第07章材料的变形与断裂课件.ppt

第07章材料的变形与断裂第1页，此课件共106页哦塑性变形引言塑性变形引言 塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也是材料塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也是材料成型的一种重要加工方法。大多数金属均具有良好的塑性变成型的一种重要加工方法。大多数金属均具有良好的塑性变形能力，这也是金属材料获得广泛应用的重要原因之一。塑形能力，这也是金属材料获得广泛应用的重要原因之一。塑性变形可以改变金属的外形，也是塑性材料成形的主要方法性变形可以改变金属的外形，也是塑性材料成形的主要方法之一。同时塑性变形也会改变材料的内部组织和结构，从而之一。同时塑性变形也会改变材料的内部组织和结构，从而影响到它的宏观性能，可使材料的某些性能如强度等得到显影响到它的宏观性能，可使材料的某些性能如强度等得到显著的提高。但在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能著的提高。但在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能带来某些不利的影响，为了消除塑性变形带来某些不利的影响，为了消除塑性变形(冷加工冷加工)这些不利这些不利的影响，在加工之后或加工过程中，通常还对材料进行加热，的影响，在加工之后或加工过程中，通常还对材料进行加热，使其内部发生回复和再结晶过程。所以，塑性变形和再结晶是使其内部发生回复和再结晶过程。所以，塑性变形和再结晶是材料研究中的重要问题。材料研究中的重要问题。第2页，此课件共106页哦第一节第一节 变形概述变形概述 名词概念名词概念变形过程变形过程 弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形 塑性变形的方式塑性变形的方式 第3页，此课件共106页哦变形过程中的名词概念变形过程中的名词概念1.1.变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。2.2.应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为同截面垂直的称为“正应力正应力”或或“法向应力法向应力”，同截，同截面相切的称为面相切的称为“剪应力剪应力”或或“切应力切应力”。3.3.应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为“线应变线应变”；物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的；物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的改变值称为改变值称为“剪应变剪应变”或或“角应变角应变”；变形后物体内任；变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位体积之比值称为一微小单元体体积的改变同原单位体积之比值称为“体积体积应变应变”。第4页，此课件共106页哦变形过程变形过程 低碳钢的拉伸曲线如图低碳钢的拉伸曲线如图所示。所示。在应力低于弹性极限在应力低于弹性极限e e时，材料发生的变形为时，材料发生的变形为弹性变形；应力在弹性变形；应力在e e到到b b之间将发生的变形为之间将发生的变形为均匀塑性变形；在均匀塑性变形；在b b之之后将发生颈缩；在后将发生颈缩；在K K点发点发生断裂。生断裂。第5页，此课件共106页哦弹性变形弹性变形 1.1.定定义义：变变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变变形消失。形消失。2.2.特点：服从虎克定律，及特点：服从虎克定律，及应应力与力与应变应变成正比成正比3.3.比例系数比例系数E称称为弹为弹性模量性模量G G称称为为切切变变模量，它反映材料模量，它反映材料对对弹弹性性变变形的抗力，代表材料的形的抗力，代表材料的“刚刚度度”。4.4.实质实质：弹弹性性变变形的形的实质实质是在是在应应力的作用下，材料内部力的作用下，材料内部原子原子间间距就偏离了平衡位置，但未超距就偏离了平衡位置，但未超过过其原子其原子间间的的结结合力。晶体材料反合力。晶体材料反应为应为晶格晶格发发生了伸生了伸长长(缩缩短短)或歪扭。或歪扭。原子的相原子的相邻邻关系关系还还未未发发生改生改变变，故外力去除后，原子，故外力去除后，原子间结间结合合力便可以使力便可以使变变形完全恢复。形完全恢复。第6页，此课件共106页哦塑性变形塑性变形 1.1.定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大于弹定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有残即在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。留变形或永久变形。2.2.塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率(%)%)或断面减缩率或断面减缩率(%)%)表示。表示。3.3.实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子回原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。到另一平衡位置，物体将留下永久变形。第7页，此课件共106页哦塑性变形过程屈服塑性变形过程屈服 1.1.屈服：材料开始发生塑性变形。屈服：材料开始发生塑性变形。2.2.屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿状这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿状的平台。这是部分材料所具有的特征。的平台。这是部分材料所具有的特征。3.3.屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗力，屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗力，也称为屈服极限，用也称为屈服极限，用s s表示。对具有屈服现象的材料表示。对具有屈服现象的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变答显的材料，则以所产生的塑性应变答0.2%0.2%时的应力值时的应力值表示。表示。第8页，此课件共106页哦塑性变形过程均匀变形塑性变形过程均匀变形 1.1.均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体进均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力，材料行均匀的塑性变形。如果不再增加外力，材料的变形将不能继续下去。的变形将不能继续下去。2.2.原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生了加原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生了加工硬化。工硬化。已经发生变形处的强度提高，进一步已经发生变形处的强度提高，进一步变形困难，即变形要在更大的应力作用下才能进变形困难，即变形要在更大的应力作用下才能进行。下一步的变形发生在未变形或变形相对较小行。下一步的变形发生在未变形或变形相对较小的位置，达到同样变形后，在更大的应力作用下的位置，达到同样变形后，在更大的应力作用下发生变形。发生变形。第9页，此课件共106页哦塑性变形过程颈缩塑性变形过程颈缩 1.1.颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，产颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域进行。生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域进行。2.2.特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降，工特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降，工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真实应力程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真实应力依然在上升。依然在上升。3.3.极限强度：材料开始发生颈缩时对应的工程应力极限强度：材料开始发生颈缩时对应的工程应力b b ，这时试样出现失稳，颈缩真实应力依然在，这时试样出现失稳，颈缩真实应力依然在上升，但能承受的总外力在下降。上升，但能承受的总外力在下降。第10页，此课件共106页哦塑性变形过程断裂塑性变形过程断裂 1.1.断裂：变形量大至断裂：变形量大至K K点，试样发生断裂。点，试样发生断裂。2.2.实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，原子间的结合破坏而分离。原子间的结合破坏而分离。3.3.韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫“韧韧性断裂性断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成。在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。4.4.脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂脆性断裂”。脆性断。脆性断裂可沿晶界发生，称为裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂晶间断裂”，断口凹凸不平；，断口凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为“穿间断裂穿间断裂”，断口比较平坦。断口比较平坦。第11页，此课件共106页哦塑性变形的方式塑性变形的方式材料在外力作用下发生塑性变形，依材料的性材料在外力作用下发生塑性变形，依材料的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性变形的方质、外界环境和受力方式不同，进行塑性变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方式有：式也不相同，通常发生塑性变形的方式有：滑移、滑移、孪生、蠕变、流动孪生、蠕变、流动。其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。而其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样只能以流非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度的参数为粘度。动方式来进行，衡量变形的难易程度的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己形在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己形状的位固体、状的位固体、第12页，此课件共106页哦第二节第二节 单晶体的滑移单晶体的滑移 滑移概念滑移概念 过过程程说说明明 滑移系滑移系 施密特定律施密特定律 临界分切应力临界分切应力 滑移变形的主要特点滑移变形的主要特点 第13页，此课件共106页哦滑移概念滑移概念 滑移：滑移：滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面滑移面)的一定方向的一定方向(滑移方向滑移方向)相对于晶体的另一部分相对于晶体的另一部分发生的相对滑动发生的相对滑动 第14页，此课件共106页哦滑移滑移过程说明过程说明 在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台阶。阶。作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不能作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不能使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产生塑使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产生塑性变形；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分离，材性变形；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分离，材料则出现断裂。料则出现断裂。材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑性变形，材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑性变形，但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶格沿另外的方向但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶格沿另外的方向上发生滑移。上发生滑移。第15页，此课件共106页哦滑移滑移系系滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排晶面；滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排晶面；滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最密排滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最密排方向；方向；一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方式称为方式称为“滑移系滑移系”。第16页，此课件共106页哦典型晶格的滑移典型晶格的滑移系系FCCFCC第17页，此课件共106页哦滑移滑移系对性能的影响系对性能的影响晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大，材晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大，材料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的滑移方料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。向数目比滑移面数目的作用更大。在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心立方晶在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有格的铜及铝，虽然它们都具有12个滑移系，但铁的塑性不个滑移系，但铁的塑性不如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁及锌等，因其滑移系仅如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁及锌等，因其滑移系仅有有3个，故其塑性远较具有立方晶格的金属差。个，故其塑性远较具有立方晶格的金属差。第18页，此课件共106页哦施密特定律施密特定律 直接推动滑移的是在滑移直接推动滑移的是在滑移方向上的分切应力。在同一外方向上的分切应力。在同一外加应力作用下，不同的滑移系加应力作用下，不同的滑移系因自己的取向不同，对应的分因自己的取向不同，对应的分切应力也不相同。切应力也不相同。图示一单晶体单向拉伸，图示一单晶体单向拉伸，滑移面法线方向与外力的夹滑移面法线方向与外力的夹角为角为，滑移方向和拉力轴的，滑移方向和拉力轴的夹角为夹角为，注意到滑移方向、，注意到滑移方向、拉力轴和滑移面的法线三者拉力轴和滑移面的法线三者一般不在一平面，即一般不在一平面，即+900。第19页，此课件共106页哦施密特定律施密特定律 滑移方向上的分切应力为：滑移方向上的分切应力为：其中其中称为取向因子或施密特因子。称为取向因子或施密特因子。当当+=90+=900 0，取向因子有最，取向因子有最大值大值0.50.5。第20页，此课件共106页哦施密特定律施密特定律 滑移方向上的分切应力为：滑移方向上的分切应力为：称为施密特定律，称为施密特定律，c c是一常是一常数，但材料的屈服强度数，但材料的屈服强度s s则则随拉力轴相对于晶体的取向随拉力轴相对于晶体的取向不同而不同，即晶体材料存不同而不同，即晶体材料存在各向异性。在各向异性。第21页，此课件共106页哦临界分切应力与首开滑移系临界分切应力与首开滑移系 临界分切应力：临界分切应力：当外力在某个滑移面的滑移方向上的分当外力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑移，切应力达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑移，材料开始发生塑性变形，这个切应力值叫临界分切应力，材料开始发生塑性变形，这个切应力值叫临界分切应力，它是决定材料强度的直接因素。它是决定材料强度的直接因素。首开滑移系首开滑移系:在某一外力作用下，取向因子最大的滑移系在某一外力作用下，取向因子最大的滑移系将有最大的分切应力，外力加大，它将首先达到临界分将有最大的分切应力，外力加大，它将首先达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子最大的滑移系切应力，开始发生滑移，所以把取向因子最大的滑移系称为称为这个外力下这个外力下的首开滑移系。的首开滑移系。等效滑移系等效滑移系:在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系将在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系将有相同分切应力，外力加大，它将同时达到临界分切应力，有相同分切应力，外力加大，它将同时达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子相同滑移系称为开始发生滑移，所以把取向因子相同滑移系称为这个外力下这个外力下的等效滑移系。的等效滑移系。第22页，此课件共106页哦滑移变形的主要特点滑移变形的主要特点 1.1.滑移只能在切应力的作用下发生。滑移只能在切应力的作用下发生。2.2.滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。这是因为只有在最密晶面之间的面间距最大，原子这是因为只有在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的结合力最弱，沿最密晶向滑移的步长最小，面之间的结合力最弱，沿最密晶向滑移的步长最小，因此这种滑移所需要的外加切应力最小。因此这种滑移所需要的外加切应力最小。3.3.滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向的滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会在晶体的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶。表面上造成台阶。4.4.滑移的同时必然伴随有晶体的转动。滑移的同时必然伴随有晶体的转动。第23页，此课件共106页哦滑移变形的主要特点滑移变形的主要特点 滑移变形在晶体表面形成的滑移线滑移变形在晶体表面形成的滑移线第24页，此课件共106页哦滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动 当外力作用于单晶体试当外力作用于单晶体试样上时，它在某些相邻层样上时，它在某些相邻层晶面上所分解的切应力使晶面上所分解的切应力使晶体发生滑移，而正应力晶体发生滑移，而正应力和垂直滑移方向的另一分和垂直滑移方向的另一分切应力因滑移错开组成一切应力因滑移错开组成一力偶，使晶体在滑移的同力偶，使晶体在滑移的同时向外力方向发生转动。时向外力方向发生转动。转动的趋势为滑移面趋于平转动的趋势为滑移面趋于平行拉力方向，滑移方向也趋行拉力方向，滑移方向也趋于平行拉力方向。于平行拉力方向。第25页，此课件共106页哦第三节第三节 滑移的位错理论分析滑移的位错理论分析 滑移的实质是位错的运动滑移的实质是位错的运动 位错的增殖位错的增殖 位错的交割位错的交割 位错的塞积位错的塞积加工硬化加工硬化 第26页，此课件共106页哦滑移的实质是位错的运动滑移的实质是位错的运动 大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上的位大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切应力的错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错从滑移面作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。第27页，此课件共106页哦滑移的实质是位错的运动滑移的实质是位错的运动 对应于位错运动，在滑移的对应于位错运动，在滑移的过程中，只需要位错中心上面的过程中，只需要位错中心上面的两列原子（实际为两个半原子面两列原子（实际为两个半原子面）向右作微量的位移，位错中心向右作微量的位移，位错中心下面的一列原子向左作微量的下面的一列原子向左作微量的位移，位错中心便会发生一个位移，位错中心便会发生一个原子间距的右移。由此可见，原子间距的右移。由此可见，通通过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原子过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极少量相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的临界切应力便的原子作微量的位移即可，所以它所需要的临界切应力便远远小于整体刚性滑移。远远小于整体刚性滑移。第28页，此课件共106页哦滑移的实质是位错的运动滑移的实质是位错的运动 位错的滑移面就是晶体的滑移面，柏氏矢量的方向位错的滑移面就是晶体的滑移面，柏氏矢量的方向就是晶体的滑移方向。为了使位错的能量较低，在结构就是晶体的滑移方向。为了使位错的能量较低，在结构容许的条件下，尽量减小柏氏矢量，所以原子的密排方容许的条件下，尽量减小柏氏矢量，所以原子的密排方向就成为了位错的柏氏矢量的方向。向就成为了位错的柏氏矢量的方向。第29页，此课件共106页哦位错的增殖位错的增殖 塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移台阶，但位错的数量移台阶，但位错的数量(位错密度位错密度)却在不断的增却在不断的增加，这是因为在外应力作用下发生塑性变形时位加，这是因为在外应力作用下发生塑性变形时位错会发生增殖。错会发生增殖。例如例如第30页，此课件共106页哦位错的增殖位错的增殖 利用利用Fnak-ReadFnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上有一段源说明增殖的过程。若滑移面上有一段位错，位错，CDCD两点钉住不可滑移，在外力作用下位错应向右移两点钉住不可滑移，在外力作用下位错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号位错相消，产生动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号位错相消，产生一位错环，内部一位错环，内部CDCD段还存在。反复可生成一系列的位错环，段还存在。反复可生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶可为柏氏矢量的整数倍。扩展到晶体外的产生滑移台阶可为柏氏矢量的整数倍。第31页，此课件共106页哦位错的交割位错的交割 不在同一个滑移面上不在同一个滑移面上的两位错运动的过程中可的两位错运动的过程中可发生交割。图示例子表示发生交割。图示例子表示如果位错如果位错ABAB向下运动扫过向下运动扫过位错位错CDCD，由于扫过区间的，由于扫过区间的晶体两边发生了柏氏矢量晶体两边发生了柏氏矢量大小的滑移，在位错大小的滑移，在位错CDCD上上产生了产生了EFEF转折，转折，EFEF长度为长度为ABAB的柏氏矢量，的柏氏矢量，EFEF位错的位错的柏氏矢量不发生变化，位错柏氏矢量不发生变化，位错的性质和原来可能不一样。的性质和原来可能不一样。第32页，此课件共106页哦位错的交割位错的交割 若若 ABAB为为一个源一个源发发出的出的一批一批位错，位错，EFEF则为则为多多倍倍长。长。如果如果CDCD为如图的刃为如图的刃位位错错，ABAB上也留下一转折。转折上也留下一转折。转折的性质的性质不一不一样样，有的在位，有的在位错错的的线张线张力作用下可消失，力作用下可消失，或以相同滑移方向一起滑移或以相同滑移方向一起滑移的称为扭折；的称为扭折；有的不有的不仅仅不能不能消失，而且滑移面也不同而消失，而且滑移面也不同而不能一起运不能一起运动动，这这种称种称为为割割阶阶。割。割阶阶成成为为位位错错运运动动的的阻碍。阻碍。第33页，此课件共106页哦位错的塞积位错的塞积 位错运动时，在其前位错运动时，在其前沿如果有障碍沿如果有障碍(如晶界、不如晶界、不可变形的硬质点可变形的硬质点)，就，就停留不能前进，若同一位错停留不能前进，若同一位错源不断产生一系列位错源源源不断产生一系列位错源源而来，在此将产生塞积。而来，在此将产生塞积。位位错错的塞的塞积积在在该处产该处产生大的生大的应应力，可能力，可能带带来的后果有：来的后果有：螺位螺位错错可改可改变变滑移面而滑移面而发发生交滑移；生交滑移；晶界晶界处处的的应应力可能力可能迫使相迫使相邻邻晶粒中的位晶粒中的位错错运运动动来松弛来松弛应应力；力；无无发发松弛就有可松弛就有可能在此能在此处处造成裂造成裂纹纹。第34页，此课件共106页哦加工硬化加工硬化 材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降的现象称为加工硬化。这种加工硬化的作用在拉明显下降的现象称为加工硬化。这种加工硬化的作用在拉伸时的应力伸时的应力-应变曲线中可看出，材料屈服后要继续变形只应变曲线中可看出，材料屈服后要继续变形只有不断增加外力。有不断增加外力。原因原因：塑性变形是通过位错的运动来实现的，位错运动一旦受阻，塑：塑性变形是通过位错的运动来实现的，位错运动一旦受阻，塑性变形就难以进行，要继续进行变形只有增加外力。性变形就难以进行，要继续进行变形只有增加外力。分析分析：变形过程中，位错沿滑移面运动，各种位错会频繁相遇，：变形过程中，位错沿滑移面运动，各种位错会频繁相遇，发生一系列复杂的交割作用，出现位错的缠结等等现象，使位错发生一系列复杂的交割作用，出现位错的缠结等等现象，使位错的运动受阻，位错源不断发出的位错不能顺利地移出晶体，发生的运动受阻，位错源不断发出的位错不能顺利地移出晶体，发生位错地塞积，造成位错密度的逐渐增大。变形量越大，位错密度位错地塞积，造成位错密度的逐渐增大。变形量越大，位错密度就越大，变形的抗力也越就大。随着位错密度的升高，位错之间就越大，变形的抗力也越就大。随着位错密度的升高，位错之间的平均距离减小，它们之间的相互干扰和交互作用进一步增强，的平均距离减小，它们之间的相互干扰和交互作用进一步增强，因而强度和硬度也就越来越大。因而强度和硬度也就越来越大。返回第35页，此课件共106页哦第四节第四节 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 晶界和晶粒位向的影响晶界和晶粒位向的影响变形的传递变形的传递 变形的协调变形的协调 多晶体的塑性变形过程多晶体的塑性变形过程 塑性变形过程的不均匀性塑性变形过程的不均匀性晶粒的位向同时也在发生转动晶粒的位向同时也在发生转动 晶粒大小对材料强度与塑性的影响晶粒大小对材料强度与塑性的影响强度强度 塑性塑性 第36页，此课件共106页哦变形的传递变形的传递当一个晶粒在某一滑移系发生滑移当一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作，即位错发生运动，位错遇到晶界时，动作，即位错发生运动，位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位向不同，不能直接从一由于各个晶粒的位向不同，不能直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来；加个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来；加之晶界处的杂质原子也往往较多，增大其之晶界处的杂质原子也往往较多，增大其晶格畸变，在滑移时位错运动的阻力较大，晶格畸变，在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形，可见晶界的存在可以提高难以发生变形，可见晶界的存在可以提高材料的强度。材料的强度。位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应力集位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应力集中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的晶粒也能开中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的晶粒也能开始变形，相邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以始变形，相邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以松弛，原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是滑移的传松弛，原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是滑移的传播过程。播过程。第37页，此课件共106页哦变形的协调变形的协调多晶体的变形中要保持晶界处多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界处的原子既不能的连续性，即晶界处的原子既不能堆积也不能出现空隙或裂缝，晶界堆积也不能出现空隙或裂缝，晶界两边的变形需要达到互相协调。两边的变形需要达到互相协调。晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作将晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作将不能保证这种协调，为了适应变形协调，不仅要求邻近晶粒的不能保证这种协调，为了适应变形协调，不仅要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，就是已变形的晶粒自身，除晶界附近区域有几个滑移系动作，就是已变形的晶粒自身，除了变形的主滑移系统外，在晶界附近也要有几个滑移系统同时了变形的主滑移系统外，在晶界附近也要有几个滑移系统同时动作。动作。第38页，此课件共106页哦变形的协调变形的协调为了满足变形协调，理论为了满足变形协调，理论计算本应有计算本应有6 6个独立的滑移系，以个独立的滑移系，以保证保证6 6个独立的应变分量使晶粒的个独立的应变分量使晶粒的形状自由变化，在体积不变的情形状自由变化，在体积不变的情况下，况下，有有实际只有实际只有5 5个变量是独立的。个变量是独立的。对面心和体心立方金属，是容易满足这个变形协调条对面心和体心立方金属，是容易满足这个变形协调条件的，但对密排六方金属，由于滑移系一般只有三个，为件的，但对密排六方金属，由于滑移系一般只有三个，为了实现变形协调，有两种方式：一种是在晶界附近区域，了实现变形协调，有两种方式：一种是在晶界附近区域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱锥面等较难滑移的晶除了有基面滑移外，可能有柱面或棱锥面等较难滑移的晶面作为滑移面；另一种则是产生孪晶变形，孪晶和滑移结面作为滑移面；另一种则是产生孪晶变形，孪晶和滑移结合起来，连续地进行变形。合起来，连续地进行变形。至少应有至少应有5 5个独个独立的滑移系才能立的滑移系才能协调多晶体的塑协调多晶体的塑性变形。性变形。第39页，此课件共106页哦塑性变形过程的不均匀性塑性变形过程的不均匀性在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力作用下，每滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力便不同。凡个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力便不同。凡滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成4545度，即度，即施密特因子施密特因子较大较大(接近接近1/2)1/2)，必将，必将首先发生滑移变形首先发生滑移变形，通常称这种位，通常称这种位向的晶粒为处于向的晶粒为处于“软位向软位向”；而滑移面或滑移方向处于或；而滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小(接近接近0)0)的的晶粒则处于晶粒则处于“硬位向硬位向”，它们所受的分切应力将较小，较难发，它们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。由此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所取的位向不生滑移。由此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。的塑性变形过程。第40页，此课件共106页哦晶粒的位向的影响作用晶粒的位向的影响作用分批滑移分批滑移：多晶体材料在外力作用下，当首批处于软位向的晶：多晶体材料在外力作用下，当首批处于软位向的晶粒发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒尚粒发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒尚不能发生滑移而只能以弹性变形相适应，便会在首批晶粒的晶不能发生滑移而只能以弹性变形相适应，便会在首批晶粒的晶界附近造成位错堆积，随着外力增大至应力集中达到一定程度，界附近造成位错堆积，随着外力增大至应力集中达到一定程度，形变才会越过晶界，传递到另一批晶粒中。形变才会越过晶界，传递到另一批晶粒中。晶粒的转动晶粒的转动：随着滑移的发生，伴随晶粒的转动会使其位：随着滑移的发生，伴随晶粒的转动会使其位向同时也在变化，有的位向在硬化，有的位向在软化，向同时也在变化，有的位向在硬化，有的位向在软化，软位向的晶粒开始滑移变形。所以，多晶体的塑性变形软位向的晶粒开始滑移变形。所以，多晶体的塑性变形是一批批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到是一批批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形，大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形，变形过程要比单晶体中复杂得多。变形过程要比单晶体中复杂得多。第41页，此课件共106页哦晶粒大小对材料强度的影响晶粒大小对材料强度的影响材料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有材料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有关，而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈细，关，而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈细，材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面积愈大，材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面积愈大，晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形的抗力也便晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形的抗力也便愈大。愈大。对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒大小有以下关系：大小有以下关系：式中的式中的d d为晶粒的平均直径，为晶粒的平均直径，k k为比例常数。这是个经验公为比例常数。这是个经验公式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔-佩奇佩奇(Hall-Petch)(Hall-Petch)关系。关系。第42页，此课件共106页哦晶粒大小对材料塑性的影响晶粒大小对材料塑性的影响 效果效果：塑性材料的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑性与韧：塑性材料的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑性与韧性也较高。性也较高。原因原因：因为晶粒愈细，单位体积中晶粒数量便愈多，变形：因为晶粒愈细，单位体积中晶粒数量便愈多，变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，晶粒转动时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，不致造的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，不致造成局部的应力集中，而引起裂纹的过早产生和发展。因而成局部的应力集中，而引起裂纹的过早产生和发展。因而断裂前便可发生较大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷断裂前便可发生较大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷抗力。抗力。意义意义：所以在工业上通过各种方法：所以在工业上通过各种方法(凝固、压力加工、凝固、压力加工、热处理热处理)使材料获得细而均匀的晶粒，使目前提高材料力使材料获得细而均匀的晶粒，使目前提高材料力学性能的有效途径之一。学性能的有效途径之一。第43页，此课件共106页哦第五节第五节 其他塑性变形方式其他塑性变形方式 孪生孪生 蠕变蠕变 粘滞性流动粘滞性流动第44页，此课件共106页哦在切应力作用下的变形在切应力作用下的变形第45页，此课件共106页哦孪生变形孪生变形孪晶孪晶：晶体的一部分相对于一定的晶面：晶体的一部分相对于一定的晶面(孪生面孪生面)，沿着一，沿着一定的方向定的方向(孪生方向孪生方向)发生切变，形成对称的晶格排列，发生发生切变，形成对称的晶格排列，发生切变部分叫做孪生带，或简称为孪晶。切变部分和未切变部切变部分叫做孪生带，或简称为孪晶。切变部分和未切变部分呈镜面对称，对称面为孪生面。分呈镜面对称，对称面为孪生面。孪生孪生：在外力作用下，以切变生成孪晶而发生塑性变形：在外力作用下，以切变生成孪晶而发生塑性变形方式称为方式称为“孪生孪生”。产生条件产生条件：孪生仅在滑移困难时才会发生。一般孪生出现：孪生仅在滑移困难时才会发生。一般孪生出现在滑移系很少的晶体结构的材料中在滑移系很少的晶体结构的材料中(如密排六方晶格金属如密排六方晶格金属)；此外在某些容易发生滑移的晶格材料仅在较低温度或受此外在某些容易发生滑移的晶格材料仅在较低温度或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用时才可能产生冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用时才可能产生孪生。孪生。第46页，此课件共106页哦孪生变形孪生变形面心立方孪生变形发生时原子的迁移与晶格对称图面心立方孪生变形发生时原子的迁移与晶格对称图第47页，此课件共106页哦孪生变形特点孪生变形特点 1.在孪晶带中，每层原子面对于相邻原子面的移动量都相同，在孪晶带中，每层原子面对于相邻原子面的移动量都相同，其移动量不是原子间距的整倍数其移动量不是原子间距的整倍数(一般为原子间距的分数一般为原子间距的分数)，但它们在孪生后各自移动的距离和离孪生面的距离，但它们在孪生后各自移动的距离和离孪生面的距离成正比。成正比。2.孪生带的晶格位向发生了变化，抗腐蚀性和光学反射孪生带的晶格位向发生了变化，抗腐蚀性和光学反射性也也将有差异，抛光腐蚀后在显微镜下可见到孪晶性也也将有差异，抛光腐蚀后在显微镜下可见到孪晶组织。组织。3.孪生变形在晶体表面可形成浮凸。孪生变形在晶体表面可形成浮凸。4.孪生是在切应力作用下产生的，但产生孪生所需要的切应孪生是在切应力作用下产生的，但产生孪生所需要的切应力比滑移要大得多。力比滑移要大得多。第48页，此课件共106页哦孪生变形特点孪生变形特点 5.孪生变形得速度很快，接近于声速。孪生变形得速度很快，接近于声速。6.孪生变形会在周围得晶格中引起很大得畸变，因此所产生孪生变形会在周围得晶格中引起很大得畸变，因此所产生的塑性变形总量不大，一般不超过的塑性变形总量不大，一般不超过10%。7.孪生对变形的作用另一方面还表现在生成的孪生改变了晶体孪生对变形的作用另一方面还表现在生成的孪生改变了晶体的位向而帮助滑移。的位向而帮助滑移。在外力作用下以孪生方式生成的孪