谈塑性变形与断裂的关系
第2章 塑性变形与断裂
z
这里，F是载荷，A0是试样初始的横截面面 积。这个应力也是在近似应力-应变曲线中使 用的名义应力的定义。然而，因为在剧烈塑性 变形以后真实面积A可以只是A0的一部分，必 须采用正确的定义来计算真实应力。 σ =F/A （4.13）
[Physical Metallurgy]
二、流变应力
1、流变应力（屈服强度）
[Physical Metallurgy]
τ
（2） 临界分切应力的概念可借助于图4.3 来阐明
z
若一个载面为A的圆柱体形晶体受到轴向力F的作 用，则只是这个力沿滑移方向的分力在推动位错中才是 有效的。这一分力为FCOSλ，若将此力除以滑移面的 面积A/cos Ф ，即得到相应的切应力，因而 τ = F/AcosλcosФ=σcosλsinx 式中 σ=F/A 是拉应力 x=90°-Ф 在某一指定金属中，当τ到一定的临界值τ。时 ，产生 变形。
z
应力与塑性应变关系中一个显著的特征是低于某 一应力（流变应力S0 ）时基本上不产生塑性应变。因 此对于弹性应变，应力应变关系可用式ε=σ/E来表 示，ε为沿着应力作用方向的正应变。然而，对于塑 性应变，则需用两个等式，例如： 对于σ＜S0，ε=0 于σ＞S0，ε=f(σ)
[Physical Metallurgy]
S 的临界值。
[Physical Metallurgy]
−
（3）用拉伸试验容易确定S0值的大小。拉伸实 验时的应力状态为：S1 = σ 1 ，S2 = S3 = 0 ，代入式 （4.15），则变为
（2）塑性变形 若圆棒由始长l0均匀地塑性变形到长度l，其真实 应变ε为：
ε =
∫ dε = ∫
l
l0
l dl l = [ln l ]l 0 = ln l0 l
材料的塑性变形与断裂行为研究
材料的塑性变形与断裂行为研究材料的塑性变形与断裂行为是材料科学与工程领域中非常重要的研究方向。
通过深入研究材料的塑性变形与断裂行为，可以为材料的设计与制造提供重要的依据，从而提高材料的性能与可靠性。
一、塑性变形行为在材料的塑性变形行为研究中，我们主要关注材料在受力下的形变与变形过程。
塑性变形是指材料在外力作用下能够发生持续的变形，而不会恢复到初始状态。
这种变形是由材料内部的晶体结构发生滑移与重排所引起的。
晶体结构的缺陷与晶界的运动对塑性变形行为起着重要的作用。
塑性变形行为的研究可以通过实验与模拟两种方法进行。
在实验中，常用的方法包括拉伸、压缩和剪切等试验。
通过测量材料的应变与应力，可以得到材料的应力-应变曲线。
这个曲线可以反映材料的力学性能与塑性变形行为。
另外，还可以通过光学显微镜和电子显微镜观察材料的变形结构与晶界运动。
在模拟方法中，常用的手段是有限元分析。
有限元分析可以通过数值计算的方法模拟材料的力学行为。
通过建立合适的模型，可以预测材料的应力分布、应变分布和位移分布等。
有限元分析可以帮助研究人员深入理解材料的力学行为，并优化材料设计与制造过程。
二、断裂行为研究除了塑性变形行为，断裂行为也是材料研究的重要方向。
断裂是指材料在受力下破裂的现象。
断裂行为的研究可以帮助我们了解材料的强度与韧性，从而为材料的设计与应用提供指导。
断裂行为的研究主要包括断裂形态与断裂机制的研究。
断裂形态指的是材料在受力下发生破裂时的外观与形态。
不同的材料在破裂时会出现不同的断裂形态，如拉伸破裂、剪切破裂和韧窝破裂等。
通过观察与分析断裂形态，可以揭示材料的断裂机制与破裂过程。
断裂机制是指材料在受力下破裂的原因与机理。
材料的断裂机制与其微观结构有关。
不同的材料具有不同的断裂机制，如晶体的滑移与塑性变形、晶界的开裂与断裂以及多孔材料中的裂纹扩展等。
通过研究断裂机制，可以在材料设计与制造中预测和控制材料的断裂行为，提高材料的韧性与可靠性。
大学材料科学基础第八章材料的变形与断裂(1)
六方晶系则需画图判定。
滑移系数量与金属的塑性 滑移系代表了晶体滑移时可能采取的空间取向，晶 体中滑移系数量越多，滑移时可能采取的空间取向就 越多，滑移就越容易进行，金属的塑性便越好。 面 心 立 方 金 属 ： Cu，Al，Au，Ag,，Ni，γ－Fe， 奥氏体钢，体心立方金属α－Fe，铁素体，Mo，Nb的 塑性很好，而密排六方金属Mg，Zr，Be，Zn的塑性 则较差。当然滑移系数量并不是决定金属塑性高低唯 一的因素，合金的成分、强度的高低、加工硬化的能 力等也会影响到金属的塑性。试验表明，奥氏体钢的 塑性要优于铁素体钢。
金属拉伸曲线分析。 1 弹性变形阶段：ζ－ε呈直线关系。
（弹）塑性变形阶段： ζ-ε不遵循虎克定律
2 均匀塑性变形阶段：屈服阶段：ε增加，ζ基本保 持不变， ζ－ε呈非线性关系。 3 颈缩阶段（局部变形阶段）：变形集中在局部区 域。 4 断裂阶段：从颈缩到断裂。
拉伸试验可以得到以下强度指标和塑性指标：
拉伸条件下滑移系上分切应力的计算。
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
θ－滑移面法线与拉伸轴的夹角
4 力轴作用在任意方向
二、孪晶（孪生）变形
孪生也是金属塑性变形的一种形式，一般情况下， 金属晶体优先以滑移的方式进行塑性变形，但是当滑 移难以进行时，塑性变形就会以生成孪晶的方式进行， 称为孪生。例如滑移系较少的密排六方晶格金属，当 处于硬取向时，滑移系难以开动，就常以孪生方式进 行变形。滑移系较多的fcc、bcc结构的金属一般不发 生孪生变形，但在极低的温度下变形或是形变速度极 快时，也会以孪生的方式进行塑性变形。 定义：晶体在难以进行滑移时而发生的另一种塑 性变形方式，其特点是变形以晶体整体切变的形式 进行而不是沿滑移系发生相对位移。
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。
材料的塑性形变和断裂特性研究
材料的塑性形变和断裂特性研究材料科学是现代工程学和科学领域中的一个重要学科，它研究的是材料的性质、结构和性能。
材料科学的发展离不开对材料的塑性形变和断裂特性的深入研究。
塑性形变是材料在外力作用下发生的永久性形变，而断裂是材料在受到破坏力作用下发生的破裂过程。
一、塑性形变的研究材料的塑性形变是指在外力的作用下，材料不断变形，同时维持其形状。
塑性形变的研究对于材料的加工、应用以及性能优化具有重要意义。
1.1 动力学模拟在塑性形变的研究中，动力学模拟是一种常用的手段。
通过计算机模拟，可以模拟出材料在外力作用下的形变规律，并预测材料的机械性能。
1.2 结晶核心和位错塑性形变过程中，结晶核心和位错起着重要的作用。
结晶核心是材料中形成晶体的起始点，位错则是晶体中由于原子或离子位置的偏移而导致的杂质。
1.3 材料变形的不均匀性材料在塑性形变过程中，存在变形的不均匀性。
这种不均匀性主要表现在晶粒的变形程度、形状和取向的差异上。
二、断裂特性的研究材料的断裂特性是指材料在受到破坏力作用下发生的破裂过程。
对材料的断裂特性进行研究，有助于材料的设计和应用。
2.1 断裂韧性断裂韧性是材料在断裂前能够吸收的能量。
断裂韧性高的材料具有较好的抗拉、抗冲击等性能。
2.2 断裂模式断裂模式是指材料在发生断裂时，裂纹扩展的方式。
根据裂纹的扩展方向和形状，可以判断材料的断裂模式。
2.3 断裂机理材料的断裂机理是指在外力作用下，裂纹是如何扩展、如何传播的过程。
研究断裂机理可以为材料的改进提供指导。
三、塑性形变与断裂特性的关系塑性形变和断裂特性是密不可分的。
塑性形变的程度和方式会直接影响材料的断裂特性。
3.1 塑性形变对断裂的影响塑性形变可以改善材料的断裂特性。
通过增加材料的变形能力，可以减缓材料的断裂速度，增加材料的韧性。
3.2 断裂对塑性形变的限制断裂会对塑性形变产生限制。
当材料中存在裂纹时，裂纹会在外力的作用下扩展，最终导致材料的破裂。
第六章金属的塑性变形和断裂分析
1、单相固溶体的塑性变形：
塑变方式基本上与纯金属多晶体的变形相同， 但：
1.1产生固溶强化：由于溶质原子存在使强度、 硬度增高，塑性、韧性下降的现象；
原因：
①发生晶格畸变；
②形成柯氏气团：溶质原子在位错线附近的偏聚， 如图6－26所示；柯氏气团对位错有钉扎作用， 使位错运动的阻力增大；
a)溶质原子大于溶剂原子的置换固溶体； b)溶质原子小于溶剂原子的置换固溶体； c)间隙固溶体；
④fcc晶体孪生变形的示意过程，如图6－21所示； ⑤孪生时可听到声音； ⑥孪生对总变形量贡献不大；
⑦孪生的特点： 使一部分晶体发生了均匀的切变； 引起了晶体取向的变化； 不会改变晶体的点阵类型； 所需的切应力比滑移大许多倍； 在光学显微镜下观察到的是条带状；
第三节 多晶体的塑性变形
孪晶：以孪晶面为对称面而处于镜面对称位置的 一对晶体叫做孪晶（双晶），如图6－20所示；
说明： ①孪生是晶体塑变的另一种方式；
②孪生经常发生在：不易产生滑移的金属中、 某些金属滑移困难时、变形速度大时；
③孪生面和孪生方向： 例如：fcc：孪生面｛111｝，孪生方向为
〈112〉； bcc: 孪生面｛112｝，孪生方向为〈111〉
σ S—e
S — e：真应力真应变曲线
σ—ε
颈
σ—ε：工程应力应变曲线
缩
ε
工程应力—应变曲线中“颈缩”现 象掩盖了 “加工硬化”
3、弹性变形： 定义：金属受力发生变形，当外力去除，立即 恢复原状的变形，叫做弹性变形； 实质：利用双原子作用力模型解释： 仅原子间距发生微小的弹性变化，无显微组织 的变化； 特点：①变形是可逆的；
2.1滑移带：
高锰钢中的滑移带，500X
材料力学 论金属的断裂
工程材料力学期中作业班级成型2班姓名陶帅学号20113650论述金属的断裂一、基本介绍概念：金属材料在外力作用下断裂成两部分的现象。
磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。
在应力作用下（有时还兼有热及介的共同作用），金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂；内部存在裂纹，则为不完全断裂。
实践证明，大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。
对于不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。
二、断裂的基本类型弹性变形→塑性变形→断裂1，根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定断裂类型，可分为韧性断裂和脆性断裂。
2，多晶体金属断裂时，按裂纹扩展路径可以分为穿晶断裂和沿晶断裂。
3，根据应力类型可分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂、解理断裂。
三、具体分析1，韧性断裂韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45º角。
用肉眼或放大镜观察时，端口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是苏醒变形过程中微裂纹不断扩展和相连造成的，灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。
中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。
当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉伸力-伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。
在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。
微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。
早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。
这些剪切变形带从宏观上看大致与径向呈50º~60º角。
材料学工程—材料的变形与断裂二
这就是虎克定律和弹性模量的材料微学观工解程—释材料的变形与断裂二
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
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。
位错宽度如何确定？阻力大小？
10
材料学工程—材料的变形与断裂二
• 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）
－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，
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
= S， C =S cos cos
材料学工程—材料的变形与断裂二
S随角和角而定，所以 cos .cos称为取向因子，19即施 密特因子
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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。
可见微孔聚集断裂从微孔的形成到微孔的聚合，
均伴随着位错的运动，是塑性变形导致的结果，因此，塑性变形是微孔聚集断裂的前提。
2解理断裂
解理断裂指在主应力（拉应力）作用下，由于原子键的破断而产生的沿某一个解理晶面，通常为表面能最低的晶面的快速破断过程。
金属材料在切应力的作用下局部发生变形
时某一滑移面上的位错开始启动。
位错在滑移面上向滑移方向前进，当在滑移时遇到障碍
物即发生塞积。
从而引起应力集中，应力不能使邻近的晶粒屈服时，则在某一晶面上，产
生最大拉应力，当最大拉应力达到理论断裂强度时便会产生解理裂纹。
因此，需要经过位
错的运动塞积才能产生解理裂纹，故塑性变形是解理断裂的前提，是产生解理裂纹的必要
条件。
3准解理断裂
准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。
其小刻面不是晶体
学解理面，准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。
准
解理断裂常在回火马氏体的一个区间出现或在回火贝氏体中出现，碳化物沿晶面析出，阻碍了晶内的位错运动，位错塞积导致应力集中，造成了开裂，最后以塑性方式撕裂。
准解理断裂裂纹的产生与扩展，都依赖位错运动，因此，塑性变形是准解理断裂的前提。
4沿晶断裂
沿晶断裂指裂纹在晶界处形成并沿着晶界扩展的断裂形式。
沿晶断裂一般是在各种碳化物或者第二相在晶界偏聚或者由于其他原因弱化晶界，阻碍晶界的协调变形能力，使得在塑性变形中，随着塑性变形的进行，在三叉晶界处以及晶界弯折处应力容易集中，从而导致裂纹沿着晶界萌生开裂。
塑性变形积累到晶界不能协调变形的程度，是发生沿晶断裂的前提，因此，塑性变形是沿晶断裂的必要条件。
5疲劳断裂
疲劳指应变循环幅度主要限制在弹性范围内，在不大于材料屈服极限的交变载荷作用下，循环一定次数后金属结构发生的断裂现象称为疲劳断裂。
裂纹的形成可用Cottrell与Hull模型表示，当两个滑移系交替动作时，在一个循环周期之后，便可形成一个基础带和一个侵入沟。
随着循环周次增加，基础带更凸起，侵入沟更凹进即形成了微裂纹。
疲劳裂纹的扩展可以用Laird模型说明（P124）。
由两个模型可见，裂纹的萌生需要滑移系不断交替运动，而裂纹的扩展在拉应力作用下，位错滑移的不断进行与滑移方向的不断改变下完成的。
因此，塑性变形是高周疲劳断裂前提，没有塑性变形，就不可能发生疲劳断裂。
6应力腐蚀开裂
应力腐蚀开裂指在外力和环境介质共同作用下导致的断裂。
常见断裂机理有保护膜原理，原理大致如下：
应力使滑移面上的位错开始运动，时在保护膜下的新鲜金属露出，由于新鲜金属的腐蚀电位比保护膜较低，因此发生了腐蚀，当腐蚀面积增大时，表面又长出了钝化膜，腐蚀
停止。
腐蚀坑出由于应力集中，在此处由于滑移容易导致氧化膜再次破裂，又造成了腐蚀。
其实质是氧化膜破裂与氧化膜再次生成相互竞争的过程。
由此可见，位错的开动造成氧化膜开裂是应力腐蚀开裂的先决条件，因此，要发生应力腐蚀开裂必须要先有塑性变形的发生。
7氢脆
氢脆是指在应力与过量氢共同作用下使金属材料塑性、韧性下降的一种现象。