华南师范大学材料科学与工程教程第八章-材料的变形与断裂.方案PPT精品课件
- 格式：ppt
- 大小：3.14 MB
- 文档页数：32
下载文档原格式
合集下载
材料的断裂和韧性PPT课件
E
2
0
临界应力为：
c
2E c
1/ 2
E
c
1/ 2
2/ 1
平面应变状态下的断裂强度：
（2.7）格里菲斯公式
c
(1
2E 2 )c
1/
2
Chapter3 Properties of Materials
陶瓷、玻璃 等脆性材料
按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径
穿晶断裂；沿晶断裂；
根据断裂机理分类 解理断裂；剪切断裂；
根据断裂面的取向分类 正断；切断。
Chapter3 Properties of Materials
11/25/2019 4:22:35 PM
2
1.金属材料的韧性断裂与脆性断裂
韧性断裂（延性断裂）是材料断裂前及断裂过程 中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
07amchapter3propertiesmaterials17从能量平衡的观点出发格里菲斯认为裂纹扩展的条件是物体内储存的弹性应变能的减小大于或等于开裂形成两个新表面所需增加的表面能即认为物体内储存的弹性应变能降低或释放就是裂纹扩展的动力否则裂纹不会扩展
§1-5 材料的断裂和强度
固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断 裂。材料的断裂是力对材料作用的最终结束，它意味 着材料的彻底失效。因材料断裂而导致的机件失效与 其他失效方式(如磨拙、腐蚀等)相比危害性最大，并 且可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏 观与微观构征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影 响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而 且也有很大的实用价值。
11/25/2019 4:22:35 PM
2
0
临界应力为：
c
2E c
1/ 2
E
c
1/ 2
2/ 1
平面应变状态下的断裂强度：
（2.7）格里菲斯公式
c
(1
2E 2 )c
1/
2
Chapter3 Properties of Materials
陶瓷、玻璃 等脆性材料
按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径
穿晶断裂；沿晶断裂；
根据断裂机理分类 解理断裂；剪切断裂；
根据断裂面的取向分类 正断；切断。
Chapter3 Properties of Materials
11/25/2019 4:22:35 PM
2
1.金属材料的韧性断裂与脆性断裂
韧性断裂（延性断裂）是材料断裂前及断裂过程 中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
07amchapter3propertiesmaterials17从能量平衡的观点出发格里菲斯认为裂纹扩展的条件是物体内储存的弹性应变能的减小大于或等于开裂形成两个新表面所需增加的表面能即认为物体内储存的弹性应变能降低或释放就是裂纹扩展的动力否则裂纹不会扩展
§1-5 材料的断裂和强度
固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断 裂。材料的断裂是力对材料作用的最终结束，它意味 着材料的彻底失效。因材料断裂而导致的机件失效与 其他失效方式(如磨拙、腐蚀等)相比危害性最大，并 且可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏 观与微观构征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影 响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而 且也有很大的实用价值。
11/25/2019 4:22:35 PM
《材料的断裂》PPT课件
68
3 Griffith微裂纹理论（1920年）
从玻璃工业的实际经验中，Griffith认识到微小裂 纹对玻璃强度有很大的影响，并从中得到启发，材料 的实际强度比理论强度低得多的原因可能是由于材料 中微裂纹的存在。1920年，Griffith提出：
1）脆性材料中存在微裂纹，在外力作用下裂纹尖 端引起的应力集中会大大降低材料的断裂强度；
2）对应于一定尺寸的裂纹C有一临界应力值σc，当 外加应力大于σc时裂纹便迅速扩展而导致材料断裂；
3）裂纹扩展的条件是裂纹扩展所需要的表面功能由 系统所释放的弹性应变能所提供。
Griffith分析了物体中存在的裂纹长度对开裂应力 的影响并首次得出了脆性材料中的这种定量关系。
69
经推导，临界应力为：
55
以应用力学为基础，从宏观现象研究材料应力
-应变状况，进行力学分析，总结出经验规律， 作为设计、使用材料的依据，这是力学工作者的 任务。
从材料的微观结构来研究材料的力学性状，也
就是研究材料宏观力学性能的微观机理，从而找 出改善材料性能的途径，为工程设计提供理论依 据，这是材料科学的研究范围。
56
a
对比式（1）和（2），得
即
59
下面求解λ。脆性物体发生断裂时不发生 塑性变形，所以没有塑性变形功。外力拉伸 物体时，物体中储存弹性应变能，断裂时， 弹性应变能释放，转变为表面能，只有当弹 性应变能等于物体断裂后产生新的表面的表 面能时，断裂才可以发生。拉伸时两原子之 间弹性应变能为应力曲线以下的面积（图中 阴影部分）。
1 理论断裂强度
在分析材料的断裂强度时，人们希望了解 在断裂前材料所能承受的最大应力，即从理论上 来说材料的强度应有多高。
有几种推算晶体材料理论强度的方法，其 中以双原子作用力模型应用的较为普遍。
3 Griffith微裂纹理论（1920年）
从玻璃工业的实际经验中，Griffith认识到微小裂 纹对玻璃强度有很大的影响，并从中得到启发，材料 的实际强度比理论强度低得多的原因可能是由于材料 中微裂纹的存在。1920年，Griffith提出：
1）脆性材料中存在微裂纹，在外力作用下裂纹尖 端引起的应力集中会大大降低材料的断裂强度；
2）对应于一定尺寸的裂纹C有一临界应力值σc，当 外加应力大于σc时裂纹便迅速扩展而导致材料断裂；
3）裂纹扩展的条件是裂纹扩展所需要的表面功能由 系统所释放的弹性应变能所提供。
Griffith分析了物体中存在的裂纹长度对开裂应力 的影响并首次得出了脆性材料中的这种定量关系。
69
经推导，临界应力为：
55
以应用力学为基础，从宏观现象研究材料应力
-应变状况，进行力学分析，总结出经验规律， 作为设计、使用材料的依据，这是力学工作者的 任务。
从材料的微观结构来研究材料的力学性状，也
就是研究材料宏观力学性能的微观机理，从而找 出改善材料性能的途径，为工程设计提供理论依 据，这是材料科学的研究范围。
56
a
对比式（1）和（2），得
即
59
下面求解λ。脆性物体发生断裂时不发生 塑性变形，所以没有塑性变形功。外力拉伸 物体时，物体中储存弹性应变能，断裂时， 弹性应变能释放，转变为表面能，只有当弹 性应变能等于物体断裂后产生新的表面的表 面能时，断裂才可以发生。拉伸时两原子之 间弹性应变能为应力曲线以下的面积（图中 阴影部分）。
1 理论断裂强度
在分析材料的断裂强度时，人们希望了解 在断裂前材料所能承受的最大应力，即从理论上 来说材料的强度应有多高。
有几种推算晶体材料理论强度的方法，其 中以双原子作用力模型应用的较为普遍。
大学材料科学基础第八章材料的变形与断裂(1)
六方晶系则需画图判定。
滑移系数量与金属的塑性 滑移系代表了晶体滑移时可能采取的空间取向，晶 体中滑移系数量越多，滑移时可能采取的空间取向就 越多，滑移就越容易进行，金属的塑性便越好。 面 心 立 方 金 属 ： Cu，Al，Au，Ag,，Ni，γ－Fe， 奥氏体钢，体心立方金属α－Fe，铁素体，Mo，Nb的 塑性很好，而密排六方金属Mg，Zr，Be，Zn的塑性 则较差。当然滑移系数量并不是决定金属塑性高低唯 一的因素，合金的成分、强度的高低、加工硬化的能 力等也会影响到金属的塑性。试验表明，奥氏体钢的 塑性要优于铁素体钢。
金属拉伸曲线分析。 1 弹性变形阶段：ζ－ε呈直线关系。
（弹）塑性变形阶段： ζ-ε不遵循虎克定律
2 均匀塑性变形阶段：屈服阶段：ε增加，ζ基本保 持不变， ζ－ε呈非线性关系。 3 颈缩阶段（局部变形阶段）：变形集中在局部区 域。 4 断裂阶段：从颈缩到断裂。
拉伸试验可以得到以下强度指标和塑性指标：
拉伸条件下滑移系上分切应力的计算。
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
θ－滑移面法线与拉伸轴的夹角
4 力轴作用在任意方向
二、孪晶（孪生）变形
孪生也是金属塑性变形的一种形式，一般情况下， 金属晶体优先以滑移的方式进行塑性变形，但是当滑 移难以进行时，塑性变形就会以生成孪晶的方式进行， 称为孪生。例如滑移系较少的密排六方晶格金属，当 处于硬取向时，滑移系难以开动，就常以孪生方式进 行变形。滑移系较多的fcc、bcc结构的金属一般不发 生孪生变形，但在极低的温度下变形或是形变速度极 快时，也会以孪生的方式进行塑性变形。 定义：晶体在难以进行滑移时而发生的另一种塑 性变形方式，其特点是变形以晶体整体切变的形式 进行而不是沿滑移系发生相对位移。
第八章 材料的变形与断裂
· （3）固溶强化的机制：
的个数
c 1.633,{0001}, 112 0 a c 1.633,{1010},{1011},{1210}, 112 0 a
例1.[011]和[112]均位于fcc铝的（ ）平面上。因此（ ） 与（ ） 的滑移是可能的。 111 111 [011] 111 [112]
第八章 材料的变形与断裂
第一节 金属变形概述
σ
σe σp σs
0
σb
σk
δg
δgt
ε δ
应力应变曲线
第二节 金属的弹性变形
F A dl de l S e de S ke n 式中 k ——常数 n dl l ln ln(1 ) l0 l l0
l
σ
σe σp
k s cos cos
令m cos cos m称为取向因子
k取决于金属的本性，不受，的影响； 或＝90时，s ； s的取值 ，＝45时，s最小，晶体易滑移； 软取向：值大； 取向因子：coscos 硬取向：值小。
已知纯铜的临界分切应力为1MPa,问： （ ）要使（111 1 ）面上产生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？ （2）要使（111 ）面上产生[110]方向的滑移呢？ 解（ ）对立方晶系，两晶向[h1k1l1 ]和[h2 k2l2 ]的夹角为 1 cos h1h2 k1k2 l1l2 h12 k12 l12 h2 2 k2 2 l2 2
2 a/ 2 பைடு நூலகம்1 6a / 2 3
2
[011]
华南师范大学材料科学与工程教程第八章 材料的变形与断裂(四)资料
原始晶粒越细，或者退火时间增长，都会降低再结晶温度。 总的来说，变形金属再结晶温度不是恒定的，而受许多因素的影响， 粗略估计，金属再结晶温度与其熔点有以下关系：T再＝0.4T熔（热 力学温度）
表8－4列出了各种金属的再结晶温度
2018/10/23 14
材料科学基础
第8章 材料的变形与断裂
一表面张力2 /γ指向曲率中心，而力求使 界面向曲率中心移动
2018/10/23 16
材料科学基础
第8章 材料的变形与断裂
再结晶后晶粒长大是界面向曲率中心移动，而再结晶核心的 长大界面是背向曲率中心移动（见图8－38），因为后者长
大的驱动力是减小畸变能
减小表面能是晶粒长大的热力学条件，满足这个条件只说明 晶粒有长大的可能，但长大与否还需满足动力学体件——晶 界的活动性
再结晶过程已完成，随后还有一 个晶粒长大阶段，很明显温度越 高晶粒越粗大(见右图)
2018/10/23
12
材料科学基础
第8章 材料的变形与断裂
微量杂质元素就可明显的升高 再结晶温度或推迟再结晶过程的 进行
微量元素是如何影响再结晶的，
是影响再结晶的形核，还是阻止 其长大，或者是两者兼而有之？
在加热温度更高时发生再结晶，而在此之前变形金属的力学性能和物
再结晶的实际意义——冷变形而产生强烈的加工硬化，导致加工工艺（如拉拔线 材）不能继续进行时，中间必须进行再结晶退火
——同时也是改变金属组织结构与性能的一种方法，特别是对 那些在固态下没有相变的金属材料，在适当的场合下可以应用。
2018/10/23
返回 (3) 退火温度越高，转变曲线渐向左 移, 即转变加速; (4) 如在恒定温度下，变形量不同， 也会有不同的再结晶速率（图8－40） 变形量越大，再结晶速率越大
材料科学基础 第8章PPT课件
20
第20页/共34页
8.2.4.2 固相中的非均匀形核 固态相变时，各种晶体缺陷，如晶界、位错、
相界、空位、层错等都可以作为择优形核的位置， 这些晶体缺陷本身具有较高的能量，在这些位置 形核，可以降低形核功，因此非均匀形核比均匀 形核要容易得多，固态相变时的形核通常是非均 匀形核。
21
第21页/共34页
界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力，但在不同条 件下，所起的主导作用不同。 当新旧两相形成共格界面或半共格界面时，相变阻力主要 是体积应变能。 当新旧两相形成非共格界面时，相变阻力主要是界面能。
15
第15页/共34页
8.2.4 相的非均匀形核 8.2.4.1 液相中的非均匀形核
液态金属过冷后，主要的形核障碍是晶核的液－固相 界面使系统自由能升高。
12
第12页/共34页
形核功因子
原子扩散几率因子
13
第13页/共34页
8.2.3.2 固相中的均匀形核
体积自由能差
界面能
体积应变能
14
第14页/共34页
界面能的大小取决于界面的结构和界面成分的变化。固态 相变中形成的界面结构有三种形式，即共格界面、半共格界 面和非共格界面。
固态相变中，体积应变能来自新旧两相的比容差和界面结 构两个因素。应变能由两项组成，一项是由新相和旧相比容 不同所产生的弹性应变能；另一项是由界面上两相晶格不匹 配而产生的弹性应变能。
数学表达式：X = 1 - exp[ - (kt)n ] （式8-12）
31
第31页/共34页
构造等温转变图 32 第32页/共34页
End
33
第33页/共34页
感谢您的观看！
34
第34页量起伏
第20页/共34页
8.2.4.2 固相中的非均匀形核 固态相变时，各种晶体缺陷，如晶界、位错、
相界、空位、层错等都可以作为择优形核的位置， 这些晶体缺陷本身具有较高的能量，在这些位置 形核，可以降低形核功，因此非均匀形核比均匀 形核要容易得多，固态相变时的形核通常是非均 匀形核。
21
第21页/共34页
界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力，但在不同条 件下，所起的主导作用不同。 当新旧两相形成共格界面或半共格界面时，相变阻力主要 是体积应变能。 当新旧两相形成非共格界面时，相变阻力主要是界面能。
15
第15页/共34页
8.2.4 相的非均匀形核 8.2.4.1 液相中的非均匀形核
液态金属过冷后，主要的形核障碍是晶核的液－固相 界面使系统自由能升高。
12
第12页/共34页
形核功因子
原子扩散几率因子
13
第13页/共34页
8.2.3.2 固相中的均匀形核
体积自由能差
界面能
体积应变能
14
第14页/共34页
界面能的大小取决于界面的结构和界面成分的变化。固态 相变中形成的界面结构有三种形式，即共格界面、半共格界 面和非共格界面。
固态相变中，体积应变能来自新旧两相的比容差和界面结 构两个因素。应变能由两项组成，一项是由新相和旧相比容 不同所产生的弹性应变能；另一项是由界面上两相晶格不匹 配而产生的弹性应变能。
数学表达式：X = 1 - exp[ - (kt)n ] （式8-12）
31
第31页/共34页
构造等温转变图 32 第32页/共34页
End
33
第33页/共34页
感谢您的观看！
34
第34页量起伏
材料科学第八章工程材料PPT课件
灰铸铁齿轮箱
第17页/共37页
灰 铸铁
的显 微
石
组织
墨 片
的
三
维
形
铁 素 体 灰 铸 铁
貌铁素Fra bibliotek珠 光 体 灰 铸 铁
体 加 珠 光 体 灰 铸
铁
第18页/共37页
2、孕育处理——细化片状石墨 • 常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。 • 经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。
硅铁 硅钙
孕育处理前
孕育处理后
第19页/共37页
(0.2 /b)高, 约为0.7~0.8, 而钢一般只有0.3~0.5。
球墨铸铁 可进行各 种热处理, 如退火、正 火、淬火加 回火、等温 淬火等。
第27页/共37页
贝
制
氏
(
品
体
轧
基
辊
球
与
墨
辊
铸
环
)
铁
组织
球墨铸铁的热处理特点是： • ① 奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高; • ② 淬透性比碳钢高; • ③ 奥氏体中碳含量可控。
3、热处理 • 热处理只改变基体组织，不改变石墨
形态。 • 灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热
处理强化效果不大。 • 灰铸铁常用的热处理有：
① 消除内应力退火(又称人工时效) ② 消除白口组织退火 ③ 表面淬火
第20页/共37页
汽 缸 套
灰铸铁件
活 塞 环
4、用途
• 制造承受压力和震动的零件,如 机床床身、各种箱体、壳体、泵 体、缸体。
3、影响石墨化的因素 ⑴ 化学成分的影响 • 碳和硅是强烈促进石墨化的元素。 • 碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能
材料的变形与断裂
E=S0/r0
弹性模量是一个对组织不敏感的参数，添加少量合金元素和 热处理不能对材料的弹性模量产生明显的影响。
第三节 滑移与孪晶变形
金属常温下塑性变形的两种方式主要是 滑移和孪晶变形
一、滑移
滑移：在切应力作用下，一部分晶体相对另一部分晶体发生相对 移动的现象。 主要 变形方式
特点：
这种切变不改变晶体点阵类型和晶体位向，只是晶体表面出现 一系列的台阶状痕迹。
第八章 材料的变形与断裂
第一节 金属变形概述
金属变形与断裂表现在：
生产制造零件、构件或产品时 零件或构件在实际的应用中
弹性变形
塑性变形
断裂
第二节 金属的弹性变形
特点：
1) 变形可逆； 2) 服从虎克定律，即 正应力 切应力 σ=Eε τ=Gγ
E G 2(1 )
弹性模量
弹性模量：原子间结合力的反映和度量，代表使原子离开 平衡位置的难易程度。
屈服平台
吕德斯带：连续变形阶段，试样表面呈现与外力成一定角度的 变形条纹。
吕德斯带
原理:
柯氏气团：溶质原子偏聚于位错下方，与位错交互作用， 使其不易运动的现象。 溶质处于拉应力区，抵消应力，降低应变能。 位错增殖：晶体变形后，通过双交滑移使位错大量增殖， 在维持一定应变速率时，流变应力就降低了。
滑移带
滑移机制
滑移是晶体内部位错运动的结果。
位错宽度：位错两侧原子列 偏离其平衡位置达到b/4时， 位错两侧的宽度。
派-纳力
位错在点阵周期场中运动时所需克服的阻力叫派－纳力。
2 G 2W b P N e 1 Gb a W 2 1 1
派－纳力公式解析： 1）τP-N大小主要取决于位错宽度W和b。 2) W取决于结合键本性和晶体结构。 滑移最容易在晶体的密排面上最密排方向上进行
材料的断裂PPT课件
2）脆性断裂：材料断裂前基本不产生明显宏观塑性变形，无 明显预兆，表现为突然发生的快速断裂，故具有很大危险性。
特点：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放 射状或结晶状。
矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。
人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。
（二）穿晶断裂与沿晶断裂
铜材在拉伸断口特征－细小等轴韧窝
25
韧窝形状：视应力状态不同而异 有三类：等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝。 1）等轴状韧窝： 微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相同。
铜材在拉伸断口特征－细小等轴韧窝
26
2）拉长韧窝： 在扭转载荷或双向不等拉伸条件下，因切应力作用而形成。 在匹配断口上韧窝拉长方向相反；（拉伸断口剪切唇部）
应变硬化指数越大，越难于发生内缩颈，故韧窝尺寸变小。 3）外加应力的大小和状态。
通过影响材料塑性变形能力，而间接影响韧窝深度。
必须指出：微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但在微观形态上 出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。因宏观为脆性断 裂，但在局部区域内也能有塑性变形，从而显示出韧窝形态。
只有微观断口存在大量韧窝时，宏观上才表现为韧性断裂。
面)垂直于拉伸应力方向。
杯锥状断口形成示意图 a）缩颈导致三向应力 b）微孔形成 C）微孔长大 d）微孔连接形成锯齿状
e）边缘剪切断裂
8
纤维区：裂纹扩展速率很慢，当裂纹达到临界尺寸后就快速 扩展面形成放射区。
放射区：裂纹快速、低能撕裂形成的，有放射线花样特征。 放射线平行于裂纹扩展方向，垂直于裂纹前瑞(每一瞬间)的轮
3）解理断裂
28
2）解理断裂：
金属材料在一定条件（如低温、高应变速率，或有三向拉应 力状态）下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿 一定晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂。
材料科学基础第8章 材料的变形与断裂
100 ）或棱锥面（ 1-101 ），滑移系分别为 3 个和6个。但滑移方向都是<11-20>。
21
因而金属的塑性，面心立方晶格
> 体心立方晶格 > 密排六方晶格。
22
四、孪生
是以晶体中一定的晶面（孪晶面）沿 着一定的晶向（孪生方向）移动而发生 的，已滑移部分和未滑移部分镜面对称。 在切变区域内，与孪晶面平行的各层 晶面的相对位移是一定的。 实质就是一个肖克莱不全位错的移动。
45
分切应力τ大小为：
F cos cos cos A
cos cos 称为取向因子，其值越大，
则分切应力τ越大。
46
当
φ=45º时（λ也为45º），取向 因子有最大值1/2，此时，得到最大 分切应力τmax 。
在拉伸时：
s
k cos cos
1、实质：与单晶体基本相同。
2、特殊性：晶界阻滞效应和取向差
效应。
65
1）晶界阻滞效应：
90%以上晶界是大角度晶界； 其结构复杂，由约几个纳米厚的
原子排列紊乱的区域；
使滑移受阻而不易直接传到相邻
晶粒。
66
67
2）取向差效应：
多晶体中，不同位向晶粒的滑移系
取向不相同；
滑移不能从一个晶粒直接延续到另
2
第一节
金属变形概述
金属材料、陶瓷材料和玻璃化温度以
下的高分子材料属于能弹性；
弹性回复力是键长和键角的微小改变
所引起的焓变所引起的，而熵变所引 起的弹性回复力可忽略。
处于高弹态的橡胶则属于熵弹性。
3
无应力作用时大分子链呈无规线团
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
，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
2了021晶/3/体1 表面。
8
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
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
2021/3/1
12
3、滑移面和滑移方向
第八章 材料的变形与断裂（一 ）
2021/3/1
1
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
这2就021是/3/虎1 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
•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
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
202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
2021/3/1
位错宽度如何确定？阻力大小？
10
• 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；
•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
2021/3/1
2
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
2021/3/1
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。
4
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
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/3/运1 动
9
•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
G2(1E ) 0 .3 3 8 3E
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
2相021应/3的/1 纵向应变之比的绝对值！
5
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 子间距离偏离平衡位置；
从本质上派-纳力大小如何确定？
2021/3/1
11
❖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， 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
2021/3/1
3
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。