金属及合金塑性变形与断裂
第8章 金属高温下的变形与断裂
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典型的蠕变曲线
金属蠕变过程用蠕变曲线来描述。 金属蠕变过程用蠕变曲线来描述。典型的蠕变曲线如图。 （1）Oa线段：是试样在t 温度下承受恒定拉应力σ时所产 线段： 线段 生的起始伸长率δq。 若应力超过金属在该温度下的屈服强度，则δq包括弹性伸长 弹性伸长 塑性伸长率两部分。 率和塑性伸长率 塑性伸长率 此应变还不算蠕变 应变还不算蠕变，而是由外载荷引起的一般变形过程。 应变还不算蠕变
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(二)扩散蠕变
(二)扩散蠕变 扩散蠕变： 扩散蠕变：是在较高温度(约比温度(T／Tm)远超过0.5)下的 ( 一种蠕变变形机理。 它是在高温下大量原子和空位定向移动造成的 高温下大量原子和空位定向移动造成的。 高温下大量原子和空位定向移动造成的 在不受外力情况下，原子和空位的移动无方向性，因而宏观 上不显示塑性变形。 但当受拉应力σ作用时，在多晶体内产生不均匀的应力场 产生不均匀的应力场。 产生不均匀的应力场
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刃位错攀移克服障碍的几种模型： 刃位错攀移克服障碍的几种模型： 可见，塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移 面上运动（a），或与异号位错相遇而对消（b），或形成亚 晶界（c），或被晶界所吸收（d）。
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当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时，位错源便可能 再次开动而放出一个位错，从而形成动态回复过程 动态回复过程。 动态回复过程 这一过程不断进行，蠕变得以不断发展。
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本章介绍内容： 本章介绍内容： 阐述金属材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象 蠕变现象。 蠕变现象 讨论蠕变变形和断裂的机理 蠕变变形和断裂的机理。 蠕变变形和断裂的机理 介绍高温力学性能指标及影响因素。 为正确选用高温金属材料和合理制定其热处理工艺提供基础 知识。
材料科学基础知识点总结(1)
金属学与热办理总结一、金属的晶体构造要点内容：面心立方、体心立方金属晶体构造的配位数、致密度、原子半径，八面体、四周体空隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特征、晶界具的特征。
基本内容：密排六方金属晶体构造的配位数、致密度、原子半径，密排场上原子的堆垛次序、晶胞、晶格、金属键的观点。
晶体的特色、晶体中的空间点阵。
晶格种类fcc(A1)bcc(A2)hcp(A3)空隙种类正四周体正八面体四周体扁八面体四周体正八面体空隙个数84126126原子半径2a3a a442r A空隙半径32a22a53a23a62a21a 444442r B晶胞：在晶格中选用一个能够完整反应晶格特色的最小的几何单元，用来剖析原子摆列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。
金属键：失掉外层价电子的正离子与洋溢此间的自由电子的静电作用而联合起来，这类联合方式称为金属键。
位错：晶体中原子的摆列在必定范围内发生有规律错动的一种特别构造组态。
位错的柏氏矢量拥有的一些特征：①用位错的柏氏矢量能够判断位错的种类；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路程径没关；③位错的柏氏矢量个部分均同样。
刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混淆型呈随意角度。
晶界拥有的一些特征：①晶界的能量较高，拥有自觉长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋向；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐化和氧化；⑥常温下晶界能够阻挡位错的运动，提升资料的强度。
二、纯金属的结晶要点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成体制。
基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质办理的观点。
铸锭的缺点；结晶的热力学条件和构造条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。
相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不停变化着的近程规则摆列的原子公司。
学习情境三金属材料塑性变形对组织性能的影响
2. 晶粒位向的影响
由于各相邻晶粒位向不同，当一处利于滑移方向晶粒发生滑 移时，必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束，使滑移受 到阻碍，从而提高金属塑性变形抗力。
（二） 晶粒大小的影响 晶粒越细，其强度和硬度越高。
细晶强化
晶粒越细晶界越 ，不同位向的晶粒也越 滑 移抗力 强度
晶粒越细晶粒数目越 变形均匀性 应力集 中，裂纹过早产生、扩展 塑性、韧性
一、金属材料变形特性
材料在外力的作用下，变形过程一般可分三个阶段：弹性 变形、塑性变形和断裂。其中对组织和性能影响最大的是 塑性变形阶段。
单晶体的滑移
多晶体
二、单晶体的塑性变形
单晶体塑性变形基本形式：滑移和孪生。
（一）滑移
1、滑移定义
滑移：指晶体在切应力的作用下， 晶体的一部分沿一定的晶面 (滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。 滑移带：当试样经过塑性变形后，在显微镜下观察，可在表面 看到许多相互平行的线条，称之为滑移带。 若干条滑移线组成一个滑移带。
三、 多晶体的塑性变形
单个晶粒变形与单晶体相似。
而多晶体变形是一个不均匀的塑性变 形过程。
（一）晶界及晶粒位向差的影响
1. 晶界的影响
当位错运动到晶界附近时，由于 晶界处的原子排列紊乱，缺陷和 杂质多，能量高，对位错的滑移
起阻碍作用，位错受到晶界的阻
碍而堆积起来,称位错的塞积。使 位错运动阻力增大，从而使金属 的变形抗力提高。
位错运动使其由冷塑性变形时的 无序状态变为垂直分布，形成亚 晶界，这一过程称多边形化。
回复带来的组织性能变化 （1） 宏观应力基本去除，微观应
力仍然残存；
（2）力学性能，如硬度和强度稍 有降低，塑性稍有提高；
第六章 金属和合金的塑性变形
第六章 金属和合金的塑性变形和再结晶金属材料（包括纯金属和合金）在外力的作用下引起的形状和尺寸的改变称为变形。
去除外力，能够消失的变形，称弹性变形；永远残留的变形，称塑性变形。
工业生产上正是利用塑性变形对金属材料进行加工成型的，如锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等。
塑性变形不仅能改变工件的形状和尺寸，还会引起材料内部组织和结构的变化，从而使其性能发生变化。
以再结晶温度为界，金属材料的塑性变形大致可分为两类：冷塑性变形和热塑性变形，在生产上，通常称为冷加工和热加工。
经冷塑性变形的金属材料有储存能，自由能高，组织不稳定。
若升高温度，使原子获得足够的扩散能力，则变形组织会恢复到变形前的状态，这个恢复过程包括：回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
从金属材料的生产流程来看，一般是先进行热加工，然后才进行冷加工和再结晶退火。
但为了学习的方便，本章先讨论冷加工，再讨论再结晶和热加工。
§6.1 金属材料的变形特性一、 应力—应变曲线金属在外力作用下，一般可分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。
图6.1是低碳钢拉伸时的应力—应变曲线，这里的应力和应变可表示为：000,L L L L L A F ∆=-==εσ 公式中F 是拉力，00,L A 分别是试样的原始横截面积和原始长度。
从图中可以得到三个强度指标：弹性极限e σ，屈服强度s σ，抗拉强度b σ。
当拉应力小于弹性极限e σ时，金属只发生弹性变形，当拉应力大于弹性极限e σ，而小于屈服强度s σ时，金属除发生弹性变形外，还发生塑性变形，当拉应力大于抗拉强度b σ时，金属断裂。
理论上，弹性变形的终结就是塑性变形的开始，弹性极限和屈服强度应重合为一点，但由于它们不容易精确测定，所以在工程上规定：将残余应变量为0.005%时的应力值作为弹性极限，记为005.0σ，而将残余应变量为0.2%时的应力值作为条件屈服极限，记为2.0σ。
s σ和2.0σ都表示金属产生明显塑性变形时的应力。
变形与断裂总结
第一章：单向静拉伸试验：是应用最广泛的力学性能试验方法之一。
1）可揭示材料在静载下的力学行为（三种失效形式）：即：过量弹性变形、塑性变形、断裂。
2）可标定出材料最基本力学性能指标：如：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率等。
拉伸力－伸长曲线拉伸曲线：拉伸力F －绝对伸长△L 的关系曲线。
在拉伸力的作用下，退火低碳钢的变形过程四个阶段：1）弹性变形：O ～e2）不均匀屈服塑性变形：A ～C3）均匀塑性变形：C ～B4）不均匀集中塑性变形：B ～k5）最后发生断裂。
k ～第二章：弹性变形：当外力去除后，能恢复到原形状或尺寸的变形。
特点：可逆性、单值线性、同相位、变形量小本质：都是构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。
弹性模量E ：是表征材料对弹性变形的抗力，工程称材料的刚度.E 值越大，在相同应力下产生的弹性变形就越小。
弹性模量是结构材料的重要力学性能指标之一。
影响因素：1、键合方式 2、原子结构 3、晶体结构 4、化学成分 5.微观组织 6.温度 弹性模量 E 与切变模量 G 关系：(其中： ν－泊松比。
)比例极限σp ：是材料弹性变形按正比关系变化的最大应力，即拉伸应力一应变曲线上开始偏离直线时的应力值。
弹性极限：材料由弹性变形过渡到弹－塑性变形时的应力，当应力超过弹性极限σe 后，便开始产生塑性变形。
（比例极限σp 和弹性极限σe 与屈服强度的概念基本相同，都表示材料对微量塑性变形的抗力，影响因素也基本相同。
）弹性比功ae ：（弹性比能、应变比能）表示材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。
一般用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
物理意义：吸收弹性变形功的能力。
几何意义：应力σ -应变ε曲线上弹性阶段下的面积。
欲提高材料的弹性比功：提高σe ，或降低 E2E G ν=（1＋）弹簧钢：含碳较高并添加Si 、Mn 等合金元素强化基体，经淬火＋中温回火获得回火托氏体组织及冷变形强化，以提高其弹性极限，使弹性比功ae 和弹性提高。
金属材料受力后会弯曲或断裂
金属材料受力后会弯曲或断裂金属材料是一类常见的工程材料，广泛应用于建筑、航空、汽车制造等领域。
在使用过程中，金属材料会承受各种外部力的作用，如拉力、压力、弯曲力等。
然而，这些力的作用会导致金属材料发生变形，甚至出现弯曲或断裂的情况。
本文将针对金属材料在受力后发生弯曲或断裂的原因以及相应的预防措施进行探讨。
首先，金属材料在受力后发生弯曲的原因有多种。
主要原因之一是金属材料的内部结构造成的。
金属材料的内部由晶粒组成，晶粒与晶粒之间通过晶界连接着。
当外力作用到金属材料上时，晶粒之间的晶界可能发生滑移或移位，导致材料整体发生塑性变形。
这种滑移和移位会导致材料内部产生应力集中区域，从而造成金属材料整体弯曲。
此外，金属材料的晶粒尺寸和材料的纯度也会影响金属材料的强度和塑性，进而影响材料在受力后的弯曲情况。
其次，金属材料在受力后出现断裂的原因也有多方面。
一方面，金属材料的强度不足可能导致断裂。
当外力作用到金属材料上超过材料的强度极限时，金属材料就会发生破裂。
此外，金属材料的内部存在缺陷也可能导致断裂。
缺陷包括气孔、夹杂物、裂纹等，这些缺陷会导致材料内部应力集中，从而引起断裂。
此外，金属材料的应力集中也可能导致断裂。
当外力作用到金属材料上时，如果材料表面存在缺口或切口等形状不良的部分，外力就会在这些部分产生应力集中，进而引发断裂。
对于金属材料在受力后弯曲或断裂的情况，我们应该采取相应的预防措施。
首先，正确选择金属材料是非常重要的。
对于不同场合的应用，需要选择适合强度和塑性的金属材料，以免在受力下出现过度弯曲或断裂。
其次，合理设计金属结构也是关键。
在设计过程中，应该避免金属结构出现应力集中的部位，适当增加支撑或加强结构刚度等方式来预防弯曲或断裂。
此外，采用适当的材料处理方法也能有效预防金属材料受力后弯曲或断裂。
比如，通过热处理可以改善金属材料的强度和塑性，进而提高金属材料的抗弯曲和抗断裂能力。
此外，加强金属材料的监测和检测也是重要的一环。
第六章材料科学基础
§6.1.1 普弹性
图 弹性变形与塑性变形
普弹性：应力与应变间符合线性关系，即满足虎克定律；
加上或去除应力时应变都能瞬时达到平衡
弹性的实质是原子作用势 的不对称性。
可以用双原子模型来解释。
图 双原子模型
弹性变形的主要特点是： (1)可逆性 去掉外力，变
s k s cos cos
τk称为临界分切应力，与金属 的晶体结构、纯度、加工状 态、试验温度与加载速度有 关，而与外力的大小、方向 及作用方式无关。
图 镁单晶屈服应力与晶体取向的关系
k取决于金属的本性，不受，的影响； 或＝90时，s ；
k＝scoscos s的取值 ，＝45时，s最小，晶体易滑移；
形就消失。 (2)线性 应力和应变间满
足直线关系。 (3)弹性变形量小 一般说
来，金属材料和陶瓷材料 的弹性变形很小，高聚物 材料的弹性变形可以比较 大。
E G
G E
2(1 )
弹性模量是材料结合强度的标志之一。主要的影响因素有： （1）结构 弹性模量与原子序数呈周期性变化趋势。 （2）温度的影响 T升高，热振动加剧，晶格势能发生变
螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。
9. 滑移的表面痕迹 单滑移：
单一方向的滑移带； 多滑移：
相互交叉的滑移带； 交滑移：
波纹状的滑移带。
滑移的位错机制
① 位错的运动是晶体的滑移 滑移是位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动形成的。
② 位错的增殖——弗兰克－瑞德位错源 ③ 位错的交割与塞积
图 工业纯铜中的滑移线
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相 对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面） 和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不 破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
金属材料性能与塑性变形
S0 —试样原始横截面面积（mm2）。
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2）屈服强度
定义：--指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。
公式：
s
Fs S0
MPa
式中：
Fs--试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷， 即拉伸曲线中S点所对应的外力（N）；
S0 --试样原始横截面面积（mm2）。
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对于大多数没有明显的屈服现象的金属材料。
式中： Ak—冲断试样所消耗的冲击功（J） So—试样缺口处的横截面面积（cm2）
可知：ak值越大，表示材料的冲击韧性越好。
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五、疲劳强度（σ-1）
1.定义： 疲劳强度—当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不 致引起断裂的最大应力。
2.表示方法： 通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上进行σ-1的测定 。 循环基数（N）：一般钢材： N= 107， 有色金属和某些超高强度钢： N=108。
2.力学性能指标
主要包括： 强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度。
力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。
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一、强度 1）定义
金属在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能 力。
2）分类
根据载荷作用方式不同： a）抗拉强度——主要的常用强度指标； b）抗压强度； c）抗剪强度； d）抗扭强度； e）抗弯强度。
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4.孪生 晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（孪生面）
产生一定角度的切变。
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§4.金属多晶体的塑性变形 特点： ⑴ 单个晶粒与单晶体一致； ⑵ 各晶粒的变形具有不同时性：分批、逐次。
原因：取向不同。 ⑶ 变形具有不均匀性:
晶粒内部与边界或晶粒之间。
晶界
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（二）滑移系
一个滑移面 和其上的一
个滑移方向
构成一个滑
移系。
三种典型金属晶格的滑移系单晶
晶格
体心立方晶格
体滑面移心系立方.s晶w格f
密排六方晶格
滑移面 {110}
滑移 方向
{111} {110}
{111}
滑移系
塑性指标
塑性：指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。
•评定塑性的指标：
• (1)断面收缩率: 指试样拉断处横截面积的收缩量Δ
S与原始横截面积S0之比。 S0 - S 1
ψ = ——-—× 100% S0
•(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ L 与原
始标距L 0之比。 l 1 - l0
多脚 虫 的 爬 行
晶体通过位错运动产生滑移 时，只在位错中心的少数原 子发生移动，它们移动的距 离远小于一个原子间距，因 而所需临界切应力小，这种 现象称作位错的易动性。
（五）多滑移系
在两个或更多的滑移系上进行的滑移系 称为多滑移系，简称多滑移。
（六）交滑移
两个或多个滑移面沿共同的滑移方向同时或 交替地滑移，称为交滑移。两个或多个滑移 面沿共同的滑移方向同时或交替地滑移，称 为交滑移。
3.位错的交割与塞积
位错的塞积位错塞积形成裂纹.swf 整个塞积群对位错源有一反作用力。当塞积位错的数
关ε 、 γ分别是正应变和切应变 E、 G是表征材料抵抗弹性变形能力和衡量材
料“刚度”的指标。
第二节 单晶体的塑性变形
单晶体金属的塑性变形 单晶体受力后，外力在
任何晶面上都可分解为 正应力和切应力。正应 力只能引起弹性变形及 解理断裂。只有在切应 力的作用下金属晶体才 能产生塑性变形。
外
切
1.位错的运动与晶体的滑移 刃型位错的滑移
螺型位错的滑移：
在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够大时，有 使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中 有一螺型位错，显然位错在晶体中向后发生移动，移 动过的区间右边晶体向下移动一柏氏矢量。
2.位错的增殖
位错增值模型.swf 螺位错双交滑移增殖模型.swf
第一节 金属的变形特性
金属在外力的作用下的变形过程可分为弹 性变形、弹塑性变形和断裂三个连续阶 段。
一、应力应变曲线
屈服点（强度）
(1) 屈服点 试样屈服时的应力为材料的屈服点 产生明显塑性变形的最低应力值.
σs
Fs
= σs
S0
试样屈服时的载荷( N ) ( M Pa )
试样原始横截面积( mm2)
图给出了拉伸外力P与任一晶面上的剪切应 力大小的关系。外力P作用在面积为A的圆柱体 上，在滑移面上产生的分切应力
F在滑移方向上的分切应力为
பைடு நூலகம்
只有τ值大于和等于某一个 临界值，柱体的上下两部 分才会相对的滑移，产生 宏观的塑性变形。这个分 切应力就称为临界分切应 力τc。
（四）切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动
δ = ——-—× 100%
l0
塑性指标不直接用于计算，但 任何零件都需要一定塑性，
防止过载断裂；塑性变形可以 缓解应力集中、削减应力峰值。
二、真应力-真应变曲线
三、金属的弹性变形
1）.弹性:金属材料受外力作用时产生 变形,当外力去掉后能恢复到原来形状 及尺寸的性能。
弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。 2）.弹性极限:
锌
力
应
单
在
力
晶
晶
作
的
面
用
拉
上
下
伸
的
的
照
分
变
片
解
形
韧性断口
脆性解理断口
塑性变形的形式：滑移和孪生。 金属常以滑移方式发生塑性变形。
一、 滑移 （一）滑移及滑移带 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶
向相对于另一部分发生滑动位移的现象。
滑移时，晶体两部分的相对位 移量是原子间距的整数倍.
A1
滑移后, 滑移
面两侧晶体的
位向关系未发
生变化。
F
自由滑移变形.swf 受夹具限制时代变形.swf 压缩时的晶面转动.swf
几何软化
几何硬化
压缩时的 晶面转 动.swf
韧性断口
2、滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的
理论临界切应力值比实际测量临界 切应力值大3-4个数量级。滑移是通 过滑移面上位错的运动来实现的。
滑移的结果在晶体表面形成台 阶，称滑移线，若干条滑移线 组成一个滑移带。
铜拉伸试样表面滑移带
1、滑移变形的特点 ： 正应力作
用.swf
⑴ 滑移只能在切应力的作
用下发生。产生滑移的最
小切应力称临界切应力.
⑵ 滑移常沿晶体中原 子密度最大的晶面和 晶向发生。因原子密 度最大的晶面和晶向 之间原子间距最大， 结合力最弱，产生滑 移所需切应力最小。
（2）屈服强度( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)
F0.2
= σ0.2
试样产生0.2%残余塑性变 形时的载荷(N)
( M Pa )
S0
试样原始横截面( mm2)
σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力
试样产生0.2%残余塑性变形
屈服点 σs 、屈服强度σ0.2是零件设计的主要依据； 也是评定金属强度的重要指标之一。
Fe 弹性极限载荷( N )
σe =
( M pa )
S0 试样原始横截面(mm2 )
E=σ / ε
2）刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。
弹性模量：弹性下应力与应变的比值，表示材料 抵抗弹性变形的能力。
即： E=σ / ε 切变模量：G＝τ/γ
材料的E越大，刚度越大； E对组织不敏感； 零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有
滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上
滑移方向向最大切应力方向转动。
自由滑移 变形.swf
转动的原因：晶体滑移后使正应
力分量和切应力分量组成了力偶.
A0
当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45°角时，滑
移方向上切应力 最大，因而最
F A0
容易发生滑移.
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。
因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。
（三）滑移的临界分切应力
在剪切应力作用下位错线滑移，并在表面形 成台阶，这就是塑性变形后在表面形成滑移带 的本质。那麽在拉伸外力作用下，如何能导致 位错线滑移？