第一章第四節(jié)塑性變形及性能指標(biāo)

第一章第四節(jié)塑性變形及性能指標(biāo)第1頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能一、塑性變形機(jī)理材料的塑性變形：是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，并不引起材料破裂的現(xiàn)象。無(wú)機(jī)材料在常溫時(shí)大都缺乏這種性能，使得材料的應(yīng)用受到限制，必須研究塑性形變的機(jī)理，首先從單晶入手，這樣可以不考慮晶界的影響。第2頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能1.金屬材料的塑性變形第3頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能晶體的滑移晶體的孿生第4頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能滑移是晶體一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對(duì)于另一部分作相對(duì)移動(dòng)。第5頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能滑移平面圖第6頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能滑移立體圖第7頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能單晶鋅變形后滑移帶的照片

第8頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能＋－＋－＋－－＋－＋－＋＋－＋－＋－－＋－＋－＋產(chǎn)生滑移的條件：

面間距大；

每個(gè)面上是同一種電荷的原子，相對(duì)滑動(dòng)面上的電荷相反；

滑移矢量（柏氏矢量）小。

＋－＋－＋－－＋－＋－＋＋－＋－＋－－＋－＋－＋第9頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能1.晶體滑移的描述滑移系:包括滑移方向和滑移面，即滑移按一定的晶面和方向進(jìn)行?；泼婧突品较蛲墙饘倬w中原子排列最密的晶面和晶向。原子密度最大的晶面其面間距最大，點(diǎn)陣阻力最小，因而容易沿著這些面發(fā)生滑移。第10頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能[110]滑移面（111）滑移面（110）滑移面（112）滑移面（123）方向[111]（111）面心格子體心格子第11頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滑移面面積：S/cos；F在滑移面上分剪力：Fcos；滑移面上分剪應(yīng)力：=Fcos/(S/cos)=(F/S)coscos

在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面上剪應(yīng)力大小決定coscos的大??；滑移系統(tǒng)越多，coscos大的機(jī)會(huì)就多，達(dá)到臨界剪切應(yīng)力的機(jī)會(huì)也越多。

F滑移面滑移方向

S臨界分解剪切應(yīng)力第12頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能1.孿生的描述孿生是晶體一部分相對(duì)另一部分，對(duì)應(yīng)于一定的晶面（孿晶面）沿一定方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)（切變）的結(jié)果。孿生時(shí)，晶體變形部分中所有與孿晶面平行的原子平面均向同一方向移動(dòng)，移動(dòng)距離與該原子面距孿晶面之距離成正比。第13頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能晶體的孿生孿晶與未變形的基體間以孿晶面為對(duì)稱面成鏡面對(duì)稱關(guān)系。第14頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能＊2.晶體孿生的特點(diǎn)（1）孿生變形也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并通常出現(xiàn)于滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，因此，孿生所需的臨界切應(yīng)力要比滑移時(shí)大得多，只有在滑移過(guò)程很困難時(shí)，晶體才發(fā)生孿生。（2）孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對(duì)于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離，且每一層原子相對(duì)于孿生面的切變量跟它與孿生面的距離成正比。（3）孿晶的兩部分晶體形成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系。

第15頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能位錯(cuò)是晶體中最為常見(jiàn)的缺陷之一

晶體在結(jié)晶時(shí)受到雜質(zhì)﹑溫度變化或振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力作用，或由于晶體受到打擊﹑切削﹑研磨等機(jī)械應(yīng)力的作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形，原子行間相互滑移，而不再符合理想晶體的有秩序的排列，由此形成的缺陷稱位錯(cuò)。位錯(cuò)是原子的一種特殊組態(tài)，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的晶格缺陷，因?yàn)樗谝粋€(gè)方向上尺寸較長(zhǎng)，所以被稱為線狀缺陷。

第16頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能設(shè)有一簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的晶體，在切應(yīng)力的作用下發(fā)生局部滑移，發(fā)生局部滑移后晶體內(nèi)在垂直方向出現(xiàn)了一個(gè)多余的半原子面，顯然在晶格內(nèi)產(chǎn)生了缺陷，這就是位錯(cuò)，這種位錯(cuò)在晶體中有一個(gè)刀刃狀的多余半原子面，所以稱為刃型位錯(cuò)。位錯(cuò)線的上部鄰近范圍受到壓應(yīng)力，而下部鄰近范圍受到拉應(yīng)力，離位錯(cuò)線較遠(yuǎn)處原子排列正常。通常稱晶體上半部多出原子面的位錯(cuò)為正刃型位錯(cuò)，用符號(hào)“┴”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用“┬”表示。當(dāng)然這種規(guī)定都是相對(duì)的。刃型位錯(cuò)

第17頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能第18頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從原子尺度變化解釋塑性形變：當(dāng)構(gòu)成晶體的一部分原子相對(duì)于另一部分原子轉(zhuǎn)移到新平衡位置時(shí)，晶體出現(xiàn)永久形變，晶體體積沒(méi)有變化，僅是形狀發(fā)生變化。如果所有原子同時(shí)移動(dòng)，需要很大能量才出現(xiàn)滑動(dòng)，該能量接近于所有這些鍵同時(shí)斷裂時(shí)所需的離解能總和；由此推斷產(chǎn)生塑變所需能量與晶格能同一數(shù)量級(jí)；實(shí)際測(cè)試結(jié)果：晶格能超過(guò)產(chǎn)生塑變所需能量幾個(gè)數(shù)量級(jí)。塑性形變的機(jī)理（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論）第19頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月負(fù)荷作用前原子的位置小負(fù)荷作用下的應(yīng)變高負(fù)荷作用下的應(yīng)變達(dá)到高負(fù)荷作用下的狀態(tài)除去負(fù)荷后原子的位置（1）形變時(shí)晶體中原子的位置第20頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原子局部位移引起塑性形變的過(guò)程剪力作用，僅引起半個(gè)晶面1

的原子，從平衡位置位移到一個(gè)新位置。（2）在剪應(yīng)力作用下，原子的局部位移

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第21頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能

第22頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能當(dāng)力持續(xù)作用，處于移動(dòng)面1

的下端棱上原子產(chǎn)生一個(gè)位移，使它們的位置與半晶面2上端原子位置連成一線，半晶面1

和2的原子（紅點(diǎn)）形成一個(gè)新原子面，晶面2進(jìn)一步向右移動(dòng)，形成一個(gè)附加半晶面。依次類推，下一步2和3連接起來(lái)。外力持續(xù)作用的結(jié)果：晶體在剪切應(yīng)力作用下，不是晶體中所有原子都同時(shí)移動(dòng)，而是其中一小部分，在較小外力作用下，使晶體兩部分彼此相對(duì)移動(dòng)。

第23頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能從上圖可以理解在外力作用下：刃型位錯(cuò)的形成過(guò)程；刃型位錯(cuò)沿滑移面從晶體內(nèi)部移出的過(guò)程；位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：整個(gè)原子組態(tài)作長(zhǎng)距離的傳播，而每一參與運(yùn)動(dòng)的原子只作短距離（數(shù)個(gè)原子間距）的位移。第24頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能實(shí)際晶體中存在許多局部高能區(qū)，如位錯(cuò)；受剪應(yīng)力作用，并不是晶體內(nèi)兩部分整體錯(cuò)動(dòng)，而是位錯(cuò)在滑移面上沿滑移方向運(yùn)動(dòng)；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的力比使晶體兩部分整體相互滑動(dòng)所需力小得多；實(shí)際晶體的滑動(dòng)是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。（3）位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)第25頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能第26頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能多晶的的塑性形變多晶塑性形變不僅取決于構(gòu)成材料的晶體本身，而且在很大程度上受晶界物質(zhì)的控制。多晶塑性形變包括以下內(nèi)容：晶體中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑變；晶粒與晶粒間晶界的相對(duì)滑動(dòng)；空位的擴(kuò)散；粘性流動(dòng)。第27頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能（1）各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性.（2）各晶粒變形的互相協(xié)調(diào)性.晶粒在空間隨機(jī)分布，不同方向的晶粒其滑移面上的剪應(yīng)力差別大，晶粒相互制約，所以不易產(chǎn)生滑移。第28頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能陶瓷材料的塑性變形陶瓷材料一般呈多晶狀態(tài)。陶瓷材料中還存在氣孔、微裂紋、玻璃相。陶瓷材料中的位錯(cuò)不易向周圍晶體傳播，所以陶瓷很難進(jìn)行塑性變形；更易在晶界處積累而產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋引起斷裂。第29頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能產(chǎn)生滑移機(jī)會(huì)多少取決于晶體中的滑移系統(tǒng)數(shù)量。

對(duì)于金屬，金屬鍵沒(méi)有方向性，滑移系統(tǒng)多。所以易于滑移而產(chǎn)生塑性形變。

對(duì)無(wú)機(jī)材料，離子鍵和共價(jià)鍵具有明顯的方向性，同號(hào)離子相遇，斥力極大。只有個(gè)別滑移系統(tǒng)才能滿足幾何條件與靜電作用條件。晶體結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，滿足這種條件就愈困難。所以不易產(chǎn)生滑移。第30頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能

金屬非金屬由一種離子組成組成復(fù)雜金屬鍵無(wú)方向性共價(jià)鍵或離子鍵有方向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)復(fù)雜滑移系統(tǒng)多滑移系統(tǒng)少金屬與非金屬晶體滑移難易的比較第31頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能3非晶態(tài)材料的塑性變形非晶態(tài)玻璃材料，不存在晶體中的滑移和孿生的變形，它們的永久變形是通過(guò)分子位置的熱激活交換來(lái)進(jìn)行的，屬于粘性流動(dòng)變形機(jī)制，塑性變形需要在一定的溫度下進(jìn)行，故普通無(wú)機(jī)玻璃在室溫下沒(méi)有塑性。第32頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能4高分子材料的塑性變形結(jié)晶態(tài)高分子塑性變形是由薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)檠貞?yīng)力方向排列的微纖維束的過(guò)程；第33頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能非結(jié)晶態(tài)高分子的塑性變形有兩種方式：①在正應(yīng)力作用下形成銀紋（非晶態(tài)高分子材料塑性變形的主要變形機(jī)理）

②在切應(yīng)力作用下無(wú)取向分子鏈局部轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕械睦w維束。第34頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能二、屈服現(xiàn)象與屈服強(qiáng)度1屈服現(xiàn)象第35頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能屈服現(xiàn)象的描述

拉伸過(guò)程中，外力不增加試樣仍然繼續(xù)增長(zhǎng)；或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動(dòng)的情況下試樣可以繼續(xù)伸長(zhǎng)變形，此現(xiàn)象就為材料的屈服現(xiàn)象。第36頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能屈服點(diǎn)材料在拉伸屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為屈服點(diǎn)。上屈服點(diǎn)σsu下屈服點(diǎn)σsl屈服伸長(zhǎng)：屈服階段產(chǎn)生的伸長(zhǎng)。屈服點(diǎn)第37頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能塑性應(yīng)變速率柏氏矢量可動(dòng)位錯(cuò)密度位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率一定條件下：塑性變形為滑移-孿生機(jī)制。孿晶成核應(yīng)力＞孿晶長(zhǎng)大應(yīng)力第38頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能2.屈服強(qiáng)度定義：材料屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值也就是材料抵抗起始塑性變形或產(chǎn)生微量變形的能力，這一應(yīng)力值就成為材料的屈服強(qiáng)度。下屈服點(diǎn)σsl重復(fù)性好，通常把σsl作為屈服強(qiáng)度：σsl=Fsl/A0第39頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能屈服強(qiáng)度的應(yīng)用屈服強(qiáng)度是工程技術(shù)上最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。屈服強(qiáng)度是工程設(shè)計(jì)中重要的參考依據(jù)。第40頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能三、影響金屬材料屈服強(qiáng)度的因素1晶體結(jié)構(gòu)金屬材料的屈服過(guò)程主要是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。純金屬單晶體的屈服強(qiáng)度從理論上講是位錯(cuò)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)所需的臨界切應(yīng)力，由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的各種阻力決定。第41頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能晶格阻力：派納力式（1-25）

位錯(cuò)間的交互作用產(chǎn)生的阻力第42頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能位錯(cuò)間的交互作用產(chǎn)生的阻力類型（1）平行位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力；（2）運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力。第43頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能第44頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能2晶界與亞結(jié)構(gòu)多晶體材料中晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的重要障礙，晶界越多，對(duì)材料屈服強(qiáng)度的提高貢獻(xiàn)越大。晶界增多晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積的長(zhǎng)度將縮短，應(yīng)力集中程度不足以推動(dòng)相鄰晶粒內(nèi)的位錯(cuò)滑移。σs=σi+kyd-1/2第45頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能晶界與亞晶界亞晶界實(shí)際上是由一系列刃型位錯(cuò)所組成的小角度晶界。第46頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第47頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能3溶質(zhì)元素固溶合金中，由于溶質(zhì)與溶劑原子直徑不同，在溶質(zhì)原子周圍形成晶格畸變應(yīng)力場(chǎng)。該力場(chǎng)與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生交互作用，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而使屈服強(qiáng)度提高產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。第48頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能固溶強(qiáng)化實(shí)例第49頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能4第二相對(duì)于細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)位錯(cuò)線繞過(guò)不可變形的質(zhì)點(diǎn)時(shí)，必須克服彎曲位錯(cuò)的線張力，可阻止塑性變形，提高屈服強(qiáng)度。當(dāng)位錯(cuò)線與可變形的第二相質(zhì)點(diǎn)相遇時(shí)，由于位錯(cuò)可以切過(guò)，使之同基體一起產(chǎn)生變形，可阻止塑性變形，提高屈服強(qiáng)度。第50頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能5溫度第51頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能6應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài)在應(yīng)變速率較高的情況下，金屬材料的屈服應(yīng)力將顯著升高。應(yīng)力狀態(tài)的影響：切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度就越低。第52頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料物理性能---力學(xué)性能4.應(yīng)變硬化定義：材料在應(yīng)力作用下進(jìn)入塑性變形階段后，隨著變形量的增大，形變應(yīng)力不斷提高的現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化