第八章材料的形变PPT讲稿.ppt

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1、第八章材料的形变第1页，共35页，编辑于2022年，星期三8.1 材料的弹性变形（Elastic deformation of materials）2 弹性变形的特征 理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失、恢复原状；在弹性变形范围内，应力与应变之间 服从虎克定律（Hookes law）正应力下：=E切应力下：=G1 弹性变形的本质 弹性变形(elastic deformation)：外力去除后能够 完全恢复的那部分变形；弹性变形是塑性变形的先行阶段。E：弹性模量(Youngs modulus)G：切变模量(shear modulus)：泊松比(Poissons ratio)第2

2、页，共35页，编辑于2022年，星期三 弹性模量反应原子间的结合力，是组织结构的不敏感参数 弹性变形量随材料的不同而异 工程上，弹性模量是材料刚度的度量，表征材料抵抗弹性变形的能力第3页，共35页，编辑于2022年，星期三8.2 单晶体的塑性变形（Plastic deformation of single crystalline）塑性变形(plastic deformation)：当应力超过 弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形 单晶体的塑性变形主要 通过滑移方式进行，此 外尚有孪生和扭折第4页，共35页，编辑于2022年，星期三1 滑移（slip)1）滑移线与滑移带(slip lines a

3、nd slip bands)当应力超过弹性极限时，晶体中会产生层片之间的相对滑移，这些滑移的累计构成晶体的塑性变形宏观上，材料的表面可见一条条细线（滑移线）微观上，可见一系列相互平行的更细的线-滑移线；一组滑移线构成滑移带；滑移只是集中在一些晶面上第5页，共35页，编辑于2022年，星期三2）滑移系(slip systems)塑性变形时，滑移线与滑移带的排列不是任意的，材料的滑移只能沿一定的晶面或一定的晶向进行，这些晶面和晶向就称为滑移面和滑移方向 滑移面和滑移方向一般是原子排列的密排面和密排方向，因其面间距最大，点阵阻力小。每一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来构成一个滑移系 一般，材料中

4、的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取向越多，滑移容易进行，塑性好。面心立方(fcc)：11143=12个 体心立方(bcc)：11062+112121+123241=48个 密排六方(hcp)：（0001）13=3个，其塑性比面心立方和体心立方差第6页，共35页，编辑于2022年，星期三3）滑移的临界分切应力 (critical resolved shear stress of slip)coscos称为取向因子 或施密特因子（Schmid factor）设圆柱形单晶体的截面积A，轴向拉力F，滑移面法线与轴向拉力F的夹角，滑移方向与外力的夹角，则外力在滑移面沿滑移方向的分切应力：当外力作用

5、在某一滑移系中的分切应力达到 一定临界值时，滑移系开始滑移，该分切应 力称为滑移的临界分切应力 当=45时，取向因子最大，可用最小的拉力开始滑移第7页，共35页，编辑于2022年，星期三crss为滑移的临界分切应力，它是一个反映单晶体受力起始屈服的物理量第8页，共35页，编辑于2022年，星期三4）滑移时晶面的转动(rotation)滑移过程中，晶体要发生转动，从 而导致晶体的空间取向发生变化。压缩时，转到与应力轴垂直的方向Tensile 拉伸时使滑移方向逐渐转到与应力轴 平行的方向Compressive第9页，共35页，编辑于2022年，星期三5）多滑移(multiple slip)对于有多

6、组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移系中进行，随着变形时晶面的转动，另外的滑移系逐渐转到对滑移有利的取向，从而使滑移过程沿着两个或多个滑移系交替进行或同时进行，这种滑移过程称为多滑移，也称多系滑移、复滑移例：fcc中001为拉伸轴，有多个滑移系具有相同的Schmid因子，可同时或交替动作。第10页，共35页，编辑于2022年，星期三2 孪生(twinning)2）孪生的特点1）孪生(twinning)：晶体在切应力作用下沿着一定的晶面 (孪晶面,twin plane)和一定的晶向 (孪晶方向,twin direction)，在一个区 域内发生均匀的切变；这样的切变并未使晶体的结构变化，但

7、确使均匀切变区中的晶体取向发生 变化，且变形与未变性区呈镜面对称 孪生变性是在切应力下发生，临界应力大于滑移所需的应力；孪生是一种均匀切变；孪晶的两部分晶体呈镜面对称；第11页，共35页，编辑于2022年，星期三3 扭折(kink,不常见)4)孪晶(twin)的形成 变形孪晶（机械孪晶,deformation twins）生长孪晶：气相沉积、凝固等 退火孪晶(annealing twins，可归属于生长孪晶3)滑移与孪生的对比 主要发生在滑移和孪生 都不能发生的地方 变形区域称为扭折带，扭折区的晶体取向发 生不对称性的变化第12页，共35页，编辑于2022年，星期三4 单晶体的应力-应变曲线

8、典型的单晶体的应力-应变曲线1)易滑移阶段：通常只有一个滑移系进行滑移2)线性硬化阶段：第二滑移系开动，滑移线交割，滑移障碍增加3)抛物线阶段：一些障碍被越过，产生交滑移等 三种典型晶体结构的应力-应变曲线 塑性变形的三个阶段 软取向 bcc、fcc有典型的三阶段，hcp只有两个阶段 第13页，共35页，编辑于2022年，星期三8.3 晶体滑移的位错机制（Plastic deformation of single crystalline）d为晶面间距、W为位错宽度、b为柏氏矢量2 位错增殖机制(generation mechanism)1 位错运动的阻力：派派纳力（纳力（Peierls-Nab

9、arro forcePeierls-Nabarro force，P-N forceP-N force）对简单立方结构：P-N=2x10-4 G，接近实测分切应力 弗兰克弗兰克瑞德源瑞德源（Frank-Read sourceFrank-Read source,F-R,F-R源）源）第14页，共35页，编辑于2022年，星期三第15页，共35页，编辑于2022年，星期三3 位错的交割图（石）（位错的反应）第16页，共35页，编辑于2022年，星期三4 交滑移的位错机制(cross slip)5 刃型位错的攀移(climb)刃型位错的攀移即多余半原子面通过 空位扩散而扩大或缩小 正攀移图解 交滑移对

10、材料的塑性影响大，交滑移容易的 材料，塑性好。交滑移与材料的层错能有关(stacking fault)，层错能低，交滑移困难，层错能高，交滑移容易 刃型位错只有一个滑动面，不产生交滑移 交滑移是螺型位错在不改变滑移方向的情况下 转变滑移面的过程，它增加了滑移的灵活性 第17页，共35页，编辑于2022年，星期三8.4 多晶体的塑性变形（Plastic deformation of polycrystalline）1 多晶体塑性变形的特点1)多晶体结构的特点：存在晶界、相邻晶粒之间取向不同2)塑性变形的特点：(1)各相邻晶粒的变形相互协调和配合 每个晶粒不只是在取向最有利的单滑移系上滑移，而必须

11、在几个滑移系上滑移，其中有些滑移系不 一定取向最有利 多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立 的滑移系上滑移，多晶体的塑性变形是通过各晶 粒的多系滑移来保证相互间的协调。体心立方和面心立方有较多的滑移系，多晶体有较好的塑性，密排六方滑移系少，晶粒间协调性差，塑性变形能力低 第18页，共35页，编辑于2022年，星期三(2)晶界对形变过程的阻碍作用0：为一常数，大体等于单晶体的屈服强度，2)塑性变形的特点(cont)：位错不能越过晶界进入相邻的晶 粒，在晶界处塞积 晶界的作用与晶界的数量相关，而这直接取决于晶粒的大小K：表征晶界对强度影响的程度 霍尔佩奇公式 （Hall-Petch equ

12、ation）多晶体的屈服强度与晶粒平均 直径的关系：第19页，共35页，编辑于2022年，星期三2 多晶体的应力-应变曲线抛物线线性硬化抛物线 第一阶段，变形有少数晶粒逐渐扩展到全部晶粒 第二阶段与第三阶段与单晶体类似第20页，共35页，编辑于2022年，星期三8.5 合金的塑性变形（Plastic deformation of alloys）1)合金塑性变形的基本过程仍然是滑移和孪生 2)合金的组织结构的复杂性决定了其塑性变形 的特点(1)合金为单相合金时，固溶体，Cu-Ni(2)合金为复相合金时 聚合型合金：第二相的尺寸与基体相相近，Pb-Sn1 基本特点 分散分布型 (dispersio

13、n distribution)：第二相非常细小且分散分布，Fe-Fe3C、Sn-Ag3Sn 第21页，共35页，编辑于2022年，星期三2 固溶体的塑性变形(plastic deformation of solid solution)1)固溶强化(solid-solution strengthening)：溶质原子的加入引起点阵畸变，增加了位错运动的阻力，增大了晶体滑移阻力 2)宏观表现固溶体的屈服强度高于纯溶剂的 3)影响固溶强化效果的因素 溶质浓度：溶质浓度增加，效果大 固溶体类型：间隙型大于置换型 溶质溶剂原子尺寸差（置换型）：尺寸差越大，效果好 溶质溶剂原子价电子数差（置换型）：差别越

14、大，效果好 第22页，共35页，编辑于2022年，星期三3 复相合金的塑性变形1）聚合型合金（1）两相都为塑性相，Pb-Sn等应变理论：a=f11+f22等应力理论：a=f11+f22（2）两相中一个为塑性相，另一个为脆性相 合金变形的阻力不仅取决于两相的体积分数，而且还与形状、大小和分布有关 合金变形的阻力取决于两相的 体积分数，可用机械混合法则第23页，共35页，编辑于2022年，星期三2）分散分布型(dispersion distribution)位错切过粒子，粒子产生新的表面积，使总的表面积升高；产生新的割阶，产生应力场等，给位错的运动带来困难；弥散细小分布的第二相分布在基体相中时，会

15、产生显著的强化作用（1）第二相粒子为可变形颗粒时 位错将切过粒子使之随同基体一起变形*强化机理主要有：第24页，共35页，编辑于2022年，星期三（2）第二相不能变形 可变形颗粒增大，与基体非共格位错绕过机制（奥罗万机制，Orowan mechanism）=Gb/LL：粒子间距；G：切变模量；b：柏氏矢量 第二相越小，越均匀，硬度越高，强化效果越好，且不影响塑性条件：第二相硬、脆，2）分散分布型(cont)*强化机理：第25页，共35页，编辑于2022年，星期三4 铁、碳合金的举例 1)固溶强化 平衡固溶，C0.0218%，效果不大马氏体，过饱和固溶体，效果显著（马氏体强化，位错强化）2)第二

16、相强化 片状渗碳体 索氏体 屈氏体弥散渗碳体 回火索氏体 回火屈氏体 3)细晶强化 亚微米钢亚结构 第26页，共35页，编辑于2022年，星期三5 低碳钢的屈服和应变时效 (yielding and strain aging)1)低碳钢的屈服现象和吕德斯带 屈服现象(yielding)：上下屈服点及屈服平台 吕德斯带（Lders band）：应力超过屈服极限时，在试样 表面产生一个与拉伸轴成45度 的变形带。它与滑移带不同，是许多晶粒协调变形的结果。屈服现象的原因：(1)柯氏气团（Cottrell atmosphere）：位错钉扎(anchoring of dislocation)(2)位错增

17、殖：刚开始位错少，位错增殖快，到一定程度后流变应力降低第27页，共35页，编辑于2022年，星期三2)应变时效(strain aging)退火状态的试样拉伸超过屈服点卸载马上再加载，不发生屈服现象放置一段时间后再加载，屈服现象重新出现 机理：柯氏气团解释(Cottrell atmosphere)第28页，共35页，编辑于2022年，星期三8.6 塑性变形对材料组织与性能的影响1 显微组织的变化 晶粒沿形变方向被拉长 纤维状 夹杂物和第二相：塑性好的被拉长，塑性差的破裂第29页，共35页，编辑于2022年，星期三 亚结构(sub-structure)：晶粒内部位错密度(dislocation d

18、ensity)增加，位错缠结(dislocation tangle)，位错胞状亚结构 形变亚晶 (deformation substructure)第30页，共35页，编辑于2022年，星期三2 形变织构(deformation texture)2)成因：塑性变形中，随着变形程度的增加，各晶粒滑移方向向主变形方向转动，使多 晶体的各晶粒最终在空间位向上呈现一定 程度的一致现象，这种现象称为择优取向 (preferred orientation)，这种组织状态 称为形变织构(deformation texture)丝织构(fiber texture)：某一晶向大致与拔丝方向一致；板织构(shee

19、t texture)：某一晶面与轧制面平行，某一晶向与 轧制时的主变形方向一致。形变织构造成多晶体呈现各向异性，可以利用于磁性材料中，降低磁损，但也造成冷变形件的制耳(ears)。1)形变织构：是多晶体材料（金属）由于 形变而形成的各晶粒具有择优取向的组织 第31页，共35页，编辑于2022年，星期三2 性能的变化 加工硬化(work hardening,strain hardening)：（金属）材料冷加工变形后，强度（硬度）显著提高，塑性 下降的现象。是一种重要的金属强化方式。也称冷作硬化(cold working)电阻率升高，抗腐蚀性下降，等等 第32页，共35页，编辑于2022年，星期

20、三4 残余应力(residual stress)1)宏观残余应力（第一类内应力）：材料（或零件）各个部分的宏观形变不均匀现象，约占总储存能的0.1%2)微观残余应力（第二类内应力）：晶粒或亚晶粒之间变形不均匀所导致，其作用范围与晶粒尺寸相当 3)点阵畸变（lattice distortion,第三类内应力）：是由于塑性变形中形成的大量晶体缺陷所导致，作用范围为几十至几百纳米，影响：塑性变形中，以畸变能的形式储存在形变材料内部的 那部分外力所作的功 导致工件的变形、开裂；引起应力腐蚀；表面压应力可提高抗疲劳强度 第33页，共35页，编辑于2022年，星期三第34页，共35页，编辑于2022年，星期三第35页，共35页，编辑于2022年，星期三