材料科学基础-第五章.ppt

1、第五第五(1)(1)章章 材料的塑性变形材料的塑性变形 The plastic deformation of materials材料不同，其弹、塑性性能差异很大材料不同，其弹、塑性性能差异很大塑性变形，对锻、轧、拉、挤有重要作用，塑性变形，对锻、轧、拉、挤有重要作用，对铸造、热处理则对铸造、热处理则 要尽量避免要尽量避免 弹性变形（弹性变形（elastic deformation）塑性变形（塑性变形（plastic deformation）外力外力 材料材料外形尺寸变化外形尺寸变化内部组织、性能变化内部组织、性能变化 塑性变形塑性变形 1.1.弹性和粘弹性弹性和粘弹性(Elasticity a

2、nd(Elasticity and ViscoelasticityViscoelasticity)一一.弹性变形弹性变形(Elastic Deformation)二二.低碳钢的拉伸试验低碳钢的拉伸试验三三.弹性变形弹性变形:可逆性可逆性四四.外力去处后可完全恢复外力去处后可完全恢复五五.r=r0 原子处于平衡位置原子处于平衡位置 位能位能 U 为为 Umin 最稳定最稳定 F=0 r r0 即偏离其平衡位置即偏离其平衡位置 F引力引力 斥力斥力 力图使原子恢复其力图使原子恢复其 原来的平衡位置原来的平衡位置 变形消失变形消失本质本质:可从原子间结合力的可从原子间结合力的角度来了解之角度来了解之

3、应力应力-应变关系应变关系(Stress-Strain behavior)虎克定律虎克定律(Hookes law)s s=Ee e t t=Gg g 广义虎克定律广义虎克定律 矩阵表达式矩阵表达式二二 弹性模量弹性模量 E(Elastic modulus)表征晶体中原子间结合力强弱的物理量表征晶体中原子间结合力强弱的物理量,反映原子间的结反映原子间的结合力合力,是组织结构不敏感参数。对晶体而言，系各向异性是组织结构不敏感参数。对晶体而言，系各向异性 沿原子最密排的晶向沿原子最密排的晶向 Emax 沿原子最疏的晶向沿原子最疏的晶向 Emin 工程上工程上E系材料刚度的度量系材料刚度的度量 弹性变

4、形量随材料不同而异弹性变形量随材料不同而异 E-modulus of elasticity(Youngs modulus)G-shear modulus u-poissons ratioG=E/2(1+u)2.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形Plastic Deformation of Single Crystal 塑性变形塑性变形滑移滑移 Slip孪生孪生 Twinning晶界滑动晶界滑动 Grain boundary Sliding扩散性蠕变扩散性蠕变 Diffusional Creep一一 滑移（滑移（Slip）l1.现象现象单晶体的拉伸试验单晶体的拉伸试验塑性变形的不均匀性塑性变形的不

5、均匀性滑移带（滑移带（Slip band)滑移线滑移线（Slip line）沿一定的晶面、一定晶向进行沿一定的晶面、一定晶向进行滑移面滑移面Slip plane滑移方向滑移方向Slip directionl2.滑移的晶体学特征滑移的晶体学特征 滑移面和滑移方向滑移面和滑移方向 晶体中原子密度最大的面和方向晶体中原子密度最大的面和方向 Slip plane&Slip direction 为什么为什么?fcc：滑移面：滑移面111 滑移方向滑移方向 hcp:0001 c/a1.633 0001,1010,1011 c/a1.633 bcc:Tm/4 112 Tm/4 Tm/2 110 0.8Tm

6、123滑移系滑移系 晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成滑移的空间取向滑移的空间取向（Slip system）晶体结构不同，滑移系的数目不同晶体结构不同，滑移系的数目不同（Number of slip systems）fcc：111 有四组，而每个有四组，而每个(111)面上共有三个面上共有三个 110，故共有故共有 4312 个滑移系个滑移系 hcp：1个个(0001)面面 3个个方向方向133个滑移系个滑移系 bcc：110面共有面共有6组，每个组，每个110上有上有2个个方向方向 12组组 112 1个个 24组组 123 1个个 故共有故共有

7、6212124148个滑移系个滑移系 一般滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈一般滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈多，这种材料的塑性就愈好。多，这种材料的塑性就愈好。3.3.滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力 CriticalCritical（resolvedresolved）shear stressshear stress滑移滑移圆柱形试样单向拉伸时作用在滑移面上沿滑移方向的圆柱形试样单向拉伸时作用在滑移面上沿滑移方向的其中其中为作用在试样横断面上的拉伸应力为作用在试样横断面上的拉伸应力为取向因子（为取向因子（Schmid

8、）晶体滑移晶体滑移 必须使必须使t t t tc（临界分切应力）（临界分切应力）t tc 取决晶体中原子间的结合力，即与晶体类型、纯度（杂取决晶体中原子间的结合力，即与晶体类型、纯度（杂 质）、温度以及变形速度有关，与外力无关。质）、温度以及变形速度有关，与外力无关。一切影响位错滑移难易程度的因素均影响一切影响位错滑移难易程度的因素均影响 t tc屈服强度屈服强度当当 90或或 90 时，时，s 晶体不能产生滑移晶体不能产生滑移只有当只有当 45 时，时，smin 首先发生滑移首先发生滑移 2t tc快速确定具有最大取向因子coscos的滑移系方法映象规则：映象规则：利用投影图中心部分的八个取

9、向三角形利用投影图中心部分的八个取向三角形4.4.晶体在滑移时的转动晶体在滑移时的转动晶体在滑移时的转动晶体在滑移时的转动 （rotationrotation）滑移面上发生相对位移滑移面上发生相对位移晶体转动晶体转动空间取向发生变化空间取向发生变化晶体滑移晶体滑移在拉伸时使滑移面和滑移方在拉伸时使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行向逐渐转到与应力轴平行在压缩时使滑移面和滑移方向在压缩时使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴垂直逐渐转到与应力轴垂直转动的原因转动的原因两对力偶：两对力偶：为上下两滑移面的法向分应力为上下两滑移面的法向分应力在该力偶作用下，使滑移面转至轴在该力偶作用下，使滑移面转至轴

10、向平行向平行垂直于滑移方向的分切应力垂直于滑移方向的分切应力在该力偶作用下，使滑移方向转到最大在该力偶作用下，使滑移方向转到最大分切应力方向分切应力方向是是/滑移方向的真正引起滑滑移方向的真正引起滑移的有效分切应力移的有效分切应力晶体滑移晶体滑移晶体转动晶体转动位向变化位向变化取向因子变化取向因子变化 分切应力值变化分切应力值变化几何几何硬硬软软化现象化现象5.多系滑移多系滑移 Multiple slip 外力下，滑移首先发生在分切应力最大，且外力下，滑移首先发生在分切应力最大，且t t tc的滑的滑移系原始滑移系（移系原始滑移系（primary slip system）上。但由于伴）上。但由

11、于伴随晶体转动随晶体转动空间位向变化空间位向变化另一组原取向不利（硬取向）另一组原取向不利（硬取向）滑移系逐渐转向比较有利的取向（软取向），从而开始滑滑移系逐渐转向比较有利的取向（软取向），从而开始滑移，形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称移，形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为多系滑移。为多系滑移。综上所述，滑移变形的基本特点：综上所述，滑移变形的基本特点：)滑移变形系不均匀的切变，它只集中在某些晶面上；滑移变形系不均匀的切变，它只集中在某些晶面上；)滑移结果两部分晶体产生相对移动，移动的距离滑移结果两部分晶体产生相对移动，移动的距离nb，仍保持晶体学的一致性；仍保持晶

12、体学的一致性；)沿着一定的晶面和晶向进行，滑移系较多的材料为沿着一定的晶面和晶向进行，滑移系较多的材料为（fcc）一般具有较好塑性；一般具有较好塑性；)在切应力作用下，且在切应力作用下，且t t t tc；）滑移同时，滑移面和滑移方向将发生转动；）滑移同时，滑移面和滑移方向将发生转动；）实质位错沿滑移面的运动过程）实质位错沿滑移面的运动过程二二 孪生孪生（Twin）滑移系较少的滑移系较少的hcp，或在低温下或者当滑移受阻时晶体会，或在低温下或者当滑移受阻时晶体会 以另一种变形方式以另一种变形方式孪生变形进行孪生变形进行 Deformation by twinning 1.孪生变形过程孪生变形过

13、程 孪生是在切应力作用下沿特定的晶面（孪生是在切应力作用下沿特定的晶面（twin plane）与晶向（与晶向（twin direction）产生的均匀切变。发生孪生的）产生的均匀切变。发生孪生的区域称为孪晶带（区域称为孪晶带（twin band）。）。l不同晶体结构往往有不同孪生面和孪生方向：不同晶体结构往往有不同孪生面和孪生方向：l fcc：111 hcp:1012l bcc:1122.孪晶的形成孪晶的形成变形（机械）孪晶：变形产生变形（机械）孪晶：变形产生 呈透镜状或片状呈透镜状或片状生生 长长 孪孪 晶晶 ：晶体生长过程中形成：晶体生长过程中形成退退 火火 孪孪 晶晶 ：退火过程中形成：

14、退火过程中形成形核形核长大长大两个阶段两个阶段变形孪晶的生长大致可分为变形孪晶的生长大致可分为 孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进行的条件下才会发生。例如，行的条件下才会发生。例如，Mg孪生所需孪生所需t tc=4.934.3=4.934.3MPa,而滑移时而滑移时t tc仅为仅为0.49MPa。但孪晶的长大。但孪晶的长大速度极快（与冲击波的速度相当）有相当数量的能量被释速度极快（与冲击波的速度相当）有相当数量的能量被释放出来，故常可听见明显可闻放出来，故常可听见明显可闻“咔、嚓咔、嚓”声，也称孪生吼声，也称孪生吼叫。叫。通过单纯孪生达

15、到的变形量是极为有限的，如通过单纯孪生达到的变形量是极为有限的，如Zn单晶，孪单晶，孪生只能获得生只能获得7.27.4伸长率，远小于滑移所作的贡献。但伸长率，远小于滑移所作的贡献。但是孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利是孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利于发生滑移的位置，激发进一步的滑移，获得很大变形量，于发生滑移的位置，激发进一步的滑移，获得很大变形量，故间接贡献却很大。故间接贡献却很大。孪生的机制：孪生时每层晶面的位置是借助一个不全位错孪生的机制：孪生时每层晶面的位置是借助一个不全位错 （肖克莱）的移动而成的，是借助位错增殖的（肖克莱）的移动而成的，是借助位错增

16、殖的 极轴机制来实现的。极轴机制来实现的。3.孪生形变的意义孪生形变的意义l孪生的主要特点孪生的主要特点：l）孪生是均匀切变，）孪生是均匀切变，l）相对移动距离不是孪生方向的原子间距的整数）相对移动距离不是孪生方向的原子间距的整数 倍，孪生面两边晶体位向不同成镜面对称；倍，孪生面两边晶体位向不同成镜面对称；l）切变区内与孪生面平行的每一层原子面均相对）切变区内与孪生面平行的每一层原子面均相对 其邻面沿孪生方向位移了一定距离，且每一层其邻面沿孪生方向位移了一定距离，且每一层 原子相对于孪生面的切变量和它与孪生面的距原子相对于孪生面的切变量和它与孪生面的距 离成正比；离成正比；l）孪生改变了晶体取向，因此出现孪晶的试样经）孪生改变了晶体取向，因此出现孪晶的试样经 重新抛光，腐蚀后仍能显现出来。重新抛光，腐蚀后仍能显现出来。l）在切应力作用下，且）在切应力作用下，且t t t tc c但但t tc c(孪生孪生)t tc c(滑移滑移)l）实质借助一个不全位错运动而成，存在形核与）实质借助一个不全位错运动而成，存在形核与 长大过程。长大过程。三三 扭折扭折 Kink hcp的的Cd压缩时，外