 3.1 金属材料塑性变形机制与特点 3.1 金属材料塑性变形机制与特点3.1 金属材料塑性变形机制与特点  3.2 屈服现象及本质 3.2 屈服现象及本质3.2 屈服现象及本质  3.3 真应力 - 应变曲线及形变强化规律 3.3 真应力 - 应变曲线及形变强化规律3.3 真应力 - 应变曲线及形变强化规律  3.4 应力状态对塑性变形的影响 3.4 应力状态对塑性变形的影响3.4 应力状态对塑性变形的影响

3.1 金属材料塑性变形机制与特 点 金属晶体塑性变形的机制 多晶体材料塑性变形特点3.1.2 多晶体材料塑性变形特点

3.1.1 金属晶体塑性变形的机制 定义 fcc: {111} ; bcc: {110} {112} {123} 滑移系 hcp: {0001} 定义 hcp 滑移系少，故常以孪生方式进行 fcc bcc 孪生变形量是很有限的，它的作用改变晶体取 向，以便启动新的滑移系统，或使难于滑移的取向 改变为易于滑移的取向。 滑移 孪生 低温下，高速变形条件下进行

3.1.2 多晶体材料塑性变形特点  各晶粒塑变的不同时性和不均匀性  各晶粒塑变的相互制约与协调

3.2 屈服现象及本质 物理屈服现象 屈服现象的本质

3.2.1 物理屈服现象  像低碳钢这类材料，从弹性变形阶段同塑 性变形阶段过度十分明显。表现在应力增加到 一定数值时突然下降，随后，在应力不增加或 应力在一微小范围内波动的情况下，变形继续 增大，这便是屈服现象。  它标志着材料的力学响应由弹性变形阶段进 入塑性变形阶段，这一变化属于质的变化，有 特定的物理含义，因此称为物理屈服现象。

 屈服间段的变形是不均匀的，从上屈服点 下降到下屈服点时，在试样局部区域开始形成 与拉伸轴成 45 度的皱纹形带状变形区域 （ luders 带），然后沿试样长度方向逐渐扩展， 当 luders 带布满整个试样长度时，屈服伸长结束。 试样进入均匀塑性变形阶段，屈服现象不仅在 退火、正火、调质的中低碳钢中有，在铜及其 合金中也有。  这种屈服现象还有时效效应。如果在屈服一 定的塑性变形处卸载。随后立即再拉伸，则屈 服现象不出现。若卸载后在室温停留较长时间， 或在较高温度留一定时间后，再拉伸，则曲线 上屈服现象又重新出现，且新的屈服平台高于 卸载时的曲线 —— 应变时效。

 低碳钢的屈服与时效现象可由 cottrell 提出的 气团概念来解释。  退火低碳钢的屈服过程，如 图 3 － 1 所示，属 于物理屈服的典型情况。塑性变形在试样中的迅 速传播开始于 A 点，伴随着明显的载荷降落，由 A 陡降到 B 。与屈服传播相对应的应力－应变曲线 为 BC ，成一平台，或成锯齿状，至 C 点屈服过程 结束，并由此进入形变强化阶段。与最高屈服应 力相对应的 A 点称为上屈服点，屈服平台 BC 对应 的力称为下屈服点， BC 段长度对应的应变量称为 屈服应变。 图 3 － 1

3.2.2 屈服现象的本质  物理屈服现象首先在低碳钢中发现，尔后在含有 微量间隙溶质原子的体心立方金属，如 Fe 、 Mo 、 Nb 、 Ta 等，以及密排六方金属，如 Cd 和 Zn 中也 发现有屈服现象。  对屈服现象的解释，早期比较公认的是溶质原子 形成 Cottrell 气团对位错钉扎的理论。以后在共价 键晶体如硅和锗，以及无位错晶体如铜晶须中也 观察到物理屈服现象。  这些事实说明，晶体材料的屈服是带有一定普遍 性的现象，对屈服的理解也比当初复杂一些。

 其中 —— 材料的塑性应变速率 b —— 柏氏矢量 ρ—— 可动位错密度 —— 位错运动速度  位错运动速度，又决定于它所承受的应力 τ 。 m —— 材料本身的应力敏感系数。 τ o —— 使位错得到单位运动速度所需的应力。

屈服现象产生与下述三个因素有关：  材料在变形前可动位错密度很小（或虽有 大量位错但被钉扎住） ;  随塑性变形发生，位错能快速增殖 ;  位错运动速率与外力有强烈依存关系。

3.3 真应力 - 应变曲线及形变强化规律 冷变形金属的真应力 - 应变关系 颈缩条件分析 韧性的概念及静力韧度分析

3.3 真应力 - 应变曲线及形变强化规律  当应力超过屈服强度之后，塑性变形 并不像屈服平台那样连续流变下去，而需 要继续增加外力才能继续进行，于是应力 - 应变曲线上表现为流变应力不断上升，出 现了所谓形变强化现象。材料在形变强化 阶段的变形规律用其应力 - 应变曲线（也叫 流变曲线）描述。  其应力 S=P/A 其应变

 （因为条件应力 — 条件应变不能真实反映变形过 程中的应力 — 应变的变化）  图 3-3 比较了 S-ε 和 σ-δ 曲线，从应力的变化就 可直观地看出使用 S-ε 曲线更为合理。 图 3-3  在 σ-δ 曲线中，当载荷达到最大值时试样开始发 生颈缩。此后虽然实际应力是在不断提高，但条 件应力却在下降，致使断裂应力反比抗拉强度 σb 低，这显然是不真实的，实际上在应力达到 Sb （对应 σb 的真应力）之后，几乎是按线形关 系增加到断裂为止。相对于条件应力 — 应变曲线， 其应力 — 应变曲线整个地向左上方移动了，在试 样发生颈缩前两者差别不太大，在此以后 σ-δ 就 完全不能采用了。

3.3.1 冷变形金属的真应力 - 应变关系 从屈服点到颈缩之间的形变强化规律， 可以用 Hollomon 公式 S=K·εn 其中 K—— 强度系数 n—— 立变强化 指数 ε —— 真实塑性应变 n 的大小 —— 表示材料的应变强化能力或对进一步塑变 的抗力。 n=0 理想塑性材料 n=1 理想弹性材料

 在双对数坐标上, 这一关系表现为一直 线, 它的斜率等于 n,  在 S/ε 相同的条件下,n↑→ ↑, S-ε 曲线 越陡, 对 n 值较小的材料, 当 S/ε 较大时, 也可 以有较高的形变强化速率

3.3.2 颈缩条件分析 颈缩前： 形变强化起 主要作用。 颈缩后： 截面减小使 承载力下降。 当出现颈缩时： 所以，可得到颈缩判据： 即颈缩开始于应变 强化速率 与真应力相等的时刻。

3.3.3 韧性的概念及静力韧度分析 韧性 : 材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 韧度 : 度量材料韧性的力学性能指标。  只有强度与塑性具有较好的配合时, 才能获得 较高的韧性。 选材原则 : 强度与塑性的最佳配合。 静力韧度 : 静拉伸应力 - 应变曲线下所包围的面积减去 断裂前吸收的弹性能。这个指标即包含强度, 又包 含塑性, 是一典型的从属性指标。由其应力 - 真应变 曲线, 其斜率为形变强化量 （图 3 － 7 ） （图 3 － 7 ）

 静力韧度 W 可用图中梯形面积来近似计算 : 所以， 当 SK 一定时 :  而 W 随断裂时其应力 SK 增加而显著增大。  许多实验结果表明, 由于材料塑性不足而 引起的早期断裂往往和 SK 较低有关。

3.4 应力状态对塑性变形的影响  加载方式和应力状态软性系数 加载方式和应力状态软性系数  金属静拉伸力学性能 —— 扭转 金属静拉伸力学性能 —— 扭转

3.4.1 加载方式和应力状态软性系数 切应力 ---- 引起塑性变形和导致韧性断裂 正应力 ---- 容易导致脆性断裂  研究金属的变形与断裂特征, 需要研究在不同加 载形式下, 切应力和正应力的相对大小。  在一般复杂应力状态下, 最大切应力, 而按最大正应变条件计算得 的等效最大应力

 则定义二者的比值 : α—— 软性系数, α↑→τ max ↑→ 应力状态越软, 金属易于 先产生塑性变形。 α↓→ 应力状态越硬 → 金属易于产生脆性 断裂。  测硬度时, 其应力状态相当于三向不等 压缩, 因此, 硬度试验时的加载方式属于很软 的应力状态。

3.4.2 金属静拉伸力学性能 —— 扭转 单向静拉伸 —— 最广泛的力学性能试 验方法之一, 揭示过量弹变 —— 塑变 —— 断 裂 三种失效形式，得到 σ s 、 σ b 、 δ 、 ψ 等 —— 构件的设计计算依据, 又是评定和 选用金属材料及其加工工艺的主要依据。

扭转的特点 : ①没有颈缩现象 ; ②最大正应力和最大切应力相等， α=0; ③横截面上沿直径方向的切应力分布不均 匀, 表面应力最大 ; ④ 扭转试验可很好地测定塑性材料 ( 塑性较 好 ) 直到断裂前的应力 — 应变关系 ; ⑤ 扭转可灵敏地反映材料的表面缺陷。

扭转试验测定扭矩 M— 扭转 Φ 的关系曲线 ( 扭转图 ) ，依次确定其力学性能。 ①扭转比例极限 : τ p = M p / W ( W— 截面抗扭 模量，实心圆杆 w =πd 0 3 / 16) M P —— 扭转曲线开始偏离直线时的扭距。 ②扭转屈服强度 : τ 0.3 = M 0.3 / W M 0.3 —— 残余扭转切应变为 0.3 ％时的扭距。 ③扭转强度 : τ b = M b / W