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1、第5章 材料的形变a点：比例极限p,它是应力与应变成正比例的最大极限。=E 即胡克定律。e点：弹性极限e，ae段应力与应变不再保持正比关系，但在外力撤除后变形仍可完全消除。s点：屈服极限s，在屈服阶段应力不变而应变不断增加，这种现象叫屈服。b点：强度极限b，让试件继续变形，必须继续加载，最高点（b点）所对应的应力。k点：应力达到强度极限后，试件局部发生剧烈收缩的现象，称为颈缩。ap重要的强度指标工程上具有重要意义的强度指标弹性极限e屈服极限（屈服强度）s强度极限（抗拉强度）b 材 料 在 受 力 时 总 是 先 发 生 弹 性 变 形，即 弹 性 变 形是 塑 性 变 形 的 先 行 阶 段，
2、而 且 在 塑 性 变 形 中 还 伴随着一定的弹性变形。5.1 弹性变形5.1.1 弹性变形的本质定义：外力去除后能够完全恢复的那部分变形。从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。当原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。这样，外力去除后，原子都会恢复其原始位置。5.1.2 弹性变形的特征和弹性模量o 普弹性（应变都是瞬时达到其平衡值）晶体发生弹性变形时应力与应变成线性关系，去掉外力，应变完全消失，晶体恢复到未变形状态。弹性变形阶段应力与应变服从虎克定律。正应力正应变杨氏模量(弹性模量）弹性变形的主要特征是：(1)理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，
3、卸载时变形消失并恢复原状。(2)金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或卸载时，只要在弹性变形范围内，其应力与应变之间都保持单值线性函数关系，即服从虎克（Hooke）定律。(3)弹性变形量随材料的不同而异。工程上，弹性模量是材料刚度的度量。在外力相同的情况下，材料的E 越大，刚度越大，材料发生的弹性变形量就越小。滞弹性（考虑时间的作用，应变滞后应力）一些实际晶体，在加载或卸载时，应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程来完成其变化的。这种在弹性极限e范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为滞弹性或弹性后效。黏弹性黏性流动：非晶态固体和液体在很小外力作用下便会发生没有确定形状的流变
4、，并且在外力去除后，形变不能回复。所谓黏弹性，是指材料不但具有弹性材料的一般特征，同时还具有黏性流体的一些特征。理想弹性固体服从虎克定律，即应力正比于应变；而理想黏性流体服从牛顿定律，即应力正比于应变速率。这是两种极端的情况，实际材料的行为往往偏离这两个定律。在外力作用下，材料的应力可以同时依赖于应变和应变速率，也就是兼有固体的弹性和液态的粘性两者特征因此称作材料的黏弹性。黏弹性变形具有弹性变形和黏性变形的两方面特征。黏弹性是高分子的重要力学特性之一。5.2 晶体的塑性变形o 塑性变形：材料在外力作用下发生永久变形而不被破坏的能力。5.2.1 单晶体的塑性变形金属的塑性变形主要通过滑移方式进行
5、，此外还有孪生与扭折，高温为扩散蠕变和晶界滑动。a.滑移线与滑移带将表面经磨制抛光的金属试样进行适当的塑性变形，然后作显微观察。在抛光的表面出现许多明显的滑移变形的痕迹，称为滑移带。若用电子显微镜观察，发现每条滑移带均由许多聚集在一起的相互平行的滑移线所组成。滑移线实际上是晶体表面产生的一个个滑移台阶造成的。滑移时，滑移面与滑移方向并不是任意的。滑移面应是面间距最大的密排面，滑移方向是原子的最密排 方向，此时滑移阻力最小。b.滑移系一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。晶体结构 滑移面滑移方向滑移系数目面心立方 111 4312体心立方 110 112 123 6212密排六方
6、 六方底面底面对角线133结论：o 滑移面一般总是密排面，滑移方向一般总是密排方向。o 每种晶体类型的金属都具有特定的滑移系。o 滑移系数目越多，晶体的塑性越好。体心立方结构缺乏密排程度足够高的密排面，故滑移面不太稳定，通常低温为112、中温为110，高温时为123，滑移方向很稳定总是111。112晶面族共包括12组不同方位的晶面，每晶面上都有一个111方向。123共有24组不同方位的晶面每晶面也有一个111方向。加上12个110 111滑移系，体心立方共有48个滑移系。体心立方金属滑移系较多，故比密排六方结构金属塑性好。但其滑移面原子密排程度不如面心立方，滑移方向的数目也少于面心立方，故体心
7、立方金属不如面心立方金属塑性好。c.滑移的临界分切应力该分切应力称为滑移的临界分切应力。当晶体受到外力作用时，不论外力方向、大小和作用方式如何，均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时，滑移过程才能开始。F在滑移方向上切向分力 F=Fcos滑移面面积临界分切应力分切应力圆柱形单晶体当取向因子达到最大值(0.5)s最小，即用最小的拉应力就能达到k。取向因子大的为软取向，取向因子小的为硬取向。当 90 度或当 90 度时，s 均为无限大，这就是说，当滑移面与外力方向平行，或者是滑移方向与外力方向垂直的情况下不可能产生滑
8、移。d.滑移时晶面的转动单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往作伴随着晶面的转功，对于只有一组滑移面的密排六方结构，这种现象尤为明显。拉伸时，滑移面趋于与轴向平行；压缩时，滑移面趋于与轴向垂直。e.多系滑移变形时晶面转动滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切应力最大）中进行另一组滑移面上的分切应力也可能逐渐增加到足以发生滑移的临界值以上晶体的滑移就可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行多系滑移具有多组滑移系的晶体不同滑移系的位错相互交截而给位错的继续运动带来困难 强化机制o 对于具有较多滑移系的晶体而言，除多系滑移外，还常可发现交滑移现象，即两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或
9、交替滑移。o 交滑移的实质是螺位错在不改变滑移方向的前提下，从一个滑移面转到相交接的另一个滑移面的过程，可见交滑移可以使滑移有更大的灵活性。金属单晶体的典型应力一应变曲线（也称加工硬化曲线）I阶段易滑移阶段 阶段线性硬化阶段 阶段抛物线型硬化阶段 当 达到晶体的 后，应力增加不多，便能产生相当大的变形。此段接近于直线，加工硬化率（斜率）低。随着应变量增加，应力线性增长，此段也呈直线，且斜率较大，加工硬化十分显著。随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线型，加工硬化率逐渐下降。多晶体是由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成的，晶粒与晶粒之间的过渡区域即为晶界。5.2.2 多晶体的塑性变形晶界在多晶体塑性
10、变形中的四个作用：o 1、协调作用o 2、障碍作用（低温或室温下）o 3、促进作用（高温下）o 4、起裂作用多晶体塑性变形的特征o 多晶材料形变的基本过程与单晶相同，但复杂得多。其复杂性源自晶界以及邻接晶粒的限制作用。换言之，外加应力是通过周围晶粒传输到个别晶粒的，同时一个晶粒的形变必然涉及到各邻接晶粒的形变，多晶材料的强度显然应高于单晶。由此也可推断，细化晶粒必能提高材料的强度与硬度。1晶粒取向的影响 多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑移系上进行滑移。处于有利位向的晶粒首先发生滑移，处于不利方位的晶粒却还未开始滑移。多晶体中各晶粒之间的变形要相互协调与配合。o 施 于 任 何
11、给 定 晶 粒 的 载 荷 对 于 每 一 可 能 的 滑 移 系 都可 分 解 成 切 应 力 和 正 应 力。当 切 应 力 超 过 材 料 的 临界 切 应 力 时，就 会 造 成 位 错 的 产 生 与 运 动 从 而 产 生材料的塑性变形。o 材 料 变 形 时，正应力分量会造成每个晶粒都在转动，使 运 行 中 的 滑 移 方 向 愈 趋 近 拉 力 方 向。多 晶 体 的 变形是各晶粒联合变形的总结果。o 多 晶 体 变 形 涉 及 沿 滑 移 面 和 沿 晶 界 的 两 种 运 动，这就 更 增 加 了 复 杂 性，因 为 滑 移 可 能 改 变 着 晶 界 的 方向。o 为协调
12、已发生塑变的晶粒形状的改变，四周晶粒必须是多系滑移。这样有越来越多的晶粒分批滑移，造成宏观的塑变效果。o 面心立方与体心立方滑移系多，各晶粒变形协调性好，因此塑性好。o 密排六方滑移系少，协调性差，塑性也差。o 室温变形时，由于晶界附近滑移受阻，使晶粒内部和晶界变形量不同，所以整个晶粒变形是不均匀。图为两个晶粒变形后呈竹节状说明室温变形时晶界具有明显强化作用。晶粒竹节状2晶界的影响 位错塞积o 在外加应力作用下，只有处在有利位向的晶粒中的那些取向因子最大的滑移系才能首先开动。周围位向不利的晶粒的各滑移系上的分切应力尚未达到临界值，所以还没发生塑变处在弹性变形状态。o 当有晶粒塑变时，就意味着其
13、滑移面上的位错源将不断产生位错，大量位错将沿滑移面源源不断运动，但由于四周晶粒位向不同，滑移系的位向也不同，运动着的位错不能越过晶界，于是晶界处将形成位错的平面塞积群。o 晶界附近产生的位错塞积群会对晶内的位错源产生一反作用力，此反作用力随位错塞积群的数目增多而增大。o 随外载荷的增加，应力集中和外加应力迭加使相邻晶粒某滑移系上的分切应力达到临界值，于是该滑移系起动，开始塑性变形。晶粒大小对塑性变形的影响o 晶粒越细，单位体积所包含的晶界越多，其强化效果越好。这种用细化晶粒提高金属强度的方法叫细晶强化。屈服强度与晶粒直径有如下关系：霍尔佩奇（Hall-Petch）公式 s 是多晶体的屈服强度；
14、0 相当于极大单晶的屈服强度；K 是晶界对变形的影响系数；d 是晶粒平均直径。多晶体的强度随其晶粒细化而提高。Cu单晶与多晶的曲线比较拉应力伸长 多晶体的应力一应变曲线不会出现单晶曲线的第I阶段，而且其硬化曲线通常更陡，细晶粒多晶体在变形开始阶段尤为明显。Al单晶与多晶的曲线比较3.多晶体的应力一应变曲线塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素。5.6 高聚物的变形特点o 高 分 子 材 料 受 力 时，它 也 显 示 出 弹 性 和 塑 性 的变形行为，其总应变为 o 弹性变形 e由 两 种 机 制 组 成，即 链 内 部 键 的 拉伸和畸变，以及整个链段的
15、可回复运动。o 塑性变形v是靠黏性流动而不是靠滑移产生的。o 聚合物产生塑性变形的难易程度与该材料的粘度有关。黏度是流体抗拒流动的程度，是流体分子间相互吸收而产生阻碍分子间相对运动能力的量度，即流体流动的内部阻力。物质在外力作用下，液层发生位移，分子间产生摩擦，对摩擦所表现的抵抗性称为绝对黏度，简称黏度。o 黏度高，黏性变形小。o 高聚物的力学行为强烈依赖于温度及外力作用时间。应力-应变试验o 不同高分子具有不同的应力-应变曲线。o 曲 线 A 是 脆 性 高 分 子 的 应 力-应 变 特 性，它 在 材 料 出 现 屈服 之 前 发 生 断 裂，是 脆 性 断 裂。在 这 种 情 况 下，
16、材 料 断 裂前 只 发 生 很 小 的 变 形。曲 线 B 是 玻 璃 态 聚 合 物 的 应 力-应变 行 为，它 在 开 始 时 是 弹 性 形 变，然 后 出 现 了 一 个 转 折 点，即 屈 服 点，最 后 进 入 塑 性 变 形 区 域，材 料 呈 现 塑 性 行 为。此 时 若 除 去 应 力，材 料 不 再 恢 复 原 样，而 留 有 永 久 变 形；曲线C 是弹性体的应力-应变曲线。脆性断裂与韧性断裂判断标准o 1、应力-应变曲线o 2、试样断裂面形貌o 3、冲击强度o 同一高聚物材料表现为脆性或韧性与试验条件或所处环境有关，温度和应变速率是主要影响因素。（低温脆性高温韧性
17、；拉伸速度提高，韧性下降等）高聚物断裂时微观结构的破坏过程a 化学键破坏b 分子链滑脱c 范德华力或氢键破坏银纹现象高 分 子 材 料 表 面 或 内 部 出 现 裂 纹 时，裂 纹 总 是 垂 直 于 应 力 方 向，由 于 裂 纹 区 的 折射 率 低 于 高 聚 物 本 体，在 裂 纹 和 本 体 高 聚 物 之 间 的 界 面 上 有 全 反 射 现 象，裂 纹 看上去呈银色的光亮条纹，所以形象地称之为“银纹”。银 纹 是 高 分 子 材 料 特 有 的 现 象。裂 纹 或 银 纹 在 较 大 的 外 力 作 用 下 会 进 一 步 发 展 成裂缝，最后使材料发生断裂而破坏。o 很 多
18、 高 分 子 材 料 在 塑 性 变 形时 往 往 会 出 现 均 匀 形 变 的 不稳 定 性。在 试 样 某 个 部 位 的应 变 比 试 样 整 体 的 应 变 增 加得 更 加 迅 速，使 本 来 均 匀 的形 变 变 成 了 不 均 匀 的 形 变，呈 现 出 各 种 塑 性 不 稳 定 性，最 常 见 的 和 最 重 要 的 是 拉 伸试验中细颈的形成。o 图 示 为 典 型 的 结 晶 高 分 子 在单 向 拉 伸 时 的 应 力-应 变 曲线。不均匀形变o 结 晶 高 分 子 的 应 力-应 变 曲 线 比玻 璃 态 高 聚 物 的 拉 伸 曲 线 具 有 更明 显 的 转 折
19、，整 个 曲 线 可 分 为 三段。o 第 一 段 应 力 随 应 变 线 性 地 增 加，试 样 被 均 匀 地 拉 长，仲 长 率 可 达百分之几到百分之十几。o 过 了 屈 服 点 后，开 始 进 入 第 二 阶段，试 样 的 截 面 突 然 变 得 不 均 匀，出 现 一 个 或 几 个 细 颈。在 第 二 阶段，细 颈 与 非 细 颈 部 分 的 截 面 积分 别 维 持 不 变 而 细 颈 部 分 不 断扩 展，非 细 颈 部 分 逐 渐 缩 短，直至整个试样完全变细为止。o 第 三 阶 段 是 应 力 随 应 变 的 增 加 而增大直到断裂点。abcdo 当结晶高分子受拉发生形变时，晶体之间的非晶部分首先发生形变。所以在施加张力的条件下，观察片晶和片晶间的无定形区域的相互作用，能很好地解释塑性变形的机理。这个过程分如下几个步骤。end