上海交大材基第五章塑性变形与回复再结晶复习提纲.docx
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上海交大材基第五章塑性变形与回复再结晶复习提纲
第5章材料的形变和再结晶
提纲
5.1弹性和粘弹性
5.2晶体的塑性变形(重点)
5.3回复和再结晶(重点)
5.4高聚物的塑性变形
学习要求
掌握材料的变形机制及特征,以及变形对材料组织结构、性能的影响;冷、热加工变形材料的回复和结晶过程。
1.材料的弹性变形本质、弹性的不完整性及黏弹性;
2.单晶体塑性变形方式、特点及机制(滑移、孪生、扭折)
3.多晶体、合金塑性变形的特点及其影响因素
4.塑性变形对材料组织与性能的影响;
5.材料塑性变形的回复、再结晶和晶粒长大过程;
6.影响回复、再结晶和晶粒长大的诸多因素(包括变形程度、第二相粒子、工艺参数等)
7、结晶动力学的形式理论(J-M-A方程)
8、热加工变形下动态回复、再结晶的微观组织特点、对性能影响。
9、陶瓷、高聚物材料的变形特点
重点内容
1. 弹性变形的特征,虎克定律(公式),弹性模量和切变弹性模量;
材料在外力作用下发生变形。
当外力较小时,产生弹性变形。
弹性变形是可逆变形,卸载时,变形消失并恢复原状。
在弹性变形范围内,其应力与应变之间保持线性函数关系,即服从虎克(Hooke)定律:
式中E为正弹性模量,G为切变模量。
它们之间存在如下关系:
弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量,故是组织结构不敏感参数。
在工程上,弹性模量则是材料刚度的度量。
2. 弹性的不完整性和粘弹性;
理想的弹性体是不存在的,多数工程材料弹性变形时,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完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。
3. 滑移系,施密特法则(公式),滑移的临界分切应力;
晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成。
fcc和bcc,bcc的滑移系?
滑移系多少与塑性之间的关系。
滑移的临界分切应力:
如何判断晶体中各个滑移系能不能开动?
解释几何软化和几何硬化?
为何多晶体塑性变形时要求至少有5个独立的滑移系进行滑移?
4. 滑移的位错机制,派-纳力(公式);
为什么晶体中滑移系为原子密度最大的面和方向?
5. 比较塑性变形两种基本形式:
滑移与孪生的异同特点;
6. 多晶体塑性变形的特点:
晶粒取向的影响,晶界的影响;
会判断多个晶体中哪些晶体会优先发生塑性变形?
7. 细晶强化与Hall-Petch公式,高温晶界弱化的原因;
晶粒细化为何能同时提高材料的强韧性?
位错塞积群效应(应力集中区的应力数值等于外加切应力n倍)
可启动临近晶粒滑移,故
高温合金为何要采用定向凝固技术获得单晶?
晶界滑动机制和扩散性蠕变
8.固溶强化,屈服现象(吕德斯带),上下屈服点的柯垂耳理论和一般位错增殖理论,应变时效;
金属有四大著名的强化机制,请给出这几种机制的名称,物理实质,定量描述其强化效果的数学公式。
请简洁回答要点。
9. 弥散强化,不可变形粒子的绕过机制(公式),可变形粒子的强化机理;
10. 冷变形后的显微组织和亚结构, 加工硬化概念(公式);
11.单晶体与多晶体力学性能(应力应变曲线)比较
12.形变织构与残余应力;
常见丝织构和板织构,残余应力分类
13. 回复动力学,激活能求法(公式)与回复机制(低温,中温,高温);
14. 再结晶形核机制(弓出机制公式), 再结晶动力学,J-M方程和Avrami方程(公式);
15. 再结晶激活能(公式),求不同温度下再结晶相同分数的时间(公式);
16. 再结晶温度及其影响因素,影响再结晶晶粒大小的因素;
变形程度
原始晶粒尺寸
第二相的影响
再结晶退火工艺参数(加热温度
、温升快慢、保温时间等)
控制晶粒大小?
17. 晶粒长大动力学(公式),晶界移动速率(公式)和晶界迁移激活能求法(公式);
驱动力:
18.晶粒的正常长大及其影响因素;尤其是分散相粒子作用(公式)
始晶粒大小
温度
可溶解的杂质或合金元素
不溶解的第二相
晶粒间的位向差
热蚀沟
19. 二次再结晶,再结晶后的组织(晶粒大小,织构,孪晶);
20.一次与二次再结晶以及静态再结晶的区别;
21.冷、热加工的区别,回复再结晶分类;
22.动态回复,动态再结晶;
23. 热加工后的性能和组织;
24.蠕变的概念,典型曲线以及机制;
25.超塑性概念,本质;
26.陶瓷材料的变形特点;
陶瓷晶体,由于其结合键(离子键、共价键)的本性,再加上陶瓷晶体中的滑移系少,位错的b大,故其塑性变形相对金属材料要困难得多,只有以离子键为主的单晶陶瓷才能进行较大的塑性变形。
27. 高聚物变形的特点。
对于高分子材料,其塑性变形是靠粘性流动而不是靠滑移产生的,故与材料粘度密切相关,而且受温度影响很大。
重要概念和公式(这里不是最全面)
弹性变形,弹性模量,包申格效应,弹性后效,弹性滞后,粘弹性;
塑性变形,滑移,滑移系,滑移带,滑移线,交滑移,双交滑移;
临界分切应力,施密特因子,软取向,硬取向,派-纳力;
孪生,孪晶面,孪生方向,孪晶,扭折;
固溶强化,屈服现象,应变时效,加工硬化,弥散强化;
形变织构,丝织构,板织构,残余应力,点阵畸变,带状组织,流线;
回复,再结晶,晶粒长大,二次再结晶,冷加工,热加工,动态再结晶;
储存能,多边化,回复激活能,再结晶激活能,再结晶温度;
弓出形核,临界变形量,再结晶织构,退火孪晶;
虎克定律:
,
滑移的临界分切应力:
Peierls-Nabarro力:
Hall-Petch公式:
弥散强化关系式:
聚合型合金强化关系式:
加工硬化关系式:
回复动力学:
再结晶动力学:
再结晶的极限平均晶粒直径:
再结晶晶粒大小与温度之间的关系:
材料在外力作用下发生变形。
当外力较小时,产生弹性变形。
弹性变形是可逆变形,卸载时,变形消失并恢复原状。
在弹性变形范围内,其应力与应变之间保持线性函数关系,即服从虎克(Hooke)定律:
式中E为正弹性模量,G为切变模量。
它们之间存在如下关系:
弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量,故是组织结构不敏感参数。
在工程上,弹性模量则是材料刚度的度量。
实际上,理想的弹性体是不存在的,多数工程材料弹性变形时,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完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。
对非晶体,甚至对某些多晶体,在较小的应力时,可能会出现粘弹性现象。
粘弹性变形是既与时间有关,又具有可恢复的弹性变形,即具有弹性和粘性变形量方面特征。
粘弹性变形是高分子材料的重要力学特性之一。
当施加的应力超过弹性极限时,材料发生塑性变形,即产生不可逆的永久变形。
通过塑性变形,不但可使材料获得预期的外形尺寸,而且可使材料内部组织和性能产生变化。
单晶体塑性变形的两个基本方式为滑移和孪生。
滑移和孪生都是切应变,而且只有当外加切应力分量大于晶体的临界分切应力τC时才能开始。
然而,滑移是不均匀切变,孪生为均匀切变。
对于多晶体而言,要求每个晶粒至少具备由5个独立的滑移系才能满足各晶粒在变形过程中相互制约和协调。
多晶体中,在室温下晶界的存在对滑移起阻碍作用,而且实践证明,多晶体的强度随其晶粒细化而提高,可用著名的Hall-Petch公式来加以描述:
至于合金为单相固溶体时,由于溶质原子存在会呈现固溶强化效果,对某些材料还会出现屈服和应变时效现象;当合金为多相组织结构时,其变形还会受到第二相的影响,呈现弥散强化效果。
而陶瓷晶体,由于其结合键(离子键、共价键)的本性,再加上陶瓷晶体中的滑移系少,位错的b大,故其塑性变形相对金属材料要困难得多,只有以离子键为主的单晶陶瓷才能进行较大的塑性变形。
对于高分子材料,其塑性变形是靠粘性流动而不是靠滑移产生的,故与材料粘度密切相关,而且受温度影响很大。
材料经塑性变形后,外力所做的功部分以储存能形式存在于材料内部,从而使系统的自由能升高,处于不稳定状态。
故此,回复再结晶是材料经过冷变形后的自发趋势,加热则加快这一过程的发生。
当加热温度较低,时间较短时,发生回复。
此时,主要表现为亚结构的变化和多边化过程,第一类内应力大部消除,电阻率有所下降,而对组织形态和力学性能影响不大。
当加热温度较高,时间较长时就发生再结晶现象。
再结晶时,新的无畸变等轴晶将取代冷变形组织,其性能基本上回复到冷变形前的状态。
再结晶完成后继续加热时,晶粒将发生长大现象。