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 彈性變形涉及構件剛度構件抵抗彈性變形的能力。與兩個因素相關：構件的幾何尺寸材料彈性模量 塑性變形的不同工程要求：加工過程工中降低塑變抗力服役過程中提高塑變抗力 彈性與塑性在工程上的應用準則： 服役中構件的應力不能超過彈性極限或屈服強度，加工中的材料應降低彈性極限或屈服強度。 材料在載荷材料在載荷( (外力外力) )作用下的表現(xiàn)或反應，人們習慣稱作用

2、下的表現(xiàn)或反應，人們習慣稱之為力學行為。材料在載荷作用下，對于塑性材料來之為力學行為。材料在載荷作用下，對于塑性材料來說會產(chǎn)生彈性變形、塑性變形，直至斷裂。說會產(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，恢復到原始全消失，恢復到原始狀態(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 材料的彈性變形應用材料的彈性變形應用彈簧是一種利用彈性來工作的機械零件。彈性變形：彈性變形：變形可逆；變形可逆；應力應變呈應力應變呈線性關系。線性關系。彈性模量：彈性模量：原子間結

3、合原子間結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、彈性變形的物理本質外力外力(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) )的平衡過程。的平衡過程。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、固體中一點的應力應變狀態(tài)、固體中一點的應力應變狀態(tài)xyzz zz yz xx zx xx yy zy xy y正應力： x 、 y 、 z正應變： x 、 y 、 z切應力：x y 、 y z 、 z x切應變：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： 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)定非比例伸長應力。規(guī)定非比例伸長應力。 -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)定殘余伸長應力。規(guī)定殘余伸長應力。3 3、彈性比功彈性比功 W We e（彈性應變能密度）（彈性應變能密度）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。加載和卸載時的應力應變曲線不重合形成一封閉回線 - 彈性滯后環(huán)0e0e3 3、內耗、內耗 Q Q-1-1 彈性滯后使加載時材料吸收的彈性變形能大于卸載時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。工程上對材料內耗應加以考慮4 4、包申格效應、包申格效應 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度升高；反向

7、加載則彈性極限與屈服強度降低的現(xiàn)象。載荷增加到一定程度時，材料發(fā)生的變形不能完全消失而一部分被保留下來, 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 材料的塑性變形應用材料的塑性變形應用Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E材料的塑性變形應用材料的塑性變形應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：在切應力作用下，晶體的一 部分相對于另一部分沿著一 定的晶面（滑移面）和晶向

8、 （滑移方向）產(chǎn)生相對位移， 且不破壞晶體內部原子排列 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：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分 沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取 向的鏡面對稱關系。 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 位錯在晶界塞積 應力集中 相鄰晶粒位錯源開動 相鄰晶粒變形 塑變 2 晶粒之間變形的協(xié)調性 （1）原因：各晶粒之間變形具

9、有非同時性。 （2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調。（獨立變形會導 致晶體分裂） （3）條件：獨立滑移系5個。（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 晶界對變形的阻礙作用晶界對變形的阻礙作用 （1 1）晶界的特點：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。）晶界的特點：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。 （2 2）晶界對變形的影響）晶界對變形的影響: :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。穿過。 3 3 晶界對變形的阻礙作用晶界對變形的阻礙作用（3）晶粒大小與性能的關系 a 晶粒越細，強度越高(細晶強化：霍爾配奇公式)s=0+kd-1/2 原因：晶

10、粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。 （有尺寸限制） 晶粒越多，變形均勻性提高由應力集中致的開裂機會減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。 b 晶粒越細，塑韌性提高 細晶粒材料中，應力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過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 固溶體的結構 2 固溶強化 （1）固溶強化：固溶體材料隨溶質含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。 晶格畸變，阻礙位錯運動； （2）強化機制 柯氏氣團強化。一 固溶體的塑性變形 2 固溶強化 （3）屈服和應變時效 現(xiàn)象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴展）。 預變

11、形和時效的影響：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時間或200加熱后再加載出現(xiàn)屈服。 原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成-位錯增值。一 固溶體的塑性變形 2 固溶強化 （4）固溶強化的影響因素 溶質原子含量越多，強化效果越好； 溶劑與溶質原子半徑差越大，強化效果越好； 價電子數(shù)差越大，強化效果越好； 間隙式溶質原子的強化效果高于置換式溶質原子。二二 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形 1 1 結構：基體第二相。結構：基體第二相。 2 2 性能性能 （1 1）兩相性能接近：按強度分數(shù)相加計算。）兩相性能接近：按強度分數(shù)相加計算。 （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結構結構 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 位錯繞過第二相粒子位錯繞過第二相粒子( (粒子、位錯環(huán)阻礙位錯運動粒子、位錯環(huán)阻礙位錯運動) )b b 彌散強化彌散強化 位錯切過第二相粒子位錯切過第二相粒子（表面能、錯排能、粒子阻（表面能、錯排能、粒子阻 礙位錯運動）礙位錯運動）塑性變形對材料組織和性能的影響塑性變形對材料組織和性能的影響 對組織結構的影響 晶粒拉長; 1 形成纖維組織

13、雜質呈細帶狀或鏈狀分布。塑性變形對材料組織和性能的影響塑性變形對材料組織和性能的影響 對組織結構的影響2 形成形變織構（1）形變織構：多晶體材料由塑性變形導致的各晶粒呈擇優(yōu) 取向的組織。 絲織構：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時形成）（2）類型 板織構：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平 行于主變形方向。（軋制時形成） 絲織構板織構制耳現(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?，F(xiàn)各向異性。晶粒拉長，但未出現(xiàn)織構。晶粒拉長，且出現(xiàn)織構。塑性變形對材料組織和性能的影響塑性變形對材料組織和性能的影響 對組織結構的影響

14、 3 形成位錯胞 變形量 位錯纏結 位錯胞 （大量位錯纏結在胞壁，胞內位錯密度低。) 2.6 2.6 屈服強度屈服強度1 1、物理屈服現(xiàn)象（非連續(xù)形變強化）、物理屈服現(xiàn)象（非連續(xù)形變強化）PL0ABCDEF應變時效2 2、屈服現(xiàn)象的解釋、屈服現(xiàn)象的解釋位錯增值理論：柯氏氣團概念：柯氏氣團概念：溶質原子、雜質、位錯和外力的交互作用溶質原子、雜質、位錯和外力的交互作用 = b = ( /0 )m材料塑性應變速率、可動位錯密度 、位錯運動速率 、柏氏矢量b 、滑移面上切應力 、位錯產(chǎn)生單位滑移速度所需應力0 、應力敏感系數(shù)m 金屬及合金強化的位錯解釋金屬及合金強化的位錯解釋Cottrell氣團氣團

15、晶體中溶質原子的溶入，引起了點陣畸變，形成晶體中溶質原子的溶入，引起了點陣畸變，形成了應力場。若晶體中同時存在位錯，則位錯的應了應力場。若晶體中同時存在位錯，則位錯的應力場與溶質原子傾向于聚集到位錯周圍；形成比力場與溶質原子傾向于聚集到位錯周圍；形成比較穩(wěn)定的分布。通常把溶質原子在位錯周圍的聚較穩(wěn)定的分布。通常把溶質原子在位錯周圍的聚集叫柯氏氣團。集叫柯氏氣團。3 3、屈服強度和條件屈服強度、屈服強度和條件屈服強度s 0.2 0.01 0.001 0.54 4、提高屈服強度的途徑、提高屈服強度的途徑 金屬的屈服強度與使位錯開動的臨界分切應力相關，其值由位錯運動的所受的各種阻力決定。A、點陣阻力

16、點陣阻力 ： 派派納力納力1322exp12bWGnpB B、位錯交互作用阻力、位錯交互作用阻力152Gb劇烈冷變形位錯密度增加劇烈冷變形位錯密度增加4-54-5個數(shù)量級個數(shù)量級-形變強化！形變強化！C、晶界阻力-HallPetch公式：1620dks細晶強化細晶強化D D、固溶強化、固溶強化溶質原子與位錯的：溶質原子與位錯的：彈性交互作用彈性交互作用電化學作用電化學作用化學作用化學作用幾何作用幾何作用間隙固溶體的強化效果比置換固溶體的大！間隙固溶體的強化效果比置換固溶體的大！E E、第二項強化、第二項強化聚合型：局部塑性約束導強化聚合型：局部塑性約束導強化彌散型：質點周圍形成應力場對位錯彌散型：質點周圍形成應力場對位錯運動產(chǎn)生阻礙運動產(chǎn)生阻礙-位錯彎曲位錯彎曲rGb22.7 2.7 形變強化形變強