材料性能學(xué)石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)系：付華聯(lián)系電話Q:1115279899

*2第2章材料的塑性變形

Plasticdeformationofmaterials2.1.材料的塑性變形機理Plasticdeformationmechanisms2.1.1金屬與陶瓷晶體的塑性變形機理PlasticdeformationmechanismsofMetalandceramics2.1.2陶瓷材料的塑性變形特點Characteristicsofplasticdeformationofceramicmaterials2.1.3高分子材料的塑性變形Plasticdeformationofthepolymers2.2冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶RecoveryandrecrystallizationofCold-deformedmetals2.2.1塑性變形對材料性能的影響EffectionofPlasticdeformationonmaterialproperties2.2.2冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶Recoveryandrecrystallizationprocess2.2.3材料的熱加工與冷加工2.3塑性變形的力學(xué)性能指標MechanicalpropetiesofPlasticdeformation《材料科學(xué)基礎(chǔ)》*3第2章材料的塑性變形2.1.材料的塑性變形機理2.1.1金屬與陶瓷晶體的塑性變形機理一、單晶體的塑性變形Plasticdeformationofsinglecrystals

二、多晶體的塑性變形Plasticdeformationofmulti-crystals

（一）多晶體塑性變形的特點Characteristics

（二）冷變形金屬的組織與結(jié)構(gòu)Structure2.1.2陶瓷材料的塑性變形特點一、結(jié)合鍵對位錯運動的影響B(tài)ondingeffectondislocationsliding二、單晶陶瓷的塑性變形特點三、多晶陶瓷的塑性變形特點四、非晶體陶瓷的塑性變形2.1.3高分子材料的塑性變形機理一、線性非晶態(tài)高分子材料的塑性變形PlasticdeformationofLinearamorphouspolymers二、結(jié)晶態(tài)高聚物的塑性變形PlasticdeformationofCrystallinepolymers*4第2章材料的塑性變形2.1.材料的塑性變形機理2.1.1金屬與陶瓷晶體的塑性變形機理2.1.2陶瓷材料的塑性變形特點2.1.3高分子材料的塑性變形2.2冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶2.2.1塑性變形對材料性能的影響2.2.2冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶2.2.3材料的熱加工與冷加工2.3塑性變形的力學(xué)性能指標√*5*62.3力學(xué)性能指標2類力學(xué)性能指標材料的強度指標；材料的塑性指標表征材料對塑性變形和斷裂抗力。表征材料塑性變形能力。屈服強度抗拉強度斷裂強度延伸率斷面收縮率

*7材料常規(guī)力學(xué)性能五大力學(xué)性能指標σs、σb、δ、ψ和Ak

應(yīng)力應(yīng)變曲線（低碳鋼）*82.3.1屈服強度應(yīng)力應(yīng)變曲線（低碳鋼）*92.3.1屈服強度一、屈服強度的工程意義及表示屈服：材料由彈性變形向

塑性變形過渡的明顯標志。σs：材料抵抗起始（或微量）塑變的能力。？開始塑變：1根位錯滑移？工程測量？？*102.3.1屈服強度一、屈服強度的工程意義及表示屈服強度的表示：有屈服平臺：下屈服點σsl；無明顯屈服：人為確定----條件屈服強度。工程測量*11規(guī)定殘余伸長應(yīng)力σr：卸除拉力后，0.05%、0.1%、0.2%殘余伸長

------σr0.05，σr0.1，σr0.2

。規(guī)定總伸長應(yīng)力----σt

：標距部分的總長----σt0.5。加載過程中易自動測量。條件屈服強度：

統(tǒng)一用σ0.2表示σs

（不計測量方法）2.3.1屈服強度*12屈服強度在工程結(jié)構(gòu)選材中的應(yīng)用*13武漢長江大橋1955~1957年Q235(A3),主跨128m。前蘇聯(lián)援助南京長江大橋(1968年)鋼梁主跨度160米，鉚接；鞍鋼公司開發(fā)16Mn（

Q345）橋梁鋼；完全自主國產(chǎn)材料建成，首屆國家科學(xué)技術(shù)進步特等獎。應(yīng)用實例：*14蕪湖長江大橋(2000年)武鋼14MnNbq（Q345）。鋼梁主跨216米，全長10616米，鋼梁總長2193.7米。采用厚板焊接全封閉整體節(jié)點鋼梁，目前中國最長公鐵兩用橋。*15國家大劇院：Ｑ345-Ｄ河北鋼鐵集團--邯鋼--舞陽鋼鐵公司。*16九江長江大橋(1992年)15MnVNq（Q420）/配套35VB高強度螺栓；鋼梁主跨跨度達到了216米。板厚56毫米，厚板焊接鋼梁新結(jié)構(gòu)，突破了鐵路橋梁鋼板厚度50毫米的限制。鉚接橋梁退出了歷史舞臺?！傍B巢”總用鋼量達到11萬噸，

外部鋼結(jié)構(gòu)總重4.2萬噸，主結(jié)構(gòu)用鋼2.3萬噸，受力最大的主支撐用了400噸的Q460鋼材。最大跨度343米。

企業(yè)///材質(zhì)///訂貨量(噸)///比例(%)

舞鋼///Q460、Q345GJD///2641.5///5.97

武鋼///Q345D、Q345GJ///15803///35.73

寶鋼///Q345D、Q345GJ///7876///17.80

濟鋼///Q345C///7069///15.98

首鋼///Q345C///2216///5.01

重鋼///Q345C///449///1.01

新(余)鋼///Q345B、Q345C///4452///10.06

南(京)鋼///Q345B、Q345C///3720///8.41*18鋼筋：Ⅰ級鋼筋（235/370級）：HPB235Ⅱ級鋼筋（335/510級）：HRB335Ⅲ級鋼筋（370/570）：HRB400Ⅳ級鋼筋（540/835）：HRB500（視頻）H----熱軋；P----光圓，R----帶肋ribbing；B----鋼筋bar。數(shù)字----最低屈服強度。*19σs的工程意義：不允許過量塑變的設(shè)計與選材依據(jù)；2.3.1屈服強度σs

不是越高越好，形狀、尺寸、服役條件。*20二、影響屈服強度的因素σs

的產(chǎn)生機理：（難點）三個問題：2.3.1屈服強度A.屈服平臺的產(chǎn)生？B.屈服波動？C.不同材料的屈服差異？

*21二、影響屈服強度的因素σs

的產(chǎn)生機理：（難點）①材料在變形前可動位錯密度很小，或雖有大量位錯但被釘扎（雜質(zhì)原子或第二相質(zhì)點）。1957年，Gilman和Johnston提出金屬材料屈服的三個條件：②隨塑性變形的發(fā)生，位錯能快速增殖，即可動位錯急速增加。2.3.1屈服強度*22③位錯運動速率與外加切應(yīng)力有強烈依存關(guān)系：τ----滑移面上的切應(yīng)力。τ0----位錯以單位速率運動所需的切應(yīng)力。

m′----位錯運動速率應(yīng)力敏感指數(shù)。

位錯速度對應(yīng)力的敏感性。2.3.1屈服強度*23解釋：材料的宏觀塑性應(yīng)變速率

（試驗機夾頭移動速率）與可動位錯密度ρ、位錯運動速率

及柏氏矢量b成正比。2.3.1屈服強度*24變形前可動位錯密度ρ較小，為了滿足一定的塑性變形應(yīng)變速率的要求，須增大位錯運動速率，需有較高應(yīng)力τ→上屈服點。解釋：*25塑性變形一旦發(fā)生，位錯大量增殖，位錯密度ρ增加：另一方面，位錯間相互作用增強，位錯纏結(jié)；這2方面的原因使位錯運動速率下降，相應(yīng)的應(yīng)力突然降低，產(chǎn)生屈服降落平臺。2.3.1屈服強度一方面，要保持一定的塑性應(yīng)變速率；*26屈服降落平臺的明顯與否取決于m′值：m′值越低，υ的變化所需應(yīng)力τ的變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。材料SiGeWCrMoLiFFe-3%SiCuAgm'1.4(600~900℃)1.4~1.7(420~700℃)5<7<814.5352003002.3.1屈服強度*27

本質(zhì)較軟的材料（fcc），稍許提高應(yīng)力就引起位錯運動速率大幅上升，m′很大,屈服現(xiàn)象不明顯。

Cu200，Ag300。

本質(zhì)很硬的材料，m′很小，若要提高υ→→τ要大→→→上屈服點，

明顯的屈服現(xiàn)象。

Ge：1.4,Si：1.4-1.7。2.3.1屈服強度*28bcc金屬的m′較小(＜20)→→明顯的屈服現(xiàn)象。fcc金屬的m′較大(100~200)→→屈服現(xiàn)象不明顯。應(yīng)力敏感指數(shù)m′愈小，υ的變化所需切應(yīng)力τ的變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。小結(jié)：2.3.1屈服強度查文獻：不同材料不同狀態(tài)σ-ε曲線*29小結(jié)：變形機制的改變：滑移→→孿生，有利位向增多；極快速生長，爆發(fā)性傳播；2.3.1屈服強度屈服波動*30第2章材料的塑性變形2.1.材料的塑性變形機理2.1.1金屬與陶瓷晶體的塑性變形機理2.1.2陶瓷材料的塑性變形特點2.1.3高分子材料的塑性變形2.2冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶2.2.1塑性變形對材料性能的影響2.2.2冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶2.2.3材料的熱加工與冷加工2.3塑性變形的力學(xué)性能指標√*31σs：材料抵抗起始（或微量）塑變的能力。*32σs

的產(chǎn)生機理：（難點-了解）2.3.1屈服強度*332.影響σs的因素

內(nèi)因2.3.1屈服強度

外因化學(xué)成分；晶體結(jié)構(gòu)；組織結(jié)構(gòu)等；溫度應(yīng)變速率應(yīng)力狀態(tài)等。*342.影響σs的因素屈服是位錯運動的結(jié)果；→位錯運動阻力決定了σs

的大小。晶格阻力√位錯間交互作用力位錯與各種缺陷間的交互作用阻力2.3.1屈服強度*35b-----柏氏矢量（滑移方向上的原子間距）ω----位錯寬度，ω=a/(1-γ)，a為滑移面間距：

fcc密排--位錯寬度大；bcc位錯寬度小。理想晶體中僅存在1個位錯運動時所克服的阻力。派-納力(τP-N)：派爾斯（Peierls）和納巴羅（Nabarro）（1）晶體結(jié)構(gòu)（晶格阻力）：τp-N(派-納力)2.3.1屈服強度SirRudolfErnstPeierls(1907–1995)German-bornBritishphysicist.*36FrankReginaldNunesNabarro

(1916–2006)English-bornSouthAfricanphysicist*37*38派-納力推導(dǎo)十分復(fù)雜，也不精確，

它的一些定性結(jié)果有：1)本質(zhì)上，位錯寬度ω越小，τP-N越大，位錯難以滑移，屈服強度越高。從能量角度看：ω小→→晶格畸變大，位錯運動阻力高→→

τp-N大，σs大。bcc.2.3.1屈服強度*392)位錯寬度ω主要決定于結(jié)合鍵和晶體結(jié)構(gòu)。共價鍵：鍵角和鍵長難改變，位錯寬度很窄，

ω≈b，τP-N很高但很脆；金屬鍵：無方向性，位錯寬度較大，

Cu：ω≈6b，派-納力很低。*403)派-納力公式第一次定量地由位錯的存在，推算晶體的切變強度。推算：τP-N＝3.6×10-4G，比剛性模型計算的理論值（約G/30）小得多，接近實驗值。4)解釋為什么滑移面和方向都是原子最密排面和方向。b最小（原子密排方向）、

a最大（原子最密排面），位錯寬度ω最大，點陣阻力最小，派-納力最小。2.3.1屈服強度*41（2）摩擦阻力：位錯間交互作用的阻力。τ=αGbρ1∕2α：fcc=0.2;bcc=0.4.ρ↑→τ↑,σs↑*42（3）晶界阻力（晶界與亞結(jié)構(gòu)）細晶強化

霍爾-配奇（Hall-Petch）屈服強度與晶粒的尺寸的關(guān)系：2.3.1屈服強度（Hall-Petch公式）*43d-----（亞）晶粒平均直徑。

σi---位錯運動的總阻力（摩擦阻力）；

K---晶界釘扎常數(shù)。

d↓→位錯塞積長度↓→應(yīng)力集中↓→→不足以開動相鄰晶粒的位錯滑移。Hall-Petch公式：適用于晶界與亞晶界、納米晶。納米材料中，可動位錯少，啟動應(yīng)力高。2.3.1屈服強度*44晶粒大小對室溫機械性能的影響：晶粒直徑（μm）400501052下屈服點（KN/m2）86121180242345例：10#鋼σs與晶粒大小的關(guān)系細晶粒組織的高溫強度反而較低。高溫下晶界在應(yīng)力作用下產(chǎn)生粘滯性流動，晶界相對滑動；產(chǎn)生“擴散蠕變”，2.3.1屈服強度*45

細化晶粒，塑韌性提高！√：

變形分布于更多的晶粒，均勻性提高。

細晶→應(yīng)力集中小→裂紋不易萌生→更大變形量→高塑性。

細晶→晶界多→裂紋不易傳播→在斷裂過程中可吸收較多能量→高韌性。

細化晶粒是常溫下

同時提高材料強度和塑韌性的唯一方法。2.3.1屈服強度*46(4)溶質(zhì)元素(固溶強化）

晶格畸變→→應(yīng)力場→→與位錯應(yīng)力場交互作用→→σs↑→→固溶強化間隙、置換、空位→→強化σs空位――σs↑，塑性下降。（原子能工業(yè)）輻照空位。2.3.1屈服強度*47（5）第二相與第二相的形狀、尺寸、數(shù)量、分布有關(guān)。細小彌散分布：σs↑不可變形質(zhì)點：位錯線彎曲繞過可變形質(zhì)點：位錯線切過，繞過切過2.3.1屈服強度*48金屬（晶體）四大強化機制：固溶強化；細化晶粒強化（細晶強化）；位錯強化（加工硬化）第二相強化（沉淀強化、彌散強化）*49bcc金屬的σs隨T↓而急劇增高；

bcc金屬τp-N大，而τp-N屬短程力，對溫度很敏感。fcc金屬的σs隨T↓變化不大。(6)溫度屈服強度隨溫度的變化2.3.1屈服強度*50(7)應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài)

影響明顯：靜拉伸10-3/S,

冷軋、拉拔103/S→→σs↑

切應(yīng)力有利于塑變，σs↓。σs對成分、組織、溫度、應(yīng)力狀態(tài)極為敏感。2.3.1屈服強度*512.3.2應(yīng)變硬化指數(shù)1.

機理：應(yīng)變硬化:材料阻止繼續(xù)塑性變形的能力。位錯的多系滑移螺位錯的交滑移割階、位錯纏結(jié)、位錯鎖、胞狀結(jié)構(gòu)、2.3.1屈服強度*522.表征：Holloman公式：S—真應(yīng)力；e----真應(yīng)變；K----硬化系數(shù)；

n----應(yīng)變硬化指數(shù)。n=1，完全理想彈性體n=0，S=K=常數(shù)，

無應(yīng)變硬化n=0.5~1

n---反映了材料抵抗繼續(xù)塑變的能力。

2.3.1屈服強度n的取值？*533.影響n的因素：層錯能Al的層錯能高→→不易形成擴展層錯，d小→→易交滑移→→n小。層錯能低（Ag\Au\Cu,不銹鋼，α黃銅等）→→易出現(xiàn)層錯→→擴展位錯d寬，→→交滑移難發(fā)生→→滑移帶平直，位錯應(yīng)力集中高，→→n大。2.3.1屈服強度*544．加工硬化的實際意義保證變形均勻；防止突然過載斷裂；強化金屬。2.3.1屈服強度跳轉(zhuǎn)*55晶界的作用？（動畫）動畫\多晶體塑變-3.swf2.1材料的塑性變形機理*564．加工硬化的實際意義n大，強化效果突出。不能熱處理強化的材料：奧氏體不銹鋼、有色金屬等，更重要。

n大，沖壓性好（深沖壓），應(yīng)變均勻能力大。2.3.1屈服強度*57

2.3.1屈服強度*58光滑試樣，單向拉伸應(yīng)力下的實際最大承載能力。σb易于測定，重復(fù)性好，選材設(shè)計的重要依據(jù)。2.3.3抗拉強度σb

σb意義：（動畫）金屬抗拉強度塑料抗拉強度*59縮頸時dF=0縮頸時：

塑性變形的發(fā)展大于應(yīng)變硬化。應(yīng)變硬化趕不上塑性變形的發(fā)展。2.3.3抗拉強度*60②σs/σbσs/σb高：有利：充分發(fā)揮高強度，減輕機件質(zhì)量。不利：塑變抗力高，局部應(yīng)力集中處不易通過塑變緩解---突然脆斷。*61②σs/σbσs/σb

小σs一定時，

n越大，σb越高。

沖壓成型。*62小結(jié)：強度指標的意義。σsσb加工硬化n*631.陶瓷材料的強度（一）陶瓷材料的強度特點

1．陶瓷材料的抗拉強度低于金屬。固體粉料燒結(jié)大量氣孔，裂紋多而大；組織結(jié)構(gòu)不均勻，缺陷多。（75%的α-Al2O3）*642．陶瓷材料的抗壓強度比抗拉強度大得多，其差別的程度大大超過金屬?？箟?或抗彎）強度是工程陶瓷的一個常測指標。3．氣孔和密度對陶瓷斷裂強度有重大影響。*65（二）影響陶瓷材料強度的因素晶相，玻璃相，氣孔*661．顯微結(jié)構(gòu)晶相：晶粒尺寸、形貌和取向氣孔：尺寸、形狀和分布晶界玻璃相：組分、結(jié)構(gòu)和形態(tài)裂紋：尺寸、密度和形狀等陶瓷材料的制備工藝。影響陶瓷材料強度的因素*67(1)氣孔

有氣孔時陶瓷材料的強度；氣孔使受力相截面積減少，應(yīng)力增大；氣孔引起應(yīng)力集中，強度下降；無氣孔時陶瓷材料強度有關(guān)的常數(shù)。p：氣孔率。b：常數(shù)，4—7。影響陶瓷材料強度的因素*68(2)晶粒尺寸細晶強化：α：經(jīng)驗指數(shù)；氧化物/碳化物陶瓷：α＝1/2；

k：材料結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)。影響陶瓷材料強度的因素*69(3)晶界相晶界相：若能阻止裂紋擴展并松弛裂紋尖端

應(yīng)力場，可提高強度和塑性。影響陶瓷材料強度的因素助燒劑：低熔點晶界相，提高致密度。脆性晶界玻璃相：對強度不利，通過熱理使其晶化。*702．試樣尺寸尺寸效應(yīng)工程陶瓷材料的強度指標通常為彎曲強度。尺寸大，含大尺寸危險裂紋的機會大。石英玻璃纖維分段：

0.6cm長-----760Mpa12cm長-----275Mpa

應(yīng)力分布變化影響陶瓷材料強度的因素*71通常在800℃以下，溫度對陶瓷材料強度影響不大。陶瓷材料耐高溫性能較好。高溫下，晶界軟化、滑移，強度大幅度下降，表現(xiàn)一定的塑性；提高陶瓷的高溫強度，應(yīng)減少玻璃相和雜質(zhì)。3．溫度影響陶瓷材料強度的因素*722.3.4塑性與超塑性

意義：（1）材料斷裂前塑性變形的能力。（2）緩和裂紋尖端應(yīng)力集中，防止過載斷裂；（3）塑性加工成型：軋制、擠壓、鍛造。δ，ψ*73δ5＞δ10

：集中不均勻塑變量大于均勻塑變量。塑性越高，強度越低，

σs/σb越小。δ，ψ頸縮區(qū)所占比例越大，δ越大。一般金屬δ＜50~60%。δ5？？δ10

*74超塑性：δ＞1000%~6000％，一般金屬δ＜50~60%。機理：結(jié)構(gòu)超塑性：超細晶粒、微米等軸晶（變形前后保持等軸態(tài)）。

相變超塑性：A+F;