材料科学基础第五章材料的形变和再结晶课件.ppt

材料科学基础第五章材料的形变和再结晶内容预报内容预报为什么要认识和掌握材料的形变和再结晶规律？为什么要认识和掌握材料的形变和再结晶规律？ 材料在加工制备及应用过程中都要受到外力的作用材料在加工制备及应用过程中都要受到外力的作用 材料受力要发生变形：弹性变形、塑性变形、断裂材料受力要发生变形：弹性变形、塑性变形、断裂 材料发生变形后材料的组织结构（性能）发生变化材料发生变形后材料的组织结构（性能）发生变化本章主要研究内容：本章主要研究内容：一、材料的变形规律及其微观机制；一、材料的变形规律及其微观机制；二、研究变形后的材料在回复、再结晶过程中组织、二、研究变形后的材料在回复、再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律。结构和性能的变化规律。 本章章节结构本章章节结构5.1弹性和粘弹性弹性和粘弹性 5.2晶体的塑性变形晶体的塑性变形 5.3回复和再结晶回复和再结晶 5.4热变形与动态回复、再结晶热变形与动态回复、再结晶5.5陶瓷材料变形的特点陶瓷材料变形的特点5.6高聚物的塑性变形高聚物的塑性变形 材料试验机示意图拉伸材料试验机示意图拉伸位移位移载荷载荷5.0材料力学性能测试材料力学性能测试1.拉伸实验装置拉伸实验装置eb弹性极限弹性极限eb抗拉强度抗拉强度s屈服强度，会产生屈服强度，会产生0.2%永久永久变形变形s2.应力应力-应变曲线应变曲线5.1弹性和粘弹性弹性和粘弹性l弹性外力去除后形变能够完全恢复的性质弹性外力去除后形变能够完全恢复的性质 线性（符合胡克定律）和非线性线性（符合胡克定律）和非线性5.1.1 弹性变形的特征和弹性模量弹性变形的特征和弹性模量一、特征：一、特征：（1）理想的弹性变形是可逆的。）理想的弹性变形是可逆的。 （2）实际材料，在弹性变形范围内，服从胡克定律：）实际材料，在弹性变形范围内，服从胡克定律：0.32,(,1)EE GGEG 式中：分别为正应力和切应力；分别为正应变和在正应力下：在切应力下：其切应中 为泊变；分别为弹性模量和切变模松比，金属材料的量；二、弹性模量（广义的胡克定律）：二、弹性模量（广义的胡克定律）：晶体的各向异性，各个方向的弹性模量不相同晶体的各向异性，各个方向的弹性模量不相同111213141516xxyzxyxzyzCCCCCC2122232425263132333435364142434445465152535455566162636465yxyzxyxzyzzxyzxyxzyzxyxyzxyxzyzxzxyzxyxzyzyzxyzxyxCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC66zyzC广义的胡克定律：广义的胡克定律：111213141516212223242526313233343536414243444546515253545556616263646566xxyyzzxyxyxzxzyzyzCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC36ijC式中， 个为弹性系数，或称刚度系数刚度矩阵刚度矩阵111213141516212223242526313233343536414243444546515253545556616263646566xxyyzzxyxyxzxzyzyzSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS36ijS式中， 个为柔度系数。柔度矩阵柔度矩阵对于均质各向异性弹性体，最一般的情况，弹对于均质各向异性弹性体，最一般的情况，弹性系数有性系数有36个，其中个，其中21个是独立的：个是独立的：Cij=Cji， Sij=Sji而晶体也存在对称性，所以在某几个方向上原而晶体也存在对称性，所以在某几个方向上原子排列是相同的，所以系数将会进一步减少。子排列是相同的，所以系数将会进一步减少。立方晶系，有立方晶系，有3个独立弹性系数；个独立弹性系数；六方晶系，有六方晶系，有5个独立弹性系数；个独立弹性系数；正交晶系，有正交晶系，有9个独立弹性系数；个独立弹性系数；三、体弹性模量三、体弹性模量K（压缩模量）（压缩模量）1、定义：应力与体积变化率之比。、定义：应力与体积变化率之比。2、对模量的讨论：、对模量的讨论：（1 1）弹性模量代表了原子离开平衡位置的难易程）弹性模量代表了原子离开平衡位置的难易程度，也表征了原子间的相互作用。度，也表征了原子间的相互作用。（2 2）对于晶体来说，也反应了不同方向原子（离）对于晶体来说，也反应了不同方向原子（离子）排列的紧密程度。（见表子）排列的紧密程度。（见表5.25.2）（3 3）材料特别是复合材料由于组织结构的各同异）材料特别是复合材料由于组织结构的各同异性也会导致不同方向模量的不同性也会导致不同方向模量的不同3(1 2 )EKv0/(/)KPV V原子、离子间的相互作用力：原子、离子间的相互作用力：平衡位置平衡位置r0，系统的能量最低，系统的能量最低受外力偏离平衡位置，有变形，产生引力或斥力，受外力偏离平衡位置，有变形，产生引力或斥力，能量升高能量升高当外力消失，原子将恢复到平衡位置，变形完全消当外力消失，原子将恢复到平衡位置，变形完全消失，能量下降失，能量下降Err0斥斥力力引引力力5.1.2 弹性变形的本质弹性变形的本质5.1.3 弹性的不完整性弹性的不完整性理想的弹性体：理想的弹性体：理想的弹性体是不存在的，可能出现加载线与理想的弹性体是不存在的，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等弹性不卸载线不重合、应变滞后于应力变化等弹性不完整性。完整性。包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。韧性等。 E一、包申格效应一、包申格效应 预先加载产生少量塑性变形（小于预先加载产生少量塑性变形（小于4）而后再同向加载则而后再同向加载则 e升高，但反向加载则升高，但反向加载则 e下降。下降。 二、弹性后效二、弹性后效 在加载或卸载时，应变的弛豫过程现象。在加载或卸载时，应变的弛豫过程现象。在弹性极限在弹性极限 e范围内，应变滞后于外加应力，并和范围内，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时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性 应力应变时间aba0an0c三、弹性滞后三、弹性滞后 应变落后于应力，应变落后于应力， - 曲线上加载线与卸载线不再是一条曲线上加载线与卸载线不再是一条直线，而是形成一封闭回线直线，而是形成一封闭回线表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称之为内耗，放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称之为内耗，其大小即用弹性滞后环面积度量。其大小即用弹性滞后环面积度量。 功功5.1.4 粘弹性（高分子材料）粘弹性（高分子材料）1、粘弹性：一些非晶或多晶体，在比较小的应力、粘弹性：一些非晶或多晶体，在比较小的应力时可以同时表现出粘性和弹性。时可以同时表现出粘性和弹性。2、所谓粘性流动是指非晶态固体和液体在外力作、所谓粘性流动是指非晶态固体和液体在外力作用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外力去除后，形变不能回复。力去除后，形变不能回复。 ddt其中 反映了流体流动的难易程度，Pa s3、粘弹性是高分子材料的重要力学状态、粘弹性是高分子材料的重要力学状态 主链的内旋转，沿外力方向伸展；主链的内旋转，沿外力方向伸展； 分子链之间发生相对滑移，产生粘性变形。分子链之间发生相对滑移，产生粘性变形。4、粘弹性的特点：、粘弹性的特点： 应变落后于应力。应力应变落后于应力。应力- -应变回线，存在内耗应变回线，存在内耗Maxwell适用于应力松弛适用于应力松弛Voigt蠕变回复、弹性后效和弹性记忆蠕变回复、弹性后效和弹性记忆5.2、晶体的塑性变形、晶体的塑性变形超过弹性极限后，开始屈服，出现塑性变形超过弹性极限后，开始屈服，出现塑性变形多晶材料中的变形行为也与各个小晶料的变形有关系多晶材料中的变形行为也与各个小晶料的变形有关系5.2.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形常温及低温下，塑性变形方式：滑移，孪生，扭折。常温及低温下，塑性变形方式：滑移，孪生，扭折。高温下的形变的方式：扩散，蠕变等高温下的形变的方式：扩散，蠕变等1、滑移、滑移 当应力达到一定的大小时，晶体中一定方向的层片当应力达到一定的大小时，晶体中一定方向的层片之间就会产生的相对滑移，大量的层片间滑动的累之间就会产生的相对滑移，大量的层片间滑动的累积，就成为宏观塑性变形。积，就成为宏观塑性变形。单晶锌变形后产生的单晶锌变形后产生的滑移带滑移带（1）滑移线与滑移带）滑移线与滑移带 滑移只是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑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间作相对位移而已 （2）滑移系）滑移系塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这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些晶面和晶向分别称为“滑移面滑移面”和和“滑移方向滑移方向”。一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一一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。个滑移系。不同的晶体结构，其滑移面和滑移方向也不同。不同的晶体结构，其滑移面和滑移方向也不同。同一晶体结构，也会有不同的滑移面和滑移方向。同一晶体结构，也会有不同的滑移面和滑移方向。思考：滑移面及滑移方向上的原子排思考：滑移面及滑移方向上的原子排布密度上有什么特征？布密度上有什么特征？1、面与面之间的结合力、面与面之间的结合力2、密排面和密排方向、密排面和密排方向面心立方晶体中的滑移面心立方晶体中的滑移111滑移面滑移面滑移方向滑移方向体心立方晶体中体心立方晶体中110滑移面滑移面112滑移面滑移面123滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的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。晶面和晶向。 原子密度大面间距大点阵阻力最小，因而原子密度大面间距大点阵阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移；容易沿着这些面发生滑移； 至于滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排至于滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子间距最短，即位错方向上的原子间距最短，即位错b b最小。最小。 体心立方滑移面有三组，原因是没有特别突出的密体心立方滑移面有三组，原因是没有特别突出的密排面。排面。 六方密排，滑移方向一般为六方密排，滑移方向一般为110，而滑移面除，而滑移面除00000101之外还与其轴比之外还与其轴比(c/a)(c/a)有关，当有关，当c/a1.633c/a1.633时，密时，密排面可能为排面可能为10101 111或或10101 100等晶面等晶面（3）关于滑移系的讨论）关于滑移系的讨论l 在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，取向便愈多，在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，取向便愈多，滑移容易进行，它的塑性便愈好。滑移容易进行，它的塑性便愈好。l 面心立方晶体的滑移系共有面心立方晶体的滑移系共有11143=12l 体心立方晶体，滑移系共有体心立方晶体，滑移系共有11062+112121+123241=48l 密堆六方晶体的滑移系仅有密堆六方晶体的滑移系仅有(0001)1 3=3l 由于滑移系数目太少，由于滑移系数目太少，hcp多晶体的塑性不如多晶体的塑性不如fcc或或bcc的的好。好。思考题思考题l今有纯今有纯Ti，Al二种铸锭，试判断它们在室温二种铸锭，试判断它们在室温（20）轧制的难易顺序？）轧制的难易顺序？已知：已知：Ti熔点为熔点为1672 ，在，在883以下为以下为密排六方，在密排六方，在883 以上为面心立方；以上为面心立方；Al的的熔点为熔点为660 ，面心立方。，面心立方。外加应力外加应力两个两个角度角度位错的滑移是实现塑性变形的一种方式位错的滑移是实现塑性变形的一种方式l晶体什么时候开始屈服晶体什么时候开始屈服(开始有塑性形变开始有塑性形变)？ 有滑移系开动有滑移系开动!l这么多滑移系到底是哪个滑移？这么多滑移系到底是哪个滑移？ 看哪个先达到其临界分切应力看哪个先达到其临界分切应力 此时的此时的 应该称为屈服强度应该称为屈服强度000 coscos cos/cos FAFFAA宏观的正应力 外力在滑移面上沿滑移方面上的分切应力外力方向、外力方向、法线、法线、滑移方向滑移方向不一定共面不一定共面0cos cosFAcos cos ：取向因子或施密特因子：取向因子或施密特因子 因子大：软取向因子大：软取向 因子小：硬取向因子小：硬取向当当 =90时：时：滑移面平行于外力方向滑移面平行于外力方向当当 =90时：时：滑移面垂直于外力方向滑移面垂直于外力方向不滑移不滑移当外力方向、法线、滑移方向共面，当外力方向、法线、滑移方向共面，且且 + =90, =45时，取向因子最大时，取向因子最大0.5滑移的临界分切应力的影响因素滑移的临界分切应力的影响因素l真实反映了单晶体的一个物理量真实反映了单晶体的一个物理量l大小大小晶体结构（类型及缺陷）晶体结构（类型及缺陷）温度温度变形速度变形速度见表见表5.4对密排六方的单晶体拉伸对密排六方的单晶体拉伸l只有一个滑移面只有一个滑移面(0001)，如果垂直或者平行，如果垂直或者平行此面进行拉伸，会不会产生滑移？此面进行拉伸，会不会产生滑移？ 不会不会 所以对于单晶材料来说，拉伸试样的晶格取所以对于单晶材料来说，拉伸试样的晶格取向决定了其屈服强度向决定了其屈服强度! !1、材料什么时候屈服？、材料什么时候屈服？ 有一滑移系达到临界分切应力有一滑移系达到临界分切应力2、取向因子与什么有关系？、取向因子与什么有关系？ 各滑移系各滑移系(滑移面及滑移方向滑移面及滑移方向)与与F的位置关系的位置关系思考思考滑移时晶面的转动滑移时晶面的转动拉伸时旋转机制拉伸时旋转机制最大切应力最大切应力 滑移滑移 旋转旋转旋转效果：使滑移方向转旋转效果：使滑移方向转至最大切应力方向，从而至最大切应力方向，从而更容易滑移更容易滑移受压时的旋转受压时的旋转结果，使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直结果，使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直滑移面转动，滑移方向不断改变滑移面转动，滑移方向不断改变l滑移面上的分切应力也会发生变化。滑移面上的分切应力也会发生变化。l 越造近越造近45，越有利于滑移。反之，越有利于滑移。反之，不利于滑移。不利于滑移。多系滑移多系滑移l多个滑移系：在外力增加时，谁先达到临界值，多个滑移系：在外力增加时，谁先达到临界值，谁先滑移；谁先滑移；l滑移过程中各滑移系上的分切应力会不断变化；滑移过程中各滑移系上的分切应力会不断变化；l一组不能滑移时，另一组滑移系有可能达到临界一组不能滑移时，另一组滑移系有可能达到临界值；值；l所以有可能两组或者更多组滑移面上同时进行滑所以有可能两组或者更多组滑移面上同时进行滑移，或交替进行。移，或交替进行。l交滑移现象：两个或多个滑移面沿着共同的滑交滑移现象：两个或多个滑移面沿着共同的滑移方向同时或者交替滑移。移方向同时或者交替滑移。l强化机制：在多系滑移过程中，不同滑移系的强化机制：在多系滑移过程中，不同滑移系的位错相互交割，而使位错移动困难，从而起到位错相互交割，而使位错移动困难，从而起到强化的作用。强化的作用。FCC结构中确定滑移系统结构中确定滑移系统镜像法则镜像法则l找到加载方向所在的取向三找到加载方向所在的取向三角形角形l根据位置确定先开始的滑移根据位置确定先开始的滑移系系Example: Given: BCC crystal having 110 slip system Determine active slip system in response to tensile loading along .123 Solve: Draw a standard projection. Label the loading direction in standard projection. Determine the active S.S by Reflection Rule. a) locate inside the orientation triangle ( ), single slip.b) locate at the edge of the orientation triangle ( ), double (duplex) slip.c) locate at the corner of the orientation triangle, multiple slip.F1FF2FWhen the axis of load is in the edge or corner of the orientation triangle, muli-slip occurs.(111)011(111)011(111)101F001111101111011 三角形内部三角形内部1 1个滑移系开动个滑移系开动 三角形边界三角形边界2 2个滑移系开动个滑移系开动 110110顶点上顶点上 4 4个滑移系开动个滑移系开动 111111顶点上顶点上 6 6个滑移系开动个滑移系开动 001001顶点上顶点上 8 8个滑移系开动个滑移系开动例：例：例：对一个例：对一个FCC单晶棒，沿单晶棒，沿215方方向拉伸，请确定哪个滑移系先开向拉伸，请确定哪个滑移系先开动。动。l 首先：画出晶体的首先：画出晶体的(001)标准投影标准投影图，然后找到所在的取向三角形图，然后找到所在的取向三角形101-111-001l 按照镜像法则，按照镜像法则，FCC晶体的滑移晶体的滑移面应该是面应该是(111)的镜像的镜像(111)，滑移，滑移方向应该是方向应该是101的镜像的镜像011。所。所以，滑移系以，滑移系(111) 011先开动。先开动。滑移的位错机制滑移的位错机制 l滑移不是面与面之间做刚性运动，而是通滑移不是面与面之间做刚性运动，而是通过位错的移动逐步进行的。过位错的移动逐步进行的。l一个位错移动到表面，会产生一个一个位错移动到表面，会产生一个b的滑移，的滑移，大量的位错移动到表面就会产生宏观的塑大量的位错移动到表面就会产生宏观的塑性变形。性变形。l位错运动是有阻力的，所以滑移的容易与位错运动是有阻力的，所以滑移的容易与否，与位错滑移的阻力有很大的关系。否，与位错滑移的阻力有很大的关系。l派派-纳纳(P-N)力力 位错滑移要克服点阵周期性阻力位错滑移要克服点阵周期性阻力2222expexp1111P NGdGWvv bvbdbdvWv在理想的简单立方晶体中使刃位错运动所需的临界分切应力其中： 为滑移面的面间距； 为滑移方向上的原子间距， 为泊松比，而代表位错的宽度与与d和和b之间的关系之间的关系l讨论一下讨论一下P-N力力与与d和和b的关系的关系d大，大，b小，力小，容易滑移小，力小，容易滑移而而d大的面，是密排面，大的面，是密排面，d小是密排方向小是密排方向2222expexp111P NGWGdvbvv b这也解释了为什么滑移面是密排面，滑移方向是密这也解释了为什么滑移面是密排面，滑移方向是密排方向排方向l位错的运动不是整齐划一地前进，而是有位错的运动不是整齐划一地前进，而是有前有后，存在扭折现象。前有后，存在扭折现象。l可以进一步降低滑移所需的应力。可以进一步降低滑移所需的应力。l所有阻碍位错运动的因素，都会所有阻碍位错运动的因素，都会导致强化导致强化 位错应力场之间的相互作用位错应力场之间的相互作用 位错交割后产生的扭折和割阶位错交割后产生的扭折和割阶 位错运动过程中，与晶界和第二相质点的位错运动过程中，与晶界和第二相质点的相互作用相互作用2、孪生、孪生l常作为滑移的救星常作为滑移的救星a、孪生变形过程、孪生变形过程一系列一系列(111)沿沿111按按abcabc堆垛堆垛(110)上的原子排布上的原子排布(111)112变形与未变形两部分晶体合称为孪晶变形与未变形两部分晶体合称为孪晶切变区与未切变区的分界面为孪晶界切变区与未切变区的分界面为孪晶界发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面孪生面的移动方向称为孪生方向孪生面的移动方向称为孪生方向66a是怎么算出来的？均匀切变均匀切变b、孪生的特点及与滑移的异同点、孪生的特点及与滑移的异同点相同点：相同点： 都是在切应力作用下产生的剪切应变过程。都是在切应力作用下产生的剪切应变过程。 都不改变晶体结构。都不改变晶体结构。 都存在临界分切应力。都存在临界分切应力。 都是晶体中的一部分相对于另一部分沿一定的晶面都是晶体中的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向的平移。和晶向的平移。b、孪生的特点及与滑移的异同点、孪生的特点及与滑移的异同点不同点：不同点： 对塑性变形的贡献小，但是可以改变位向，因此可以进一步对塑性变形的贡献小，但是可以改变位向，因此可以进一步诱发滑移。诱发滑移。 孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。 滑移的机制是位错的产生和移动，而孪生是孪生区内的原子滑移的机制是位错的产生和移动，而孪生是孪生区内的原子沿滑移方向的均匀切变，不全位错参与。沿滑移方向的均匀切变，不全位错参与。 孪生的临界分切应力大。一般，晶体对称度越低，越容易发孪生的临界分切应力大。一般，晶体对称度越低，越容易发生孪生。变形温度越低，加载速度赵高，也越容易发生孪生。生孪生。变形温度越低，加载速度赵高，也越容易发生孪生。c、孪生的形成、孪生的形成 变形孪晶（机械孪晶）呈片状变形孪晶（机械孪晶）呈片状 生长孪晶生长孪晶 退火孪晶横贯整个晶粒，堆垛层错退火孪晶横贯整个晶粒，堆垛层错变形孪晶变形孪晶l形核和长大形核和长大 极快爆发（有时有响声）极快爆发（有时有响声）出薄片孪晶出薄片孪晶需较大的应力，发生在滑需较大的应力，发生在滑移受阻的应力集中区移受阻的应力集中区 孪晶界扩展来增宽孪晶界扩展来增宽所需的应力则较小，所以所需的应力则较小，所以长大速度快长大速度快l六方：滑移系少，容易出现孪生变形六方：滑移系少，容易出现孪生变形l体心立方：在低温，形变速度快，滑移受阻时，体心立方：在低温，形变速度快，滑移受阻时，也会出现孪生现象。也会出现孪生现象。l面心：滑移系较多，形变孪晶很少，较多的是面心：滑移系较多，形变孪晶很少，较多的是退火孪晶。退火孪晶。孪生的变形量虽然少，但是他可以改变滑移系孪生的变形量虽然少，但是他可以改变滑移系的方位，由不利转为有利位置，从而进一步滑的方位，由不利转为有利位置，从而进一步滑移。两者相辅相成，有时交替进行。移。两者相辅相成，有时交替进行。d、孪生的位错机制、孪生的位错机制由于孪生变形时，整个孪晶区发生均匀切变，由于孪生变形时，整个孪晶区发生均匀切变，其各层晶面的相对位移是借助一个不全位错其各层晶面的相对位移是借助一个不全位错（肖克莱不全位错）运动而造成的。（肖克莱不全位错）运动而造成的。 3、扭折、扭折l为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时晶体将会产生局部弯曲，这种变某一临界值时晶体将会产生局部弯曲，这种变形方式称为扭折，变形区域则称为扭折带。形方式称为扭折，变形区域则称为扭折带。l扭折是一种协调性变形，它能引起应力松扭折是一种协调性变形，它能引起应力松弛，使晶体不致断裂。弛，使晶体不致断裂。与孪晶不同与孪晶不同l扭折区晶体的取向不对称性。扭折区晶体的取向不对称性。l会使滑移系的方位发生变化，会使滑移系的方位发生变化，从而进一步滑移。从而进一步滑移。还会伴随孪晶的出现还会伴随孪晶的出现多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形1、晶粒取向的影响：、晶粒取向的影响： 多晶体由很多小单晶组成，晶粒取向各不相同，多晶体由很多小单晶组成，晶粒取向各不相同，变形影响因素复杂。变形影响因素复杂。 变形时要保持整体的连续性，所以要相互配合。变形时要保持整体的连续性，所以要相互配合。 各晶粒不一定在最有利于滑移的方向进行滑移。各晶粒不一定在最有利于滑移的方向进行滑移。铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带,173倍倍(采自采自C.Brady,美国国家标准局美国国家标准局) l 一个多晶体是否能够塑性变形，决定于它是否具备有一个多晶体是否能够塑性变形，决定于它是否具备有5个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求l 面心、体心多晶体塑性好面心、体心多晶体塑性好l 密排六方晶体塑性差密排六方晶体塑性差 ,6V0V55xxyyzzxyyzzxxxyyzz每个小晶体变形有个自由度但变形时，要求总休积不变，所以只剩下 个自由度。但是每个晶粒都有不同的取向，所以他们的变形方向各不相同。这就要求晶体至少能够在 个方向上进行变形。2、晶界的影响、晶界的影响l 晶粒取向各不相同，存在晶界晶粒取向各不相同，存在晶界l结构特征结构特征 两侧，晶粒取向不同，滑移方向和滑移面不一致两侧，晶粒取向不同，滑移方向和滑移面不一致 滑移很难跨过晶界延续滑移很难跨过晶界延续 所以在所以在室温下室温下，晶界对滑移具有阻碍作用，晶界对滑移具有阻碍作用晶界变形量小晶界变形量小l位错的塞积（交通堵塞）位错的塞积（交通堵塞） 晶界附近产生塞积群；晶界附近产生塞积群； 对位错源产生一反作用力。阻止新位错的产生；对位错源产生一反作用力。阻止新位错的产生； 要继续塑性变形，必须加大应力，使另一取向晶粒中位错要继续塑性变形，必须加大应力，使另一取向晶粒中位错源的开始动作；源的开始动作； 对多晶体来说，外加应力必须满足大部分晶粒的滑移要求，对多晶体来说，外加应力必须满足大部分晶粒的滑移要求，才能产生宏观的塑性变形。才能产生宏观的塑性变形。l晶界的数量与晶粒大小有直接关系晶界的数量与晶粒大小有直接关系 晶粒尺寸晶粒尺寸晶界数量晶界数量l霍尔佩奇公式：霍尔佩奇公式： 多晶体的屈服强度多晶体的屈服强度 s与晶粒平均直径与晶粒平均直径d的关系的关系1200sKdK反映晶内对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强度，反映晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关。室温下室温下l晶粒细小的材料具有良好的的综合力学性能晶粒细小的材料具有良好的的综合力学性能 具有较高的强度、硬度具有较高的强度、硬度 良好的塑性和韧性良好的塑性和韧性l细化晶粒能够提高塑性的原因是：细化晶粒能够提高塑性的原因是：l多晶体内各晶粒变形是不均匀的，其不均匀程多晶体内各晶粒变形是不均匀的，其不均匀程度会因晶粒大小的不同而有很大差异。晶粒越度会因晶粒大小的不同而有很大差异。晶粒越细小，这种不均匀程度越小，因为晶粒越小，细小，这种不均匀程度越小，因为晶粒越小，塞积在晶界的位错群所产生的应力场将很容易塞积在晶界的位错群所产生的应力场将很容易影响到相邻晶粒的整个体积，也就容易启动相影响到相邻晶粒的整个体积，也就容易启动相邻晶粒的位错源而产生协调变形，是变形不均邻晶粒的位错源而产生协调变形，是变形不均匀程度减小。所以不容易在晶粒中产生应力集匀程度减小。所以不容易在晶粒中产生应力集中，继而达到塑性提高的效果。中，继而达到塑性提高的效果。 高温下（高温下（0.5Tm）l扩散快；扩散快；l晶界的相对滑动。高温蠕变晶界的相对滑动。高温蠕变等强温度等强温度TE，晶界强度与晶粒本身强度比较晶界强度与晶粒本身强度比较航空发动机叶片航空发动机叶片(a)多晶，多晶，(b)柱状晶，柱状晶，(c)单晶单晶 高温下使用的合金应该具有高的熔点，高高温下使用的合金应该具有高的熔点，高的弹性模量和大的晶粒。的弹性模量和大的晶粒。 合金的塑性变形合金的塑性变形l 工程上一般不使用纯金属材料，而是使用合金。为什么？工程上一般不使用纯金属材料，而是使用合金。为什么？l 和金属类似，但由于合金元素的存在，有新的特点和金属类似，但由于合金元素的存在，有新的特点l可分为单相固溶体合金的塑性变形和多相合金的塑可分为单相固溶体合金的塑性变形和多相合金的塑性变形性变形 1、单相固溶体合金的塑性变形、单相固溶体合金的塑性变形l存在溶质原子存在溶质原子l固溶强化、明显的屈服点与应变时效。固溶强化、明显的屈服点与应变时效。a、固溶强化、固溶强化l不同溶质原子所引起的固溶强化效果不同不同溶质原子所引起的固溶强化效果不同l影响固溶强化的因素影响固溶强化的因素 溶质含量越高，作用越强；效果在低浓度区域明显溶质含量越高，作用越强；效果在低浓度区域明显 与基体相差越大，强化作用越强。与基体相差越大，强化作用越强。 间隙型原子比置换型强化作用大；间隙型原子比置换型强化作用大； 间隙原子在体心中的强化效果要强于面心中。但由于间间隙原子在体心中的强化效果要强于面心中。但由于间隙固溶度小，所以作用也是有限。隙固溶度小，所以作用也是有限。 价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。b、屈服现象与应变时效、屈服现象与应变时效吕德斯带吕德斯带形成形成扩展扩展与滑移带区别与滑移带区别多晶粒协作的结果多晶粒协作的结果贯穿截面每个晶粒贯穿截面每个晶粒每个晶粒内部按各自每个晶粒内部按各自的滑移系滑移的滑移系滑移屈服点屈服点l上屈服点：试样发生屈服而试验力首次下降前的最上屈服点：试样发生屈服而试验力首次下降前的最大应力。大应力。 l下屈服点：屈服阶段的最小应力。下屈服点：屈服阶段的最小应力。 l采用下屈服点的理由：上屈服点采用下屈服点的理由：上屈服点su波动性很大，波动性很大，对试验条件的变化很敏感；而下屈服点对试验条件的变化很敏感；而下屈服点sl再现性较再现性较好。好。l为什么会存在这种明显的屈服现象！为什么会存在这种明显的屈服现象！lCottrel气团气团 在固溶体合金中，溶质原子或杂质原子可以与位错交在固溶体合金中，溶质原子或杂质原子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团互作用而形成溶质原子气团 如刃位错中，滑移面下有拉应力，间隙原子如刃位错中，滑移面下有拉应力，间隙原子C C，N N等或等或尺寸大的原子会在此处偏聚以消除应力，尺寸大的原子会在此处偏聚以消除应力，则位错的能量降低，趋于稳定，即位错被钉扎则位错的能量降低，趋于稳定，即位错被钉扎屈服的物理本质屈服的物理本质上屈服点：挣脱上屈服点：挣脱Cottrel气团，需要较大的应力气团，需要较大的应力下屈服点：挣脱以后位错的运动就容易，应力下降下屈服点：挣脱以后位错的运动就容易，应力下降l从位错的运动规律来解释屈服现象从位错的运动规律来解释屈服现象0mpmvbv应变速率应变速率可动位错密度可动位错密度运动速度运动速度柏氏矢量柏氏矢量受到的受到的有效应力有效应力作单位速度运动作单位速度运动所需应力所需应力应力敏感指数应力敏感指数 不变不变初始阶段：初始阶段： m小，需要小，需要v大，则大，则 大大开始后：开始后： m大，需要大，需要v小，则小，则 小小l应变时效应变时效 Cottrell气团气团2、多相合金的塑性变形、多相合金的塑性变形l第二相数量、尺寸、形状和分布第二相数量、尺寸、形状和分布l根据尺寸大小分为根据尺寸大小分为 聚合型相差不多聚合型相差不多 弥散型细小弥散型细小a、聚合型、聚合型 若全是塑性相时，塑性取决于两相的体积分数若全是塑性相时，塑性取决于两相的体积分数11221122 一级近似：变形先发生在变形先发生在较软的相中较软的相中b、弥散分布型、弥散分布型l强化作用：弥散相对位错的阻碍作用强化作用：弥散相对位错的阻碍作用l弥散相是否可变形？弥散相是否可变形？ 不可变形（外加的）不可变形（外加的）阻挡，弯曲阻挡，弯曲反作用反作用2GbGbR粒子愈多，强化作用越明显。减小粒子尺寸或提粒子愈多，强化作用越明显。减小粒子尺寸或提高体积分数都会提高合金强度高体积分数都会提高合金强度夹杂物对位错运动的阻碍夹杂物对位错运动的阻碍l可变形（沉淀相）可变形（沉淀相）位错会切过粒子，强化作用取决于粒子本身位错会切过粒子，强化作用取决于粒子本身的性质，以及与基体的联系，强化机制复杂的性质，以及与基体的联系，强化机制复杂 打乱规则有序的排列打乱规则有序的排列 出现新界面，界面能升高出现新界面，界面能升高 滑移面上，粒子与基体间晶格不同，阻力滑移面上，粒子与基体间晶格不同，阻力 比体积（模量不同）不同，产生的应力场与位错相比体积（模量不同）不同，产生的应力场与位错相互作用互作用5.2.4 塑性变形对材料组织与性能的影响塑性变形对材料组织与性能的影响1、显微组织的变化、显微组织的变化l晶粒内部结构出现大量的滑移带或孪晶带晶粒内部结构出现大量的滑移带或孪晶带l晶粒外观结构将逐渐沿其变形方向伸长晶粒外观结构将逐渐沿其变形方向伸长l当变形量很大时，晶粒已难以分辨而呈现出一片当变形量很大时，晶粒已难以分辨而呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。方向即是材料如纤维状的条纹，称为纤维组织。方向即是材料流变伸展的方向。流变伸展的方向。 2、亚结构的变化、亚结构的变化l塑性变形是借助位错在应力作用下运动和不断增塑性变形是借助位错在应力作用下运动和不断增殖。殖。l变形度变形度，晶体中的位错密度，晶体中的位错密度 胞状胞状亚结构亚结构3、性能的变化、性能的变化a、加工硬化、加工硬化l加工硬化曲线，三阶段加工硬化曲线，三阶段 易滑移阶段易滑移阶段 线性硬化阶段线性硬化阶段 抛物线阶段抛物线阶段不同晶系单晶不同晶系单晶晶粒尺寸多晶与单晶晶粒尺寸多晶与单晶同样伸长率下，多晶体所需拉应力要高？同样伸长率下，多晶体所需拉应力要高？多晶体曲线无第多晶体曲线无第I阶段阶段l加工硬化的决定性因素加工硬化的决定性因素 位错密度：流变应力与位错密度的平方根成位错密度：流变应力与位错密度的平方根成线性关系线性关系 钉扎作用钉扎作用b、其他性能的变化其他性能的变化 物理性能：电阻物理性能：电阻，热导率，热导率 化学性能：自由焓化学性能：自由焓 ，化学活性，化学活性4、形变织构、形变织构l 晶面转动使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空晶面转动使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空间取向上呈现一定程度的规律性，这一现象称为择优取间取向上呈现一定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这种组织状态则称为形变织构。向，这种组织状态则称为形变织构。 丝织构丝织构 板织构板织构l 取向的程度与材质，变形量，温度，工艺都有关系。用取向的程度与材质，变形量，温度，工艺都有关系。用变形金属的极射赤面投影图来描述变形金属的极射赤面投影图来描述l 由于取向，造成了材料性能的各向异性。由于取向，造成了材料性能的各向异性。初始晶粒随机取向初始晶粒随机取向晶粒定向择排列晶粒定向择排列c-轴轴与受力方向平行与受力方向平行5、残余应力、残余应力储存能：外力做的功中一部分储存在材料内部储存能：外力做的功中一部分储存在材料内部l 残余应力：相互牵制，自相平衡状态残余应力：相互牵制，自相平衡状态l根据范围大小，分三种根据范围大小，分三种 宏观残余应力：各部分宏观变形不均匀引起宏观残余应力：各部分宏观变形不均匀引起占总的储存能很少，约占总的储存能很少，约0.1% 微观残余应力：晶粒或亚晶粒之间的变形不微观残余应力：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起。可能引起微裂纹均匀引起。可能引起微裂纹 点阵畸变：占储存能的绝大部分（点阵畸变：占储存能的绝大部分（80-90%）l由于储存能的存在，使材料的自由焓高，由于储存能的存在，使材料的自由焓高，是热力学不稳定的状态是热力学不稳定的状态l所以在某些情况下（加热等）会回复、所以在某些情况下（加热等）会回复、再结晶。再结晶。5.3、回复和再结晶、回复和再结晶5.3.1、冷变形金属在加热时的组织与性能变化、冷变形金属在加热时的组织与性能变化 三个阶段三个阶段l三个阶段三个阶段 回复：回复：无畸变晶粒出现之前，亚结构和性能变化无畸变晶粒出现之前，亚结构和性能变化阶段阶段 再结晶：再结晶：从畸变最大的区域开始产生无畸变的晶从畸变最大