材料力學(xué)性能第一章2a

五、包申格效應(yīng)產(chǎn)生了少量塑性變形的材料（殘余應(yīng)變<4%），再同向加載則彈性極限（屈服強(qiáng)度）升高；反向加載則彈性極限（屈服強(qiáng)度）降低的現(xiàn)象。24第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗

包申格應(yīng)變是度量

包申格效應(yīng)的定量

指標(biāo)。它是指在給

定應(yīng)力下，拉伸卸

載后第二次再拉伸

與拉伸卸載后再壓

縮兩曲線之間的應(yīng)

變差。工程意義：

不利：經(jīng)拉伸變形成型的構(gòu)件要考慮其承受

壓縮載荷的能力，以免使微量塑性變形抗力

下降造成危害。特別是承受應(yīng)變疲勞載荷作

用的機(jī)件，呈現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象。

有利：如薄板反向彎曲成型，拉拔的鋼棒經(jīng)

輥壓校直等。

25第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)。因?yàn)榻?jīng)過(guò)正向變形后，晶內(nèi)位錯(cuò)最后總是停留在障礙密度較高處，一旦有反向變形，則位錯(cuò)很容易克服曾經(jīng)掃過(guò)的障礙密度較低處。

林位錯(cuò)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響

26第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗消除包申格效應(yīng)的方法：預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，或在第二次受力前先使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火，如鋼在400～500℃，銅合金在250～270℃退火。

2728材料的塑性變形是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，并不引起材料破裂的現(xiàn)象。材料的種類和性質(zhì)不同，其塑性變形機(jī)理也不相同。第四節(jié)

塑性變形及其性能指標(biāo)29一、塑性變形的機(jī)理1

金屬材料的塑性變形金屬常見(jiàn)的塑性變形機(jī)理為——滑移＋孿生滑移是在切應(yīng)力作用下，沿著滑移面和滑移方向進(jìn)行的切變過(guò)程。思考：何為滑移系？哪些面可做滑移面

？fcc，bcc，hcp的滑移系有幾個(gè)？室溫與高溫下有何區(qū)別？滑移系的多少與金屬的塑性好壞有何關(guān)系？第四節(jié)

塑性變形及其性能指標(biāo)30孿生是金屬在切應(yīng)力作用下的另外一

種塑性變形方式。孿生變形可以調(diào)整

滑移面的方向，使新的滑移系開(kāi)動(dòng)，

間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)。思考：在什么條件下金屬會(huì)以孿生方式塑性變形？為什么？金屬的滑移系較少、低溫、高速變形的條件下。第四節(jié)

塑性變形及其性能指標(biāo)31第四節(jié)

塑性變形及其性能指標(biāo)在切應(yīng)力下孿晶中的晶格位向變化321.

金屬塑性變形的特點(diǎn)1）各晶粒塑性變形的非同時(shí)性金屬多晶體中，不同相、不同晶粒在外

力作用下由彈性變形向塑性變形的過(guò)渡

不可能同時(shí)開(kāi)始。所以人為規(guī)定了一些微量殘留變形量條件，如0.05％，表示力學(xué)性能。第四節(jié)

塑性變形及其性能指標(biāo)332

）塑性變形量的不均勻性不同組織的塑性變形程度不同，在外部宏觀變形量不大的情況下，有些晶?？赡芤呀?jīng)達(dá)到極限，出現(xiàn)早期開(kāi)裂。補(bǔ)充：取向因子cosφcosλ組織越不均勻，塑性變形不同時(shí)性和不均勻性越嚴(yán)重。第四節(jié)

塑性變形及其性能指標(biāo)拉應(yīng)力與分切應(yīng)力關(guān)系圖

34因子。

第四節(jié)

塑性變形及其性能指標(biāo)

取向因子cosφcosλ分切應(yīng)力τ=(P/A)cosφcosλ

≥τ臨界

φ—外應(yīng)力與滑移面法線的夾角；

λ—外應(yīng)力與滑移方向的夾角；

Ω=

cosφcosλ稱為取向35第四節(jié)

塑性變形及其性能指標(biāo)3）各晶粒塑性變形的相互協(xié)調(diào)性多晶體金屬作為一個(gè)連續(xù)整體，不允許各個(gè)晶粒

在任一滑移系自由變形，否則必將導(dǎo)致晶界開(kāi)

裂，這就要求各晶粒之間能協(xié)調(diào)變形。每個(gè)晶粒

必須能同時(shí)沿幾個(gè)滑移系進(jìn)行滑移，或在滑移的

同時(shí)產(chǎn)生孿生變形，以保持材料的整體性。4）變形過(guò)程中金屬的力學(xué)性能和其它物理性能、化學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化。如密度降低、電阻和矯頑力增加、化學(xué)活性增大以及抗腐蝕性能降低等。2.

陶瓷材料的塑性變形

陶瓷材料最大的缺點(diǎn)是脆－即塑性變形很難，為

什么？

共價(jià)鍵具有方向性，且是強(qiáng)固的結(jié)合鍵，使晶體具有

較高的抗晶格畸變、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力。離子鍵方

向性雖不明顯，但受靜電作用力的限制，其實(shí)際可動(dòng)

滑移系較少。

多晶材料，還存在氣孔、微裂紋、玻璃相等。位錯(cuò)不

易向周圍晶粒傳播，更易在晶界處塞積而產(chǎn)生應(yīng)力集

中，形成裂紋。

36第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)化合物L(fēng)iFMgOAl2O3SiO2Si3N4SiCSi負(fù)電性差3.02.32.01.71.20.70離子鍵（％）8973635130110共價(jià)鍵（％）112737497089100第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)陶瓷材料離子鍵與共價(jià)鍵的混合比

37非晶態(tài)玻璃，在室溫下沒(méi)有塑性，為什么？

沒(méi)有晶體的滑移系，塑性變形通過(guò)分子

（原子）位置的熱激活交換來(lái)進(jìn)行的，屬

于粘性流動(dòng)變形機(jī)制，塑性變形需要在一

定溫度下進(jìn)行。

非晶的

原子排

布

38第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)3.

高分子材料的塑性變形

結(jié)晶態(tài)高分子

塑變過(guò)程－薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

沿應(yīng)力方向排列的微纖維束。

非晶態(tài)高分子

塑變過(guò)程－正應(yīng)力作用下形成銀紋，切應(yīng)力作用下無(wú)取向分子鏈轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕械睦w維束。

39第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)40銀紋（craze）：銀紋是高分子材料在變形過(guò)程中產(chǎn)生的一種缺陷，由于它的密度低，對(duì)光線的反射能力很高，看起來(lái)呈銀色，因而得名。銀紋產(chǎn)生于高分子材料的弱結(jié)構(gòu)或缺陷部位，銀紋內(nèi)部為有取向的纖維和空洞交織分布。銀紋＝裂紋

？第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)聚苯乙烯板中的銀紋圖中箭頭指主應(yīng)力方向；

（b）是圖（a）中一段的放大照片

41(b)第四節(jié)

(a)塑性變形及其性能指標(biāo)二、屈服現(xiàn)象與屈服強(qiáng)度

1

屈服現(xiàn)象

在材料拉伸曲線上，彈性變形向塑性變

形的過(guò)渡階段有一個(gè)平臺(tái)或鋸齒。在外力

不增加或上下波動(dòng)的情況下試樣可以繼續(xù)

伸長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為材料在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)的

屈服現(xiàn)象。許多鐵基合金、有色金屬和高

分子材料中會(huì)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。

42第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)2

屈服強(qiáng)度

定義：屈服強(qiáng)度－材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力。

通常用下屈服點(diǎn)的應(yīng)力值表示。

何為上、下屈服點(diǎn)？物理意義：材料抵抗起始塑性變形的能力或產(chǎn)

生微量塑性變形的能力。

43定義式：σ

s

=

Fs

/

A0σ

sl

=

Fsl

/

A0第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)44第四節(jié)

塑性變形及其性能指標(biāo)屈服伸長(zhǎng)變形是不均勻的

呂德斯帶第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)呂德斯帶的顯微照片

45第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)屈服現(xiàn)象發(fā)生的三個(gè)要素：

材料變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小

隨塑性變形發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈依存關(guān)系塑性應(yīng)變速率柏氏矢量的模

可動(dòng)位錯(cuò)密度

46位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率

?

?ε

=

bρ

v第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)沿滑移面上的切應(yīng)力位錯(cuò)以單位速率運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)

所需的切應(yīng)力m’值越低，則使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需之應(yīng)力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。

47m'

?v

=

(τ

/τ0)對(duì)于看不到明顯屈服現(xiàn)象的材料，工程上其屈服強(qiáng)度由人為按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，稱為條件屈服強(qiáng)度。(1)比例極限

應(yīng)力超過(guò)σp時(shí)即認(rèn)為材料開(kāi)始屈服。(2)彈性極限

應(yīng)力超過(guò)σe時(shí)即認(rèn)為材料開(kāi)始屈服。(3)屈服強(qiáng)度

以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)，如以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，符號(hào)為σ0.2。

48第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中，用規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力σr和規(guī)定總伸長(zhǎng)σt表示材料的屈服強(qiáng)度。σr0.05、

σr0.1、

σr0.2、

σt0.5σr和σt都可以表征材料的屈服強(qiáng)度，但σt可以在加載過(guò)程中測(cè)量，且容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化。

49第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

工程意義：

屈服強(qiáng)度是很重要的力學(xué)性能指標(biāo)。

1

作為防止因材料過(guò)量塑性變形而導(dǎo)致機(jī)件失效的設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)；

2

根據(jù)屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值（屈強(qiáng)比）的大小，衡量材料進(jìn)一步產(chǎn)生塑性變形的傾向，作為材料冷塑性變形加工和確定機(jī)件緩解應(yīng)力集中防止脆性斷裂的參考依據(jù)。

50第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)也就是說(shuō)，屈服強(qiáng)度高，提高了許用應(yīng)力，減輕了零件或構(gòu)件的重量，減小零件尺寸和體積，但是，對(duì)缺口敏感，脆性增加，所以要選最佳值。

51第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)

傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法：對(duì)塑性材料，以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=σs/n，安全系數(shù)n一般取2或更大；對(duì)脆性材料，以抗拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=σb/n，安全系數(shù)n一般取6。

52第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)3

高分子材料的屈服

通常把拉伸曲線上出現(xiàn)應(yīng)力極大點(diǎn)定義

為屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變約為5％～10

％，甚至更大。如拉伸曲線上不出現(xiàn)極

大點(diǎn)，則對(duì)應(yīng)應(yīng)變2％處的應(yīng)力為屈服

強(qiáng)度。

53三、影響材料屈服強(qiáng)度的因素

(金屬)

內(nèi)因：晶格類型、結(jié)合鍵、組織結(jié)構(gòu)

1

晶體結(jié)構(gòu)

屈服強(qiáng)度從理論上講是位錯(cuò)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)所需的

臨界切應(yīng)力，其值由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的各種阻

力決定。

FCC金屬位錯(cuò)容易移動(dòng)，即容易屈服；

BCC金屬位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力大，屈服強(qiáng)度高。

54第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)a：滑移面的晶面間距ω：位錯(cuò)寬度位錯(cuò)寬度大，晶格畸變小，位錯(cuò)易于移動(dòng)ω

=

a/(1?ν)

Gτp-n：晶格阻力；v：泊松比；G：切變模量fcc：

a

=

3原子間距bcc：

a

=

2原子間距

55Cu的屈服強(qiáng)度小于Fe？第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)1/2τ

=αGbρτ：位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力α：比例系數(shù)（fcc

0.2,

bcc

0.4）ρ：位錯(cuò)的密度

G：切變模量

b：柏氏矢量的模

產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象的原因

562

結(jié)合鍵

陶瓷的結(jié)合鍵為離子鍵和共價(jià)鍵，結(jié)合力最

大，要塑變必須使鍵斷開(kāi)，所以屈服強(qiáng)度最

高，脆性最大；金屬鍵結(jié)合力屬于中，有一

個(gè)范圍，取決于原子本性（原子半徑及其電

子結(jié)構(gòu)），屈服強(qiáng)度屬于中等；高分子的分

子鍵力很小，分子鏈容易彼此滑過(guò)，所以屈

服強(qiáng)度很低。

57第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)3

組織結(jié)構(gòu)

使金屬?gòu)?qiáng)化的因素引起屈服強(qiáng)度升高，

有四種機(jī)制：細(xì)晶強(qiáng)化（屈服強(qiáng)度與晶粒

大小的關(guān)系）；固溶強(qiáng)化（屈服強(qiáng)度與溶

質(zhì)濃度的關(guān)系）；第二相強(qiáng)化（屈服強(qiáng)度

與第二相的類型、尺寸、形狀、數(shù)量、分

布等有關(guān)）；形變強(qiáng)化方式、形變量等。

58第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙霍耳—配奇(Hall-Petch)公式σi：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的總阻力，決定于晶體結(jié)構(gòu)

和位錯(cuò)密度

ky：晶界對(duì)強(qiáng)化貢獻(xiàn)大小的釘扎常數(shù)

d：晶粒平均直徑

59?1/2σs

=σi

+kyd第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)在固溶合金中，由于溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑不同，在溶質(zhì)原子周圍形成晶格畸變應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生交互作用，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而使屈服強(qiáng)度提高，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。通常間隙固溶體的強(qiáng)化作用更大。

60第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)低碳鐵素體中固溶強(qiáng)化效果

6162

第四節(jié)第二相種類

塑性變形及其性能指標(biāo)不可變形

克服彎曲位錯(cuò)的線張力，其與