第五章-固體材料的變形與斷裂課件

固體材料的變形與斷裂主講人：張立斌第五章

固體材料的變形與斷裂5.1彈性變形5.2單晶體的塑性變形5.3多晶體的塑性變形5.4塑性變形對金屬組織與性能的影響5.5金屬及合金強化的位錯解釋5.6斷裂第五章

固體材料的變形與斷裂5.1彈性變形材料的變形方式主要由三種，分別為：彈性變形、塑性變形和粘性變形。金屬材料多為前兩種變形，而有些高分子材料可能發(fā)生第三種變形。1、材料的變形方式：2、彈性變形：E或G表示使原子離開平衡位置的難易程度，只取決于晶體的原子結(jié)合本性，而與晶粒大小以及組織變化無關(guān)，屬于組織不敏感性質(zhì)參數(shù)。E（G）共價鍵材料>E（G）金屬（離子）鍵材料>E（G）分子鍵材料第五章

固體材料的變形與斷裂2、彈性變形：滯彈性時，應(yīng)力應(yīng)變曲線所包圍的面積表示應(yīng)力循環(huán)一周所消耗的能量，叫內(nèi)耗。2.1、完全彈性體：應(yīng)變隨著應(yīng)力瞬時達到平衡值，而與時間無關(guān)；2.2、滯彈性：在彈性范圍內(nèi)，載荷變化時，應(yīng)變隨時間逐漸達到平衡值，即與時間有關(guān)：2.3、內(nèi)耗：5.1彈性變形第五章

固體材料的變形與斷裂5.2單晶體的塑性變形1、單晶體塑性變形的方式：常溫下有三種：滑移、孿生、扭折；晶體的一部分相對另一部分沿著一定晶面和晶向的運動。2、滑移：試樣表面出現(xiàn)的滑移變形的痕跡，它是由相互平行的滑移線組成；而滑移線又是由微小的滑移臺階造成的。3、滑移帶高溫下還有擴散蠕變、晶界滑動。第五章

固體材料的變形與斷裂5.2單晶體的塑性變形位錯運動所受的阻力即派納力為4、滑移系式中：G—切變模量，ν—泊桑比，a—晶面間距，b—原子間距。晶體內(nèi)一個滑移面和滑移面上的一個滑移方向組成了滑移系第五章

固體材料的變形與斷裂5.2單晶體的塑性變形5、滑移系與塑性的關(guān)系：滑移系多，塑性好；6、臨界分切應(yīng)力ФλPn滑移方向A剛好使滑移開始進行的切應(yīng)力叫臨界分切應(yīng)力

P在滑移方向上的分力為Pcosλ，滑移面為一個橢圓其面積為，

則切應(yīng)力為第五章

固體材料的變形與斷裂5.2單晶體的塑性變形6、臨界分切應(yīng)力當時，對應(yīng)的切應(yīng)力達到臨界分切應(yīng)力與材料的屬性及溫度等有關(guān)，當條件一定時，為定值。當滑移方向、滑移面法線及外力軸共面時，有λ+Ф=90O；此時，如果λ=Ф=45O時，cosλcosФ取得極大值，故取得極小值，第五章

固體材料的變形與斷裂5.2單晶體的塑性變形外力在滑移面上可以分解成正應(yīng)力和切應(yīng)力，而該正應(yīng)力和切應(yīng)力均會產(chǎn)生力偶，在該力偶的作用下，使晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動。7、晶體轉(zhuǎn)動：轉(zhuǎn)動后，原容易滑移的位向轉(zhuǎn)到不易滑移位向上，而原來處于不容易滑移的位向則轉(zhuǎn)到容易滑移的位向上而繼續(xù)滑移。8、多滑移與交滑移有兩組及以上的滑移系同時開始滑移叫多滑移

位錯從一個滑移面過渡到與之平行的另一個滑移面上沿著同一個滑移方向繼續(xù)滑移的現(xiàn)象叫交滑移。因為刃型位錯的滑移面是唯一的（位錯線與柏氏矢量構(gòu)成），故不能發(fā)生交滑移；只有螺型位錯才可能發(fā)生交滑移。

第五章

固體材料的變形與斷裂5.2單晶體的塑性變形晶體內(nèi)部的一部分沿一定晶面（孿晶面）和晶向（孿晶方向）相對另一部分發(fā)生均勻切變的過程。9、孿生：10、孿生變形的特點①.孿生使晶體的一部分發(fā)生均勻的切變，而滑移只集中在一些滑移面上；②.孿生后晶體變形部分的位向發(fā)生了改變，而后者則不變③.同一結(jié)構(gòu)的孿生面與方向和滑移面與方向可以不同④.兩者的應(yīng)力－應(yīng)變曲線不同；⑤.前者的臨界分切應(yīng)力大于后者。通常情況下，滑移先進行，當其受阻時，才有可能發(fā)生孿生。孿生后，使晶體的位向發(fā)生改變，原來處于硬位向的滑移系轉(zhuǎn)到軟位向，從而激發(fā)了晶體的進一步滑移第五章

固體材料的變形與斷裂5.3多晶體的塑性變形1、單晶體與多晶體塑性變形的異同點：1.1、相同點：變形條件與方式相圖（切應(yīng)力）（滑移、孿生）；1.2、不同點：①、變形受晶界的阻礙；②、變形受相鄰晶粒位向的阻礙：③、各晶粒變形不同步；④、各晶粒變形不均勻。第五章

固體材料的變形與斷裂5.3多晶體的塑性變形2、多晶體塑性變形過程23

PA產(chǎn)生應(yīng)力集中：若晶粒大，則r↑→L↑→n↑→應(yīng)力↑→臨近滑移系開動，塑性變形由一個晶粒過渡到相鄰的另一個晶粒繼續(xù)進行。障礙物滑移面位錯源L第五章

固體材料的變形與斷裂5.3多晶體的塑性變形3、晶粒尺寸d對強度與塑性的影響3.1、d對強度的影響d小→L↓→n↓→應(yīng)力集中↓→要使相鄰晶粒中硬位向的滑移系開動，必須要加大工作應(yīng)力，從而提高了強度。d小→單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目多，晶界數(shù)目也多，對位錯運動阻礙就大，提高了塑性變形抗力，從而提高了強度。Hall—petch公式為：第五章

固體材料的變形與斷裂5.3多晶體的塑性變形3、晶粒尺寸d對強度與塑性的影響3.2、d對塑性的影響d小則單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目就多，當總變形量一定時，分攤到每個晶粒上的塑性變形量就?。划斆總€晶粒都達到極限塑性變形量時，則總的塑性變形量就大，故d越小塑性就越好。從公式看，在相同變形量的情況下，d越小則L就小，n也小，應(yīng)力集中就小，不至于打破結(jié)合鍵；當應(yīng)力達到極限值時，可以允許產(chǎn)生更大的塑性變形，故d越小塑性就越好。第五章

固體材料的變形與斷裂5.4塑性變形對金屬組織與性能的影響1、塑性變形對金屬顯微組織的影響：③、形變織構(gòu)（擇優(yōu)取向）；①、形成纖維組織；②、形成胞狀亞結(jié)構(gòu)；第五章

固體材料的變形與斷裂2、塑性變形對金屬性能的影響：5.4塑性變形對金屬組織與性能的影響②.產(chǎn)生加工硬化；③.使物理性能發(fā)生變化——如：導電性下降：④.使化學性能發(fā)生變化——耐腐蝕性下降等。⑤.產(chǎn)生了殘余內(nèi)應(yīng)力。①.產(chǎn)生了各向異性；第五章

固體材料的變形與斷裂5.5金屬及合金強化的位錯解釋1、固溶強化：晶體中溶質(zhì)原子溶入，引起點陣畸變，形成了應(yīng)力場；而晶體中的位錯也形成應(yīng)力場。二者應(yīng)力場發(fā)生交互作用，使溶質(zhì)原子聚集到位錯周圍而形成比較穩(wěn)定的分布，通常把溶質(zhì)原子在位錯周圍的聚集叫柯氏氣團。柯氏氣團對位錯產(chǎn)生釘扎作用，阻礙了位錯的運動，提高了塑性變形抗力。隨著溶質(zhì)原子的溶入，固溶體的強度與硬度升高、塑性與刃型下降的現(xiàn)象①.概念②.機理第五章

固體材料的變形與斷裂5.5金屬及合金強化的位錯解釋2、加工硬化隨著塑性變形量的增加，金屬的強度與硬度升高、塑性與刃型下降的現(xiàn)象①.概念②.機理在滑移面上運動的兩個位錯相遇交割后，各自產(chǎn)生一小曲折線段，這種由交割生成的小曲折線段叫割階，有時還可形成一些固定位錯。位錯密度增加，割階與固定位錯數(shù)目也增加，對位錯運動的阻力增大，使晶體變形抗力增加，從而提高了強度，即加工硬化。第五章

固體材料的變形與斷裂5.5金屬及合金強化的位錯解釋3、沉淀強化（時效強化）在合金基體中均勻彌散分布細小的第二①.概念②.機理位錯以切過機制或繞過機制與第二相微粒發(fā)生作用，位錯繞過第二相粒子所需切應(yīng)力與粒子間距λ有關(guān)，即相微粒（硬化相）而提高合金強度的方法。如果第二相微粒是通過過飽和固溶體時效處理或沉淀析出得到的，則也稱時效強化或沉淀強化）。位錯