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1、材料力学性能哈尔滨工业大学材料学院朱景川课后思考：解释下图现象，并指出此图绘制不合理之处S2-4 材料的塑性变形第二章 材料变形行为变形条件:不可逆性：温度、时间相关性：1.1.塑性变形现象塑性变形现象(1)宏观特征s s变形量较大：组织和性能变化大：非线性：组织和环境敏感性：(2)工程意义塑性成形的基础:构件安全性的保障：形变强化是材料强化的重要手段。松弛应力消耗能量加工硬化晶体整体切变模型2.2.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形(1)理论切变强度令a=b,s(2)塑性变形的滑移机制滑移是位错运动的结果：刃型位错滑移过程螺形位错及其滑移位错滑移变形实验证据：F-R位错增值机制滑移的方向性:滑
2、移条件单晶体单向拉伸宏观与微观变形之关系滑移条件临界切应力定律屈服时：=c,=s(3)塑性变形的孪生机制塑性变形的孪生机制 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。金属晶体中变形部分与金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或变部分）称为孪生带或孪晶。孪晶。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进孪生借
3、助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生行时发生.特点：特点：孪生孪生原子移动的相对位移是原子间距的分数值原子移动的相对位移是原子间距的分数值.变形量较小变形量较小 FCCFCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCCBCC金金属仅在室温或受冲击时发生。属仅在室温或受冲击时发生。HCPHCP金属较容易发生孪生。金属较容易发生孪生。黄铜中的孪晶黄铜中的孪晶锌中的孪晶锌中的孪晶（1 1）多晶体塑性变形特点）多晶体塑性变形特点 a.a.各晶粒变形的不同时性和不均匀性各晶粒变形的不同时性和不均匀性多晶体金属：多晶体金属：由于各晶粒位向不
4、同，由于各晶粒位向不同，受外力作用时，受外力作用时，某些晶体位向有利的某些晶体位向有利的晶粒先滑移变形晶粒先滑移变形由于各相晶粒的晶体结构、位错滑移由于各相晶粒的晶体结构、位错滑移的难易程度以及应力状态的不同，的难易程度以及应力状态的不同，那那些位向有利或产生应力集中的晶粒首些位向有利或产生应力集中的晶粒首先产生塑性变形先产生塑性变形 金属材料的组织越不均匀，则起始的金属材料的组织越不均匀，则起始的塑性变形不同时性和不均匀性就越显塑性变形不同时性和不均匀性就越显著著。3.3.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形（1 1）多晶体金属塑性变形的特点）多晶体金属塑性变形的特点 b.b.变形的相互协调性变
5、形的相互协调性多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂中变形，否则将造成晶界开裂，这就要求各晶粒之这就要求各晶粒之间能协调变形间能协调变形因此，因此，每个晶粒必须能同时沿几个滑移系进行滑移，每个晶粒必须能同时沿几个滑移系进行滑移，或在滑移的同时产生孪生变形，以保持材料的整体或在滑移的同时产生孪生变形，以保持材料的整体性性。多晶体塑性变形的必要条件：至少5个独立的滑移系。（2 2）多晶体塑性变形过程）多晶体塑性变形过程多晶体塑性变形机制：位错晶界塞积应力集中促使相邻晶粒位错开动，塑性变形得以传播。（2 2）多晶体塑性变形过
6、程）多晶体塑性变形过程多晶体塑性变形机制：位错晶界塞积应力集中促使相邻晶粒位错开动，塑性变形得以传播。4.陶瓷材料塑性变形特点陶瓷材料塑性变形特点在共价键键合的陶瓷中，原子之间的键合是特定的并具有方向性。当位错以水平方向运动时，必须破坏这种特殊的原子键合，而共价键的结合力是很强的，位错运动有很高的点阵阻力。因此，以共价键键合的陶瓷，不论是单晶体还是多晶体，都难以发生塑性变形。（a)共价键共价键 结合键对位错运动的影响结合键对位错运动的影响离子键合的陶瓷，也具有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系能满足位错运动的几何条件和静电作用条件。所以只有极少数具有简单晶体结构的单晶体，如M
7、gO、KCl(均为NaCl型结构)在室温下具有塑性，而一般晶体结构复杂的材料在室温下不能进行塑性变形。但是离子键合陶瓷多晶体，由于滑移系统较少不能满足多晶体协调变形条件，导致多晶体难以塑性变形。陶瓷材料陶瓷材料一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。位错更加不易向周围晶体传播，更易纹、玻璃相等。位错更加不易向周围晶体传播，更易在晶界处塞积而产生应力集中，形成裂纹引起断裂。在晶界处塞积而产生应力集中，形成裂纹引起断裂。所以所以陶瓷材料很难进行塑性变形陶瓷材料很难进行塑性变形。玻璃材料玻璃材料与一般陶瓷材料的塑性变形机理不同与一般陶瓷材料的塑性变形机理
8、不同非晶态玻璃材料：非晶态玻璃材料：由于不存在晶体中的滑移和孪生由于不存在晶体中的滑移和孪生的变形机制，其永久变形是通过分子位置的热激活交的变形机制，其永久变形是通过分子位置的热激活交换来进行的，属于粘性流动变形机制，塑性变形需要换来进行的，属于粘性流动变形机制，塑性变形需要在一定的温度下进行。所以在一定的温度下进行。所以普通的无机玻璃在室温下普通的无机玻璃在室温下没有塑性。没有塑性。5.高分子材料塑性变形特点高分子材料塑性变形特点高分子材料的塑性变形机理因其状态不问而异。高分子材料的塑性变形机理因其状态不问而异。结晶态结晶态高分子材料的塑性变形是由高分子材料的塑性变形是由薄晶转变为沿应薄晶转
9、变为沿应力方向排列的微纤维束力方向排列的微纤维束的过程；的过程；非晶态非晶态高分子材料的塑性变形有两种方式，即在高分子材料的塑性变形有两种方式，即在正正应力作用下形成银纹应力作用下形成银纹或在或在切应力作用下无取向分子链切应力作用下无取向分子链局部转变为取向排列的纤维束局部转变为取向排列的纤维束。无取向的晶态聚合物无取向的晶态聚合物在塑件变形在塑件变形过程中。首先是过程中。首先是晶球的破坏晶球的破坏，使与，使与应力垂直的薄晶与无定型相分离，应力垂直的薄晶与无定型相分离，然后然后薄晶沿应力方向排列薄晶沿应力方向排列。晶体破。晶体破碎成小晶块时，分子链仍然保持折碎成小晶块时，分子链仍然保持折叠结构
10、。叠结构。随着变形进一步发展，小晶体沿拉伸方向整齐排随着变形进一步发展，小晶体沿拉伸方向整齐排列，列，形成长的纤维形成长的纤维，如图，如图l-19l-19所示所示 。当薄品转变为微纤维束的当薄品转变为微纤维束的晶块时，分子链沿拉应力方向晶块时，分子链沿拉应力方向伸展开，如图伸展开，如图1-201-20所示。所示。由于许多串联排列的晶体由于许多串联排列的晶体块是从同一薄晶中撕出来的，块是从同一薄晶中撕出来的，所以晶体块之间有许多伸开的所以晶体块之间有许多伸开的分子链将它们彼此连接在一起。分子链将它们彼此连接在一起。微纤维的定向排列以及伸展开的分子链的定向排微纤维的定向排列以及伸展开的分子链的定向
11、排列，使高分子材料强度大幅度提高。列，使高分子材料强度大幅度提高。由于微纤维间的联结，分子链进一步伸展，微纤由于微纤维间的联结，分子链进一步伸展，微纤维结构的继续变形非常困难，从而造成形变硬化。维结构的继续变形非常困难，从而造成形变硬化。3.高分子材料的塑性变形高分子材料的塑性变形 非晶态非晶态(玻璃态玻璃态)高分子材料的塑性变形机理主要是高分子材料的塑性变形机理主要是形成银纹形成银纹。银纹银纹是高分子材料在变形过程中产生的一种是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于缺陷，由于它的密度低，对光线的反射能力很高，看起它的密度低，对光线的反射能力很高，看起来呈银色来呈银色，因而得名。，因而得名
12、。银纹产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位。在拉银纹产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位。在拉应力作用下，材料弱结构或缺陷部位往往先被拉开，形应力作用下，材料弱结构或缺陷部位往往先被拉开，形成亚微观裂纹或空洞，这些空洞继续发展便形成肉眼可成亚微观裂纹或空洞，这些空洞继续发展便形成肉眼可见的银纹。见的银纹。l银纹材料银纹材料体密度体密度约比无银纹材料小约比无银纹材料小5050。l在继续变形过程中，银纹的长度在与拉应力垂直的方在继续变形过程中，银纹的长度在与拉应力垂直的方向上生长，其厚度变化不大。向上生长，其厚度变化不大。l随着塑性交形量的增大，银纹的数量不断增多，高密随着塑性交形量的增大，银纹的数量不断增多，高密度的银纹可产生超过度的银纹可产生超过100100的应变。的应变。l由于银纹中的纤维取向排列使强度增高，因而由于银纹中的纤维取向排列使强度增高，因而随着变形量的增大，材料将不断产生应变硬化。随着变形量的增大，材料将不断产生应变硬化。l银纹的尖端可以造成应力集中，将对进一步的银纹的尖端可以造成应力集中，将对进一步的变形和断裂产生直接影响。变形和断裂产生直接影响。