zhì)原子的溶入，引起了點(diǎn)陣畸變，形成晶體中溶質(zhì)原子的溶入，引起了點(diǎn)陣畸變，形成了應(yīng)力場(chǎng)。若晶體中同時(shí)存在位錯(cuò)，則位錯(cuò)的應(yīng)了應(yīng)力場(chǎng)。若晶體中同時(shí)存在位錯(cuò)，則位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與溶質(zhì)原子傾向于聚集到位錯(cuò)周圍；形成比力場(chǎng)與溶質(zhì)原子傾向于聚集到位錯(cuò)周圍；形成比較穩(wěn)定的分布。通常把溶質(zhì)原子在位錯(cuò)周圍的聚較穩(wěn)定的分布。通常把溶質(zhì)原子在位錯(cuò)周圍的聚集叫柯氏氣團(tuán)。集叫柯氏氣團(tuán)。3 3、屈服強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度s 0.2 0.01 0.001 0.54 4、提高屈服強(qiáng)度的途徑、提高屈服強(qiáng)度的途徑 金屬的屈服強(qiáng)度與使位錯(cuò)開動(dòng)的臨界分切應(yīng)力相關(guān)，其值由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的所受的各種阻力決定。A、點(diǎn)陣阻力

16、點(diǎn)陣阻力 ： 派派納力納力1322exp12bWGnpB B、位錯(cuò)交互作用阻力、位錯(cuò)交互作用阻力152Gb劇烈冷變形位錯(cuò)密度增加劇烈冷變形位錯(cuò)密度增加4-54-5個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)-形變強(qiáng)化！形變強(qiáng)化！C、晶界阻力-HallPetch公式：1620dks細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化D D、固溶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的：彈性交互作用彈性交互作用電化學(xué)作用電化學(xué)作用化學(xué)作用化學(xué)作用幾何作用幾何作用間隙固溶體的強(qiáng)化效果比置換固溶體的大！間隙固溶體的強(qiáng)化效果比置換固溶體的大！E E、第二項(xiàng)強(qiáng)化、第二項(xiàng)強(qiáng)化聚合型：局部塑性約束導(dǎo)強(qiáng)化聚合型：局部塑性約束導(dǎo)強(qiáng)化彌散型：質(zhì)點(diǎn)周圍形成應(yīng)力場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)彌散型：質(zhì)點(diǎn)周圍形成應(yīng)力場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙-位錯(cuò)彎曲位錯(cuò)彎曲rGb22.7 2.7 形變強(qiáng)化形變強(qiáng)