大学材料科学与工程教程第八章-材料的变形与断裂(二).方案
8材料的变形与断裂西安交大材料科学基础汇总
22
0(2.8 61 08cm ) 8.5510
(3)1cm长的位错线上铁原子数为：
n 1cm
7
12.8 61 08cm4.0310 后退 下页
因位错线长为 10 8 cm，故位错线上总的铁原子数为
n8
78
15
2 1n 0 1 4 .0 1 3 0 10 4 .0 1 30
(4)偏聚于位错线下方的碳原子总数为：
其中 a— ， 原子间 b— 距 柏 ， 氏矢量
—泊松系数
1）a越大，即原子面间距大， P N 越小，
表示点阵阻力小，说明原子面间距越大， 位错运动阻力小，而a增大的面即原子最密 排面。
2） bPN ，即说明原子排列越
紧密，其位错运动阻力小。
后退 下页
3）fcc及沿基面{0001}滑移的hcp,其 P N 最低，沿 1100 及 1011 滑移
112
111
123
0001 1011
hcp下页
滑移系 12个
48个
3个
后退 下页
后退
下页
三、孪晶变形
后退 下页
孪晶变形特点：
1.孪晶变形有镜面对称的孪晶，孪晶也沿
一定的孪晶面及晶向方向，如：fcc中,孪晶
面（111），孪晶方向 [11 2 ] ;
2.孪晶中原子移动受严格限制，同一晶面
由于位错交割形成割阶，造成位错运动 增大，故强度提高。
问题 认真理解扭折与割阶的概念极其形 成过程。
二、位错反应
两个滑移面上的位错相遇，在一定条 件下可发生位错反应，形成一个不动位错。
后退 下页
在面心立方金属中，一个全位错可分 为两个不全 位错，中间夹一层错。
(111 )面 1[1： 1 0 ] 1[21 1 ]1[112 ]
《材料科学与工程基础》课程教学大纲
《材料科学与工程基础》教学大纲课程名称：材料科学与工程基础课程英文名称：Introduction to the Science andEngineering of Materials课程编码：0802ZY017 课程类别/性质：学科基础/选修学分：2学分总学时/理论/实验（上机）：32/32/0开课单位：化工学院适用专业：高分子材料与工程专业先修课程：无机及分析化学，有机化学一、课程简介《材料科学与工程基础》是高分子材料与工程专业学科基础课程。
是一门研究材料的结构、性能、加工和使用状况四者间关系的交叉学科。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程专业的学生必须具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
开设材料科学与工程基础这门课程，主要是为了使学生建立“大材料”基础。
通过学习材料科学与工程基础，学生将接触到金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料等各种材料，学生能清楚地认识到高分子材料在整个材料家族中所具有的结构特点、性能优势、加工特殊性以及合适的应用领域，为学生以后进一步学习高分子材料和从事材料科学与工程方面的工作打下基础。
《Introduction to the Science and Engineering of Materials》is a basic course of polymer materials and engineering. It is an interdisciplinary subject that studies the relationship between the structure, properties, processing and use of materials. The development of material science, material industry and high technology requires that students majoring in polymer materials and engineering must have the foundation of "big materials" and the generous knowledge structure of "medium materials". The course of fundamentals of materials science and engineering is mainly to enable students to establish the foundation of "big materials". By studying the fundamentals of materials science and engineering, students will be exposed to various materials such as metal materials, inorganic non-metallic materials, polymer materials and composites. Students can clearly understand the structural characteristics, performance advantages, processing particularity and appropriate application fields of polymer materials in the whole material family, Lay a foundation for students to further study polymer materials and engage in material science and Engineering in the future.二、课程教学目标通过本课程的学习使学生掌握材料物质结构、性质、加工和使用性能间的相互联系，培养学生具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构，使学生建立“大材料”观。
第8章材料的变形与断裂
第8章材料的变形与断裂材料的变形与断裂是材料科学中的重要研究内容，对于了解材料的性能和使用寿命具有重要意义。
材料的变形是指在外力作用下，材料的形状、尺寸或结构发生改变的过程。
而断裂则是指在外力作用下，材料由于受到极限载荷或破坏源的影响，导致形成裂纹最终导致材料的破裂。
材料的变形可以分为弹性变形和塑性变形两种情况。
在小应力作用下，材料会发生弹性变形，即在去除外力后能够恢复其原状。
而在大应力作用下，材料会发生塑性变形，即即使去除外力，材料也无法完全恢复其原状。
材料的弹性模量是一个衡量材料抗弹性变形能力的重要参数，不同材料具有不同的弹性模量，常见材料如金属具有较大的弹性模量，而聚合物则具有较小的弹性模量。
材料的塑性变形是材料工程中非常重要的一个特性，塑性变形不仅与材料的力学性能有关，还与材料的微观结构和晶格缺陷等因素有关。
材料在塑性变形过程中会产生塑性应变和塑性应力，塑性应变是材料发生塑性变形时所引起的应变，而塑性应力则是材料发生塑性变形时所引起的应力。
常见的材料塑性变形包括屈服、流动、硬化等过程。
材料的断裂是指在外力作用下，材料发生了破裂。
材料的断裂主要分为两种形式：韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂是指材料在外力作用下具有一定韧性，在发生破裂前能够发生大量的塑性变形。
而脆性断裂则是指材料在外力作用下没有发生明显的塑性变形，很快发生破裂。
韧性断裂常见于许多金属材料，而脆性断裂则常见于一些玻璃、陶瓷等材料。
材料的断裂形式可以通过断口分析来确定。
不同的断口形式对应着不同的材料断裂机制。
常见的断裂形式有拉断、韧窝断裂、脆窝断裂等。
拉断是指材料发生拉伸断裂，断口两侧平整光滑，常见于高强度的金属材料。
而韧窝断裂则是指材料发生韧性断裂，断口两侧有明显的韧窝。
脆窝断裂则是指材料发生脆性断裂，断口两侧有明显的断裂窝。
通过对断口形态的观察可以判断材料的断裂机制和断裂韧性。
材料的变形和断裂不仅仅涉及到力学性能的研究，还和材料的制备工艺、微观结构、晶体缺陷、应力和温度等因素有关。
材料科学基础教案
教学参考书
1. 《材料科学基础》 赵品
哈尔滨工业大学出版社
1999年
2. 《高分子材料导论》 张留成
化学工业出版社
1993年
3. 《工程陶瓷材料》 金志浩、周敬恩
机械工业出版社 1986年
讲授新课
1 材料的结合方式 2 晶体学基础 3 材料的晶体结构
材料的结合方式
一、化学键 1. 离子键 2. 共价键 3.金属键 4. 范德华键
二、工程材料的键性
离子键
1、形成 当两种电负性相差很大（如元素周期表相隔较远的元素）的原
子相互结合时，其中电负性较小的原子失去电子成为正离子，电负 性较大的原子获得电子成为负离子，正、负离子靠静电引力结合在 一起而形成的结合键。 2、特性
无方向性，无饱和性，结合力很大 3、具有离子键物质的特性
教学指导思想
1. 从材料科学与工程材料应用的角度出发讲授《 材料科学基础》，体现21世纪教学理念、教学改革 精神和世界工程教育思想。 2. 严格按《材料科学基础》教学大纲及《材料科 学基础实验大纲》进行教学，注意课程内容的准确 定位和整体优化。 3. 开设的实验及课堂讨论应有利于学生分析问题 、解决问题的能力及创新能力培养。
教学重点
1. 典型金属的晶体结构。 2. 晶体缺陷 3．凝固理论应用 4．铁碳相图及其应用 5．三元相图的应用 6．塑性变形后的组织与性能 7．再结晶
教学难点
1.典型金属的晶体结构。 2.晶体缺陷 3.凝固理论 4.铁碳相图的分析与应用 5.三元相图的分析与应用 6.塑性变形机理 7.再结晶机制
果，导致了系统的理论研究 3、1903～1945年，由研究合金相的平衡状态过渡到
从动力学角度研究相的变化。 4、1946～现在，继续向金属材料因状态不同导致性
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]
《材料科学基础》石德坷版第八章-4概要
§8.10、冷变形金属的回复阶段
一、回复阶段性能与组织的变化 二、回复动力学 三、回复机制
一、回复阶段性能与组织的变化
1、定义： 指冷变形金属加热时， 在新的无畸变晶粒出现之前， 所产生的亚结构与性能变化的过程。
一、回复阶段性能与组织的变化
2、特点： (1)大部分消除宏观残余内应力，
但微观残余内应力仍残存。 (2)电阻率降低(物理性能影响较大)。 (3)力学性能变化不大。
4、位错反应形成亚晶 亚晶还可通过位错在重新分布后， 相互作用发生位错反应而形成。
§8.11、冷变形金属的再结晶
前言 一、再结晶的形核 二、再结晶动力学 三、影响再结晶的因素（自学） 四、再结晶后的晶粒长大
前言
1、定义： 指无畸变的等轴新晶粒， 逐渐取代变形晶粒的过程。
2、特点： (1)组织彻底改变。 (2)各项性能指标基本恢复。 (3)在实际生产中很有意义。 (4)是形核、长大过程， 但它不是相变， 晶体结构没有改变， 只是组织发生了变化。
第八章 材料的变形与断裂
补充
1、冷变形金属在加热时， 随温度升高， 原子的扩散能力增强， 在晶体内部储存能(弹性畸变能)的驱动下， 将发生一系列组织、力学性能变化。
2、回复与再结晶阶段： T0～T1温度范围内无组织变化，称回复阶段； T1～T2温度范围为再结晶阶段； T2～T3范围是再结晶晶粒长大阶段。
一、再结晶的形核
理论上： 动力：弹性畸变能； 阻力：界面能。 再结晶核心是畸变能较大的区域。
实际上： 再结晶核心产生在大角度界面上， 或产生在晶粒内的亚晶上。
一、再结晶的形核
1、已存晶界的弓出形核 已存晶界两侧存在能量差， →边界向高密度位错晶粒移动 →晶界扫掠过的区域位错密度降低， 能量释放(动力△Gv)。 →△G＜0 →形成再结晶核心。
第八章材料的变形与断裂
质原子切变模量较大，对位错有斥力，反之切变模量较小时则有 吸力。
第八章材料的变形与断裂
间隙式的溶质原子 对于间隙式的溶质原子，当其溶于体心立方中，会造成
不对称畸变。这时，溶质原子不仅和刃型位错，也和螺型位 错有强烈的交互作用，因而产生了很强的固溶强化效果。
第八章材料的变形与断裂
2）双交滑移机制 高层错能的面心立方和体心立方，变形时的 位错增殖主要是靠双交滑移。 见书上P342
第八章材料的变形与断裂
合金的变形与强化
固溶强化： 合金在形成单相固溶体后，变形时的临界切应力都高于
纯金属。
置换式的溶质原子，考虑溶质原子与溶剂原子尺寸的差别。 尺寸相差越大，溶解度越小，强化效果越大。 原子尺寸差别（或称错配）所引起的晶格畸变，会产生一
第八章材料的变形与断裂
三. 位错的增殖
1）F-R源（弗兰克－瑞德源） 塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移
台阶，但位错的数量(位错密度)却在不断的增加，这 是因为在外应力作用下发生塑性变形时位错会发生增 殖。
例如
第八章材料的变形与断裂
位错的增殖
利用Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上 有一段位错，CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位 错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号 位错相消，产生一位错环，内部CD段还存在。反复可 生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶 可为柏氏矢量的整数倍。
3 消除：去应力退火。
第八章材料的变形与断裂
金属的断裂
一. 理论断裂强度 利用原子间结合力的模型可以求出金属的理论断裂强度。
第八章材料的变形与断裂
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
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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
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2021/2/11
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。
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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
这2就021是/2/虎11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
2021/2/11
位错宽度如何确定?阻力大小？
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• 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;
2021/2/11
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E为杨氏模量, ε 为应变 G为切变模量， γ为
切应变
G E 0 .333E
2(1)
8
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Байду номын сангаас变与相
2应021的/2纵/11向应变之比的绝对值!
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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
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/2/运11 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。
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 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
如果滑移b=0.25，则从滑移台阶的高度可粗略估计约有400个位错移出了
2晶021体/2/表11 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
•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
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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
间距离偏离平衡位置;
•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
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三、滑移与孪晶变形
1、滑移观察 1）光学显微镜观察
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，
第八章 材料的变形与断裂（一 ）
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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
从本质上派-纳力大小如何确定?
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❖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，
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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。