大学材料科学与工程教程第八章-材料的变形与断裂(二).方案

•各种材料力学性能差别主要取决于结合键和晶体或非
晶体结构
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一、金属变形概述
1、从两方面研究金属的变形和断裂: ※研究生产制造过程中,各种冷热加工工艺（轧制、锻造、挤压、拉拔等） 对金属材料的加工成形和变形后性能的影响; ※研究制成的零部件在实际使用中可能会出现的过量变形和断裂。
2、材料的强度就是指对变形和断裂的抗力 通常用应力—应变曲线来表示金属材料的变形和断裂特性 金属材料除了像铸铁、淬火高碳钢等少数脆性材料外,都有弹性变形、塑 性变形、最后断裂等三个阶段
如铁的弹性模量是铝的三倍，则铁的弹性变形只有铝的三分之一
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三、滑移与孪晶变形
1、滑移观察 1）光学显微镜观察
试样表面内有许多平行的或几组交叉的细线,是相对
滑移的晶体层与试样表面的交线
——滑移带
2）电子显微镜观察
滑移带是由是由更多的一组平行线构成
——滑移线
试样内的滑移带不是均匀分布的,滑移线构成的滑移台阶高约100nm，
位错宽度是影响位错是否容易运动
的重要参数，位错宽度越大，位错就
越2容021易/2/运11 动
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•位错宽度与位错的易动性
总体规律:位错宽度越大,位错就越易运 动。
位错中心由A移到B时,
①若A和B对于位错两侧的原子列是对称的 ,位错不受力，即只要位错处于对称位置（ 位移为b或b/2时），位错不受力。
②若位错中心A不是移到B位置,而是移到了很小的距离，位错两侧不再保持是等 距离和对称的，由于位错两侧原子列对位错的作用力不能抵消，于是位错运动时 就产生了阻力。位错宽度大时，非对称性的影响较弱，位错运动较容易。
E为杨氏模量, ε 为应变 G为切变模量， γ为
切应变
G E 0 .333E
2(1)
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泊松比（ ）,在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相
2应021的/2纵/11向应变之比的绝对值!
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2、弹性模量 （E、G）
（
作
•是原子间结合力的反映和量度
用 能
）
•在外力作用下发生弹性变形,内部原子
如果滑移b=0.25，则从滑移台阶的高度可粗略估计约有400个位错移出了
2晶021体/2/表11 面。
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2、滑移机制
1）位错宽度
晶体中已滑移的部分与未滑移部分的分界是以位错作为表征,其分 界是一个过渡区域。
位错的宽度是两种能力平衡的结果
位错宽度越窄,界面能越小，而弹性畸 变能越大
位错宽度增加，弹性畸变能分摊到 较宽区域内的各个原子上，使每个原 子列偏离其平衡位置较小，单位体积 内的弹性畸变能减小
间距离偏离平衡位置;
•在没有外力时,晶体内原子间的结合能和
结合力可以预测
（
作
用
•弹性变形的难易程度取决于作用力—原子间
力 ）
距离曲线的斜率S0
由于金属材料的弹性变形很小（<0.1%）, 原子间距离只能在r0附近变化，可把S0看 成是常数，则弹性变形所需的外力
F = S0（r－r0） σ = S0ε/ r0, E = S0/ r0
位错宽度才最大，派－纳力最小
位错只有沿着原子排列最紧密方向上运动，派－纳力才最小
金属中的滑移面和滑移方向都是原子排列最紧密的面和方向。
在金属中面心立方金属和沿基面（0001）滑移的密排六方金属，其 派－纳力最低
对不是沿基面滑移而是沿棱柱面（1010）或棱锥面（1011）滑移的密排六方 金属，由于b/a比值较大，影响了位错宽度，派－纳力增大；对于体心立方 金属，派－纳力稍大于面心立方，但更主要的是派－纳力随温度的降低而 急剧增高——体心立方金属多数具有低温脆性的原因
这2就021是/2/虎11克定律和弹性模量的微观解释
平衡距离 6
弹性模量是原子间结合力强弱的反映,是一个对组织不敏感的性能指 标，加入少量合金元素和热处理对弹性模量影响不大
例如碳钢、铸钢和各种合金钢的弹性模量都差别不大，（E 200GPa）但它们的屈服强度和抗拉强度可以相差很大 弹性模量在工程技术上表示材料的刚度，有些零件或工程构件主要 是按刚度要求设计的，刚度条件满足，强度一般情况下也是满足的 在相同外力作用下，刚度大的材料发生弹性变形量就小
第八章 材料的变形与断裂（一 ）
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概述
各种材料的变形特性可有很大不同
•金属材料——有良好的塑性变形能力,也有较高的强度，
常被加工成各种形状的产品零件
•陶瓷材料——有高的高温强度、耐磨性能、抗腐蚀性
能，但脆性大，难加工成 型
•高分子材料——Tg以下是脆性的，Tg以上可加工成型，
但强度很低
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图中,σs表示开始塑性变形 的应力，称为屈服强度， 工程上以去除外力后发生 0.1%～0.2%残留变形时的 应力为标准，该点以下为 弹性变形部分，σs点以上 为塑性变形，随变形程度 增大，变形的抗力也增大 ，要继续变形就要增加外 力，此称为加工硬化。
σb在曲线的最高点，表示 材料的拉伸强度。
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位错宽度如何确定?阻力大小？
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• 位错宽度的界定:位错中心A处,离两端平衡位置为b/2，一直往两侧 延伸到原子列偏离原平衡位置的位移为b/4时，位错两侧的宽度以W表示 ，即为位错宽度。
•派－纳力（τP－N） 理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所
需克服的阻力。
τP－N的大小主要取决于位错宽度W,W越小，τP－N就越 大，材料就难变形，相应的屈服强度也越大;
从本质上派-纳力大小如何确定?
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❖位错宽度（也就是派－纳力）主要取决于结合键的本质和晶体结构:
对于方向性很强的共价键,键角键长都很难改变，位错宽度很窄 Wb ，派－
纳力很大，宏观上屈服强度很大但很脆; 对于没有方向性金属键，位错宽度较大，如面心立方金属Cu，其 W6b，而
其派－纳力是很低 位错在不同的晶面和晶向上运动，其位错宽度不同，当b 最小，a 最大时，
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在σb以下时,材料只发生均匀伸长，到了σb点，材料局部地 方截面开始变细—颈缩，也称失稳。再继续拉伸，颈缩处
越来越细，最后不能承受重力，迅速断裂。
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二、金属的弹性变形
1、主要特点: 变形可逆,去除外力后变形消失 服从虎克定律，应力—应变呈线性关系
正应力下:σ＝Eε ,切应力下: G