金属塑性变形与断裂集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
金属材料塑性变形与断裂的关系
摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。
关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀
氢脆高温断裂
一、解理断裂与塑变的关系
解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。
第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。
第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。
从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。
二、准解理断裂与塑变的关系
准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因：
（1）、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的组织，回火温度低，易产生此类断裂。
（2）、构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同。
（3）、构件的薄弱环节处处于平面应变状态。
（4）、材料的尺寸比较粗大。
（5）、回火马氏体组织的缺陷，如碳化物在回火时的定向析出。
准解理断裂往往开始是因为碳化物，析出物或者夹杂物在外力作用下产生裂纹，然后沿某一晶面解理扩展，之后以塑性变形方式撕裂，其断裂面上显现有较大的塑性变形，特征是断口上存在由于几个地方的小裂纹分别扩展相遇发生塑性撕裂而形成的撕裂岭。准解理断裂面不是一
个严格准确的解理面，有人认为准解理断裂是解理和微孔聚合的混合机制
准解理与解理的共同点：都是穿晶断裂；有小解理面；有台阶或撕裂棱及河流状花样。不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面；真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。
三、沿晶断裂与塑变的关系
沿晶断裂是指裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展的断裂形式。在多晶体变形中，晶界起协调相邻晶粒变形的作用。但当晶界收到损伤，其变形能力被削弱，不足以协调相邻晶粒的变形时，便形成境界开裂。
产生沿晶断裂一般有如下原因：( 1 ) 晶界上存在有脆性沉淀相； (2 ) 杂质和合金元素在晶界偏析，致使晶界弱化；(3 ) 热应力作用；（4）环境引起的沿晶蚀用；（5）晶界有弥散相析出。
沿晶断裂的过程包括裂纹的形成与扩展。沿晶断裂是与塑性变形密切相关的，当晶界受损的材料受力变形时，晶内的运动位错受阻于晶界，在晶界处造成应力集中，当集中应力达到境界强度时，变将晶界挤裂。这个集中应力与位错塞积群中的位错数目和滑移带长度有关，因此沿晶断裂强度与晶粒尺寸符合Hall-Petch关系。
四、延性断裂与塑变的关系
延性断裂：伴随明显塑性变形而形成延性断口（断裂面与拉应力垂直或倾斜，其上具有细小的凹凸，呈纤维状）的断裂。延性断裂一般包括纯剪切变形断裂、韧窝断裂、蠕变断裂等。金属材料在载荷作用
下，首先发生弹性变形。当载荷继续增加到某一数值，材料即发生屈服，产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变形，继而发生断裂口或微空隙。这些断裂口或微空隙一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导致最后断裂。延性断裂的裂口呈纤维状，色泽灰暗边缘有剪切唇，裂口附近有宏观的塑性变形。
五、疲劳与塑变的关系
金属疲劳过程的应力状态和应变状态决定了金属材料的组织和性能的变化规律。在静载单向拉升的变形条件下，金属在宏观上呈现均匀变形，滑移线沿金属试样表面均匀分布，只有在较大变形量时，变形才集中于试样某一局部区域。在交变荷载作用下，当应力超过该材料的疲劳极限（小于屈服点）时，应力循环达到一定次数后，通过金相显微镜和X-射线的实验观察，可以发现在试样表面上应力水平较高的区域或较软的部位，产生了集中滑移，形成了式样的不均匀塑性形变。这种不均匀的塑性变形形成了通常所说的表面挤出峰和挤入槽。挤出峰和挤入槽是金属弱化部位滑移层见无规则滑移构成的滑移带。挤入槽构成了试样的表面裂纹。
金属的疲劳断裂过程可以分为疲劳裂纹的形成、疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳宏观上是脆性的，微观上是塑性的，是局部的塑性变形导致的断裂
在交变载荷作用下，金属表面将产生滑移线，随着循环次数增加，滑移线逐渐变粗而形成滑移带的独特结构与静载荷条件下的不同，它的
分布极不均匀，随着塑性应变的增大，滑移带数目不是在所有的晶面上平均增加，只是其中个别滑移带逐渐变宽而成为粗大的滑移带，在金相显微镜下，可以明显看到这些滑移带。
由滑移引起的疲劳裂纹，可以认为是驻留滑移带上的挤入和挤出现象的结果。在交变荷载的继续作用下，挤入部分向滑移带纵深扩展，从而形成最初的疲劳裂纹，然后裂纹沿滑移带方向扩展，并穿过晶粒，直至转化成宏观裂纹。
六、应力腐蚀开裂与塑变的关系
应力腐蚀是指在拉应力作用下，金属在腐蚀介质中引起的破坏。这种腐蚀一般均穿过晶粒，即所谓穿晶腐蚀。应力腐蚀由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂.
应力腐蚀开裂有以下特点
（1）造成应力腐蚀破坏的应力是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力
（2）应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，断裂前没有明星的塑性变形
（3）纯金属一般不发生应力腐蚀，只有在特定的合金成分与特定的介质相结合时才会造成应力腐蚀
（4）应力腐蚀的裂纹多起源于表面坑蚀处
常见应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而
被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。
在应力作用下表面钝化膜破坏是由于临近裂纹顶端处容易产生局部塑性变形而形成滑移台阶所致。
七、氢脆与塑变的关系
氢脆是在应力和过量的氢共同作用下使金属材料塑性，韧性下降，在钢内部形成细小的裂纹现象。并认为氢使微观塑变局部化，造成滞后塑变，降低屈服应力导致脆性。
氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,应力集中部位的金属缺陷多（原子点阵错位、空穴等）。氢扩散到这些缺陷处,氢原子变成氢分子,产生巨大的压力,这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力,组成一个合力,当这合力超过材料的屈服强度,就会导致断裂发生。氢脆的发生有一定的温度条件，当形变速率一定时，在稍高温度下，氢原子的扩散速度可以跟的上位错运动时，便以气团形式，伴随着位错运动，越来越多的聚集裂纹顶端塑性区，使该地区脆化。
八、高温断裂与塑变的关系
在高温短时载荷作用下，材料的塑性增加。但在高温长时载荷作用下，材料的塑性却显着降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂特
征。高温下的断裂是以扩散为主的蠕变断裂。蠕变是指金属材料在恒应力长期作用下发生的塑性变形现象。
第五章金属塑性变形的物理本质 练习与思考题 1 滑移系统和点阵阻力有什么关系？ 位错需克服点阵阻力，方可运动。点阵阻力，即派—纳力可表示为： 其中:k位错类型：螺位错的 k =1；刃位错的k=1-ν；b：柏氏矢量；a：面间距。 由于面间距a越大，柏氏矢量b越小时，点阵阻力，即派—纳力越小，因此，金属材料中位错滑移变形都是沿着密排面和密排方向进行的，而这些密排面和密排方向就是位错滑移面和滑移方向。滑移面和位于其上的滑移方向就构成了滑移系统。 2 滑移和孪生这两种切变机理各有什么特点？ 滑移是晶体的一部分相对于另一部分产生的剪切运动，且相对剪切运动的距离是言滑移方向的原子间距的整数倍，切变后不改变晶粒结构和晶体取向。 孪生也是晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶体学平面和方向产生的切变；切变后晶体结构没有变化，但是取向发生了变化；相对切变是沿孪生面逐层连续依次进行的，而不像滑移那样集中在一些滑移面上进行；孪生比滑移困难一些，所以变形时首先发生滑移，当切应力升高到一定数值时，才出现孪生；密排六方金属，由于滑够系统少，各滑移系相对于外力的取向都不利时，也可能在形变一开始就形成孪晶。 3 什么是金属的屈服强度？为什么金属的理论屈服强度和实际屈服强度有区别？ 金属的屈服强度是指金属抵抗塑性变形的抗力。定量地讲，屈服强度是指金属发生塑性变形时的临界应力。与加载的应力状态有关；受变形温度、应变速率和变形量等外在实验条件和内在的成分、组织状态的影响。 屈服强度作为金属材料的力学性能指标，专指的是在单向应力状态下和相应
的变形温度、应变速率和变形程度下，产生塑性变形所需要的单位变形力。 理论屈服强度认为滑移是一部分晶体在滑移面上，沿着滑移方向，相对于另一部分晶体的刚性整体式地切变。来源于金属的原子间的结合力，它是金属原子间结合力大小的反映。 实际晶体中存在着各种晶体缺陷，特别是存在着位错，位错很容易运动，因而不能充分发挥出原子间结合力的作用，所以金属（特别是纯金属单晶体）实际屈服强度远低于理论值。开动位错源所需的应力和位错在运动过程中遇到的各种阻力构成了金属的实际屈服强度。 4 金属的实际屈服强度决定于什么？ 金属的实际屈服强度决定于晶体中位错运动时所必须克服的阻力，实际晶体的切屈服强度τC包括开动位错源所必须克服的阻力；点阵阻力；位错应力场对运动位错的阻力；位错切割穿过其滑移面的位错林所引起的阻力；割阶运动所引起的阻力。 在实际金属中，通过塑性加工、合金化、热处理等工艺手段所引起的屈服强度的变化，主要是通过改变这些阻力来实现的。
4 固态塑性变形物理本质 材料经过加工成形使其具有需要的形状和性能，才体现出它的价值。材料加工的目的就是两个：一是改变材料的形状，另一个是改善其性能。塑性变形是既改变材料的形状，又改变材料的组织结构及相应性能的有效方法。 通过塑性变形可以有效地改变材料的性能，材料的性能又直接影响到工艺的进行。金属材料的性能（包括使用性能和深加工性能）在使用条件一定时，是决定于成分和组织结构的。在材料的化学成分一定的情况下，其组织结构是由加工工艺决定的，既通过冷、热加工、热处理和形变热处理可以在很大范围内改变金属材料的组织结构，从而改变材料的性能。我们掌握了形变、相变、形变和相变相结合的过程中金属材料组织结构的变化规律，就可以利用这些规律，设计和优化加工工艺来获得满足性能要求所需要的组织结构。有时为了充分发挥冷、热加工、热处理和形变热处理改变金属材料的组织结构的作用，也经常适当地调整化学成分，从而获得更好的效果。这些知识是制定各种金属材料生产工艺的理论依据，为了达到有效的控制材料性能目的，我们首先要认识塑性加工过程中材料的组织及性能变化。 4.1 固态塑性变形机理 材料塑性变形包括晶内变形和晶间变形。通过各种位错运动而实现的晶内一部分相对于另一部分的剪切运动，这就是晶内变形。剪切运动有不同的机理，其中最基本的形式是：滑移、孪生、形变带和扭折带。在r T T 5.0>（r T 熔化温度）时，可能出现晶间变形。当 变形温度比晶体熔点低很多时，起控制作用的变形机理是滑移和孪生。在高温塑性变形时，扩散机理起重要作用。 在金属和合金的塑性变形过程中，常常同时有几种机理起作用。各种机理作用的情况受许多因素影响，例如：晶体结构、化学成分、相状态等材料的内在因素，及变形温度、变形速度、应力状态等外部条件的影响。因此要研究和控制材料的变形过程，掌握基本的塑性变形机理很有必要。 4.1.1 滑移 （1）点阵阻力 晶内变形是晶体的一部分相对于另一部分的剪切变形，都是通过位错运动来实现的，所以研究基本的塑性变形机理就应研究相应的各种位错运动形式。滑移是重要的切变机理之一。虽说位错的滑移运动是很容易的，但是，它也必须至少克服点阵阻力对它的阻碍才能运动。所谓点阵阻力也就是派一纳力。当位错从一个低能的稳定位置过渡到另一个低能的稳定位置，必须越过一个能量最大值的位置，就需要对位错施加足够的力以供克服这一能垒所需要的能量，这个能垒就称为派尔斯垒，克服这个能垒所需要的力就是派一纳力。 派尔斯等作者，在经典的弹性介质假设和滑移面上原子的相互作用为原子相对位移的正弦函数假设的基础上，求出了单位长度位错的激活能△W （即派尔斯垒）和其临界切应力（派一纳力）p τ，按指数规律随面间距 a 和柏氏矢量 b 的比值a ／b 而变化。
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金属材料塑性变形与断裂的关系 摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀 氢脆高温断裂 一、解理断裂与塑变的关系 解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。 第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。
第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。 从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。 二、准解理断裂与塑变的关系 准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因： （1）、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的组织，回火温度低，易产生此类断裂。 （2）、构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同。 （3）、构件的薄弱环节处处于平面应变状态。 （4）、材料的尺寸比较粗大。 （5）、回火马氏体组织的缺陷，如碳化物在回火时的定向析出。 准解理断裂往往开始是因为碳化物，析出物或者夹杂物在外力作用下产生裂纹，然后沿某一晶面解理扩展，之后以塑性变形方式撕裂，其断裂面上显现有较大的塑性变形，特征是断口上存在由于几个地方的小裂纹分别扩展相遇发生塑性撕裂而形成的撕裂岭。准解理断裂面不是一
第四章塑性变形（含答案） 一、填空题（在空白处填上正确的内容） 1、晶体中能够产生滑移的晶面与晶向分别称为________和________，若晶体中这种晶面与晶向越多，则金属的塑性变形能力越________。 答案：滑移面、滑移方向、好（强） 2、金属的再结晶温度不仅与金属本身的________有关，还与变形度有关，这种变形度越大，则再结晶温度越________。 答案：熔点、低 3、晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象称为________。答案：滑移 4、由于________和________的影响，多晶体有比单晶体更高的塑性变形抗力。 答案：晶界、晶粒位向（晶粒取向各异） 5、生产中消除加工硬化的方法是________。 答案：再结晶退火 6、在生产实践中，经冷变形的金属进行再结晶退火后继续升高温度会发生________现象。答案：晶粒长大 7、金属塑性变形后其内部存在着残留内应力，其中________内应力是产生加工硬化的主要原因。 答案：第三类（超微观） 8、纯铜经几次冷拔后，若继续冷拔会容易断裂，为便于继续拉拔必须进行________。 答案：再结晶退火 9、金属热加工时产生的________现象随时被再结晶过程产生的软化所抵消，因而热加工带来的强化效果不显著。 答案：加工硬化 10、纯铜的熔点是1083℃，根据再结晶温度的计算方法，它的最低再结晶温度是________。答案： 269℃ 11、常温下，金属单晶体塑性变形方式有________和________两种。 答案：滑移、孪生 12、金属产生加工硬化后会使强度________，硬度________；塑性________，韧性________。答案：提高、提高、降低、降低 13、为了合理地利用纤维组织，正应力应________纤维方向，切应力应________纤维方向。答案：平行（于）、垂直（于） 14、金属单晶体塑性变形有________和________两种不同形式。 答案：滑移、孪生 15、经过塑性变形的金属，在随后的加热过程中，其组织、性能和内应力将发生一系列变化。大致可将这些变化分为________、________和________。 答案：回复、再结晶、晶粒长大 16、所谓冷加工是指金属在________以下进行的塑性变形。 答案：再结晶温度
《金属塑性变形理论》习题集 张贵杰编 河北联合大学 金属材料与加工工程系 2013年10月
前言 《金属塑性变形理论》是关于金属塑性加工学科的基础理论课，也是“金属材料工程”专业大学本科生的主干课程，同时也是报考材料科学与工程专业方向硕士研究生的必考科目。 《金属塑性变形理论》总学时为72，内容上分为两部分，即“金属塑性加工力学”（40学时）和“塑性加工金属学”（32学时）。 为使学生能够学好本课，以奠定扎实的理论基础，提高分析问题和解决问题的能力，编者集20余年的教学经验特编制本习题集，一方面作为学生在学习本课程时的辅导材料，供课下消化课堂内容时使用，另一方面也可供任课教师在授课时参考，此外对报考研究生的学生还具有指导复习的作用。 本“习题集”在编写时，充分考虑了学科内容的系统性、学生学习的连贯性以及与教材顺序的一致性。该“习题集”中具有前后关联的一个个题目，带有由浅入深的启发性，能够引导学生将所学的知识不断深化。教师也可根据教学进程从中选题，作为课外作业指导学生进行练习。所有这些都会有助于学生理解和消化课堂上所学习的内容，从而提高课下的学习效率。 编者 2013年10月
第一部分 金属塑性加工力学 第一章 应力状态分析 1． 金属塑性加工中的外力有哪几种？其意义如何？ 2． 为什么应力分量的表达需用双下标？每个下标都表示何物理意义？ 3． 已知应力状态如图1-1所示，写出应力分量，并以张量形式表示。 4． 已知应力状态的六个分量7-=x σ，4-=xy τ，0=y σ，4=yz τ， 8-=zx τ，15-=z σ(MPa)，画出应力状态图，写出应力张量。 5． 作出单向拉伸、单向压缩、三向等值压缩、平面应力、平面应变、 纯剪切应力状态的应力Mehr 圆。 6． 已知应力状态如图1-2所示，当斜面法线方向与三个坐标轴夹角余 弦31 ===n m l 时，求该斜面上的全应力S 、全应力在坐标轴上的 分量x S 、y S 、z S 及斜面上的法线应力n σ和切应力n τ。 图 1-1 ?? ?? ? ??------ =1548404847σT x y z 图 1-2 x 10
7．金属塑性变形的物理本质 1．塑性变形包括晶内变形和晶间变形。通过各种位错运动而实现的晶内一部分相对于另一部分的剪切运动就是晶内变形，常温下有滑移和孪生，当T>0.5T R时，可能出现晶间变形，高温时扩散机理起重要作用。 2．派一纳模型。假设：经典的弹性介质假设和滑移面上原子的相互作用为原子相对位移的正弦函数假设。意义：ⅰ位错运动所需派一纳力比晶体产生整体、刚性滑移所需要的理论切屈服应力T m=G/2π小许多倍。ⅱb越小，a越大，则临界切应力越小ⅲ其他条件相同时，刃位错的活动性比螺位错的活动性大。 公式： 3．滑移系统。 4．孪生。孪生后结构没有变化，取向发生了变化，滑移取向不变，一般孪生比滑移困难，所以形变时首先发生滑移，当切变应力升高到一定数值时才发生孪生，密排六方金属由于滑移系统少，可能开始就形成孪晶。 5．扩散对变形的作用：一方面它对剪切塑性变形机理可以有很大影响，另一方面扩散可以独立产生塑性流动。 6．扩散变形机理包括：扩散-位错机理；溶质原子定向溶解机理；定向空位流机理。7．扩散-位错机理：扩散对刃位错的攀移和螺位错的割阶运动产生影响；扩散对溶质气团对位错运动的限制作用随温度的变化而不同。 8．溶质原子定向溶解机理：晶体没有受力作用时，溶质原子在晶体中的分布是随机的，无序的，如碳原子在α-Fe,加上弹性应力σ（低于屈服应力的载荷）时，碳原子通过扩散优先聚集在受拉棱边，在晶体点阵的不同方向上产生了溶解碳原子能力的差别，称之为定向溶解，是可逆过程。定向空位机理则是由扩散引起的不可逆的塑性流动机理。9．金属的屈服强度是指金属抵抗塑性变形的抗力，定量来说是指金属发生塑性变形时的临界应力。 10．理论屈服强度的估计。 11．金属的实际屈服强度由开动位错源所需的应力和位错在运动过程中遇到的各种阻力。实际晶体的切屈服强度=开动位错源所必须克服的阻力+点阵阻力+位错应力场对运动位错的阻力+位错切割穿过其滑移面的位错林所引起的阻力+割阶运动所引起的阻力。
金属塑性变形原理 1、变形和应力 1．1塑性变形与弹性变形 金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说，未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。 当加在晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态，这种永久变形叫金属的塑性变形。金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏，使晶格发生歪扭和紊乱，使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化，一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。 1．2应力和应力集中 塑性变形时，作用于金属上的外力有作用力和反作用力。由于这两种外力的作用，在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。单位面积上的这种内力称为应力，以σ表示。 σ=P/S 式中σ——物体产生的应力，MPa： Ｐ——作用于物体的外力，N； Ｓ——承受外力作用的物体面积，mm2。 当金属内部存在应力，其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。这种现象叫做应力集中。 金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。 应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力，降低了金属的塑性，金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。 2、塑性变形基本定律 2．1体积不变定律 钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密，体积有所减少，此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。 H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长；h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。根据体积不变定律，轧件轧制前后体积相等，即 HBL=hbl 2．2最小阻力定律 钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。根据这个定律，在自由变形的情况下，金属的流动总是取最短的路线，因为最短的路线抵抗变形的阻力最小，这个最短的路线，即是从该动点到断面周界的垂线。
金属塑性成形原理》 习题答案 一、填空题 1. 衡量金属或合金的塑性变形能力的数量指标有伸长率和断面收缩率。 2. 所谓金属的再结晶是指冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织的过程。 3. 金属热塑性变形机理主要有：晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移和扩散蠕变等。 4. 请将以下应力张量分解为应力球张量和应力偏张量 5. 对应变张量，请写出其八面体线变与八面体切应变的表达式。 ＝
6.1864 年法国工程师屈雷斯加( H.Tresca )根据库伦在土力学中研究成果， 并从他自已所做的金属挤压试验，提出材料的屈服与最大切应力有关，如果 采用数学的方式，屈雷斯加屈服条件可表述为 。 7. 金属塑性成形过程中影响摩擦系数的因素有很多， 归结起来主要有 金属的 种类和 化学成分 、 工具的表面状态 、 接触面上的单位压力 、 变形温度 、 变形速度 等几方面的因素。 8. 变形体处于塑性平面应变状态时，在塑性流动平面上滑移线上任一点的切 线方向即 为该点的最大切应力方向。对于理想刚塑性材料处于平面应变状态 下，塑性区内各点的应力状态不同其实质只是 平均应力 不同，而各点处 的 最大切应力 为材料常数。 9. 在众多的静可容应力场和动可容速度场中，必然有一个应力场和与之对应 的速度 场，它们满足全部的静可容和动可容条件，此唯一的应力场和速度场， 称之为 真实 应力场和 真实 速度场，由此导出的载荷，即为 真实 载荷， 它是唯一的。 10. 设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示： 11、金属塑性成形有如下特点： 、 、 、 12、按照成形的特点，一般将塑性成形分为 和 两大类，按 照成形时工件的温度还可以分为 、 和 三类。 13、金属的超塑性分为 和 两大类。 14、晶内变形的主要方式和单晶体一样分为 和 。 其中 变形是主要的，而 变形是次要的，一般仅起调节作用。 ，则单元内任一点外的应变可表示为
塑性变形对金属组织和性能的影响 1. 塑性变形对金属组织结构的影响 （1）晶粒发生变形金属发生塑性变形后,晶粒沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时, 晶粒变成细条状(拉伸时), 金属中的夹杂物也被拉长, 形成纤维组织。 变形前后晶粒形状变化示意图 （2）亚结构形成金属经大的塑性变形时, 由于位错的密度增大和发生交互作用, 大量位错堆积在局部地区, 并相互缠结, 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块, 而在晶粒内产生亚晶粒。 金属经变形后的亚结构 （3）形变织构产生金属塑性变形到很大程度(70%以上)时, 由于晶粒发生转动, 使各晶粒的位向趋近于一致, 形成特殊的择优取向, 这种有序化的结构叫做形变织构。形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向, 称为丝织构, 例如低碳钢经高度冷拔后, 其<100>平行于拔丝方向; 另
一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向, 称为板织构, 低碳钢的板织构为{001}<110>。 形变织构示意图 2. 塑性变形对金属性能的影响 （1）形变强化金属发生塑性变形, 随变形度的增大, 金属的强度和硬度显著提高, 塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化, 也叫形变强化。 产生加工硬化的原因是：金属发生塑性变形时, 位错密度增加, 位错间的交互作用增强, 相互缠结, 造成位错运动阻力的增大, 引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化, 使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。 （2）产生各向异性由于纤维组织和形变织构的形成, 使金属的性能产生各向异性。如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。用有织构的板材冲制筒形零件时, 即由于在不同方向上塑性差别很大, 零件的边缘出现“制耳”。在某些情况下, 织构的各向异性也有好处。制造变压器铁芯的硅钢片, 因沿[100]方向最易磁化, 采用这种织构可使铁损大大减小, 因而变压器的效率大大提高。
二、金属的塑性变形 材料受力后要发生变形，变形可分为三个阶段：弹性变形；弹－塑性变形；断裂。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。在整个变形过程中，对材料组织、性能影响最大的是弹－塑性阶段的塑性变形部分。如：锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等生产上的许多加工方法，都要求使金属产生变形，一方面获得所要求的形状及尺寸，另一方面可引起金属内部组织和结构的变化，从而获得所要求的性能。因此研究塑性变形特征与组织结构之间相互关系的规律性，具有重要的理论和实际意义。 弹性变形(Elastic Deformation) 1.1 弹性变形特征(Character of Elastic Deformation) 1．变形是可逆的； 2．应力与应变保持单值线性函数关系，符合Hooke定律：σ＝Eε，τ＝Gγ，G＝E/2(1-ν) 3．弹性变形量随材料的不同而异。 1.2 弹性的不完整性(Imperfection of Elastane) 工程上应用的材料为多晶体，内部存在各种类型的缺陷，弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等现象，称为弹性的不完整性，包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后等。 1．包申格效应(Bauschinger effect) 现象：下图为退火轧制黄铜在不同载荷条件下弹性极限的变化情况。 曲线A：初次拉伸曲线，σe＝240Pa 曲线B：初次压缩曲线，σe＝178Pa 曲线C：B再压缩曲线，σe↑，σe＝278Pa 曲线D：第二次拉伸曲线，σe↓，σe＝85Pa 可见：B、C为同向加载，σe↑；C、D为反向加载，σe↓。 定义：材料经预先加载产生少量塑性变形,然后同向加载则σe升高，反向加载则σe降低的现象，称为包申格效应。对承受应变疲劳的工件是很重要的。 2．弹性后效(Anelasticity) 理想晶体(Perfect crystals)：
金属材料塑性变形与断裂的关系 摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀 氢脆高温断裂 一、解理断裂与塑变的关系 解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。 第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。 第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。 从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。 二、准解理断裂与塑变的关系 准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因：
第五章金属及合金的塑性变形与断裂一名词解释 固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构 固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高，塑性下降的现象； 应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况； 孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生； 临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小
分切应力； 变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。 二填空题 1．从刃型位错的结构模型分析，滑移的 移面为{111}，滑移系方向为<110>，构成12 个滑移系。P166. 3. 加工硬化现象是指随变形度的增 大，金属强度和硬度显著 提高而塑性和韧性显著下降的现象 ，加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的
根本原因是位错密度提高，变形抗 力增大。 4．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶格位向差。 5．金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，冷变形后金属的 强度增大，塑性降低。6．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好，而高温下使用的金属材 料以粗一些晶粒为好。对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为在高温下原子沿晶界 的扩散比晶内快，晶界对变形的阻 力大为减弱而致 7．内应力可分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。 三判断题 1．晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。（√） 2 在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑
塑性变形对组织结构的影响 多晶体金属塑性变形后，除晶粒内出现滑移带和孪晶等特征外 ()一晶粒形状的变化 1. 外形尺寸改变是内部晶粒变形的总和 2. 晶粒形状发生变化，变形方式和变形量不同，晶粒形状变化也不同 3. 如轧制时 a) 晶粒沿变形方向伸长 b) 变形程度越大，伸长程度越大 c) 变形量很大时，形成纤维组织，纤维组织的方向就是金属的伸展方向 d) 当金属中含有杂质时，杂质沿变形方向被拉长为细带状或粉碎成链状， 在光滑显微镜下分辨不出晶粒和杂质 ()二亚结构的细化 亚结构的细化数据 1. 铸态金属的亚结构直径为cm 210- 2. 冷塑性变形后亚结构直径为cm 6410~10-- 凸6.30为低碳钢的形变亚结构 形变亚结构元素： 1. 形变亚结构的边界和内部： 2. 胞块间的夹角和胞壁的厚度： 3. 位错的分布： 4. 变形量越大，胞块数量越多，胞块尺寸越小，胞块间取向差越大 5. 胞状亚结构的形状随晶粒形状改变而改变，沿变形方向伸长
形变亚结构： 高密度缠结位错分割开的位错密度较低的区域 形变亚结构的形成原因： 位错源产生的位错在运动过程中遇到各种障碍物如晶界，第二相颗粒及割阶等形成位错缠结，便形成高密度缠结位错分割开的位错密度较低的区域 ()三形变织构 晶粒择优取向现象 多晶体塑性变形也会发生转动，当变形量很大时原来任意取向的晶粒逐渐趋于一致，这种现象就叫做晶粒的择优取向 织构和形变织构 1.具有择优取向的组织就叫做织构 2.在金属变形后形成的织构就叫做形变织构，当然还有其他的织构 同一种材料加工方式不同类型织构类型不同 1.丝织构：拉拔时形成，各晶粒的某一晶向平行或近似平行拉拔方向 2.板织构：轧制时形成，各晶粒的某一晶面平行于轧制平面，某一晶向平行于 轧制方向 表6.3常见金属的丝织构与板织构 织构的出现： 1.多晶体组织性能出现各向异性，例如 2.但在某些情况下织构的存在是有利的，例如 将有织构的板材冲压成杯状零件产生制耳现象： 板材各方向变形能力不同工件边缘不齐壁厚不均匀
3.5.3 热轧金属塑性变形阻力 金属塑性变形阻力是指单向应力状态下金属材料产生塑性变形所需单位面积上的力，它的大小不仅与金属材料的化学成分有关，而且还取决于塑性变形的物理条件(变形温度、变形速度和变形程度)。 由于变形阻力是轧制力计算公式中的一个重要的物理参数，因此几十年来不少学者致力于金属塑性变形阻力的实验研究工作，发表了一些有用的数据。 迄今为止，在变形阻力研究中都采用以下函数形式： σ=f(T，u，ε) 式中T——变形温度，K。 至于化学成分的影响，目前往往采用对每一种钢种积累一套σ=f(T，u，ε)数据的方法，或在公式的系数中对成分加以考虑。 20多年来，各国比较著名的工作有： P.M.库克(Cook)的变形阻力数据，库克采用凸轮式形变机对12个钢种进行了试验，试验范围：T＝1173～1473K；u＝1～100s-1，e=0.05～0.7。它的数据以σ=f(e)曲线作为基础，绘出了不同变形温度、不同变形速度下的变形阻力随变形程度变化的曲线。图3-21给出了库克的中碳钢(ωc＝0.56%)变形阻力曲线。 A.A.金尼克也采用凸轮式形变机对15种钢种进行了试验，其范围为T=1073～1473K；u＝2～41s-1(低于2s-1的试验在材料机上进行，高于41s-1的试验在落锤式装置上进行)。实验数据采用了不同温度下的σ=f(u)曲线形式(此σ相当于变形程度为ε＝0.30的数据)。图3-22给出GCr15轴承钢的变形阻力数据。变形程度对变形阻力的影响用图左上角的辅助曲线表示。 随着计算机控制数学模型的发展，60年代中期开始出现了一批采用变形阻力公式而发表的数据，公式的结构大同小异，有以下几种形式： σ=exp(a+bT)u(c+dT)e n 1
金属塑性变形对微观结构和力学性能的影响 金属塑性变形定义 (plastic deformation of metals )金属零件在外力作用下产生不可恢复的永久变形。 单晶体产生塑性变形的原因是原子的滑移错位。多晶体（实际使用的金属大多是多晶体）的塑性变形中，除了各晶粒内部的变形（晶内变形）外，各晶粒之间也存着变形（称为晶间变形）。多晶体的塑性变形是晶内变形和晶内变形的总和。 人类很早就利用塑性变形进行金属材料的加工成形，但只是在一百多年以前才开始建立塑性变形理论。1864～1868年，法国人特雷斯卡（）在一系列论文中提出产生塑性变形的最大切应力条件。1911年德国卡门（ Karman）在三向流体静压力的条件下，对大理石和砂石进行了轴向抗压试验；1914年德国人伯克尔ker)对铸锌作了同样的试验。他们的试验结果表明：固体的塑性变形能力(即塑性指标)不仅取决于它的内部条件（如成分、组织）,而且同外部条件(如应力状态条件)有关。1913年德国冯·米泽斯 Kises)提出产生塑性变形的形变能条件；1926年德国人洛德、1931年英国人泰勒和奎尼分别用不同的试验方法证实了上述结论。 金属晶体塑性的研究开始于金属单晶的制造和 X射线衍射的运用。早期的研究成果包括在英国伊拉姆年)、德国施密特(1935年)、美国巴雷特年)等人的著作中。主要研究了金属晶体内塑性变形的主要形式──滑移以及孪晶变形。以后的工作是运用晶体缺陷理论和高放大倍数的观测方法研究塑性变形的机理。 塑性变形微观结构变化 图 1塑性变形中产生的滑移
塑性变形中最基本的微观变化是位错滑移和滑移带的产生。分为单滑移，双滑移，多滑移等。另外，还有孪生等现象的产生。 图 2 % Si-Fe单晶体中的平直滑移带 多晶金属在塑性变形过程中，仍然保持着连续性。即每个晶粒的变形都要受到相邻晶粒的制约，并与相邻晶粒的变形相协调。 晶粒越细，屈服强度越高 金属塑性变形的力学性能影响 钢经形变处理后，形变奥氏体中的位错密度大为增加，可 形变量愈大，位错密度愈高，金属的抗断强度也随之增高。随着形变程度增加不但位错密度增加而且位错排列方式也会发生变化由于变 形温度下，原子有一定的可动性，位错运动也较容易进行，因此在形变过程中及形变后停留时将出现多边化亚结构及位错胞状结构。当亚晶之间的取向差达到几度时，就可象晶界一样，起到阻碍裂纹扩展的作用，由霍尔一派奇公式，晶粒越小则金属强度越大。 由于亚结构的出现，相变时马氏体成核、长大过程均受到亚晶界的影响，生长的马氏体片尺寸d减小，从而使相界增加，材料强度提高。 由于形变奥氏体内位错密度增加，亚结构细化，从而为碳化物析出提供了处所，为碳的扩散开辟了通道，有利于碳化物弥散析出，起到了弥散硬化的作用，其强化效果与析出粒子间距成反比: 综上所述，形变处理的强化效果是位错强化、细晶强化、弥散硬化和相变强化的 综合表现。 超塑性变形对金属力学性能的影响 材料在外力的作用下，产生变形，而外力过大会产生大 素性变形，而这样的变形对材料的性能产生了巨大的影响， 为了更加准确的研究材料的性能，将材料表面细化至纳米化 或超细晶化。 强塑性变形金属表面纳米化