变形与断裂

一 拉伸曲线 1） 弹性变形 σp比例极限 σe弹性极限 2） 不均匀屈服塑性变形 σs屈服强度 3） 均匀塑性变形 σb抗拉强度 4） 不均匀集中塑性变形 5） 最后发生断裂 二

弹性变形定义 当外力去除后，能恢复到原形状或尺寸的变形－弹性变形。弹性变形具有可逆性的特点。无论变形量大小、应力－应变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆变形。（金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物具有单值线性关系，且弹性变形量都较小。橡胶态高分子聚合物不呈线性，且变形量较大。）

弹性变形本质 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。 弹性变形的微观过程 1） 在无外加载荷下，晶格中原子在其平衡位置仅作微小热振动，这是受原子间相互作用力控制的结果。原子间相互作用力是原子间距的函数。在原子平衡位置处合力为零。 2） 当受外力作用时，原子间相互平衡力受到破坏，原子的位置产生位移，达到新的平衡。原子位移的总和：在宏观上就表现为变形。 3） 当外力去除后，原子依靠彼此间作用力又回到原来平衡位置，宏观变形也随之消失，表现出弹性变形的可逆性。

弹性模数 E 是表征材料对弹性变形的抗力，工程称材料的刚度. 机械零件或工程构件的刚度 还与其截面形状、尺寸及载荷作用方式有关，与材料的刚度不同。 弹性模量E 的影响因素 1） 键合方式 一般来说，在构成材料聚集状态的 4 种键合方式中，共价键、离子键（无机非金属材料）和金属键（金属及其合金）都有较高的弹性模数;分子键（高分子聚合物）弹性模数低。 2） 原子结构 金属元素：弹性模数的大小与元素在周期表中的位置有关，实质是与元素的原子结构和原子半径有密切关系，原子半径越大，E 值越小。过渡族元素都有较高的弹性模数;因其原子半径较小，且 d 层电子引起较大的原子间结合力所致。 3） 晶体结构 单晶体材料：在不同晶体学方向上呈各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。多晶体材料：为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但这种各向同性称为伪各向同性。非晶态材料：如非晶态金属、玻璃等弹性模量是各向同性。 4） 化学成分 化学成分变化：可引起原子间距或键合方式的变化，也能影响材料的弹性模量。合金的弹性模量：将随组成元素的质量分数、晶体结构和组织状态的变化而变化。固溶体合金：弹性模数取决于溶剂元素的性质和晶体结构。随着溶质含量增加，弹性模量发生改变，但溶解度较小时变化不大。两相合金：弹性模数的变化比较复杂，它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及分布状态有关。 5） 微观组织 金属材料弹性模量：是一个组织不敏感的力学性能指标。工程陶瓷弹性模量：与构成陶瓷的相的种类、粒度、分布、比例及气孔串有关。一般随气孔率的增加，陶瓷的E 值下降。高分子聚合物的弹性模数：可通过添加增强填料而提高。复合材料：是特殊的多相材料。粒状增强相的复合材料弹性模数：随增强相体积分数的增高而增大。 6） 温度 一般地，随着温度升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，金属和陶瓷材料的弹性模量降低。弹性模量E： 与原子或离子分离距离的4次方或更高次方成反比。但是，弹性模量 E 降低也不是很厉害。

弹性比功 表示材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。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。工程设计中，若材料只容许有弹性变形，且要求能吸收很大的能量（如机械弹簧），其合适材料应有高的弹性极限σe 和低的弹性模量E 。一般工程材料，弹性模数 E 不易改变，尤其是金属材料；因此，常用提高弹性极限σe 方法来提高弹性比功 ae 。

滞弹性(弹性后效) 是指材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的现象。加载时，应变落后于应力，而与时间有关的滞弹性，称为正弹性后效。卸载时，应变落后于应力的现象，称为反弹性后效。（材料组织越不均匀，滞弹性越明显；钢经淬火或塑性变形后，组织不均匀性增加，滞弹性加大；温度升高和切应力分量增大，滞弹性越强烈；没有切应力的多向压应力作用下，看不到滞弹性现象。）

材料的滞弹性 对仪器仪表和精密机械中的重要传感元件的测量精度有很大影响，因此选材时需要考虑滞弹性问题。

内耗 在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线会不重合（应力和应变不同步），形成一封闭回线，称为弹性滞后环（交变加载弹性滞后环，交变加载塑性滞后环）。材料加载时吸收的变形功 > 卸载时释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收。这部分在变形过程中被吸收的功。内耗的大小：可用滞后环面积度量。金属材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的“内耗”。 循环韧性：指材料在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。内耗：指材料在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。

内耗原因阻尼作用 若应力和应变都以简单正弦曲线规律变化时，由于滞弹性(粘弹性)的影响，应变总是落后于应力，应变和应力之间存在一个相位差，可见，当应力变为零时，应变还有一定值；当应力方向相反之后，应变才逐渐变为零，这样产生了阻尼作用，由此导致能量消耗。

循环韧性 也是金属材料的力学性能，因它表示在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，故又称为消振性。材料循环韧性越高，则自身的消振能力就越好。

应力感生有序 溶解在固溶体中孤立的间隙原子、置换原子，在固溶体中无规律分布，称无序状态；当施加外力时，原子所处的位置能量出现差异，原子要重新分布，产生有序排列。

包申格效应 金属材料经预加载产生少量塑变 (残余应变约1％～4％)，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力(弹性极限或屈服强度)增加（在原先加载应力水平下，被缠结的位错线不能作显著运动，因此宏观上表现为规定残余伸长应力增加。）；反向加载，规定残余伸长应力降低(特别是弹件极限在反向加载时几乎降低到零)的现象（位错反向运动前方林位错类障碍较少，故可在较低应力下移动较大距离，宏观上表现为规定残余伸长应力降低。）。

消除包申格效应方法 1) 对材料预先进行较大的塑性变形，因位借增殖和难于重分布，则随后反向加载时不显示包申格效应。 2) 在第二次反向受力前，对材料进行回复再结晶退火。 三

位错运动方式 1） 滑移：位错线沿着滑移面的移动。是通过位错线及附近原子逐个移动很小距离完成的，故只需加很小切应力就可实现。正刃位错：滑移方向与外力方向相同；负刃位错：滑移方向与外力方向相反。 2） 攀移：位错线垂直于滑移面的移动。指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。攀移的实质：是多余半原子面的伸长或缩短。刃位错：可在滑移面上滑移，还可在垂直滑移面方向攀移。正攀移：多余半原子面向上移动，向下移动称负攀移。螺位错：没有多余半原子面，故无攀移。 刃位错的运动：可有滑移和攀移两种方式。 螺位错的运动：只作滑移、而不存在攀移。

攀移与滑移不同 1） 攀移伴随物质的迁移，需要空位的扩散，需要热激话，比滑移需更大能量。 2） 低温攀移较困难，高温时易攀移。在许多高温过程如蠕变、回复、单晶拉制中，攀移却起着重要作用。 3） 攀移通常会引起体积的变化，故属非保守运动。 4） 作用于攀移面的正应力有助于位错的攀移。 5） 压应力将促进正攀移，拉应力可促进负攀移。 6） 晶体中过饱和空位也有利于攀移。

位错运动的阻力 1） 点阵阻力 实际晶体中，位错运动要遇到多种阻力，各种晶体缺陷对位错运动均能构成阻碍。即使在无任何缺陷情况下，位错运动也需克服滑移面两侧原子间相互作用力（最基本阻力），称为点阵阻力。 2） 其他缺陷阻力 晶体中其他缺陷，如点缺陷、其它位错、晶界、第二相粒子等，都会与位错发生交互作用，从而引起位错滑移的阻力，并导致晶体强化。 3） 位错的线张力等也会引起附加的阻力。 因位错的能量与其长度成正比，因此它有尽量缩短其长度的趋势。位错为缩短其长度会产生线张力。

位错间的相互作用 在实际晶体中，一般同时含有多种晶体缺陷(如除位错外，还有空位、间隙原子、溶质原子等)，它们之间不可避免地要发生相互作用。 1） 平行螺型位错间的相互作用 2） 平行刃型位错间的相互作用 3） 其它情况

位错间的交割 位错在滑移面上运动，必与穿过此滑移面上的其它位错（称为“位错林”）相交截，该过程即为“位错交截”。 位错相互切割后，将使位错产生弯折，生成位错折线，这种折线有两种：割阶：位错折线垂直（或不在）其所属滑移面上。 扭折：位错折线在其所属滑移面上。 1） 两个刃位错的交割 2） 刃位错与螺位错交割： 3） 两个螺型位错交割 四

金属材料常见的塑性变形方式 滑移和孪生两种。 滑移系 金属材料在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。滑移面：面间距最大原子最密排晶面。滑移方向：原子最密排的方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移系越多，金属的塑性越好，但并不是唯一因素。金属的塑性还受温度、成分和预先变形程度等的影响。

滑移变形的特点 1） 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。 2） 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。 3） 一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移可能性越大，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，fcc＞bcc＞hcp 。 4） 滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。 5） 滑移的同时伴随着晶体的转动。晶体发生塑变时，常伴随取向改变。

滑移机理 若将滑移设想为刚性整体滑动，所需理论临界切应力值比实测临界切应力值大3～4个数量级。实际上，滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。当位错移动到晶体表面时，便产生大小为 b 的滑移台阶，若有大量位错沿滑移面上运动到表面，宏观上，晶体的一部分相对另一部份沿滑移面发生了相对位移，这便是滑移。滑移矢量与柏氏矢量 b 平行。

滑移方式 1） 单滑移：对有多组滑移系的晶体，当其与外力轴取向不同时，处于软位向的一组滑移系首先开动。金属晶体先发生单滑移，因只有一个滑移系起作用，加工硬化效果很小。单一方向的滑移带。 2） 多滑移：随着晶体发生转动，会使数个滑移系同时处于有利位向，而发生多滑移，这时因不同滑移系间的位错相互交割，加工硬化效果上升。若两组或几组滑移系处在同等有利的位向，在滑移时，各滑移系同时开动，或因滑移中晶体的转动使两个或多个滑移系交替滑移。相互交叉的滑移带。 3） 交滑移：随后又可能转变为交滑移，这时加工硬化效果下降。是指两个或多个滑移面沿同一个滑移方向滑移。在表面出现曲折或波纹状的滑移带。