形变与断裂精选PPT.ppt

关于形变与断裂第1页，讲稿共73张，创作于星期日第第8章章 形变与断裂形变与断裂8.1 力学性能概述力学性能概述8.2 弹性变形的微观机制及影响因素弹性变形的微观机制及影响因素8.3 塑性变形的微观机制塑性变形的微观机制8.4 粘性变形的微观机制粘性变形的微观机制8.5 断裂简介断裂简介第2页，讲稿共73张，创作于星期日3 38.1 力学性能概述力学性能概述 材料的材料的强度强度和和塑性塑性是两个重要的力学性能，它决定了零构是两个重要的力学性能，它决定了零构件的加工成形的件的加工成形的工艺性能工艺性能，同时又是零构件的重要，同时又是零构件的重要使用性能使用性能。材料的力学性能是材料的力学性能是结构敏感结构敏感的，它和材料的组织和结构的，它和材料的组织和结构有密切关系，如晶体缺陷密度。有密切关系，如晶体缺陷密度。研究金属形变的意义：研究金属形变的意义：deformation第3页，讲稿共73张，创作于星期日4 48.1.1 应力、应变的概念应力、应变的概念8.1.1 应力、应变的概念（Stress&Strain）若体系平衡，内部需保持平衡，体系与环境也要求平衡。如果环境改变，体系则作出响应。应力/应变第4页，讲稿共73张，创作于星期日5 5一一.应力与应力场应力与应力场图图8-1 应力状态应力状态正应力 切应力 正应变 切应变 应力场 第5页，讲稿共73张，创作于星期日6 6二二.应力的分解应力的分解Material图图8-2 应力的分解应力的分解 Schmid取向因子 A：截面积F：拉力：棒内均匀的正应力：作用在滑移面的切应力第6页，讲稿共73张，创作于星期日7 7三三.应应力力应变应变曲曲线线()应力为施加的外力除以试棒的截面积应变为拉伸前后试棒有效长度的相对变化 图图8-3 工程应力工程应力-应变曲线应变曲线拉伸强度C屈服强度B弹性极限A真应力真应力-真应变曲线真应变曲线第7页，讲稿共73张，创作于星期日8 88.1.2 本构方程本构方程温度一定时，应力、应变及应变速率之间的关系称为温度一定时，应力、应变及应变速率之间的关系称为本构方程（本构方程（constitutive equation）一一一一.本构方程的一般形式本构方程的一般形式本构方程的一般形式本构方程的一般形式二二二二.本构方程的特殊形式本构方程的特殊形式本构方程的特殊形式本构方程的特殊形式对于切应力与切应变 对于正应力与正应变 虎克弹性体(或线弹性体)1.1.1.1.虎克定律虎克定律虎克定律虎克定律第8页，讲稿共73张，创作于星期日9 91.广义虎克定律广义虎克定律矩阵形式 弹性常数第9页，讲稿共73张，创作于星期日1010立方系单晶体立方系单晶体广义虎克定律广义虎克定律第10页，讲稿共73张，创作于星期日11112.牛顿粘性定律牛顿粘性定律图8-4麦克斯韦模型低粘度液体：牛顿粘性体 3.3.3.3.麦克斯韦模型麦克斯韦模型麦克斯韦模型麦克斯韦模型虎克弹性体+牛顿粘性体=粘弹性体麦克斯韦蠕变方程应力松弛方程为松弛常数其中 第11页，讲稿共73张，创作于星期日12124.开尔文模型开尔文模型图8-5 开尔文模型两个元件上的应变相等，而总应力是两者之和 开尔文蠕变方程应变松弛方程第12页，讲稿共73张，创作于星期日13138.1.3 变形的分类变形的分类1.1.可逆变形可逆变形可逆变形可逆变形 变形：内部原子位置的相对变化+材料外形的变化2.2.不不不不可逆变形可逆变形可逆变形可逆变形 塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形粘性变形粘性变形粘性变形粘性变形3.3.断裂断裂断裂断裂 第13页，讲稿共73张，创作于星期日1414第第8章章 形变与断裂形变与断裂8.1 力学性能概述力学性能概述8.2 弹性变形的微观机制及影响因素弹性变形的微观机制及影响因素8.3 塑性变形的微观机制塑性变形的微观机制8.4 粘性变形的微观机制粘性变形的微观机制8.5 断裂简介断裂简介第14页，讲稿共73张，创作于星期日15158.2 弹性变形的微观机制及影响因素弹性变形的微观机制及影响因素一.点阵原子的可逆位移二.间隙原子的可逆位移三.位错的可逆位移四.高分子链结构的可逆位移8.2.1 弹性变形的微观机制第15页，讲稿共73张，创作于星期日16168.2.1 弹性变形的微观机制：弹性变形的微观机制：点阵原子的可逆位移点阵原子的可逆位移如果应力不是很大，点阵原子的位移远小于原子间如果应力不是很大，点阵原子的位移远小于原子间如果应力不是很大，点阵原子的位移远小于原子间如果应力不是很大，点阵原子的位移远小于原子间距，此时如撤销应力，点阵原子能立刻恢复到原来的距，此时如撤销应力，点阵原子能立刻恢复到原来的距，此时如撤销应力，点阵原子能立刻恢复到原来的距，此时如撤销应力，点阵原子能立刻恢复到原来的位置。位置。位置。位置。受力之前受力之前受力之前受力之前力学平衡状态力学平衡状态力学平衡状态力学平衡状态受力之后受力之后受力之后受力之后趋向建立新的平衡，因此点阵原子产生趋向建立新的平衡，因此点阵原子产生趋向建立新的平衡，因此点阵原子产生趋向建立新的平衡，因此点阵原子产生位移位移位移位移第16页，讲稿共73张，创作于星期日17178.2.1 弹性变形的微观机制：弹性变形的微观机制：间隙原子的可逆位移间隙原子的可逆位移弹性后效（滞弹性）弹性后效（滞弹性）弹性后效（滞弹性）弹性后效（滞弹性）图8-6 碳在-Fe中的短程扩散图8-7 弹性后效示意图 三类八面体第17页，讲稿共73张，创作于星期日1818三元件粘弹模型三元件粘弹模型(1)总应变是两部之和图8-8 三元件粘弹模型(2)对模量为E2的弹性元件(3)对开尔文模型Material1.在t=0时施加恒定应力0并一直保持三元件粘弹模型蠕变方程2.在0作用达到平衡后，突然撤销应力0三元件粘弹模型应变松弛方程第18页，讲稿共73张，创作于星期日19198.2.1 弹性变形的微观机制：弹性变形的微观机制：位错的可逆运动位错的可逆运动位错在外力作用下弓出呈弧线当外应力撤销后，位错发生可逆运动，即恢复到直线状态 图8-9 位错弧可逆运动 第19页，讲稿共73张，创作于星期日20208.2.2 弹性变形的影响因素弹性变形的影响因素一一一一.晶体结构与点阵常数晶体结构与点阵常数晶体结构与点阵常数晶体结构与点阵常数对没有位错的单晶体，晶体结构和点阵常数决定了最大弹性变形。二二二二.位错位错位错位错三三三三.变形方式变形方式变形方式变形方式四四四四.温度温度温度温度当单晶体中有位错时，最大弹性变形会大为降低 无位错单晶体的最大弹性正应变 最大弹性切应变 温度影响位错的活性，温度的增加会降低最大弹性变形 P10第20页，讲稿共73张，创作于星期日2121第第8章章 形变与断裂形变与断裂8.1 力学性能概述力学性能概述8.2 弹性变形的微观机制及影响因素弹性变形的微观机制及影响因素8.3 塑性变形的微观机制塑性变形的微观机制8.4 粘性变形的微观机制粘性变形的微观机制8.5 断裂简介断裂简介第21页，讲稿共73张，创作于星期日22228.3 塑性变形的微观机制塑性变形的微观机制一一.理想单晶体理想单晶体8.3.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形图图8-10 理想晶体中的周期势垒理想晶体中的周期势垒当CD面处于平衡位置时“谷底”当CD面向右移动从而偏离平衡位置时 “山峰”位错滑移的应力条件位错滑移的应力条件结合能结合能使晶面两侧原子间的金属键全部断裂，才能发生滑移塑性变形切变模量切变模量第22页，讲稿共73张，创作于星期日23238.3.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形二二.有位错的单晶体有位错的单晶体图图8-11 位错附近的势垒位错附近的势垒以简单立方晶体为例，设刃位错线平行于x轴 当存在刃位错时，即使不施加应力，当存在刃位错时，即使不施加应力，当存在刃位错时，即使不施加应力，当存在刃位错时，即使不施加应力，滑移面滑移面滑移面滑移面(CD(CD(CD(CD面面面面)上每一个原子的环境也是上每一个原子的环境也是上每一个原子的环境也是上每一个原子的环境也是不同的，离位错线越近的原子的结合能不同的，离位错线越近的原子的结合能不同的，离位错线越近的原子的结合能不同的，离位错线越近的原子的结合能越高越高越高越高 v 在不受力的情况下,原子处于平衡状态 v 施加外力时，CD面上每个原子作出的反应不同 使刃位错产生不可逆位移使刃位错产生不可逆位移(即滑移即滑移)的的最小切应力最小切应力(也称也称派派-纳力纳力)只要使位错线中心的一列原子间金属键断裂，就能发生滑移塑性变形第23页，讲稿共73张，创作于星期日2424派派-纳力纳力 p（1 1）离子晶体和共价晶体离子晶体和共价晶体离子晶体和共价晶体离子晶体和共价晶体的的的的WW较小、较小、较小、较小、较大，因此较大，因此较大，因此较大，因此派派派派-纳力很高纳力很高纳力很高纳力很高 （2 2）螺位错螺位错螺位错螺位错的的的的WW小于刃位错，因此螺位错派小于刃位错，因此螺位错派小于刃位错，因此螺位错派小于刃位错，因此螺位错派-纳力纳力纳力纳力较高，其可动性不如刃位错较高，其可动性不如刃位错较高，其可动性不如刃位错较高，其可动性不如刃位错p是材料所固有的，它不随外应力变化是材料所固有的，它不随外应力变化 位错滑移的应力条件位错滑移的应力条件当满足(实际分解到某一晶面某一方向的切应力)(该晶面该方向的派-纳力)时,刃位错产生不可逆位移,继而晶体发生塑性变形.第24页，讲稿共73张，创作于星期日2525位错滑移的几何概念位错滑移的几何概念I.滑移与滑移系滑移与滑移系滑移系的概念、性质滑移系的一般规律滑移线与滑移带II.滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动III.多滑移多滑移IV.孪生孪生孪生与孪晶带的概念面心立方结构中的孪晶面心立方晶体的孪生过程孪生和滑移的差别第25页，讲稿共73张，创作于星期日2626.滑移与滑移系滑移与滑移系（1）滑移系概念）滑移系概念 滑移是沿着一定的晶面和滑移是沿着一定的晶面和该面该面上的一定晶向进行的，此晶面上的一定晶向进行的，此晶面称为滑移面；此晶向则称为滑移方向，一个滑移面和此面上的一称为滑移面；此晶向则称为滑移方向，一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成了一个个滑移方向组成了一个滑移系滑移系。滑移面及其法向矢滑移面及其法向矢量量n滑移方向滑移方向矢量矢量b第26页，讲稿共73张，创作于星期日2727.滑移与滑移系滑移与滑移系（2）滑移系的性质滑移系的性质v 每一个滑移系表示金属进行滑移时，滑移动作可能采取的空间取向。v 当其它条件相同时，金属中的滑移系越多，则滑移时可供采取的空间取向越多，该金属的塑性越好。第27页，讲稿共73张，创作于星期日2828.滑移与滑移系滑移与滑移系 滑移面和滑移方向通常都是密排面和密排晶向；随着成分、温度等条件的改变，其它晶面也有可能称为滑移面，但滑移方向比较稳定，总是密排晶向。每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系。同一金属晶体可以有几组晶体学上完全等同的滑移系。但实际滑移时，不是沿着这些滑移系同时滑动，而是沿着最有利的滑移系首先滑移。（3）滑移系的一般规律滑移系的一般规律第28页，讲稿共73张，创作于星期日2929.滑移与滑移系滑移与滑移系Eg.fcc滑移系滑移方向,滑移面一般为111,面心立方结构共有四个不同的111晶面,每个滑移面上有三个晶向,故共有43=12个滑移系.第29页，讲稿共73张，创作于星期日3030.滑移与滑移系滑移与滑移系Eg.bcc滑移系滑移方向为，可能出现的滑移面有110、112、123如果三组滑移面都能启动，则潜在的滑移系数目为：（个）（个）第30页，讲稿共73张，创作于星期日3131.滑移与滑移系滑移与滑移系（4）滑移线和滑移带）滑移线和滑移带 通常把普通金相观察中看到的线称为滑移带，而把电镜中下看到的细线称通常把普通金相观察中看到的线称为滑移带，而把电镜中下看到的细线称为滑移线，一簇相互平行的滑移线组成了滑移带。为滑移线，一簇相互平行的滑移线组成了滑移带。在光学显微镜下观察在光学显微镜下观察表现为一条线。表现为一条线。电镜下的观察电镜下的观察结果结果图8-12 滑移线与滑移带变形的高度不均匀性第31页，讲稿共73张，创作于星期日3232.滑移与滑移系滑移与滑移系设简单立方晶体中有N个位错线及柏氏矢量均平行的位错位错滑移量与应变：位错滑移量与应变：图8-13 位错滑移量与应变的关系 i位错对这块晶体位移的的贡献 晶体的总位移量切应变 由于位错密度 切应变（为位错的平均滑移距离）位错的微观滑移与晶体的宏观应变联系起来。位错的微观滑移与晶体的宏观应变联系起来。位错的微观滑移与晶体的宏观应变联系起来。位错的微观滑移与晶体的宏观应变联系起来。第32页，讲稿共73张，创作于星期日3333.滑移时晶面的转动滑移时晶面的转动若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层会象推开扑克牌那样一层层滑开，每一层和力轴的夹角保持不变。但在实际拉伸中，夹头不能移动，这迫使晶体转动，在靠近夹头处由于夹头的约束晶体不能自由滑动而产生弯曲，在远离夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑移方向转向力轴。无约束时 有约束时-导致转动拉伸时压缩时滑移方向|拉伸轴第33页，讲稿共73张，创作于星期日3434.多滑移多滑移当外力的取向使2个或多个滑移系上的分切应力均达到临界分切应力值时，这些滑移系可以同时开动而发生多系滑移。发生多系滑移时，在抛光表面看到不止一组的滑移线，而是两组或多组交叉的滑移线。由于多个滑移系开动，位错交截产生割阶及位错带着割阶运动等原因使位错运动阻力增加，因而强度也增加。Material第34页，讲稿共73张，创作于星期日3535.孪生孪生（1）孪生与孪晶带的概念）孪生与孪晶带的概念 孪生通常是在晶体孪生通常是在晶体难以进行滑移难以进行滑移时所发生的另一种塑变方式。也将时所发生的另一种塑变方式。也将分位错的滑分位错的滑移移定义为孪生。在孪生过程中形成孪晶（或孪晶带）。定义为孪生。在孪生过程中形成孪晶（或孪晶带）。孪生现象/孪晶-对称孪晶特点：原子排列以某一晶面成镜面对称。孪晶形成过程：形变、晶体生长、退火及相变。(a)天然石英的孪晶的外形，(b)沿图中方解石体对角线加压 力形成的孪晶。第35页，讲稿共73张，创作于星期日3636.孪生孪生（2 2 2 2）面心立方结构中的孪晶面心立方结构中的孪晶面心立方结构中的孪晶面心立方结构中的孪晶层错能低的层错能低的层错能低的层错能低的fccfcc晶体会出现形变孪晶，如银、黄铜；晶体会出现形变孪晶，如银、黄铜；晶体会出现形变孪晶，如银、黄铜；晶体会出现形变孪晶，如银、黄铜；切变带第36页，讲稿共73张，创作于星期日3737.孪生孪生（3 3 3 3）面心立方晶体的孪生过程面心立方晶体的孪生过程面心立方晶体的孪生过程面心立方晶体的孪生过程（a）孪晶面与孪晶方向）孪晶面与孪晶方向 （b）孪晶变形时的晶面移动）孪晶变形时的晶面移动第37页，讲稿共73张，创作于星期日3838.孪生孪生宏观外形看不出孪生或对称关系微观原子排列显示出孪生关系面心立方晶体孪晶的高分辨率电镜照片实验证实第38页，讲稿共73张，创作于星期日3939.孪生孪生(1)(1)滑移后整个晶体的滑移后整个晶体的位向位向没有改变，而孪生则使孪晶部分的位向与基体成对没有改变，而孪生则使孪晶部分的位向与基体成对称。称。(2)(2)孪生孪生对宏观塑性变形的贡献主要是对宏观塑性变形的贡献主要是改变晶体位向改变晶体位向，使滑移能够继续进行。，使滑移能够继续进行。孪生能够产生的塑性变形量很小，而滑移很大孪生能够产生的塑性变形量很小，而滑移很大，所以宏观变形通常主要靠，所以宏观变形通常主要靠滑移。滑移。(3)(3)孪生所需的外力往往高于滑移。孪生所需的外力往往高于滑移。(4)(4)滑移使表面出现滑移使表面出现台阶（滑移线台阶（滑移线），表面重新抛光后，滑移线消失；孪生），表面重新抛光后，滑移线消失；孪生则使表面出现则使表面出现浮凸浮凸，因孪晶与基体的取向不同，表面重新抛光后并浸蚀后仍能，因孪晶与基体的取向不同，表面重新抛光后并浸蚀后仍能看到。看到。（4 4 4 4）孪生）孪生）孪生）孪生PKPKPKPK滑移滑移滑移滑移孪生滑移第39页，讲稿共73张，创作于星期日40408.3.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形三三.位错的相互影响位错的相互影响(1)(1)产生割阶或扭折产生割阶或扭折(2)(2)交滑移交滑移 (3)(3)位错产生与增殖位错产生与增殖 第40页，讲稿共73张，创作于星期日4141(1)产生割阶或扭折产生割阶或扭折 图图8-16 两个柏氏矢量垂直的刃位错交割产生割阶两个柏氏矢量垂直的刃位错交割产生割阶图图8-17 两个柏氏矢量平行的刃位错交割产生扭折两个柏氏矢量平行的刃位错交割产生扭折割阶的特点：割阶不在割阶的特点：割阶不在割阶的特点：割阶不在割阶的特点：割阶不在原滑移面中，即原滑移面中，即原滑移面中，即原滑移面中，即PPPP 不不不不在在在在P PABAB面中。面中。面中。面中。此时的此时的此时的此时的PPPPPPPP 或或或或QQQQQQQQ 均为均为均为均为螺位错，它们都处在螺位错，它们都处在螺位错，它们都处在螺位错，它们都处在原来的滑移面上，称原来的滑移面上，称原来的滑移面上，称原来的滑移面上，称为扭折。为扭折。为扭折。为扭折。第41页，讲稿共73张，创作于星期日4242(2)交滑移交滑移 图图8-20 螺位错线螺位错线xy的交滑移的交滑移Material交滑移交滑移 当螺型位错在某一晶面上滑移受到阻碍时，有可能离开原滑移面而转向与其相交的另一当螺型位错在某一晶面上滑移受到阻碍时，有可能离开原滑移面而转向与其相交的另一滑移面上继续滑移，该运动过程称为交滑移。滑移面上继续滑移，该运动过程称为交滑移。双交滑移双交滑移 若螺行位错经过交滑移后在转回到与原滑移面相平行的晶面上继续滑移，称为双交滑移。若螺行位错经过交滑移后在转回到与原滑移面相平行的晶面上继续滑移，称为双交滑移。第42页，讲稿共73张，创作于星期日4343(2)交滑移交滑移 刃型位错不能进刃型位错不能进行交滑移和多交滑行交滑移和多交滑移吗移吗?由于刃型位错的由于刃型位错的 ,只有一个滑移只有一个滑移面，所以不能发生交滑移；而螺型位错面，所以不能发生交滑移；而螺型位错的的 ，在含有位错线的任何密排面上，在含有位错线的任何密排面上都可能进行滑移，所以螺型位错可以发都可能进行滑移，所以螺型位错可以发生交滑移。生交滑移。交滑移的特点交滑移的特点v 交滑移使滑移过程具有很大的灵活性，当滑移在某个晶面上受阻时，通过交滑移可以转移到另一滑移面上继续滑移。v 层错能高的金属易于进行交滑移。变形温度越高、变形应力或变形量越大，交滑移越显著。第43页，讲稿共73张，创作于星期日4444扩展位错的束集与交滑移扩展位错的束集与交滑移 图图8-21 扩展位错从扩展位错从 的交滑移的交滑移第44页，讲稿共73张，创作于星期日4545(3)位错产生与增殖位错产生与增殖 图图8-22 空位凝聚成位错空位凝聚成位错(a)(b)(c)b-cb-c：空位片崩塌：空位片崩塌：空位片崩塌：空位片崩塌 位错增殖位错增殖位错增殖位错增殖 经剧烈变形的晶体中，其位错密度大大增加，表明塑性变形过程中位错产生了增殖。目前被广泛接受的位错增殖机制是弗兰克瑞德（FrankRead）位错增殖机制（F-R源）。第45页，讲稿共73张，创作于星期日4646(3)位错产生与增殖位错产生与增殖 图8-23 F-R源产生位错以F-R源开动所需切应力作为临界分切应力的估计估算l是位错源的长度，它可以看作是三维位错网的网孔直径，约为10-310-5cm，由此估计出的临界分切应力和实际的相近。第46页，讲稿共73张，创作于星期日47478.3.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形第47页，讲稿共73张，创作于星期日4848一一.位错的塞积位错的塞积v位错塞积位错塞积 在同一滑移面上运动的位错如果在运动过程中遇到障碍（晶界，在同一滑移面上运动的位错如果在运动过程中遇到障碍（晶界，第二相粒子等），而外力又不足以克服障碍的阻力时，位错就在障第二相粒子等），而外力又不足以克服障碍的阻力时，位错就在障碍物的前沿堆积起来，形成位错塞积。碍物的前沿堆积起来，形成位错塞积。位错塞积的概念与示意位错塞积的概念与示意位错位错塞积塞积示意示意图图第48页，讲稿共73张，创作于星期日4949一一.位错的塞积位错的塞积位错塞积不但会对位错源产生位错塞积不但会对位错源产生反作用力反作用力,还会在还会在邻近的晶粒邻近的晶粒中中(如如P点点)产生应力产生应力,n越大越大,产生的应力越大。这个应力有助于产生的应力越大。这个应力有助于邻近邻近晶粒内的位错源开动晶粒内的位错源开动,而这种开动相当于位错从一个晶粒传播到邻近而这种开动相当于位错从一个晶粒传播到邻近晶粒晶粒,即塑性变形连续产生即塑性变形连续产生,这种现象称为多晶体的这种现象称为多晶体的屈服屈服位错塞积的概念与示意位错塞积的概念与示意第49页，讲稿共73张，创作于星期日5050晶粒尺寸与屈服强度的关系晶粒尺寸与屈服强度的关系除屈服强度外，流变应除屈服强度外，流变应力、断裂强度等与晶粒力、断裂强度等与晶粒尺寸间也有尺寸间也有H-PH-P关系，关系，但但 0 0与与k ky y常数的意义及常数的意义及数值不同。数值不同。H-PH-P关系可关系可用位错理论或其它方法用位错理论或其它方法导出。导出。0称晶内阻力或晶格摩擦力；ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错被钉扎程度有关的常数。y为产生屈服所需要的外应力。Hall-Petch关系由Hall-Petch 公式可以看出，d减小，则s 增大，即产生细晶强化。第50页，讲稿共73张，创作于星期日5151二二.变形的协调变形的协调v 实现任一变形的条件：必须有实现任一变形的条件：必须有5 5个独立的滑移系开动。个独立的滑移系开动。原因：描述任一应变状态用原因：描述任一应变状态用9个分量个分量-对称张量，对称张量，6个个分量分量-形变体积不变，即形变体积不变，即3个正应变之和不变，只有个正应变之和不变，只有5个个是独立的。是独立的。v 多晶体塑性变形后的宏观特点多晶体塑性变形后的宏观特点 (1)晶粒伸长晶粒伸长 (2)位错增加位错增加 (3)形成亚晶形成亚晶 变形量 层错能(4)变形织构变形织构变形织构变形织构 第51页，讲稿共73张，创作于星期日5252铝多晶体拉伸形变试验铝多晶体拉伸形变试验第52页，讲稿共73张，创作于星期日5353二二.变形的协调变形的协调Definition变形织构变形织构变形织构变形织构(deformation texture)deformation texture)织构(择优取向)的概念：多晶体晶粒取向集中分布在某一个或某些取向附近的现象。各向异性晶粒取向随机分布晶粒取向择优分布不同的取向多晶体、各向异性、晶粒取向的关系多晶体、各向异性、晶粒取向的关系第53页，讲稿共73张，创作于星期日54548.4 粘性变形的微观机制粘性变形的微观机制 8.4.1 金属多晶体的粘性变形金属多晶体的粘性变形一一一一.屈服延伸屈服延伸屈服延伸屈服延伸二二二二.动态回复和动态再结晶动态回复和动态再结晶动态回复和动态再结晶动态回复和动态再结晶三三三三.蠕变蠕变蠕变蠕变金属多晶体的粘性变形表现在以下几个过程中金属多晶体的粘性变形表现在以下几个过程中金属多晶体的粘性变形表现在以下几个过程中金属多晶体的粘性变形表现在以下几个过程中第54页，讲稿共73张，创作于星期日5555一一.屈服延伸屈服延伸弹性变形弹性变形弹性变形弹性变形 粘性变形粘性变形粘性变形粘性变形 屈服延伸应变强化应变强化应变强化应变强化图8-25 低碳钢应力-应变曲线示意图在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的现象，称为屈服。第55页，讲稿共73张，创作于星期日5656位错钉扎理论位错钉扎理论碳原子会沿着正应力场梯度增加的方向扩散到刃位错碳原子会沿着正应力场梯度增加的方向扩散到刃位错的下方，以降低系统弹性应变能。碳原子与刃位错的的下方，以降低系统弹性应变能。碳原子与刃位错的这类交互作用形成了所谓这类交互作用形成了所谓柯氏气团柯氏气团。柯氏气团对位错运动起钉扎作用，会阻碍位错运动。要使位错挣脱集团的束缚或拖着气团一起运动，都必须施加更大的外力额外作用，从而使基体的强度提高。固溶强化的位错机理固溶强化的位错机理通常，间隙原子和尺寸较大的置换原子倾向于聚集在正刃型位错的下部（拉应力区），而尺寸较小的置换原子则倾向于聚集在上部（压应力区）。第56页，讲稿共73张，创作于星期日5757位错钉扎理论位错钉扎理论图8-26 低碳钢中应变时效现象1.预塑性变形 2.去载后立刻加载 3.去载后放置一段时间再加载Definition应变时效应变时效应变时效应变时效在发生屈服后撤消外应力，并放置一段时间，则重新施加应力时，屈服会再次出现，这种现象称为应变时效应变时效。（1 1）塑性变形量）塑性变形量（2 2）碳原子浓度）碳原子浓度（3 3）温度）温度影响因素影响因素第57页，讲稿共73张，创作于星期日5858二二.动态回复和动态再结晶动态回复和动态再结晶塑性变形过程中出现的回复和再塑性变形过程中出现的回复和再结晶称为结晶称为动态回复动态回复和和动态再结晶。动态再结晶。图8-27 纯铁的高温应力-应变曲线温度越低、应变率越大，应变强化作用越大 第58页，讲稿共73张，创作于星期日5959动态回复动态回复（1）真应力）真应力-真应变曲线真应变曲线 I微应变阶段微应变阶段 II动态回复的初始阶段动态回复的初始阶段 III稳态变形阶段稳态变形阶段（2）组织结构的变化）组织结构的变化 热加工后的晶粒沿变形方向伸长，热加工后的晶粒沿变形方向伸长，同时，晶粒内部出现动态回同时，晶粒内部出现动态回复所形成的等轴亚晶粒复所形成的等轴亚晶粒.亚晶尺寸与稳态流变应力成反比，并亚晶尺寸与稳态流变应力成反比，并随变形温度升高和变形速度降随变形温度升高和变形速度降低而增大。低而增大。动态回复的应力-应变曲线(流变曲线)第59页，讲稿共73张，创作于星期日6060动态回复动态回复(3）动态回复机制）动态回复机制动态回复机制是位错的攀移和交滑移，攀移在动态回复动态回复机制是位错的攀移和交滑移，攀移在动态回复中起主要的作用。中起主要的作用。层错能的高低是决定动态回复进行充分与否的关键因素。层错能的高低是决定动态回复进行充分与否的关键因素。动态动态回复易在层错能高的金属，如铝及铝合金中发生。回复易在层错能高的金属，如铝及铝合金中发生。第60页，讲稿共73张，创作于星期日6161动态再结晶动态再结晶（1）真应力）真应力-真应变曲线真应变曲线I加工硬化阶段加工硬化阶段(0c)II动态再结晶的初始阶段动态再结晶的初始阶段(cs)III稳态流变阶段稳态流变阶段(s)（2）组织结构的变化）组织结构的变化 晶粒是等轴的晶粒是等轴的,大小不均匀大小不均匀,晶界晶界呈锯齿状呈锯齿状,等轴晶内存在被缠等轴晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。结位错所分割成的亚晶粒。低层错能金属在热加工温度的应力-应变曲线(示意图),其中1代表连续的快速动态再结晶,2代表反复的动态再结晶.第61页，讲稿共73张，创作于星期日6262动态再结晶动态再结晶（3）层错能较低的金属，如铜及铜合金，热加工过程中发生的软化）层错能较低的金属，如铜及铜合金，热加工过程中发生的软化过程主要来自动态再结晶。过程主要来自动态再结晶。现存的晶界往往是动态再结晶的主要形核之处现存的晶界往往是动态再结晶的主要形核之处.形变温度越高形变温度越高.应应变速率越小变速率越小,应变量越大应变量越大,越有利于动态再结晶越有利于动态再结晶.动态再结晶的晶粒大小动态再结晶的晶粒大小d主要决定于热变形时的流变应力主要决定于热变形时的流变应力.d-n n：常数：常数 0.1-0.5第62页，讲稿共73张，创作于星期日6363三三.蠕变蠕变（1 1）第一阶段）第一阶段 减速蠕变（2 2）第二阶段）第二阶段 恒速蠕变（3 3）第三阶段）第三阶段 加速蠕变 蠕变蠕变蠕变蠕变是材料在高温及恒定载荷作用下，经长时间是材料在高温及恒定载荷作用下，经长时间产生的缓慢塑性变形现象。产生的缓慢塑性变形现象。Definition蠕变速率 =三个阶段三个阶段图8-28 金属蠕变曲线第63页，讲稿共73张，创作于星期日6464金属蠕变的机制金属蠕变的机制（1）位错滑移）位错滑移图8-29 刃位错攀移克服障碍的不同模式第64页，讲稿共73张，创作于星期日6565金属蠕变的机制金属蠕变的机制（2）扩散）扩散图8-30 应力作用下的原子（空位）扩散扩散蠕变扩散蠕变扩散蠕变扩散蠕变高温下原子(空位)在应力作用下的定向扩散也会产生蠕变(称为扩散蠕变)A、B晶界上空位浓度较高作用使AB受张，CD受压原子从C、D向A、B晶界扩散晶粒沿方向伸长第65页，讲稿共73张，创作于星期日6666金属蠕变的机制金属蠕变的机制（3）晶界滑动）晶界滑动图8-31 晶界与晶粒强度对比 高温受力时，由于晶界上原子容易运动，造成两个相邻晶粒的相对运动，称为晶界滑动。晶界滑动。晶界滑动。晶界滑动。晶界滑动容易在晶界上晶界滑动容易在晶界上产生裂纹产生裂纹第66页，讲稿共73张，创作于星期日67678.5 断裂简介断裂简介一 理论断裂强度 “原子间结合力”“弗兰克模型”完整晶体，原子间作用力与原子间位移关系式 位移很小 虎克定律 形成单位裂纹表面的功 两个表面 8.5.18.5.1 断裂强度断裂强度断裂强度断裂强度第67页，讲稿共73张，创作于星期日68688.5.1 断裂强度断裂强度 a0原子间平衡距离 mE/5.5 实际m=E/101000 表面能为 第68页，讲稿共73张，创作于星期日69698.5.1 断裂强度断裂强度（1）出发点材料中已存在裂纹；局部应力集中,裂纹扩展（增加新的表面），系统的弹性（2）格雷菲斯模型a）单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力（平面应力）。板内有一长度为2a，并垂直于应力的裂纹。二、格雷菲斯裂纹理论（1921年）第69页，讲稿共73张，创作于星期日70708.5.1 断裂强度断裂强度b）拉紧平板，已存在裂纹的平板，将释放弹 （释放的能量，前面加负号）弹性力学中：第70页，讲稿共73张，创作于星期日71718.5.1 断裂强度断裂强度释放的弹性能c）裂纹形成产生新表面所需要的能量 W=4a （是两个表面）d）能量守恒（3）格雷菲斯公式第71页，讲稿共73张，创作于星期日7272QESTION&ANSWERQestion&Answer第72页，讲稿共73张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第73页，讲稿共73张，创作于星期日