第六章金属及合金的塑性变形与断裂

第6章 金属及合金的塑性变形6-1 金属的变形特性金属在外力作用下的变形行为可用拉伸曲线来描述。

设拉力为P ，试样伸长量为dl ，则应力σ和应变ε分别为：A P σ=； ldl ε= 式中，A 为试样的截面积。

在拉伸过程中，A 和l 是变化的，在工程上，为了简化问题，A 常用A 0来代替，ε也用平均值表示ε=(l －l 0)/l 0，这样测得的σ-ε曲线称工程σ-ε曲线。

一、工程σ-ε曲线P161图1是低碳钢拉伸时的工程σ-ε曲线。

当应力低于σs 时，没有残留变形，大于σs 时，开始发生塑性变形。

所以，σs 是发生塑性变形的最小应力，称屈服强度。

屈服强度也是弹性极限σe （弹性变形的最大应力）。

在弹性变形阶段，当应力小于σp 时，σ-ε呈线性，服从虎克定律： εE σ=式中，E 是直线的斜率，称材料的弹性模量。

开始偏离直线的应力σp 称比例极限。

当应力超过σs 时，开始发生塑性变形。

随着塑性变形的增加，应力增大，这种现象称加工硬化。

当应力达到最大值σb 时，开始下降，直到断裂。

最大值σb 称材料的抗拉强度。

超过此值，试样发生局部颈缩，即发生了不均匀塑性变形。

所以，σb 是材料发生均匀塑性变形的最大应力。

注意，应力超过σb 后下降，并不是加工硬化失效。

在结构材料中，我们关心的力学指标是σs 和σb ，它们和硬度一起称做强度指标。

在实际应用中，σs 值是无法测量的，通常用发生0.2%塑性变形时对应的应力值来表示屈服强度，称条件屈服强度。

通常我们所说的材料的力学性能，除了上述强度指标外，还有两个塑性指标，延伸率、断面收缩率。

延伸率是指发生断裂时，试样的伸长率：%10000⨯-=l l l δσσ断面收缩率是指发生断裂时，试样截面积的变化率：%10000⨯-=A A A ψ 二、真应力-真应变曲线（T T εσ-曲线） 工程应力与真实应力之间的不同是容易发现的。

下面看看工程应变与真实应变的不同。

拉伸一个试样，使其伸长一倍，则工程应变1/)2(000=-=l l l ε；若是压缩，要获得同样数值的负应变，理应压缩到原长度的一半。

第六章目录6.1 要点扫描 (1)6.1.1 金属的弹性变形 (1)6.1.2 单晶体的塑性变形 (2)6.1.3 多晶体的塑性变形与细晶强化 (8)6.1.4 纯金属的塑性变形与形变强化 (10)6.1.5 合金的塑性变形与固溶强化和第二相强化 (14)6.1.6 冷变形金属的纤维强化和变形织构 (16)6.1.7 冷变形金属的回复与再结晶 (17)6.1.8 热变形、蠕变和超塑性 (20)6.1.9 断裂 (22)6.2 难点释疑 (25)6.2.1 从原子间结合力的角度了解弹性变形。

(25)6.2.2 从分子链结构的角度分析粘弹性。

(25)6.2.3 FCC、BCC和HCP晶体中滑移线的区别。

(25)6.2.4 Schmid定律与取向规则的应用。

(26)6.2.5 孪生时原子的运动特点。

(27)6.2.6 Zn单晶任意的晶向[uvtw]方向在孪生后长度的变化情况 (29)6.3 解题示范 (30)3.4 习题训练 (33)参考答案 (38)第六章 金属与合金的形变6.1 要点扫描6.1.1 金属的弹性变形1. 弹性和粘弹性所谓弹性变形就是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。

从对材料的力学分析中可以知道，材料受力后要发生变形，外力较小时发生弹性变形，外力较大时产生塑性变形，外力过大就会使材料发生断裂。

对于非晶体，甚至某些多晶体，在较小的应力时，可能会出现粘弹性现象。

粘弹性变形即与时间有关，又具有可恢复的弹性变形，即具有弹性和粘性变形两方面的特性。

2. 应力状态金属的弹性变形服从虎克定律，应力与应变呈线性关系：γτεσG E == 其中： yx G E εενν-==+,)1(2 E 、G 分别为杨氏模量和剪切模量，v 为泊松比。

工程上，弹性模量是材料刚度的度量。

在外力相同的情况下，E 越大，材料的刚度越大，发生弹性形变的形变量就越小。

3. 弹性滞后由于应变落后于应力，使得εσ-曲线上的加载线和卸载线不重合而形成一个闭合回路，这种现象称为弹性滞后。

第六章 金属和合金的塑性变形和再结晶金属材料（包括纯金属和合金）在外力的作用下引起的形状和尺寸的改变称为变形。

去除外力，能够消失的变形，称弹性变形；永远残留的变形，称塑性变形。

工业生产上正是利用塑性变形对金属材料进行加工成型的，如锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等。

塑性变形不仅能改变工件的形状和尺寸，还会引起材料内部组织和结构的变化，从而使其性能发生变化。

以再结晶温度为界，金属材料的塑性变形大致可分为两类：冷塑性变形和热塑性变形，在生产上，通常称为冷加工和热加工。

经冷塑性变形的金属材料有储存能，自由能高，组织不稳定。

若升高温度，使原子获得足够的扩散能力，则变形组织会恢复到变形前的状态，这个恢复过程包括：回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。

从金属材料的生产流程来看，一般是先进行热加工，然后才进行冷加工和再结晶退火。

但为了学习的方便，本章先讨论冷加工，再讨论再结晶和热加工。

§6.1 金属材料的变形特性一、 应力—应变曲线金属在外力作用下，一般可分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。

图6.1是低碳钢拉伸时的应力—应变曲线，这里的应力和应变可表示为：000,L L L L L A F ∆=-==εσ 公式中F 是拉力，00,L A 分别是试样的原始横截面积和原始长度。

从图中可以得到三个强度指标：弹性极限e σ，屈服强度s σ，抗拉强度b σ。

当拉应力小于弹性极限e σ时，金属只发生弹性变形，当拉应力大于弹性极限e σ，而小于屈服强度s σ时，金属除发生弹性变形外，还发生塑性变形，当拉应力大于抗拉强度b σ时，金属断裂。

理论上，弹性变形的终结就是塑性变形的开始，弹性极限和屈服强度应重合为一点，但由于它们不容易精确测定，所以在工程上规定：将残余应变量为0.005%时的应力值作为弹性极限，记为005.0σ，而将残余应变量为0.2%时的应力值作为条件屈服极限，记为2.0σ。

s σ和2.0σ都表示金属产生明显塑性变形时的应力。

第六章金属及合金的塑性变形与断裂(一)填空题1、硬位向是指，其含义是。

2、从刃型位错的结构模型分析，滑移的实质是。

3、由于位错的性质，所以金属才能产生滑移变形，而使其实际强度值大大的低于理论强度值。

4、加工硬化现象是指，加工硬化的结果使金属对塑性变形的抗力，造成加工硬化的根本原因是。

5、影响多晶体塑性变形的两个主要因素是、。

6、金属塑性变形的基本方式是和，冷变形后金属的强度，塑性。

7、常温下使用的金属材料以晶粒为好，而高温下使用的金属材料以晶粒为好。

8、面心立方结构的金属有个滑移系，它们是。

9、体心立方结构的金属有个滑移系，它们是。

10、密排六方结构的金属有个滑移系，它们是。

11、单晶体金属的塑性变形主要是在作用下发生的，常沿着晶体中和发生。

12、金属经冷塑性变形后,其组织和性能会发生变化,如、、等。

13、拉伸变形时，晶体转动的方向是由转到与。

14、晶体的理论屈服强度约为实际屈服强度的倍。

15、内应力是指，它分为、、三种。

(二)判断题1、在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑移系有12个。

（）2、滑移变形不会引起晶体位向的变化。

（）3、因为体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系数目，所以它们的塑性变形能力也相同。

（）4、在晶体中，原子排列最密集的晶面间的距离最小，所以滑移最困难。

（）5、孪生变形所需要的切应力要比滑移变形所需要的切应力小得多。

（）6、金属的加工硬化是指金属冷塑性变形后强度和塑性提高的现象。

（）7、单晶体主要变形的方式是滑移和孪生。

（）8、细晶粒金属的强度高，塑性也好。

（）9、反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂。

（）10、喷丸处理能显著提高材料的疲劳强度。

（）11、晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。

（）12、晶界处滑移的阻力最大。

( )13、滑移变形的同时伴随有晶体的转动，因此，随变形度的增加，不仅晶格位向要发生变化，而且晶格类型也要发生变化。

⾦属学及热处理课后习题答案解析第六章第六章⾦属及合⾦的塑性变形和断裂2）求出屈服载荷下的取向因⼦，作出取向因⼦和屈服应⼒的关系曲线，说明取向因⼦对屈服应⼒的影响。

答：1）需临界临界分切应⼒的计算公式：τk=σs cosφcosλ，σs为屈服强度=屈服载荷/截⾯积需要注意的是：在拉伸试验时，滑移⾯受⼤⼩相等，⽅向相反的⼀对轴向⼒的作⽤。

当载荷与法线夹⾓φ为钝⾓时，则按φ的补⾓做余弦计算。

2）c osφcosλ称作取向因⼦，由表中σs和cosφcosλ的数值可以看出，随着取向因⼦的增⼤，屈服应⼒逐渐减⼩。

cosφcosλ的最⼤值是φ、λ均为45度时，数值为0.5，此时σs为最⼩值，⾦属最易发⽣滑移，这种取向称为软取向。

当外⼒与滑移⾯平⾏（φ=90°）或垂直（λ=90°）时，cosφcosλ为0，则⽆论τk数值如何，σs均为⽆穷⼤，表⽰晶体在此情况下根本⽆法滑移，这种取向称为硬取向。

6-2 画出铜晶体的⼀个晶胞，在晶胞上指出：1）发⽣滑移的⼀个滑移⾯2）在这⼀晶⾯上发⽣滑移的⼀个⽅向3）滑移⾯上的原⼦密度与{001}等其他晶⾯相⽐有何差别4）沿滑移⽅向的原⼦间距与其他⽅向有何差别。

答：解答此题⾸先要知道铜在室温时的晶体结构是⾯⼼⽴⽅。

1）发⽣滑移的滑移⾯通常是晶体的密排⾯，也就是原⼦密度最⼤的晶⾯。

在⾯⼼⽴⽅晶格中的密排⾯是{111}晶⾯。

2）发⽣滑移的滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度最⼤的晶向，在{111}晶⾯中的密排⽅向<110>晶向。

3）{111}晶⾯的原⼦密度为原⼦密度最⼤的晶⾯，其值为2.3/a2，{001}晶⾯的原⼦密度为1.5/a24）滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度⾼于其他晶向，原⼦排列紧密，原⼦间距⼩于其他晶向，其值为1.414/a。

6-3 假定有⼀铜单晶体，其表⾯恰好平⾏于晶体的（001）晶⾯，若在[001]晶向施加应⼒，使该晶体在所有可能的滑移⾯上滑移，并在上述晶⾯上产⽣相应的滑移线，试预计在表⾯上可能看到的滑移线形貌。

材料科学基础(下)复习提纲第六章 金属与合金的塑性变形与断裂1、常温和低温下金属塑性变形的两种主要方式为（ ）和 （ ）。

2、体心、面心、密排六方晶格金属的主要滑移系，详见表6-2。

解释体心立方的金属的塑性为什么比面心立方金属差？3、了解施密特定律，并会做相应的计算（见第六章作业）4、晶体的滑移的实质（是位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果）。

了解位错的交割和塞积对金属的力学性能的影响。

5、掌握塑性变形对金属组织和性能的影响。

第七章 金属及合金的回复与再结晶1、了解回复过程的组织结构和性能的变化？2、了解再结晶过程的组织结构和性能的变化？3、从金属学角度，金属的热加工和冷加工是如何划分的？ 第八章 扩散1、固态下原子扩散的机制主要有哪两种？扩散的本质原因是什么？2、掌握扩散第二定律的误差函数解，并会做相应计算。

（见作业题型）3、了解影响扩散的因素。

第九章 钢的热处理原理 1、钢的奥氏体化过程？ 2、钢在冷却过程中的转变。

高温转变⎪⎩⎪⎨⎧︒︒︒，托氏体，索氏体，珠光体C C C A 550~600600~650650~1 解释珠光体、索氏体和托氏体的力学性能与片间距的关系。

（详见P246）中温转变⎩⎨⎧︒，下贝氏体，上贝氏体S M C ~350350~600 了解下贝氏体的力学性能及生产方式（详见P261）低温转变 {下，马氏体转变、，快冷至f S C M M V V ≥（1） 什么是马氏体？马氏体的晶体结构、组织形态、性能特点？ （2） 马氏体转变的特点？3、淬火钢的回火转变过程？（一）~（五）P268~272，淬火钢回火时力学性能的变化？4、了解第一类和第二类回火脆性及解决办法？ 第十章 钢的热处理工艺1、了解退火和正火的目的？各种退火工艺的目的和适用对象。

正火工艺适用的四个主要方面。

2、淬火的加热温度的选择？原因？淬火常用的介质有哪几种？淬火常用方法？3、什么是淬透性、淬硬性？它们的差别？（详见P289）4、低温、中温、高温回火各获得什么组织？其性能有何特征？5、了解感应加热表面淬火的工作原理？淬硬层深度与电流频率的关系？5、渗碳的适用材料、主要方法、渗碳温度及渗碳介质？渗氮的适用材料、主要方法、渗氮温度及渗氮介质？第十一章 工业用钢1、 合金元素在钢里的存在方式？合金元素对铁-渗碳体相图的影响？合金元素对钢热处理过程的影响？2、 什么时回火稳定性和二次硬化？3、 造成金属腐蚀的原因？耐磨钢耐磨的原因？耐热钢的抗氧化型和热强性？ 第十二章 铸铁1、 铸铁石墨化过程？铸铁的组织？影响铸铁石墨化的因素？ 第十三章 有色金属及其合金1、 铝合金的分类及铝合金的强化方法？（重点掌握铝合金的沉淀强化P384）2、 铜合金的分类？黄铜的力学性能与含锌量的关系？锡青铜的力学性能与含锡量的关系。