金属及合金的塑性变形与断裂
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。
焊接材料的塑性变形与断裂机理
焊接材料的塑性变形与断裂机理焊接是一种常见的金属加工方法，通过高温加热和冷却过程将两个或多个金属材料连接在一起。
在焊接过程中，焊接材料的塑性变形和断裂机理是非常重要的因素，它们直接影响着焊接接头的质量和性能。
首先，我们来探讨焊接材料的塑性变形机理。
塑性变形是指金属材料在受到外力作用下发生的可逆形变过程。
在焊接过程中，焊接材料会受到焊接电弧或热源的加热，从而达到熔化温度。
一旦焊接材料熔化，它就会变得可塑性，可以通过外力进行塑性变形。
焊接材料的塑性变形主要是通过热塑性变形和冷塑性变形来实现的。
热塑性变形是指焊接材料在高温下受到外力作用时发生的塑性变形。
在焊接过程中，焊接材料受到焊接电弧或热源的加热，使其达到熔化温度，然后通过焊接工具施加的外力进行塑性变形。
热塑性变形的优点是能够使焊接接头的形状更加精确，缺点是容易产生热裂纹和变形。
冷塑性变形是指焊接材料在冷却过程中受到外力作用时发生的塑性变形。
在焊接过程中，焊接材料在熔化后会迅速冷却，形成焊缝。
在冷却过程中，焊接材料会受到外力的作用，使其发生塑性变形。
冷塑性变形的优点是能够增加焊接接头的强度和硬度，缺点是容易产生冷裂纹和变形。
除了塑性变形，焊接材料的断裂机理也是非常重要的。
断裂机理是指焊接材料在受到外力作用下发生破裂的过程。
在焊接过程中，焊接材料会受到焊接电弧或热源的加热和冷却过程的影响，从而产生内部应力。
如果这些内部应力超过了焊接材料的强度极限，就会导致焊接接头的断裂。
焊接材料的断裂机理主要有两种，一种是脆性断裂，另一种是韧性断裂。
脆性断裂是指焊接材料在受到外力作用下迅速破裂的过程。
脆性断裂的特点是断口平整，没有明显的塑性变形。
脆性断裂主要是由于焊接材料中存在的缺陷或内部应力引起的。
韧性断裂是指焊接材料在受到外力作用下发生延展性破裂的过程。
韧性断裂的特点是断口不平整，有明显的塑性变形。
韧性断裂主要是由于焊接材料中的晶粒细化和断口韧化等因素引起的。
综上所述，焊接材料的塑性变形和断裂机理是影响焊接接头质量和性能的重要因素。
谈塑性变形与断裂的关系
谈塑性变形与断裂的关系----------------------塑性变形是断裂的基础，断裂是塑性变形的最终结果。
0 引言塑性变形指的是永不可恢复的变形，其具体的机制包括位错滑移、孪生、晶界滑动、扩散性蠕变。
其中一般情况下位错滑移起主要作用，孪生多发生在低温、高应变速率时滑移系少的材料中，而晶界滑动与扩散性蠕变一般在高温下发生。
断裂指材料在应力的作用下分离两个或多个部分的现象。
如若有上文四种机制的作用，我们便可认为材料发生了塑性变形，因此，讨论塑性变形与断裂的关系就可转化为讨论各种不同断裂的机理与塑性变形机制的关系，以明确塑性变形在断裂中的作用，阐明他们之间的必然联系。
本文核心论点为：塑性变形是断裂的基础，断裂是塑性变形的必然结果。
接下来讨论以下从八个具有不同断裂机理的断裂，以阐明塑性变形与断裂的关系，论证塑性变形是断裂的基础，断裂是塑性变形的最终结果。
1延性断裂延性断裂是指在断裂过程中，塑性变形起主导作用的断裂形式，包括切离和微孔聚集型断裂。
首先来看切离断裂，单晶体在拉伸塑性变形中只有一个滑移系统开动（如hcp中只沿基面滑移的情况），试样将沿着滑移面分离，对于多晶体，多滑移系统同时动作，协调变形，试样将经过均匀变形和颈缩等阶段，变形至颈部截面积为零时断裂，形成尖锥状的断口。
切离断裂是位错无限发展的结果，位错运动贯穿切离断裂的始终，没有位错不断滑移，就不可能发生切离断裂。
由微孔的形核、长大聚合而导致的断裂叫做微孔聚集型断裂，微孔形成的机制共有三种，分别为空位扩散机制、强化相脱粘机制与强化相碎裂机制。
空位的形成是由于位错割阶的非保守运动而产生的，空位的扩散聚集成为微孔，其过程是通过位错的运动。
而强化相脱粘机制与强化相碎裂机制是由于强化相在材料中阻碍滑移，使得强化相前方位错塞积，应力集中，当应力大于强化相强度或者强化相与基体的结合强度时，就导致了强化相本身的折断或者脱离，也即在此处产生了微孔。
而微孔的长大与连接也是塑性变形的结果：微孔间的材料形成“内颈缩”并随位错运动越来越细，内颈缩断裂，使得微孔与最近微孔相连，微孔不断聚合导致裂纹扩展，最终断裂。
金属的塑性变形
在某些特定条件下，金属晶体的一部分相对于另一部分沿一定轴进 行镜像对称的移动，形成孪晶。
扩散机制
金属在高温下，原子扩散能力增强，通过原子间的相互移动实现塑 性变形。
应力-应变关系与曲线分析
应力-应变关系
描述金属在塑性变形过程中所受应力 与产生的应变之间的关系。应力是单 位面积上的内力，应变是物体形状或 体积的改变程度。
热处理工艺改进
退火处理
通过退火处理可以消除金属材料内部的残余应力，改善其组织结 构和力学性能，从而提高其塑性变形能力。
正火处理
正火处理可以使金属材料获得细化的晶粒和均匀的组织，提高其 强度和塑性。
回火处理
回火处理可以消除淬火应力，稳定金属材料的组织和性能，进一 步提高其塑性变形能力。
微观组织调控手段
热处理工艺对塑性影响
01
退火处理
退火处理可以消除金属内部的残余应力，改善组织结构，提高其塑性。
例如，冷加工后的金属经过退火处理，可以恢复其塑性和韧性。
02
正火处理
正火处理可以使金属获得细化的晶粒和均匀的组织，从而提高其塑性和
韧性。正火处理常用于改善中碳钢的切削性能和力学性能。
03
淬火处理
淬火处理可以使金属获得马氏体组织，提高其硬度和强度，但会降低其
金属的塑性变形
目 录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属塑性变形过程中的组织结构演变 • 影响金属塑性变形能力因素探讨 • 金属塑性变形实验方法及技术应用 • 提高金属材料塑性变形能力策略探讨 • 总结：金属塑性变形研究意义与未来发展趋势
塑性变形基本概念与
01
原理
塑性变形定义及特点
塑性变形定义
利用电子显微镜的高分辨率和 高放大倍数，观察金属的微观 组织和结构缺陷，如位错、层 错、孪晶等。这些信息有助于 深入了解金属的塑性变形机制 和强化机制。
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。
《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能
重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的 最低温度来表示。
最低再结晶温度：
T再=0.4T熔点 式中温度单位为绝对温度(K)。
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学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
(3)再结晶温度影响因素：
1）变形程度 ➢2）金金属属再纯结度晶前：塑纯性度变越形高的, 最相低对再变结形晶量温称度为也预就先越变低形 度➢。3）预；加先热变速形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不 稳➢➢杂再定质结, 最和晶低合是再金一结元扩晶素散温（过度高程也熔, 需就点一越元定低素时；）间阻才碍能原完子成扩；散和晶 ➢界➢当提迁预高移先加, 可变热显形速著度度提达会高一使最定再低大结再小晶结后在晶,较最温高低度温再；度结下晶发温生度；趋于某 一➢高原稳纯始定度晶值铝粒。(越99粗.9大9,9再%结)最晶低温再度结越晶高温。度为80 ℃； ➢工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 ℃。
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、热加工晶粒大小控制措施
（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度 （3）.控制较快的冷却速度
0
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、产生残余内应力 ➢定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。
产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀， 位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。
➢1）宏观内应力 ➢2）微观残余应力 ➢3）晶格畸变应力
1
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1
第一节 金属的塑性变形
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。
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塑性变形及随后的加热对金 属材料组织和性能有显著的 影响. 了解塑性变形的本质, 塑性变形及加热时组织的变 化，有助于发挥金属的性能 潜力，正确确定加工工艺.
5万吨水压机
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、 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.
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
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
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
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
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:
Fe 弹性极限载荷( N )
σe =
( M pa )
(mm2 )
S0 试样原始横截面
E=σ / ε
2）刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。
( 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。
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
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。
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.
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
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
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
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。
（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
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。
刃位错的运动
（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。
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：
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)
（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)
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
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。
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？
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
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。
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
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。
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。