第6章固體材料的變形與斷裂6.1彈性變形6.2單晶體的滑移變形6.3多晶體的滑移變形6.4塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響6.5金屬及合金強(qiáng)化的位錯(cuò)解釋6.6斷裂1第6章固體材料的變形與斷裂6.1彈性變形1彈性變形－塑性變形－斷裂2彈性變形－塑性變形－斷裂26.1.1彈性變形

定義：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原來(lái)形狀或尺寸的變形特點(diǎn)：?jiǎn)握{(diào)、可逆、變形量很小（＜0.5~1.0%）彈性的物理本質(zhì)：金屬原子間結(jié)合力抵抗外力的宏觀表現(xiàn)。彈性模量EG

1.彈性模量的物理意義和作用⑴物理意義：材料對(duì)彈性變形的抗力。⑵用途：工程上亦稱為材料的剛度，表征金屬材料對(duì)彈性變形的抗力，其值越大，則在相同壓力下產(chǎn)生的彈性變形就愈小。機(jī)器零件或構(gòu)件用AE表示。2.影響彈性模量的因素*⑴晶體原子的本性和晶格類型；（原子結(jié)合的本性）非過(guò)渡族，原子半徑↑、E↓；過(guò)渡族，原子半徑↑、E↑，且E一般都較大。原子密排方向的E大。⑵溶質(zhì)原子與其強(qiáng)化；⑶顯微組織（指熱處理后）；⑷溫度；⑸加載速率；⑹冷變形。一般影響不大。36.1.1彈性變形定義：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原來(lái)形狀或6.1.2滯彈性⑴定義：在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象。⑵影響因素：a）晶體中的點(diǎn)缺陷；顯微組織的不均勻性。b）切應(yīng)力越大，影響越大。c）溫度升高，變形量增加。由于應(yīng)變滯后于應(yīng)力，使加載曲線與卸載曲線不重合而形成的閉合曲線，稱為彈性滯后環(huán)。內(nèi)耗⑶益處：減振材料（機(jī)床床身、缸體等）；危害：長(zhǎng)期承載的傳感器，影響精度。樂(lè)器要求循環(huán)韌性小。46.1.2滯彈性46.2單晶體的塑性變形

常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、扭折。6.2.1滑移1滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。光鏡下：滑移帶（無(wú)重現(xiàn)性）。2滑移的表象學(xué)電鏡下：滑移線。56.2單晶體的塑性變形常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿

2滑移系滑移面（密排面）（1）幾何要素滑移方向（密排方向）

62滑移系677

3滑移的臨界分切應(yīng)力（c）

c：在滑移面上沿滑移方面開(kāi)始滑移的最小分切應(yīng)力。

外力在滑移方向上的分解。

c＝scoscos

83滑移的臨界分切應(yīng)力（c）8

c取決于金屬的本性，不受，的影響；

或＝90時(shí)，s；

c＝scoscos

s的取值

，＝45時(shí)，s最小，晶體易滑移；

軟取向：值大；

取向因子：coscos

硬取向：值小。

991010

4滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)（1）位向和晶面的變化拉伸時(shí),滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向壓縮時(shí)，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。

幾何硬化：，遠(yuǎn)離45，滑移變得困難；（2）取向因子的變化

幾何軟化；，接近45，滑移變得容易。114滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)12

5多滑移和交滑移（1）滑移的分類單滑移：處于軟取向的一組滑移系首先開(kāi)動(dòng)。多滑移：由于滑移過(guò)程中晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)使兩個(gè)或多個(gè)滑移系上交替滑移。交滑移：兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的滑移。（2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾角分別相等的一組滑移系。12125多滑移和交滑移12（2）交滑移機(jī)制螺位錯(cuò)的交滑移：螺位錯(cuò)從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面的過(guò)程；螺位錯(cuò)的雙交滑移：交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過(guò)程。13（2）交滑移機(jī)制13

面心立方晶體中，擴(kuò)展位錯(cuò)由兩個(gè)肖克萊不全位鍺和它們所夾的層錯(cuò)帶構(gòu)成，如圖2-24，擴(kuò)展位錯(cuò)只能沿層錯(cuò)面移動(dòng)。如果增大應(yīng)力可使擴(kuò)展位錯(cuò)束集，即使兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)結(jié)合成一個(gè)螺型全位錯(cuò)使可交滑移至另一滑移面，然后在該滑移面擴(kuò)展開(kāi)、如圖6-14所示。熱激活可促進(jìn)交滑移，故升高溫度有利于交滑移進(jìn)行。交滑移過(guò)程還與擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度有關(guān)。當(dāng)材料的層錯(cuò)能很低時(shí)，由于擴(kuò)展位錯(cuò)寬度d與金屬的層錯(cuò)能γ成反比。故擴(kuò)展位錯(cuò)寬度大。束集時(shí)作的功也大，交滑移困難。14面心立方晶體中，擴(kuò)展位錯(cuò)由兩個(gè)肖克萊不全位鍺和

滑移的表面痕跡單滑移：?jiǎn)我环较虻幕茙?；多滑移：相互交叉的滑移帶；交滑移：波紋狀的滑移帶。15滑移的表面痕跡156.單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第Ⅰ階段----易滑移階段:屈服后首先進(jìn)行單滑移，在應(yīng)力增加不大時(shí)，可發(fā)生大量塑變。此時(shí)加工硬化系數(shù)dτ／dγ很小，約為10-4G。第Ⅱ階段----線性硬化階段：加工硬化系數(shù)比第Ⅰ階段約大30倍且基本為常數(shù)。雙滑移造成滑移帶的交割，使位錯(cuò)密度急劇增加并互相纏結(jié)，加工硬化系數(shù)明顯增高。第Ⅲ階段----拋物線型硬化階段：加工硬化系數(shù)逐漸降低，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為τ＝Kγ1/2。第Ⅲ階段位錯(cuò)可通過(guò)交滑移克服滑移障礙，使變形易于進(jìn)行，從而使加工硬化系數(shù)下降。166.單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線166.2.2孿生定義：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對(duì)稱關(guān)系。孿生面A1{111},A2{112},A3{1012}1.孿生的晶體學(xué)孿生方向A1<112>,A2<111>,A3<1011>孿晶區(qū)域

176.2.2孿生17

孿生的晶體學(xué)要素示意圖K1表示孿生面，在形變過(guò)程中，不發(fā)生畸變和旋轉(zhuǎn)；η1為孿晶的孿生方向。垂直于孿生面K1并含有η1矢量的平面就是剪切面。K2為另一個(gè)不畸變面；η2表示K2面和剪切面的交線。s表示孿生切變，它引起孿生點(diǎn)陣。K1、K2、η1、η2和s叫做孿生的晶體學(xué)元素。如果給定兩個(gè)元素（如K1和η2或K2和η1），其它元素就可以通過(guò)Bilby-Crocker形變孿生理論計(jì)算求得。一般孿晶可分為I型和II型孿晶。當(dāng)K1和η2為有理數(shù)，K2及η1為無(wú)理數(shù)，兩個(gè)孿生晶體以K1面作鏡面對(duì)稱操作時(shí)，為I型孿晶；II型孿晶則是K2及η1為有理數(shù)，K1和η2為無(wú)理數(shù)，兩個(gè)孿生晶體以η1方向旋轉(zhuǎn)π作對(duì)稱操作。K1、K2、η1和η2四個(gè)參量均為有理數(shù)時(shí)，孿晶為復(fù)合型孿晶，兩個(gè)孿生晶體具有I型與II型的性質(zhì)。

18孿生的晶體學(xué)要素示意圖K1表示孿生面，在形變過(guò)程中，不發(fā)變形與未變形兩部分晶體合稱為孿晶；均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面（即兩者的鏡面對(duì)稱面）稱為孿晶界；發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面；孿晶面的移動(dòng)方向稱為孿生方向。19變形與未變形兩部分晶體合稱為孿晶；192020

2.孿生變形的特點(diǎn)

滑移

孿生

相同點(diǎn)

1切變；2沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；3不改變結(jié)構(gòu)。不

同

點(diǎn)

晶體位向不改變（對(duì)拋光面觀察無(wú)重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對(duì)稱關(guān)系（對(duì)拋光面觀察有重現(xiàn)性）位移量

滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對(duì)塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時(shí)發(fā)生變形機(jī)制全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果212.孿生變形的特點(diǎn)

滑移孿生相同點(diǎn)1切變；26.2.3晶體的扭折對(duì)于那些既不能滑移也不能孿生的地方，為使晶體的形狀與外力相適應(yīng)，當(dāng)外力超過(guò)某一臨界值時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生局部彎曲，這種形式的變形叫扭折。扭折是晶體彎曲變形或滑移在某些部位受阻，位錯(cuò)在那里堆積而成的。壓縮時(shí)產(chǎn)生的理想對(duì)稱扭折帶是由好幾個(gè)楔形區(qū)域組成。扭折帶的形成能協(xié)調(diào)相鄰晶?；蛲痪ЯＶ胁煌课恢g的變形，并能引起晶體的再取向，促進(jìn)晶體變形能力的發(fā)揮。226.2.3晶體的扭折226.3多晶體的塑性變形6.3.1多晶體塑性變形過(guò)程1晶粒之間變形的傳播位錯(cuò)在晶界塞積應(yīng)力集中相鄰晶粒位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)相鄰晶粒變形塑變2晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性（1）原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。（2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo)致晶體分裂）（3）條件：獨(dú)立滑移系5個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變化）3晶界對(duì)變形的阻礙作用（1）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。（2）晶界對(duì)變形的影響:滑移、孿生多終止于晶界,極少穿過(guò)。236.3多晶體的塑性變形6.3.1多晶體塑性變形過(guò)程236.3.2晶粒大小與性能的關(guān)系a晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高(細(xì)晶強(qiáng)化：由下列霍爾－配奇公式可知)s=0+kd-1/2

原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。（有尺寸限制，對(duì)純鐵和低碳鋼，晶體尺寸從0.35到400μm。）b晶粒越細(xì)，塑韌性提高晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中導(dǎo)致的開(kāi)裂機(jī)會(huì)減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過(guò)程中可吸收較多能量,表現(xiàn)出高韌性。246.3.2晶粒大小與性能的關(guān)系2425

6.4

塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

6.4.1顯微組織與性能的變化1.隨變形量增加，晶粒逐漸沿著形變方向被拉長(zhǎng),由多邊形變?yōu)楸馄叫位蜷L(zhǎng)方形，形變量較大時(shí)可變拉長(zhǎng)成纖維狀。2.從微觀上看，冷變形會(huì)增加位錯(cuò)密度，隨變形量的增加，位錯(cuò)會(huì)交織纏結(jié)，隨后形成胞狀結(jié)構(gòu)—形變亞晶。胞內(nèi)位錯(cuò)密度較低，胞壁是由大量位錯(cuò)纏結(jié)形成。3.從機(jī)械性能看，形變量越大，形變金屬的強(qiáng)度和硬度越高，而塑性韌性下降，這便是加工硬化。

25256.4塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響6.4.1顯6.4.2形變織構(gòu)（1）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。

絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）（2）類型板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向。（軋制時(shí)形成）

力學(xué)性能：利：深沖板材變形控制；弊：制耳。（3）對(duì)性能的影響(各向異性)

物理性能：硅鋼片<100>織構(gòu)可減少鐵損。

266.4.2形變織構(gòu)266.4.3

殘余應(yīng)力（約占變形功的10％）

第一類殘余應(yīng)力（Ⅰ）：宏觀內(nèi)應(yīng)力，由整個(gè)物

體變形不均勻引起。

1分類

第二類殘余應(yīng)力（Ⅱ）：微觀內(nèi)應(yīng)力，由晶粒變

形不均勻引起。

第三類殘余應(yīng)力（Ⅲ）：點(diǎn)陣畸變，由位錯(cuò)、空

位等引起。80-90%。

利：預(yù)應(yīng)力處理，如齒輪的噴丸處理。

2利弊

弊：引起變形、開(kāi)裂，如黃銅彈殼的腐蝕開(kāi)裂。

3消除：去應(yīng)力退火。

276.4.3殘余應(yīng)力（約占變形功的10％）276.5金屬及合金強(qiáng)化的位錯(cuò)解釋強(qiáng)度：是指材料在外力作用下，抵抗塑性變形與斷裂的能力。

沒(méi)有或極少有位錯(cuò)的金屬材料，如晶須,其強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度.金屬材料退火狀態(tài)下位錯(cuò)密度低，可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)目多，塑變是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，故變形抗力小，強(qiáng)度低。隨塑變的進(jìn)行，位錯(cuò)不斷增值，位錯(cuò)間及位錯(cuò)與其他晶體缺陷產(chǎn)生交互作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，故隨位錯(cuò)密度的增加，強(qiáng)度不斷提高。目前常采用熱處理、冷變形、細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等方法增加位錯(cuò)密度或增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，以提高金屬材料的強(qiáng)度。286.5金屬及合金強(qiáng)化的位錯(cuò)解釋沒(méi)有或極少有位錯(cuò)的金屬6.5.1cottrell氣團(tuán)

晶體中溶質(zhì)原子的溶入，引起了點(diǎn)陣畸變，形成了應(yīng)力場(chǎng)。若晶體中同時(shí)存在位錯(cuò)，則位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與溶質(zhì)原子的應(yīng)力場(chǎng)將發(fā)生交互作用。為降低交互作用能，在溫度和時(shí)間許可的條件下，溶質(zhì)原子傾向于聚集到位錯(cuò)周?chē)恍纬杀容^穩(wěn)定的分布。通常把溶質(zhì)原子在位錯(cuò)周?chē)木奂锌率蠚鈭F(tuán)。在刃位錯(cuò)的拉應(yīng)力區(qū)分布著碳原子列，使總彈性應(yīng)變能下降，晶體處于穩(wěn)定狀態(tài)。與此類似，大的溶質(zhì)原子將向拉應(yīng)力區(qū)“凝聚”，小的溶質(zhì)原子傾向于向壓應(yīng)力區(qū)“凝聚”，形成飽合的柯氏氣團(tuán)。當(dāng)具有柯氏氣團(tuán)的位錯(cuò)在外力作用下，欲離開(kāi)溶質(zhì)原子時(shí)，勢(shì)必升高應(yīng)變能。這相當(dāng)溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用，阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)，是固溶強(qiáng)化的重要原因。當(dāng)位錯(cuò)的移動(dòng)速度小于溶質(zhì)遷移速度，位錯(cuò)將拖著氣團(tuán)一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度大于溶質(zhì)遷移速度時(shí)，將掙脫氣團(tuán)而獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。無(wú)論是哪種情況，均使位錯(cuò)移動(dòng)阻力增大，使金屬?gòu)?qiáng)度增高。

296.5.1cottrell氣團(tuán)

296.5.2位錯(cuò)交割和帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)對(duì)于在滑移面上運(yùn)動(dòng)著的位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，穿過(guò)滑移面的其他位錯(cuò)稱為林位錯(cuò)。林位錯(cuò)會(huì)阻礙位錨的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，滑動(dòng)位錯(cuò)將切過(guò)林位錯(cuò)繼續(xù)滑動(dòng)。位錯(cuò)的互相切割叫位錯(cuò)的交割。兩位錯(cuò)交割后，各產(chǎn)生了一小曲折線段，其位向與長(zhǎng)短由與其相交的垃錯(cuò)的柏氏矢量所決定，但具有原位錯(cuò)線的柏氏矢量。位錯(cuò)交割生成的小曲折線段與原件錯(cuò)線在同一沿移面時(shí)，稱為扭折。

306.5.2位錯(cuò)交割和帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

30通常情況下，位錯(cuò)交割生成的曲折線段與原位錯(cuò)線有不同的滑移面，這種由交割生成的小曲折線叫割階。。當(dāng)溫度較低時(shí)難靠熱激活來(lái)攀移，所以此時(shí)割階成為原位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力31通常情況下，位錯(cuò)交割生成的曲折線段與原位錯(cuò)線有6.5.3固定位錯(cuò)由三個(gè)位錯(cuò)中間夾以兩片層錯(cuò)所構(gòu)成的“屋頂形”復(fù)雜位錯(cuò)叫“面角位錯(cuò)”，也叫羅麥—柯垂耳位錯(cuò)。326.5.3固定位錯(cuò)326.5.4滑動(dòng)位錯(cuò)與第二相質(zhì)點(diǎn)的交互作用合金中，當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中，將起到顯著的強(qiáng)化效果。如果第二相微粒是通過(guò)過(guò)飽和固溶體時(shí)效處理時(shí)，沉淀析出稱為時(shí)效強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化。第二相粒子的本性和尺寸決定了強(qiáng)化的機(jī)制。對(duì)于不可變形的第二相粒子，位錯(cuò)采用繞過(guò)機(jī)制。對(duì)可變形粒子，位錯(cuò)將采用切過(guò)機(jī)制。336.5.4滑動(dòng)位錯(cuò)與第二相質(zhì)點(diǎn)的交互作用33粒子開(kāi)始析出階段，析出細(xì)小共格過(guò)渡相，位錯(cuò)采用切過(guò)機(jī)制，越過(guò)粒子，隨粒子尺寸增大，合金強(qiáng)度不斷升高。當(dāng)析出相粒子長(zhǎng)大到一定程度，相當(dāng)于圖中P點(diǎn)后，位錯(cuò)采用繞過(guò)機(jī)制通過(guò)粒子，所需切應(yīng)力反而小于切過(guò)粒子所需切應(yīng)力，這時(shí)位錯(cuò)就以繞過(guò)粒子方式移動(dòng)，故臺(tái)金強(qiáng)度轉(zhuǎn)為隨粒子的長(zhǎng)大而下降。顯然當(dāng)粒子尺寸相當(dāng)于P點(diǎn)時(shí)，合金具有最高強(qiáng)度。34粒子開(kāi)始析出階段，析出細(xì)小共格過(guò)渡相，位錯(cuò)采用切過(guò)機(jī)制，越過(guò)6.6斷裂斷裂是材料在外力的作用下喪失連續(xù)性的過(guò)程。斷裂過(guò)程可分為裂紋的萌生與裂紋的擴(kuò)展兩部分。斷裂的形式分為脆性斷裂與韌性斷裂。脆斷指斷裂前無(wú)明顯變形的斷裂；韌斷指斷裂前有明顯塑變的斷裂。斷裂是工程構(gòu)件主要破壞形式（斷裂、磨損、腐蝕）之一。6.6.1理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度指兩個(gè)相鄰原子平面在拉力作用下，克服原子間鍵力作用，使兩個(gè)原子面分離的應(yīng)力。對(duì)許多金屬材料晶須356.6斷裂6.6.1理論斷裂強(qiáng)度對(duì)許多金屬材料晶須356.6.2Griffith理論與斷裂韌性出發(fā)點(diǎn)：材料中已存在裂紋；局部應(yīng)力集中；裂紋擴(kuò)展（增加新的表面），系統(tǒng)的彈性平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)格雷菲斯公式適用于脆性材料，如玻璃、金剛石、超高強(qiáng)度高鋼等。格雷菲斯-奧羅萬(wàn)-歐文公式適用于工程金屬材料366.6.2Griffith理論與斷裂韌性平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)對(duì)于平面應(yīng)變狀態(tài)格雷菲斯公式為：斷裂韌性KⅠC、GⅠC、JⅠC、δC37對(duì)于平面應(yīng)變狀態(tài)格雷菲斯公式為：斷裂韌性KⅠC、GⅠC、J6.6.3裂紋的萌生1.Smith機(jī)制（碳化物開(kāi)裂理論）2.Stroh機(jī)制（位錯(cuò)塞積理論）3.Cotrell機(jī)制（位錯(cuò)反應(yīng)理論）386.6.3裂紋的萌生386.6.4斷裂形式根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類：脆性斷裂和韌性斷裂一般規(guī)定光滑拉升試樣的斷面收縮率小于5%為脆性斷裂，反之，大于5%為韌性斷裂。根據(jù)斷裂面的取向分類：正斷和切斷根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑分類：穿晶斷裂和沿晶斷裂根據(jù)微觀的斷裂機(jī)制，可將工程材料的斷裂分為：純剪切斷裂、微孔聚集型斷裂和解理斷裂剪切斷裂是金屬在切應(yīng)力作用下，沿滑移面分類而造成的滑移面分離斷裂，其中又分為滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。純金屬尤其是單晶體金屬常產(chǎn)生純剪切斷裂，其斷口呈鋒利的楔形（單晶體金屬）或刀尖型（多晶體金屬的完全韌性斷裂）。這是純粹由滑移流變所造成的斷裂。396.6.4斷裂形式391.微孔聚集型斷裂微孔聚集型斷裂過(guò)程包括微孔的形成，微孔的擴(kuò)大和連接，最后使試樣斷裂，多數(shù)為韌性斷裂?；咎卣鳎嚎卓?，也稱微坑、韌窩、迭波等。每個(gè)孔坑中，大都包含一個(gè)夾雜物或第二相粒子。材料塑性越好，韌窩也越深、越大。塑性變形對(duì)微孔的形成和發(fā)展起決定性作用，多數(shù)塑性好的面心立方金屬屬于這種斷裂形式。2．解理斷裂解理斷裂是在正應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的一種穿晶斷裂，即斷裂面沿一定的晶面(解理面）分離，常見(jiàn)于體心立方，密排六方的金屬及合金。低溫沖擊及應(yīng)力集中促進(jìn)解理斷裂發(fā)生?；咎卣鳎航饫砼_(tái)階、河流花樣和舌狀花樣。401.微孔聚集型斷裂406.6.5影響材料斷裂的基本因素1．結(jié)合鍵及晶體結(jié)構(gòu)類型對(duì)材料斷裂形式有決定性的影響。2．材料的化學(xué)成分及顯微組織對(duì)斷裂行為也有重要影響。3．裂紋及應(yīng)力狀態(tài)的影響4．溫度對(duì)材料斷裂行為的影響5.此外環(huán)境介質(zhì)，加載速率等對(duì)斷裂行為也有影響。416.6.5影響材料斷裂的基本因素41第6章固體材料的變形與斷裂6.1彈性變形6.2單晶體的滑移變形6.3多晶體的滑移變形6.4塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響6.5金屬及合金強(qiáng)化的位錯(cuò)解釋6.6斷裂42第6章固體材料的變形與斷裂6.1彈性變形1彈性變形－塑性變形－斷裂43彈性變形－塑性變形－斷裂26.1.1彈性變形

定義：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原來(lái)形狀或尺寸的變形特點(diǎn)：?jiǎn)握{(diào)、可逆、變形量很小（＜0.5~1.0%）彈性的物理本質(zhì)：金屬原子間結(jié)合力抵抗外力的宏觀表現(xiàn)。彈性模量EG

1.彈性模量的物理意義和作用⑴物理意義：材料對(duì)彈性變形的抗力。⑵用途：工程上亦稱為材料的剛度，表征金屬材料對(duì)彈性變形的抗力，其值越大，則在相同壓力下產(chǎn)生的彈性變形就愈小。機(jī)器零件或構(gòu)件用AE表示。2.影響彈性模量的因素*⑴晶體原子的本性和晶格類型；（原子結(jié)合的本性）非過(guò)渡族，原子半徑↑、E↓；過(guò)渡族，原子半徑↑、E↑，且E一般都較大。原子密排方向的E大。⑵溶質(zhì)原子與其強(qiáng)化；⑶顯微組織（指熱處理后）；⑷溫度；⑸加載速率；⑹冷變形。一般影響不大。446.1.1彈性變形定義：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原來(lái)形狀或6.1.2滯彈性⑴定義：在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象。⑵影響因素：a）晶體中的點(diǎn)缺陷；顯微組織的不均勻性。b）切應(yīng)力越大，影響越大。c）溫度升高，變形量增加。由于應(yīng)變滯后于應(yīng)力，使加載曲線與卸載曲線不重合而形成的閉合曲線，稱為彈性滯后環(huán)。內(nèi)耗⑶益處：減振材料（機(jī)床床身、缸體等）；危害：長(zhǎng)期承載的傳感器，影響精度。樂(lè)器要求循環(huán)韌性小。456.1.2滯彈性46.2單晶體的塑性變形

常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、扭折。6.2.1滑移1滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。光鏡下：滑移帶（無(wú)重現(xiàn)性）。2滑移的表象學(xué)電鏡下：滑移線。466.2單晶體的塑性變形常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿

2滑移系滑移面（密排面）（1）幾何要素滑移方向（密排方向）

472滑移系6487

3滑移的臨界分切應(yīng)力（c）

c：在滑移面上沿滑移方面開(kāi)始滑移的最小分切應(yīng)力。

外力在滑移方向上的分解。

c＝scoscos

493滑移的臨界分切應(yīng)力（c）8

c取決于金屬的本性，不受，的影響；

或＝90時(shí)，s；

c＝scoscos

s的取值

，＝45時(shí)，s最小，晶體易滑移；

軟取向：值大；

取向因子：coscos

硬取向：值小。

5095110

4滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)（1）位向和晶面的變化拉伸時(shí),滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向壓縮時(shí)，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。

幾何硬化：，遠(yuǎn)離45，滑移變得困難；（2）取向因子的變化

幾何軟化；，接近45，滑移變得容易。524滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)53

5多滑移和交滑移（1）滑移的分類單滑移：處于軟取向的一組滑移系首先開(kāi)動(dòng)。多滑移：由于滑移過(guò)程中晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)使兩個(gè)或多個(gè)滑移系上交替滑移。交滑移：兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的滑移。（2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾角分別相等的一組滑移系。53125多滑移和交滑移12（2）交滑移機(jī)制螺位錯(cuò)的交滑移：螺位錯(cuò)從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面的過(guò)程；螺位錯(cuò)的雙交滑移：交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過(guò)程。54（2）交滑移機(jī)制13

面心立方晶體中，擴(kuò)展位錯(cuò)由兩個(gè)肖克萊不全位鍺和它們所夾的層錯(cuò)帶構(gòu)成，如圖2-24，擴(kuò)展位錯(cuò)只能沿層錯(cuò)面移動(dòng)。如果增大應(yīng)力可使擴(kuò)展位錯(cuò)束集，即使兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)結(jié)合成一個(gè)螺型全位錯(cuò)使可交滑移至另一滑移面，然后在該滑移面擴(kuò)展開(kāi)、如圖6-14所示。熱激活可促進(jìn)交滑移，故升高溫度有利于交滑移進(jìn)行。交滑移過(guò)程還與擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度有關(guān)。當(dāng)材料的層錯(cuò)能很低時(shí)，由于擴(kuò)展位錯(cuò)寬度d與金屬的層錯(cuò)能γ成反比。故擴(kuò)展位錯(cuò)寬度大。束集時(shí)作的功也大，交滑移困難。55面心立方晶體中，擴(kuò)展位錯(cuò)由兩個(gè)肖克萊不全位鍺和

滑移的表面痕跡單滑移：?jiǎn)我环较虻幕茙В欢嗷疲合嗷ソ徊娴幕茙?；交滑移：波紋狀的滑移帶。56滑移的表面痕跡156.單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第Ⅰ階段----易滑移階段:屈服后首先進(jìn)行單滑移，在應(yīng)力增加不大時(shí)，可發(fā)生大量塑變。此時(shí)加工硬化系數(shù)dτ／dγ很小，約為10-4G。第Ⅱ階段----線性硬化階段：加工硬化系數(shù)比第Ⅰ階段約大30倍且基本為常數(shù)。雙滑移造成滑移帶的交割，使位錯(cuò)密度急劇增加并互相纏結(jié)，加工硬化系數(shù)明顯增高。第Ⅲ階段----拋物線型硬化階段：加工硬化系數(shù)逐漸降低，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為τ＝Kγ1/2。第Ⅲ階段位錯(cuò)可通過(guò)交滑移克服滑移障礙，使變形易于進(jìn)行，從而使加工硬化系數(shù)下降。576.單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線166.2.2孿生定義：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對(duì)稱關(guān)系。孿生面A1{111},A2{112},A3{1012}1.孿生的晶體學(xué)孿生方向A1<112>,A2<111>,A3<1011>孿晶區(qū)域

586.2.2孿生17

孿生的晶體學(xué)要素示意圖K1表示孿生面，在形變過(guò)程中，不發(fā)生畸變和旋轉(zhuǎn)；η1為孿晶的孿生方向。垂直于孿生面K1并含有η1矢量的平面就是剪切面。K2為另一個(gè)不畸變面；η2表示K2面和剪切面的交線。s表示孿生切變，它引起孿生點(diǎn)陣。K1、K2、η1、η2和s叫做孿生的晶體學(xué)元素。如果給定兩個(gè)元素（如K1和η2或K2和η1），其它元素就可以通過(guò)Bilby-Crocker形變孿生理論計(jì)算求得。一般孿晶可分為I型和II型孿晶。當(dāng)K1和η2為有理數(shù)，K2及η1為無(wú)理數(shù)，兩個(gè)孿生晶體以K1面作鏡面對(duì)稱操作時(shí)，為I型孿晶；II型孿晶則是K2及η1為有理數(shù)，K1和η2為無(wú)理數(shù)，兩個(gè)孿生晶體以η1方向旋轉(zhuǎn)π作對(duì)稱操作。K1、K2、η1和η2四個(gè)參量均為有理數(shù)時(shí)，孿晶為復(fù)合型孿晶，兩個(gè)孿生晶體具有I型與II型的性質(zhì)。

59孿生的晶體學(xué)要素示意圖K1表示孿生面，在形變過(guò)程中，不發(fā)變形與未變形兩部分晶體合稱為孿晶；均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面（即兩者的鏡面對(duì)稱面）稱為孿晶界；發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面；孿晶面的移動(dòng)方向稱為孿生方向。60變形與未變形兩部分晶體合稱為孿晶；196120

2.孿生變形的特點(diǎn)

滑移

孿生

相同點(diǎn)

1切變；2沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；3不改變結(jié)構(gòu)。不

同

點(diǎn)

晶體位向不改變（對(duì)拋光面觀察無(wú)重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對(duì)稱關(guān)系（對(duì)拋光面觀察有重現(xiàn)性）位移量

滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對(duì)塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時(shí)發(fā)生變形機(jī)制全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果622.孿生變形的特點(diǎn)

滑移孿生相同點(diǎn)1切變；26.2.3晶體的扭折對(duì)于那些既不能滑移也不能孿生的地方，為使晶體的形狀與外力相適應(yīng)，當(dāng)外力超過(guò)某一臨界值時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生局部彎曲，這種形式的變形叫扭折。扭折是晶體彎曲變形或滑移在某些部位受阻，位錯(cuò)在那里堆積而成的。壓縮時(shí)產(chǎn)生的理想對(duì)稱扭折帶是由好幾個(gè)楔形區(qū)域組成。扭折帶的形成能協(xié)調(diào)相鄰晶?；蛲痪ЯＶ胁煌课恢g的變形，并能引起晶體的再取向，促進(jìn)晶體變形能力的發(fā)揮。636.2.3晶體的扭折226.3多晶體的塑性變形6.3.1多晶體塑性變形過(guò)程1晶粒之間變形的傳播位錯(cuò)在晶界塞積應(yīng)力集中相鄰晶粒位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)相鄰晶粒變形塑變2晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性（1）原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。（2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo)致晶體分裂）（3）條件：獨(dú)立滑移系5個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變化）3晶界對(duì)變形的阻礙作用（1）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。（2）晶界對(duì)變形的影響:滑移、孿生多終止于晶界,極少穿過(guò)。646.3多晶體的塑性變形6.3.1多晶體塑性變形過(guò)程236.3.2晶粒大小與性能的關(guān)系a晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高(細(xì)晶強(qiáng)化：由下列霍爾－配奇公式可知)s=0+kd-1/2

原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。（有尺寸限制，對(duì)純鐵和低碳鋼，晶體尺寸從0.35到400μm。）b晶粒越細(xì)，塑韌性提高晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中導(dǎo)致的開(kāi)裂機(jī)會(huì)減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過(guò)程中可吸收較多能量,表現(xiàn)出高韌性。656.3.2晶粒大小與性能的關(guān)系2466

6.4

塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響

6.4.1顯微組織與性能的變化1.隨變形量增加，晶粒逐漸沿著形變方向被拉長(zhǎng),由多邊形變?yōu)楸馄叫位蜷L(zhǎng)方形，形變量較大時(shí)可變拉長(zhǎng)成纖維狀。2.從微觀上看，冷變形會(huì)增加位錯(cuò)密度，隨變形量的增加，位錯(cuò)會(huì)交織纏結(jié)，隨后形成胞狀結(jié)構(gòu)—形變亞晶。胞內(nèi)位錯(cuò)密度較低，胞壁是由大量位錯(cuò)纏結(jié)形成。3.從機(jī)械性能看，形變量越大，形變金屬的強(qiáng)度和硬度越高，而塑性韌性下降，這便是加工硬化。

66256.4塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響6.4.1顯6.4.2形變織構(gòu)（1）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。

絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）（2）類型板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向。（軋制時(shí)形成）

力學(xué)性能：利：深沖板材變形控制；弊：制耳。（3）對(duì)性能的影響(各向異性)

物理性能：硅鋼片<100>織構(gòu)可減少鐵損。

676.4.2形變織構(gòu)266.4.3

殘余應(yīng)力（約占變形功的10％）

第一類殘余應(yīng)力（Ⅰ）：宏觀內(nèi)應(yīng)力，由整個(gè)物

體變形不均勻引起。

1分類

第二類殘余應(yīng)力（Ⅱ）：微觀內(nèi)應(yīng)力，由晶粒變

形不均勻引起。

第三類殘余應(yīng)力（Ⅲ）：點(diǎn)陣畸變，由位錯(cuò)、空

位等引起。80-90%。

利：預(yù)應(yīng)力處理，如齒輪的噴丸處理。

2利弊

弊：引起變形、開(kāi)裂，如黃銅彈殼的腐蝕開(kāi)裂。

3消除：去應(yīng)力退火。

686.4.3殘余應(yīng)力（約占變形功的10％）276.5金屬及合金強(qiáng)化的位錯(cuò)解釋強(qiáng)度：是指材料在外力作用下，抵抗塑性變形與斷裂的能力。

沒(méi)有或極少有位錯(cuò)的金屬材料，如晶須,其強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度.金屬材料退火狀態(tài)下位錯(cuò)密度低，可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)目多，塑變是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，故變形抗力小，強(qiáng)度低。隨塑變的進(jìn)行，位錯(cuò)不斷增值，位錯(cuò)間及位錯(cuò)與其他晶體缺陷產(chǎn)生交互作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，故隨位錯(cuò)密度的增加，強(qiáng)度不斷提高。目前常采用熱處理、冷變形、細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等方法增加位錯(cuò)密度或增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，以提高金屬材料的強(qiáng)度。696.5金屬及合金強(qiáng)化的位錯(cuò)解釋沒(méi)有或極少有位錯(cuò)的金屬6.5.1cottrell氣團(tuán)

晶體中溶質(zhì)原子的溶入，引起了點(diǎn)陣畸變，形成了應(yīng)力場(chǎng)。若晶體中同時(shí)存在位錯(cuò)，則位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與溶質(zhì)原子的應(yīng)力場(chǎng)將發(fā)生交互作用。為降低交互作用能，在溫度和時(shí)間許可的條件下，溶質(zhì)原子傾向于聚集到位錯(cuò)周?chē)?；形成比較穩(wěn)定的分布。通常把溶質(zhì)原子在位錯(cuò)周?chē)木奂锌率蠚鈭F(tuán)。在刃位錯(cuò)的拉應(yīng)力區(qū)分布著碳原子列，使總彈性應(yīng)變能下降，晶體處于穩(wěn)定狀態(tài)。與此類似，大的溶質(zhì)原子將向拉應(yīng)力區(qū)“凝聚”，小的溶質(zhì)原子傾向于向壓應(yīng)力區(qū)“凝聚”，形成飽合的柯氏氣團(tuán)。當(dāng)具有柯氏氣團(tuán)的位錯(cuò)在外力作用下，欲離開(kāi)溶質(zhì)原子時(shí)，勢(shì)必升高應(yīng)變能。這相當(dāng)溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用，阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)，是固溶強(qiáng)化的重要原因。當(dāng)位錯(cuò)的移動(dòng)速度小于溶質(zhì)遷移速度，位錯(cuò)將拖著氣團(tuán)一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度大于溶質(zhì)遷移速度時(shí)，將掙脫氣團(tuán)而獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。無(wú)論是哪種情況，均使位錯(cuò)移動(dòng)阻力增大，使金屬?gòu)?qiáng)度增高。

706.5.1cottrell氣團(tuán)

296.5.2位錯(cuò)交割和帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)對(duì)于在滑移面上運(yùn)動(dòng)著的位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，穿過(guò)滑移面的其他位錯(cuò)稱為林位錯(cuò)。林位錯(cuò)會(huì)阻礙位錨的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，滑動(dòng)位錯(cuò)將切過(guò)林位錯(cuò)繼續(xù)滑動(dòng)。位錯(cuò)的互相切割叫位錯(cuò)的交割。兩位錯(cuò)交割后，各產(chǎn)生了一小曲折線段，其位向與長(zhǎng)短由與其相交的垃錯(cuò)的柏氏矢量所決定，但具有原位錯(cuò)線的柏氏矢量。位錯(cuò)交割生成的小曲折線段與原件錯(cuò)線在同一沿移面時(shí)，稱為扭折。

716.5.2位錯(cuò)交割和帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

30通常情況下，位錯(cuò)交割生成的曲折線段與原位錯(cuò)線有不同的滑移面，這種由交割生成的小曲折線叫割階。。當(dāng)溫度較低時(shí)難靠熱激活來(lái)攀移，所以此時(shí)割階成為原位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力72通常情況下，位錯(cuò)交割生成的曲折線段與原位錯(cuò)線有6.5.3固定位錯(cuò)由三個(gè)位錯(cuò)中間夾以兩片層錯(cuò)所構(gòu)成的“屋頂形”復(fù)雜位錯(cuò)叫“面角位錯(cuò)”，也叫羅麥—柯垂耳位錯(cuò)。736