山東大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》講義第9章 塑性變形

1、第9章 塑性變形1 金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線一、工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（如右左圖所示）彈性變形：屈服強(qiáng)度：s，0.2抗拉強(qiáng)度：b斷裂強(qiáng)度：k延伸率：斷面收縮率：二、真應(yīng)力-應(yīng)變曲線（如右上右圖所示）真應(yīng)力：真應(yīng)變：（瞬時(shí)真應(yīng)變de=dl / l、總的真應(yīng)變e=ln（1+）材料的斷裂強(qiáng)度：Sk流變曲線：均勻塑性變形階段的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線（S=ken）。2 單晶體的塑性變形一、滑移（一）滑移現(xiàn)象滑移線：滑移帶：（二）滑移系 滑移面：滑移方向：滑移系的多少與金屬塑性好壞的關(guān)系：（三）臨界分切應(yīng)力P在滑移方向的分切應(yīng)力為：當(dāng)0=s時(shí)，晶體開始滑移，此時(shí)滑移方向上的分切應(yīng)力稱為臨界分切應(yīng)力k：取決于材料的本性，

2、與外力無(wú)關(guān)。m，為施密特因子：m，k（四）滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象：幾何硬化：幾何軟化：（五）多滑移和交滑移多滑移：交滑移：（六）滑移的位錯(cuò)機(jī)制以刃型位錯(cuò)為例：螺型位錯(cuò)也導(dǎo)致晶體滑移，但與刃型位錯(cuò)的行為不同。二、孿生（一）孿生變形現(xiàn)象 （二）孿晶的形成在晶體中形成孿晶的主要方式有三種：通過(guò)機(jī)械變形而產(chǎn)生的孿晶，也稱為“變形孿晶”或“機(jī)械孿晶”，它的特征通常呈透鏡狀或片狀；為“生長(zhǎng)孿晶”，它包括晶體自氣態(tài)(如氣相沉積)、液態(tài)(液相凝固)或固體中長(zhǎng)大時(shí)形成的孿晶；變形金屬在具再結(jié)晶退火過(guò)程中形成的孿晶，也稱為“退火孿晶”，它往往以相互平行的孿晶面為界橫貫整個(gè)晶粒，是在再結(jié)晶過(guò)程中通過(guò)堆垛層錯(cuò)的生長(zhǎng)形成

3、的。它實(shí)際上也應(yīng)屬于生長(zhǎng)孿晶，系從固體中生長(zhǎng)過(guò)程中形成。 變形孿晶的生長(zhǎng)同樣可分為形核和長(zhǎng)大兩個(gè)階段。晶體變形時(shí)先以極快的速度爆發(fā)出薄片孿晶，常稱之為“形核”，然后通過(guò)孿晶界擴(kuò)展來(lái)使孿晶增寬。 就變形孿晶的萌生而言，一般需要較大的應(yīng)力，即孿生所需的臨界切應(yīng)力要比滑移的大得多。所以，只有在滑移受阻時(shí)，應(yīng)力才可能累積起孿生所需的數(shù)值，導(dǎo)致孿生變形。孿晶的萌生通常發(fā)生于晶體中應(yīng)力高度集中的地方，如晶界等，但孿晶在萌生后的長(zhǎng)大所需的應(yīng)力則相對(duì)較小。因此，孿晶的長(zhǎng)大速度極快，與沖擊波的傳布速度相當(dāng)：由于在孿生形成時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)有相當(dāng)數(shù)量的能量被釋放出來(lái)，因而有時(shí)可伴隨明顯的聲響。右圖是銅單晶在42K

4、測(cè)得的拉伸曲線，開始塑性變形階段主要是滑移，曲線光滑；應(yīng)力增高到一定程度后出現(xiàn)鋸齒形的變化，這是孿生變形所造成的；后階段又呈光滑曲線，表明變形又轉(zhuǎn)為滑移方式進(jìn)行。（三）孿生變形特點(diǎn)（1）孿生變形也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并且孿生所需的臨界切應(yīng)力要比滑移時(shí)大得多；（2）孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)域內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對(duì)干其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離，且每一層原子相對(duì)于孿生面的切變量跟它與孿生面的距離成正比；（3）孿晶的兩部分晶體成鏡面對(duì)稱關(guān)系。3 多晶體的塑性變形一、晶粒取向的影響變形的不同時(shí)性：變形的協(xié)調(diào)性：二、晶界的影響 （細(xì)晶強(qiáng)化：霍爾-配奇公式）4 合金的塑性變形一

5、、固溶體的塑性變形（一）固溶強(qiáng)化1影響固溶強(qiáng)化的因素：1）溶質(zhì)原子和濃度：原子不同，強(qiáng)化效果不同；濃度，強(qiáng)化效果；2）溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸差別，強(qiáng)化效果。3）形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素比形成置換固溶體的強(qiáng)化作用大。4）溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電子數(shù)相差越大，則固溶強(qiáng)化作用越強(qiáng)。2固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用、電交互作用和化學(xué)交互作用。其中主要是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。（二）屈服和應(yīng)變時(shí)效1屈服現(xiàn)象如下左圖所示。2與屈服點(diǎn)出現(xiàn)有關(guān)的因素：金屬中的雜質(zhì)（溶質(zhì)）原子；位錯(cuò)增殖。3屈服現(xiàn)象對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響及消除4應(yīng)變時(shí)效：如上右圖所示。二、多相合金的塑性變形（

6、一）聚合型兩相合金的變形第二相強(qiáng)化及其條件。第二相為硬脆相時(shí)，決定合金性能的因素有：含量、形狀和分布等。（二）彌散型兩相合金的塑性變形兩類彌散強(qiáng)化方式：不可變形微粒的強(qiáng)化作用、可變形微粒的強(qiáng)化作用。5 冷變形金屬的組織與性能一、顯微組織的變化纖維組織：變形亞結(jié)構(gòu)或變形亞晶：（隨后熱處理或熱加工過(guò)程中出現(xiàn)的帶狀組織：）二、變形織構(gòu)1概念：2織構(gòu)的類型：絲織構(gòu)、板織構(gòu)3織構(gòu)對(duì)材料性能的影響：三、殘留應(yīng)力和點(diǎn)陣畸變（一）殘留應(yīng)力1宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）：由宏觀變形不均勻而產(chǎn)生的。占總儲(chǔ)存能量的0.1%左右。2微觀內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）：由微觀變形不均勻而產(chǎn)生的。有時(shí)可達(dá)到很大的數(shù)值，甚至可能造成

7、顯微裂紋而導(dǎo)致工件開裂。（二）點(diǎn)陣畸變（第三類內(nèi)應(yīng)力）由位錯(cuò)、空位等晶體缺陷造成的，占變形金屬中總應(yīng)力的8090%，是隨后回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。四、塑性變形對(duì)性能的影響（一）應(yīng)變硬化（加工硬化）加工硬化曲線的三個(gè)階段：第一階段（易滑移階段）：當(dāng)c 時(shí)，開始進(jìn)入變形的初始階段，此時(shí)加工硬化速率很?。坏诙A段（線性硬化階段）：應(yīng)力與應(yīng)變呈線性變化；第三階段（拋物線硬化階段）：加工硬化速率隨應(yīng)變的增加而不斷下降。（二）其它物理、化學(xué)性能的變化6 聚合物的變形聚合物的變形行為與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)：聚合物由大分子鏈構(gòu)成，這種大分子鏈一般都具有柔性，除了整個(gè)分子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)外，還可實(shí)現(xiàn)分子不同鏈段之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)

8、。這種分子的運(yùn)動(dòng)依賴于溫度和時(shí)間，具有明顯的松弛特性。一、熱塑性聚合物的變形（一）熱塑性聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比例極限L；屈服強(qiáng)度y；斷裂強(qiáng)度b。特點(diǎn)：當(dāng)L時(shí)，鏈段發(fā)生可恢復(fù)的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生可恢復(fù)變形，同時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離線性關(guān)系； 當(dāng)y時(shí)，聚合物屈服，同時(shí)出現(xiàn)軟化，即應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而減小，隨后出現(xiàn)應(yīng)力平臺(tái)，即應(yīng)力不變而應(yīng)變持續(xù)增加，最后出現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化導(dǎo)致材料斷裂。聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變行為受溫度、應(yīng)變速率的影響很大。（二）屈服與冷拉屈服特點(diǎn)：聚合物的屈服應(yīng)變和斷裂伸長(zhǎng)比金屬高得多；屈服后出現(xiàn)應(yīng)變軟化；其屈服應(yīng)力強(qiáng)烈地依賴于溫度和應(yīng)變速率。冷拉：試樣在拉斷前卸載，或試樣因被拉斷而自動(dòng)卸載，拉伸中產(chǎn)生的大量變形除少量可恢復(fù)外，大部分變形將保留下來(lái)的拉伸過(guò)程。聚合物的冷拉變形是目前制備高模量和高強(qiáng)度纖維的重要工藝。強(qiáng)迫高彈性：（三）剪切帶與銀紋剪切帶：銀紋：二、熱固性塑料的變形 7 陶瓷材料的塑性變形一、陶瓷晶體的塑性變形 陶瓷晶體一般由共價(jià)鍵和離子鍵結(jié)合，在室溫靜拉伸時(shí)，除少數(shù)幾個(gè)具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的晶體，一般陶瓷晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在室溫下沒(méi)有塑性，即彈性變形階段結(jié)束后，立即發(fā)生脆性斷裂，這與金屬材料具有本質(zhì)差異。和金屬材料相比，陶瓷晶體具有如下特點(diǎn)： (1)陶瓷晶體的彈性模量比金屬大得多，常高出幾倍。 (2)陶瓷晶體的彈性模量，不僅與結(jié)合鍵有關(guān)，而且還與其相的種類，分布及氣孔率有關(guān)，而