第七章固体材料的变形与断裂VIP免费

第七章固体材料的变形与断裂本章主要内容：掌握：弹性变形；塑性变形；滑移和滑移系；临界分切应力；孪生；扭折。了解：塑性变形对材料组织与性能的影响。引言材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。材料的变形可分为：弹性的、塑性的和粘性的。一般金属材料是弹塑性体，而有些高分子材料随变形温度不同，可以是弹性的、粘弹性、粘性的状态。第一节弹性变形材料受力时总是先发生弹性变形，即弹性变形是塑性变形的先行阶段，而且在塑性变形中还伴随着一定的弹性变形。一、弹性变形的本质弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。图7-1(a)体系能量与原子间距的关系和(b)原子间作用力和距离的关系晶体内原子间的结合能和结合力可通过理论计算得出是原子间距离的函数，如图7-1所示。二、弹性变形的特征和弹性模量弹性变形的主要特征：(1)理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。(2)金属、陶瓷和部分高分子材料发生弹性变形时，其应力与应变之间都保持单值线性函数关系，即服从虎克(Hooke)定律：式中，分别为正应力和切应力；，分别为正应变和切应变；E，G分别为弹性模量(杨氏模量)和切变模量。弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：式中为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金属材料的泊松比在0.25～0.35之间。弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。弹性模量是组织结构不敏感参数；对晶体材料而言，其弹性模量是各向异性的。(3)弹性变形量随材料的不同而异。多数金属材料仅在一定的的应力范围内符合虎克定律，弹性变形量一般不超过0.5％；而橡胶类高分子材料的弹性变形量则可高达1000％，但这种弹性变形是非线性的。三、滞弹性一些实际晶体，在加载或卸载时，应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程来完成其变化的。这种在弹性极限范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性。图7-2为弹性后效示意图。图中Oa＝bc为弹性应变，是瞬时产生的；a’b＝c’d是在应力作用下逐渐产生的弹性应变，称为滞弹性应变。图7-2恒应力下的应变弛豫第二节单晶体的塑性变形应力超过弹性极限，产生不可逆的永久变形，即材料的塑性变形。在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移方式进行的，此外，尚有孪生和扭折等方式。一、滑移1.滑移线与滑移带当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片之间的相对滑移，大量的层片间滑动的累积就构成晶体的宏观塑性变形。图7-3为良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当拉伸，产生了一定的塑性变形。在金属棒表面出现一条条的细线，称为滑移带。这是由于晶体的滑移变形使试样的抛光表面上产生高低不一的台阶所造成的。图7-3金属单晶体拉伸后的实物照片滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平行的更细的线所组成的，称为滑移线，如图7-4所示。图7-4滑移带形成示意图晶体塑性变形是不均匀性的，滑移只是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。2．滑移系塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同。滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。因为原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移；由于最密排方向上的原子间距最短，即位错b最小，该方向上最容易滑移。例如：具有fcc的晶体：图7-5fcc结构其滑移面是111晶面，滑移方向为<110>晶向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。每一个滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的一个空间取向。在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向便愈多，滑移容易进行，它的塑性便愈好。面心立方晶体的滑移系共有1114<110>3＝12个；体心立方晶体，如-Fe，由于可同时沿110，112和123晶面滑移，故其滑...