FH2.3-塑變性能指標(biāo)

《材料性能學(xué)》付華石家莊鐵道大學(xué)2/6/20231第2章材料的塑性變形2.1.材料的塑性變形機(jī)理2.1.1金屬與陶瓷晶體的塑性變形機(jī)理2.1.2陶瓷材料的塑性變形特點(diǎn)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(duì)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(biāo)2/6/202322.3

力學(xué)性能指標(biāo)2類力學(xué)性能指標(biāo)材料的強(qiáng)度指標(biāo)；材料的塑形指標(biāo)表征材料對(duì)塑性變形和斷裂抗力。表征材料塑性變形能力。屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度延伸率斷面收縮率

2/6/202332.3.1屈服強(qiáng)度一、屈服強(qiáng)度的表示及工程意義

屈服：材料由彈性變形向彈-塑性變形過(guò)渡的明顯標(biāo)志。σs：材料抵抗起始（或微量）塑變的能力。屈服強(qiáng)度的表示：有屈服平臺(tái)：下屈服點(diǎn)σsl；無(wú)明顯屈服：人為確定----條件屈服強(qiáng)度。2/6/20234規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力σr：卸除拉力后，0.05%,0.1%,0.2%殘余伸長(zhǎng)

------σr0.05，σr0.1，σr0.2。規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力σt

：標(biāo)距部分的總長(zhǎng),σt0.5。加載過(guò)程中易自動(dòng)測(cè)量。條件屈服強(qiáng)度：

統(tǒng)一用σ0.2表示σs

（不計(jì)測(cè)量方法）2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/20235σs的工程意義：①不允許過(guò)量塑變的設(shè)計(jì)與選材依據(jù)；σs

不是越高越好，視具體形狀、尺寸、服役條件而定。2.3.1屈服強(qiáng)度②σs/σb

高：有利：充分發(fā)揮高強(qiáng)度，減輕機(jī)件質(zhì)量。不利：塑變抗力高，局部應(yīng)力集中處不易通過(guò)塑變緩解---突然脆斷。2/6/20236二、影響屈服強(qiáng)度的因素σs

的產(chǎn)生機(jī)理：（難點(diǎn)）①材料在變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小，或雖有大量位錯(cuò)但被釘扎（雜質(zhì)原子或第二相質(zhì)點(diǎn)）。1957年，Gilman和Johnston提出金屬材料屈服的三個(gè)條件：②隨塑性變形的發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖，即可動(dòng)位錯(cuò)急速增加。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/20237③位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加切應(yīng)力有強(qiáng)烈依存關(guān)系：τ----沿滑移面上的切應(yīng)力。τ0----位錯(cuò)以單位速率運(yùn)動(dòng)所需的切應(yīng)力。

m′----位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)。標(biāo)志位錯(cuò)速度對(duì)應(yīng)力的敏感性。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/20238解釋：材料的宏觀塑性應(yīng)變速率

（試驗(yàn)機(jī)夾頭移動(dòng)速率）與可動(dòng)位錯(cuò)密度ρ、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率

及柏氏矢量b成正比。變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度ρ較小，為了滿足一定的塑性變形應(yīng)變速率的要求，必須增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率，需要有較高應(yīng)力τ，是上屈服點(diǎn)的由來(lái)。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/20239塑性變形一旦發(fā)生，位錯(cuò)大量增殖，位錯(cuò)密度ρ增加：另一方面，位錯(cuò)間相互作用增強(qiáng)，位錯(cuò)纏結(jié)；這2方面的原因使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率下降，相應(yīng)的應(yīng)力突然降低，產(chǎn)生屈服降落平臺(tái)。2.3.1屈服強(qiáng)度一方面，要保持一定的塑性應(yīng)變速率；2/6/202310屈服降落平臺(tái)的明顯與否取決于m'值，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率對(duì)應(yīng)力的敏感指數(shù)。m'值越低，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需的應(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(qiáng)度2/6/202311

本質(zhì)較軟的材料（fcc），稍許提高應(yīng)力就引起位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，

明顯的屈服現(xiàn)象。

Ge：1.4,Si：1.4-1.7。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202312bcc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)：變形機(jī)制的改變：滑移→→孿生，有利位向增多；極快速生長(zhǎng)，爆發(fā)性傳播；2.3.1屈服強(qiáng)度屈服波動(dòng)2/6/2023132.影響σs

的因素內(nèi)在因素：化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)等；外部因素：溫度、應(yīng)變速率等。屈服是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力決定了σs

的大小。晶格阻力√位錯(cuò)間交互作用力位錯(cuò)與各種缺陷間的交互作用阻力2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202314b-----柏氏矢量（滑移方向上的原子間距）ω----位錯(cuò)寬度，ω=a/(1-γ)，a為滑移面間距：

fcc密排--位錯(cuò)寬度大；bcc位錯(cuò)寬度小。理想晶體中僅存在1個(gè)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(qiáng)度2/6/202315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(cuò)寬度ω越小，τP-N越大，位錯(cuò)難以滑移，屈服強(qiáng)度越高。從能量角度看：ω小→→晶格畸變大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力高→→

τp-N大，σs大。bcc.2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/2023162)位錯(cuò)寬度ω主要決定于結(jié)合鍵和晶體結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵：鍵角和鍵長(zhǎng)難改變，位錯(cuò)寬度很窄，

ω≈b，τP-N很高但很脆；金屬鍵：無(wú)方向性，位錯(cuò)寬度較大，

Cu：ω≈6b，派-納力很低。2/6/2023173)派-納力公式第一次定量地由位錯(cuò)的存在，推算晶體的切變強(qiáng)度。推算：τP-N＝3.6×10-4G，比剛性模型計(jì)算的理論值（約G/30）小得多，接近實(shí)驗(yàn)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(cuò)寬度ω最大，點(diǎn)陣阻力最小，派-納力最小。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202318（2）摩擦阻力：位錯(cuò)間交互作用阻的阻力。

τ=αGbρ1∕2α：fcc=0.2;bcc=0.4.

ρ↑→τ↑,σs↑摩擦阻力有兩種類型：平行位錯(cuò)間；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)間。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202319（3）晶界阻力（晶界與亞結(jié)構(gòu)）細(xì)晶強(qiáng)化

霍爾-配奇（Hall-Petch）屈服強(qiáng)度與晶粒的尺寸的關(guān)系：2.3.1屈服強(qiáng)度（Hall-Petch公式）2/6/202320d-----（亞）晶粒平均直徑。

σi---位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的總阻力（摩擦阻力）；

K---晶界釘扎常數(shù)。

d↓→位錯(cuò)塞積長(zhǎng)度↓→應(yīng)力集中↓→→不足以開動(dòng)相鄰晶粒的位錯(cuò)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(dòng)位錯(cuò)少，啟動(dòng)應(yīng)力高。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202321晶粒大小對(duì)室溫機(jī)械性能的影響：晶粒直徑（μm）400501052下屈服點(diǎn)（KN/m2）86121180242345例：10#鋼σs與晶粒大小的關(guān)系細(xì)晶粒組織的高溫強(qiáng)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(dòng)，晶界相對(duì)滑動(dòng)；產(chǎn)生“擴(kuò)散蠕變”，2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202322

細(xì)化晶粒，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→應(yīng)力集中小→裂紋不易萌生；

細(xì)晶→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。

細(xì)化晶粒是常溫下可同時(shí)提高材料強(qiáng)度和塑韌性的唯一方法。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202323(4)

溶質(zhì)元素(固溶強(qiáng)化）

晶格畸變→→應(yīng)力場(chǎng)→→與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)交互作用→→σs↑→→固溶強(qiáng)化間隙、置換、空位→→強(qiáng)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(qiáng)度2/6/202324（5）第二相與第二相的形狀、尺寸、數(shù)量、分布有關(guān)。細(xì)小彌散分布：σs↑不可變形質(zhì)點(diǎn)：位錯(cuò)線彎曲繞過(guò)可變形質(zhì)點(diǎn)：位錯(cuò)線切過(guò)，繞過(guò)切過(guò)2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202325bcc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(duì)溫度很敏感。fcc金屬的σs隨T↓變化不大。(6)溫度屈服強(qiáng)度隨溫度的變化2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202326(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(duì)成分、組織、溫度、應(yīng)力狀態(tài)極為敏感。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202327小結(jié)：力學(xué)性能指標(biāo)材料的強(qiáng)度指標(biāo)；材料的塑形指標(biāo)屈服強(qiáng)度√應(yīng)變硬化指數(shù)抗拉強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度等。延伸率斷面收縮率等。指標(biāo)的意義及影響因素2/6/2023282.3.2應(yīng)變硬化指數(shù)1.

機(jī)理：應(yīng)變硬化是材料阻止繼續(xù)塑性變形的能力。位錯(cuò)的多系滑移位錯(cuò)的交滑移割階、位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)鎖、胞狀結(jié)構(gòu)、刃位錯(cuò)不能交滑移，刃位錯(cuò)密度增大，產(chǎn)生應(yīng)變硬化。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/2023292.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)。應(yīng)變硬化指數(shù)n：n=0.5~1n=1，完全理想彈性體

n=0，S=K=常數(shù)，無(wú)應(yīng)變硬化

n---反映了材料抵抗繼續(xù)塑變的能力。

2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/2023303.影響n的因素：層錯(cuò)能Al的層錯(cuò)能高→→不易形成擴(kuò)展層錯(cuò)，d小→→易交滑移→→n小。層錯(cuò)能低（Ag\Au\Cu,不銹鋼，α黃銅等）→→易出現(xiàn)層錯(cuò)→→擴(kuò)展位錯(cuò)d寬，→→交滑移難發(fā)生→→位錯(cuò)應(yīng)力集中高，滑移帶平直→→n大。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/2023314．加工硬化的實(shí)際意義n大，強(qiáng)化效果突出

。不能熱處理強(qiáng)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。保證變形均勻；防止突然過(guò)載斷裂；強(qiáng)化金屬。2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202332

2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202333力學(xué)性能指標(biāo)材料的強(qiáng)度指標(biāo)；材料的塑形指標(biāo)屈服強(qiáng)度應(yīng)變硬化指數(shù)抗拉強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度等。延伸率斷面收縮率等。指標(biāo)的意義及影響因素2.3.1屈服強(qiáng)度2/6/202334韌性金屬單向拉伸光滑試樣的實(shí)際最大承載能力。σb易于測(cè)定，重復(fù)性好，選材設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。2.3.3抗拉強(qiáng)度σb

σs/σb

,沖壓成型要求σs/σb要小。

σs一定時(shí)，n越大，σb越高。σb意義：2/6/202335縮頸時(shí)dF=0縮頸時(shí)：

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(qiáng)度2/6/202336小結(jié)：強(qiáng)度指標(biāo)的意義。σsσb加工硬化n2/6/2023371.陶瓷材料的強(qiáng)度（一）陶瓷材料的強(qiáng)度特點(diǎn)

1．陶瓷材料的抗拉強(qiáng)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）2/6/2023382．陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大得多，其差別的程度大大超過(guò)金屬?？箟簭?qiáng)度是工程陶瓷材料的一個(gè)常測(cè)指標(biāo)。3．氣孔和密度對(duì)陶瓷斷裂強(qiáng)度有重大影響。2/6/202339（二）影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素2/6/2023401．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(qiáng)度的因素2/6/202341透明氧化鋁瓷（燒結(jié)白剛玉），99.5%以上Al2O3真空下燒結(jié)。Al2O3純度很高，氣孔極少。透明氧化鋁的顯微組織1200x影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素2/6/202342電熔剛玉的顯微組織耐火材料1200x白色粗大的柱狀晶：

α-Al2O3相；暗黑色：玻璃相，黑色的圓洞：氣孔。影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素2/6/202343錳鋅鐵氧體的顯微組織白色塊狀晶相：

(MnZn)Fe2O4；條狀析出相：Fe2O3；暗黑色組織：玻璃相；圓形：氣孔；過(guò)燒-------性能劣化。1200x影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素2/6/202344鈦酸鋇的顯微組織廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷。優(yōu)良的介電性能和電光性能等。1200x白色塊狀晶相：BaTiO3，晶粒內(nèi)部有孿晶。黑圓洞：氣孔；晶界處有少量玻璃相。過(guò)燒，性能劣化。影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素2/6/202345(1)晶粒尺寸晶粒尺寸越小，陶瓷材料室溫強(qiáng)度越高。(細(xì)晶強(qiáng)化）α：經(jīng)驗(yàn)指數(shù)；氧化物/碳化物陶瓷：α＝1/2；

k是與材料結(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(qiáng)度的因素2/6/202346(2)氣孔

有氣孔時(shí)陶瓷材料的強(qiáng)度；陶瓷材料的強(qiáng)度隨氣孔率p的增加而下降。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(qiáng)度下降；無(wú)氣孔時(shí)陶瓷材料強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù)。影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素2/6/202347(3)晶界相晶界相：若能阻止裂紋擴(kuò)展并松弛裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)，可提高強(qiáng)度和塑性。影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素助燒劑：低熔點(diǎn)晶界相，提高致密度。脆性晶界玻璃相：對(duì)強(qiáng)度不利，通過(guò)熱理使其晶化。2/6/2023482．試樣尺寸尺寸效應(yīng)工程陶瓷材料的強(qiáng)度指標(biāo)通常為彎曲強(qiáng)度。相同體積下，試樣厚度越小，應(yīng)力梯度越大，彎曲強(qiáng)度越高。尺寸大，含大尺寸危險(xiǎn)裂紋的機(jī)會(huì)大。石英玻璃纖維分段：

0.6cm長(zhǎng)-----760Mpa

12cm長(zhǎng)-----275Mpa2.應(yīng)力分布變化影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素2/6/202349通常在800℃以下，溫度對(duì)陶瓷材料強(qiáng)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(qiáng)度大幅度下降，表現(xiàn)一定的塑性；提高陶瓷的高溫強(qiáng)度，應(yīng)減少玻璃相和雜質(zhì)。3．溫度影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素2/6/202350高分子材料的塑性變形玻璃態(tài)高聚物（Tb~Tg）和結(jié)晶性聚合物（Tb~Tm）典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及試樣形狀的變化冷拉

2/6/202351聚合物的屈服應(yīng)變可達(dá)20%左右（金屬<1%）。屈服點(diǎn)：最大應(yīng)力點(diǎn)；

5％-10%，甚至更大。無(wú)極大值：定義2％應(yīng)變處的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度。

高分子材料的塑性變形2/6/202352BC段：高聚物特有的“細(xì)頸”沿樣品擴(kuò)展；AB段：分子鏈滑移，銀紋形成；應(yīng)變?cè)黾印?yīng)力下降，“應(yīng)變軟化”；頸縮高分子材料的塑性變形

2/6/202353CD：分子鏈重組，微纖維結(jié)構(gòu)，試樣均勻拉伸，“取向硬化”。D點(diǎn)：斷裂強(qiáng)度σb，斷裂伸長(zhǎng)率εb。高分子材料的塑性變形

2/6/202354屈服機(jī)理比較復(fù)雜，因狀態(tài)不同而異。應(yīng)力-應(yīng)變曲線依賴于時(shí)間和溫度。屈服點(diǎn)是很難給出確切定義：通過(guò)高溫退火可使永久變形恢復(fù)，不同于金屬。聚合物屈服特點(diǎn)：高分子材料的塑性變形

2/6/2023552/6/202356聚合物的五種應(yīng)力－應(yīng)變曲線：

硬而脆；硬而強(qiáng)；強(qiáng)而韌；軟而韌；軟而弱。“軟”和“硬”：模量的低或高；“弱”和“強(qiáng)”：強(qiáng)度的大??；“脆”-----無(wú)屈