第4章變形課件

1、2021/2/111 2021/2/112 第八章第八章 材料的形變材料的形變 (Chapter 8 Deformation of Materials ) 典型材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (stress-strain curve) 材料的變形主要分為彈性變形和塑性變形 彈性極限e :應(yīng)力應(yīng)變成線性關(guān)系的極限應(yīng)力 屈服極限s :開(kāi)始發(fā)生明顯塑性變形的應(yīng)力 抗拉強(qiáng)度b : 斷裂前能夠承受的最大應(yīng)力 2021/2/113 8.1 材料的彈性變形（Elastic deformation of materials） 2 彈性變形的特征 理想的彈性變形是可逆變形, 加載時(shí)變形,卸載時(shí)變形消失、恢復(fù)原狀; 在

2、彈性變形范圍內(nèi),應(yīng)力與應(yīng)變之間 服從虎克定律（Hookes law） 正應(yīng)力下: = E )1 (2 E G 切應(yīng)力下: = G 1 彈性變形的本質(zhì) 彈性變形(elastic deformation):外力去除后能夠 完全恢復(fù)的那部分變形; E :正彈性模量(Youngs modulus) G :切變模量(shear modulus) :泊松比(Poissons ratio) 2021/2/114 彈性模量反應(yīng)原子間的結(jié)合力,是組織結(jié)構(gòu)的不敏感參數(shù) 工程上,彈性模量是材料剛度的度量,表征材料抵抗彈性變形的能力 2021/2/115 8.2 單晶體的塑性變形（Plastic deformatio

3、n of single crystalline） 塑性變形(plastic deformation):當(dāng)應(yīng)力超過(guò) 屈服應(yīng)力,材料發(fā)生的不可逆的永久變形 單晶體的塑性變形主要 通過(guò)滑移方式進(jìn)行,此 外尚有孿生和扭折 屈服強(qiáng)度與條件屈服強(qiáng)度 塑性變形方式塑性變形方式: 滑移滑移,孿生,扭折 2021/2/116 1 滑移（slip) 1）滑移線與滑移帶(slip lines and slip bands) 當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限時(shí),晶體中會(huì)產(chǎn)生 層片之間的相對(duì)滑移,這些滑移的累計(jì) 構(gòu)成晶體的塑性變形 宏觀上,材料的表面可見(jiàn)一條條細(xì)線（滑移帶） 微觀上,可見(jiàn)一系列相互平行的更細(xì)的線-滑移線; 一組滑移線

4、構(gòu)成滑移帶; 滑移只是集中在某些晶面上 2021/2/117 2 2）滑移系）滑移系(slip systems) 塑性變形時(shí),材料的滑移只能沿一定的晶面或一定的晶向進(jìn)行, 這些晶面和晶向就稱為滑移面和滑移方向 滑移面和滑移方向一般是原子排列的密排面和密排方向, 因其面間距最大,點(diǎn)陣阻力小。 滑移方向是原子密排方向,此方向上原子間距小，位錯(cuò)柏氏矢量小 每一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)滑移系 一般,材料中的滑移系越多,滑移過(guò)程中可能采取的空間取向越多, 滑移容易進(jìn)行，塑性好。 面心立方(fcc):11143 = 12個(gè) 體心立方(bcc):11062 +112121 +123241

5、 = 48個(gè) 體心立方晶體的滑移面不確定 密排六方(hcp):（0001）1 3 = 3個(gè), 其塑性比面心立方和體心立方差 0211 2021/2/118 3）滑移的臨界分切應(yīng)力 (critical resolved shear stress of slip) coscos coscos cos/ cos A F A F coscos稱為取向因子 或施密特因子（Schmid factor） 引起滑移的應(yīng)力為滑移面上的且應(yīng)力 單向拉伸條件下,外力在滑移面沿滑移方向的分切應(yīng)力: 當(dāng)=45時(shí),取向因子最大, 可用最小的拉力開(kāi)始滑移 2021/2/119 上式稱為上式稱為SchmidSchmid定律定

6、律 crss crss是一個(gè)反映單晶體受力起始屈服的物理量 是一個(gè)反映單晶體受力起始屈服的物理量 是材料本身的特性（原子間結(jié)合力、晶面間距）是材料本身的特性（原子間結(jié)合力、晶面間距）, ,與晶體取向和受力狀況無(wú)關(guān)。與晶體取向和受力狀況無(wú)關(guān)。 屈服應(yīng)力是與晶體取向和受力狀態(tài)有關(guān)的量屈服應(yīng)力是與晶體取向和受力狀態(tài)有關(guān)的量 coscos crss s 當(dāng)外力作用在某一滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到一定臨界值時(shí),滑移系開(kāi)始 滑移,該分切應(yīng)力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力 2021/2/1110 4）滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)(rotation) 滑移過(guò)程中,晶體要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),從 而導(dǎo)致晶體的空間取向發(fā)生變化。 壓縮時(shí)

7、,轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸垂直的方向 Tensile 拉伸時(shí)使滑移方向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸 平行的方向 Compressive 2021/2/1111 影像規(guī)則 雙滑移 滑移面轉(zhuǎn)動(dòng) 滑移方向旋轉(zhuǎn) 2021/2/1112 5）多滑移(multiple slip) 對(duì)于有多組滑移系的晶體,滑移首先在取向最有利的滑移系中進(jìn)行, 隨著變形時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng),另外的滑移系逐漸轉(zhuǎn)到對(duì)滑移有利的取向， 從而使滑移過(guò)程沿著兩個(gè)或多個(gè)滑移系交替進(jìn)行或同時(shí)進(jìn)行， 這種滑移過(guò)程稱為多滑移，也稱多系滑移、復(fù)滑移 例:fcc中001為拉伸軸,有多個(gè)滑移系具有相同的Schmid因子, 可同時(shí)或交替動(dòng)作。 2021/2/1113 2 孿生(tw

8、inning) 2）孿生的特點(diǎn) 1）孿生(twinning): 晶體在切應(yīng)力作用下沿著一定的晶面 (孿晶面, twin plane) 和一定的晶向 (孿晶方向, twin direction),在一個(gè)區(qū) 域內(nèi)發(fā)生均勻的切變; 這樣的切變并未使晶體的結(jié)構(gòu)變化, 但確使均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生 變化,且變形與未變性區(qū)呈鏡面對(duì)稱 孿生變性是在切應(yīng)力下發(fā)生, 臨界應(yīng)力大于滑移所需的應(yīng)力; 孿生是一種均勻切變; 孿晶的兩部分晶體呈鏡面對(duì)稱; 2021/2/1114 3 扭折(kink, 不常見(jiàn)) 4) 孿晶(twin)的形成 變形孿晶（機(jī)械孿晶, deformation twins） 生長(zhǎng)孿晶:氣相沉

9、積、凝固等 退火孿晶(annealing twins,可歸屬于生長(zhǎng)孿晶 3) 滑移與孿生的對(duì)比 主要發(fā)生在滑移和孿生都不能發(fā)生的情況 下發(fā)生,如 HCP（0001）面平行力作用下 發(fā)生扭折 變形區(qū)域稱為扭折帶, 扭折區(qū)的晶體取向 發(fā)生不對(duì)稱性的變化 2021/2/1115 4 加工硬化-單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 典型的單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 1) 易滑移階段: 通常只有一個(gè)滑移系進(jìn)行滑移 2) 線性硬化階段: 第二滑移系開(kāi)動(dòng),滑移線交割, 滑移障礙增加 3) 拋物線階段: 一些障礙被越過(guò),產(chǎn)生交滑移, 發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)等 三種典型晶體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 塑性變形的三個(gè)階段 bcc、fcc有典型的三

10、階段, hcp只有兩個(gè)階段 2021/2/1116 8.3 晶體滑移的位錯(cuò)機(jī)制 2 exp2 )1 ( 2 exp2 b W G b d G NP d為晶面間距、 W為位錯(cuò)寬度、 b為柏氏矢量 2 2 滑移引起位錯(cuò)增殖滑移引起位錯(cuò)增殖 1 1 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力: : 派派納力（晶格摩擦力納力（晶格摩擦力 對(duì)簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu): P-N =2x10-4 G, 接近實(shí)測(cè)分切應(yīng)力 弗蘭克弗蘭克瑞德源瑞德源 （Frank-Read sourceFrank-Read source, F-R, F-R源）源） 2021/2/1117 4 交滑移的位錯(cuò)機(jī)制(cross slip) 5 刃型位錯(cuò)的攀移(

11、climb) 刃型位錯(cuò)的攀移即多余半原子面通過(guò) 空位擴(kuò)散而擴(kuò)大或縮小 正攀移圖解 交滑移對(duì)材料的塑性影響大,交滑移容易的 材料,塑性好。 交滑移與材料的層錯(cuò)能有關(guān) 層錯(cuò)能低,交滑移困難, 層錯(cuò)能高,交滑移容易 刃型位錯(cuò)只有一個(gè)滑動(dòng)面,不產(chǎn)生交滑移 交滑移是螺型位錯(cuò)在不改變滑移方向的情況下 轉(zhuǎn)變滑移面的過(guò)程,它增加了滑移的靈活性 2021/2/1118 8.4 多晶體的塑性變形（Plastic deformation of polycrystalline） 1 多晶體塑性變形的特點(diǎn) 1) 多晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn): 存在晶界、 相鄰晶粒之間取向不同 2) 塑性變形的特點(diǎn): (1) 各相鄰晶粒的變形相互協(xié)

12、調(diào)和配合 每個(gè)晶粒不只是在取向最有利的單滑移系上滑移, 而必須在幾個(gè)滑移系上滑移,其中有些滑移系不 一定取向最有利 多晶體塑性變形時(shí)要求每個(gè)晶粒至少能在5個(gè)獨(dú)立 的滑移系上滑移,多晶體的塑性變形是通過(guò)各晶 粒的多系滑移來(lái)保證相互間的協(xié)調(diào)。 體心立方和面心立方有較多的滑移系,多晶體有較好的塑性, 密排六方滑移系少,晶粒間協(xié)調(diào)性差，塑性變形能力低 2021/2/1119 (2) 晶界對(duì)形變過(guò)程的阻礙作用 0:為一常數(shù),大體等于單晶體的屈 服度, d: 晶粒直徑 位錯(cuò)不能越過(guò)晶界進(jìn)入相鄰的晶 粒,在晶界處塞積 晶界的作用與晶界的數(shù)量相關(guān), 而這直接取決于晶粒的大小 K:表征晶界對(duì)強(qiáng)度影響的程度 霍爾

13、佩奇公式 （Hall-Petch equation） 多晶體的屈服強(qiáng)度與晶粒平均 直徑的關(guān)系: 2/1 0 Kd s 2021/2/1120 8.5 合金的塑性變形（Plastic deformation of alloys） 1) 合金塑性變形的基本過(guò)程仍然是滑移和孿生 2) 合金的組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其塑性變形 的特點(diǎn) (1) 合金為單相合金時(shí), 固溶體,Cu-Ni (2) 合金為復(fù)相合金時(shí) 聚合型合金: 第二相的尺寸與基體相相近, Pb-Sn 1 基本特點(diǎn) 分散分布型 (dispersion distribution): 第二相非常細(xì)小且分散分布, Fe-Fe3C、Sn-Ag3Sn 2

14、021/2/1121 2 固溶體的塑性變形(plastic deformation of solid solution) 1) 固溶強(qiáng)化(solid-solution strengthening): 溶質(zhì)原子的加入引起點(diǎn)陣畸變,增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力, 增大了晶體滑移阻力 2) 宏觀表現(xiàn)固溶體的屈服強(qiáng)度高于純?nèi)軇┑?3) 影響固溶強(qiáng)化效果的因素 溶質(zhì)濃度: 溶質(zhì)濃度增加,效果大 固溶體類型: 間隙型大于置換型 溶質(zhì)溶劑原子尺寸差（置換型）: 尺寸差越大,效果好 溶質(zhì)溶劑彈性模量差 溶質(zhì)溶劑原子價(jià)電子數(shù)差（置換型）: 差別越大,效果好 2021/2/1122 3 復(fù)相合金的塑性變形 1）聚合型合金

15、 （1）兩相都為塑性相, 晶粒大小相當(dāng)Pb-Sn 等應(yīng)變理論:a = f11 + f22 等應(yīng)力理論:a = f11 + f22 （2）兩相中一個(gè)為塑性相,另一個(gè)為脆性相 合金變形的阻力不僅取決于兩相的體積分?jǐn)?shù), 而且還與形狀、大小和分布有關(guān) 合金變形的阻力取決于兩相的 體積分?jǐn)?shù),可用機(jī)械混合法則 2021/2/1123 2）分散分布型(dispersion distribution) 位錯(cuò)切過(guò)粒子,粒子產(chǎn)生新的表面積,使總的表面積升高; 產(chǎn)生新的割階,產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)等,給位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)困難; 彌散細(xì)小分布的第二相分布在基體相中時(shí),會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用 （1）第二相粒子為可變形顆粒時(shí) 位錯(cuò)將切過(guò)粒

16、子使之隨同基體一起變形 * 強(qiáng)化機(jī)理主要有: 2021/2/1124 （2）第二相不能變形 可變形顆粒增大,與基體非共格 位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制（奧羅萬(wàn)機(jī)制,Orowan mechanism） L:粒子間距（面對(duì)面間距）;G:切變模量;b:柏氏矢量 相圖體積分?jǐn)?shù)下,第二相越小,L越小,強(qiáng)化效果越好彌散強(qiáng)化 條件: 第二相硬、脆, 2）分散分布型(cont) * 強(qiáng)化機(jī)理: L Gb O 2021/2/1125 5 低碳鋼的屈服和應(yīng)變時(shí)效 (yielding and strain aging) 1) 低碳鋼的屈服現(xiàn)象和呂德斯帶 屈服現(xiàn)象(yielding): 上下屈服點(diǎn)及屈服平臺(tái) 呂德斯帶（Lders b

17、and）: 應(yīng)力超過(guò)屈服極限時(shí),在試樣 表面產(chǎn)生一個(gè)與拉伸軸成45度 的變形帶。它與滑移帶不同, 是許多晶粒協(xié)調(diào)變形的結(jié)果。 屈服現(xiàn)象的原因: (1) 柯氏氣團(tuán)（Cottrell atmosphere）: (anchoring of dislocation) (2) 位錯(cuò)增殖:剛開(kāi)始位錯(cuò)少,位錯(cuò)增殖快, 到一定程度后流變應(yīng)力降低 2021/2/1126 2) 2) 應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效 退火狀態(tài)的試樣拉伸超過(guò)屈服 點(diǎn)卸載馬上再加載,不發(fā)生屈 服現(xiàn)象放置一段時(shí)間后再加載, 屈服現(xiàn)象重新出現(xiàn) 機(jī)理:柯氏氣團(tuán)解釋 (Cottrell atmosphere) m m vbv, 開(kāi)始時(shí)位錯(cuò)密度低,需要較 高

18、應(yīng)力才能保持變形速率 （夾頭移動(dòng)速度。 塑性變形開(kāi)始后位錯(cuò)迅速增 殖,維持相同變形速度的應(yīng) 力降低 2021/2/1127 8.6 塑性變形對(duì)材料組織與性能的影響 1 顯微組織的變化 晶粒沿形變方向被拉長(zhǎng) 纖維狀 夾雜物和第二相: 塑性好的被拉長(zhǎng), 塑性差的破裂 2021/2/1128 亞結(jié)構(gòu)(sub-structure): 晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度(dislocation density)增加, 位錯(cuò)纏結(jié)(dislocation tangle), 位錯(cuò)胞狀亞結(jié)構(gòu) 形變亞晶 (deformation substructure) 2021/2/1129 2 形變織構(gòu)(deformation texture) 2) 成因:塑性變形中,隨著變形程度的增加, 各晶?；品较蛳蛑髯冃畏较蜣D(zhuǎn)動(dòng),使多 晶體的各晶粒最終在空間位向上呈現(xiàn)一定 程度的一致現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向 (preferred orientation)，這種組織狀態(tài) 稱為形變織構(gòu)(deformation texture) 絲織構(gòu)(fiber texture): 某一晶向大致與拔絲方向一致; 板織構(gòu)(sheet texture)