第六章金属及合金的塑性变形与断裂.ppt

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第六章金属及合金的塑性变形与断裂第一节金属的变形特性一、工程应力应变曲线低碳钢的应力应变曲线如右图所示。

应力应变不同的金属材料可能有不同类型的应力应变曲线。

见右图。

二、真应力真应变曲线上述（工程）应力应变曲线中的应力和应变是以试样的初始尺寸进行计算的。

事实上，在拉伸过程中试样的尺寸是在不断变化的，此时的真实应力t应该是瞬时载荷F除以试样的瞬时截面积A。

三、金属的弹性变形弹性是金属的一种重要特性，弹性变形是塑性变形的先行阶段，而且在塑性变形阶段中还伴生着一定的弹性变形。

在弹性变形阶段应力与应变呈线性关系，服从胡克定律。

第二节单晶体的塑性变形首先研究单晶体的塑性变形。

一、滑移

（一）滑移带P165图6.4滑移线（P165图6.5）

（二）滑移系一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。

（六）滑移的位错机制1.位错的运动与晶体的滑移理论和试验都已证明，在实际晶体中存在着位错。

晶体的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分同时作整体的刚性移动，而是位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果（下图）。

2.位错的增殖在晶体中必然存在着在塑性变形过程中能不断增殖位错的位错源。

常见的一种位错增殖机制是弗兰克瑞德位错源机制。

3.位错的交割与塞积位错的滑移，实际上是源源不断的位错沿着滑移面的运动。

在多滑移时，由于各滑移面相交，因而在不同滑移面上运动着的位错也就必然相遇发生相互交割。

交割的结果，都可能形成割阶，这一方面增加了位错线的长度，另一方面还导致带割阶的位错运动困难，从而成为后续位错运动的障碍。

这就是多滑移加工硬化效果较大的主要原因。

在切应力的作用下，弗兰克瑞德位错源所产生的大量位错沿滑移面的运动过程中，如果遇到障碍物（固定位错、杂质粒子、晶界等）的阻碍，领先的位错在障碍前被阻止，后续的位错被堵塞起来，结果形成位错的平面塞积群（下图），并在障碍物的前端形成高度应力集中。

二、孪生塑性变形的另一种重要方式是孪生。

通常把对称的两部分晶体称为孪晶。

而将形成孪晶的过程称为孪生。

第三节多晶体的塑性变形一、多晶体的塑性变形过程多晶体的塑性变形也是以滑移和孪生为其塑性变形的基本方式，但是多晶体是由许多形状、大小、取向各不相同的单晶体晶粒所组成，其变形有区别于单晶体变形的特点（P174）。

多晶体变形的特点：

P174二、晶粒大小对塑性变形的影响从右图可以看出，铜的多晶体的强度显著高于单晶体的强度。

用细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法称为细晶强化。

右上图为低碳钢的屈服强度与晶粒直径的关系曲线。

霍尔配奇公式：

右下图示出铜和铝的屈服强度与亚晶尺寸之间的关系。

为什么晶粒越细、屈服强度越高？

（P175）第四节合金的塑性变形一、单相固溶体合金的塑性变形由于固溶体中存在着溶质原子，使得合金的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降，即产生固溶强化。

固溶强化的主要原因（P176）、规律（P177）。

二、多相合金的塑性变形多相合金的组织主要分为两类：

（一）合金中两相的性能相近合金中两相的含量相差不大，且两相的变形性能相近，则合金的变形性能为两相的平均值，如Cu40Zn合金。

（二）合金中两相的性能相差很大合金中两相的变形性能相差很大，若其中一相硬而脆，难以变形，另一相的塑性较好，且为基体相，则合金的塑性变形除与相的相对量有关外，在很大程度上取决于脆性相的分布情况。

脆性相的分布有三种情况：

1.硬而脆的第二相呈连续网状分布在塑性相的晶界上2.脆性的第二相呈片状或层状分布在塑性相的基体上3.脆性相在塑性相中呈颗粒状分布根据弥散细小的第二相粒子与位错的相互作用的方式，有两种强化机制：

（1）位错绕过第二相粒子

（2）位错切过第二相粒子第五节塑性变形对金属组织和性能的影响一、塑性变形对组织结构的影响多晶体金属经塑性变形后，除了在晶粒内出现滑移带和孪晶等组织特征外，还具有下述组织结构的变化。

（一）显微组织的变化（图6.29）

（二）亚结构的细化（图6.30）（三）形变织构（图6.31）二、塑性变形对金属性能的影响

（一）加工硬化在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降（下图），这一现象即为加工硬化或形变强化。

（二）塑性变形对其他性能的影响经塑性变形后，金属材料的物理性能和化学性能也将发生明显变化。

第六节金属的断裂一、塑性断裂塑性断裂又称为延性断裂，断裂前发生大量的宏观塑性变形，断裂时承受的工程应力大于材料的屈服强度。

在塑性和韧性好的金属中，通常以穿晶方式（即裂纹穿过晶粒内部扩展）发生塑性断裂，在断口附近会观察到大量的塑性变形痕迹，如缩颈。

拉伸中塑性断裂是微孔形成、扩大和连接的过程（右图）。

用扫描电子显微镜可观察到微观断口形貌韧窝。

韧窝是断裂过程中微孔分离的痕迹，在韧窝底部常可见夹杂物或析出相粒子。

通常，当拉应力造成失效时，这些韧窝时等轴状的，如下左图。

但在剪切唇，韧窝是椭圆形的或者说是拉长的，如下右图。

二、脆性断裂金属脆性断裂过程中，极少或没有宏观塑性变形，但在局部区域仍存在一定的微观塑性变形。

又称为低应力断裂。

微观断口形貌特征是“河流花样”（右图）。

沿晶脆性断裂的宏观断口呈细瓷状，较亮，也可看到许多强烈反光的小刻面。

微观断口形貌特征为“冰糖状”，每一个断裂晶粒表面清洁光滑、棱角清晰、有很强的多面体感，如右图。

三、影响材料断裂的基本因素断裂属于延性断裂还是脆性断裂，不仅与材料的化学成分和组织结构有关，还受工作环境、加载方式的影响。

（一）裂纹和应力状态的影响大多数断裂是由于材料中存在微小裂纹和缺陷引起的。

（二）温度的影响中、低强度钢的断裂过程都有一个重要现象，就是随着温度的降低，都有从塑性断裂逐渐过渡为解理断裂的现象。

尤其当试样上带有缺口和裂纹时，更加剧了这种过渡倾向。