材料科学基础-第5章2013

弹簧元件表示的弹性变形部分 —— 与时间无关，

Voigt-Kelvin 模型—— 描述蠕变回复、弹性后效和弹
E 为松弛常数。
性记忆等过程：
粘弹性变形特点——应变落后于应力—–弹性滞后。 施加周期应力时形成的应力 - 应变曲线回线所包含的
d ( t ) E dt
交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功 的能力。虽然这两个名词有时可以混用， 但严格来说循环韧性与内耗是有区别的： 循环韧性——指金属在塑性区内加载时吸 收不可逆变形功的能力——消振性; 内耗——指金属在弹性区内加载时吸收不 可逆变形功的能力。

弹性滞后——表明加载时消耗于材料的变形功大于 卸载时材料回复所释放的变形功，多余的部分变形 功已被材料内部所消耗——内耗现象——用弹性滞 后环的面积度量其大小。
面积——应力循环一周所损耗的能量——内耗。
5.2 晶体的塑性变形
当施加的应力超过弹性极限e时，材料会发生塑性变形——产
生不可逆的永久变形。 大多数多晶体工程材料，变形与各晶粒的变形相关。 一、单晶体的塑性变形 在常温和低温下，单晶体的塑性变形——主要形式为滑移 (Slip)；其次有孪晶(Twins)、扭折(Twist)等方式。 高温下，单晶体的塑性变形——主要形式为扩散性变形和晶界 滑动与移动等。 滑移——在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面(滑移 面)和一定晶向(滑移方向)相对另一部分发生相对位移的现象。
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其应力、应变符合Hooke定律——应力去除后应变 回复为零。 粘壶 —— 由装有粘性流体的气缸和活塞组成；活 塞的运动是粘性流动的结果 —— 符合 Newton 粘性 流动定律。 Maxwell模型——解释应力松弛机制：
Et t ( t ) 0 e xp 0 e xp
弹性变形特征
变形是可逆的——理想的弹性变形是在加载时变形，卸载则变


形消失并恢复原状。 应力与应变保持单值线性函数关系——虎克或胡克(Hooke)定 律： E G = E ； = G ； 2(1 ) 、 分别为正应力和切应力；、 分别为正应变和切应变； E、G 则分别为弹性模量（杨氏模量）和切变模量；为泊松比。 泊松比 (Poisson’s ratio)——表示材料的侧向收缩能力——材 料受拉弹性变形时横向应变与轴向（纵向）应变比值的负数。 绝大多数材料的泊松比为正值；寻找具有负泊松比的材料 是一个挑战。 一般金属材料的泊松比在0.25~0.4 (近似为0.33)；高分子材 料则相对较大些。 晶体受力的基本类型——拉、压和剪切。压缩模量或体弹性模 量K——应力与体积变化率之比： E K 弹性变形量随材料的不同而异。 3(1 2 )
(1) 理想晶体
σ
ε
随时间不变
(2) 实际金属
ε ε
不加力也应变 A B
加力
滞弹性应变 b
去力
t
σ
O
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C
a
H
o
t
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瞬时产生或消失 的弹性应变
应力作用下逐渐产生 或去除应力后随时间 延长逐渐消失的弹性 应变——滞弹性应变
弹性后效速率----与材料成分、组织和试验条件有关。 组织愈不均匀、温度升高、切变应力越大，弹性后效越明显。 弹性后效之前，有时发生弹性蠕变(Elasticity Creep)——对金属等


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产生滑移 完整晶体
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滑移
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滑移的特点： 滑动后在表面出现的滑 滑移后，晶体的点阵类型不变； 移痕迹——小台阶。 滑移带——相互靠近、 晶体内部各部分位向不变； 在宏观上反映为一个大 滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍； 台阶的一组小台阶。 滑移后，在晶体表面出现一系列台阶。 滑移面的滑移量——该 滑移线对应的台阶高度 滑移线(Slip lines)与滑移带(Slip band)： 单晶体的拉伸试验——当应力超过晶体的弹性极限后，晶 体中会产生层片之间的相对滑移；大量层片间滑动的累积 就构成了晶体的宏观塑性变形——产生一定塑性变形的拉 伸结果：导致晶体光滑表面上产生高低不一的台阶。 （一组小台阶） 滑移带——（宏观）滑移 滑移块厚度(滑移 线——晶体塑性变形时， 线之间的距离) 由于滑移变形产生高低不 （小台阶） 一的台阶，造成晶体表面 每一滑移线 可宏观或金相观察到的一 的滑移量 条条细线——它在微观上 拉伸方向 由一条条更细的线（滑移 滑移带形成示意图 线）组成。
Essentials of Materials Science
在现代社会生活中我们可能遇到各种各样的材料或新概念，但 这些问题都与材料的形变和再结晶行为有 大家是否想过： 密切关系——它直接影响着材料的冷加工 日常生活中用的铁丝有一定柔性，为什么反复弯曲就能把 和热加工性能和材料的使用效能。 它掰断？ 为什么铜线或铜板弯来弯去使用后会变硬？ 日常生活中的易拉罐是如何生产的？ 第5章 材料的形变和再结晶 哪些类型的钢可以提高汽车的防撞性？ Chap 5 Deformation and Recrystallization of Materials 陶瓷材料能否拉成几倍长？ 为什么热塑料越拉越硬？
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第5章 材料的形变和再结晶
金属或合金的成形/成型加工包括：铸造、热轧、 冷轧、挤出/拉拔、锻造等，这些工艺过程中都要 给材料施加应力。 材料受力后要发生变形， 变形可分为三个阶段： σe弹性极限 弹性变形； σs屈服强度 弹-塑性变形； σb抗拉强度 断裂。 低碳钢单向拉伸时的应力－应变曲线 在整个变形过程中，弹-塑性阶段的塑性变形部分 是对材料组织、性能影响最大的。 外力较小时产生弹性变形，外力较大时产生塑性变 形，而当外力过大时就会发生断裂。
材料科学
总目的 有效使用现有材料，发展新型材料
需要
了解决定材料性能的本质（内在）因素
即
了解材料内部的微观结构
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材料的性能
取决于
内部结构
包括
原子结构 本章目的
原子键合
原子排列 原子运动
包括
显微组织 塑性形 变规律
了解和掌握材料在 加工成型过程中组 织结构的演化机制 及其对性能的影响 规律
弹性的不完整性 工程材料为多晶体，内部存在各种类型的缺陷，弹性 变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发 展跟不上应力的变化等现象——弹性的不完整性，包 括包申格效应、弹性后效、弹性滞后、循环韧性等。 包申格效应(Bauschinger effect)——材料经预先加载 产生少量塑性变形(<4%)，然后如果同向加载则σe升 高；反向加载则σe降低的现象——多晶体金属材料的 普遍现象。 承受应变疲劳的工件——应变疲劳中，工件在每一 周期都产生塑性变形，当反向加载时σe下降，出现 循环软化现象。 弹性后效(Elastic after-effect)或滞弹性(Anelasticity or Delayed elasticity)——在弹性极限e范围内，应变滞 后于外加应力，并与时间有关的现象。因为有些晶体 在加、卸载时，应变并非瞬时达到平衡值，而是通过 某种驰豫过程来完成其变化的。

5.1 弹性变形
弹性变形本质 弹性变形——外力去除后能够完全恢复的那部分变形。 弹性变形的物理本质——由原子受外力作用而偏离其 平衡位臵所产生的可逆宏观形变。 原子间结合力角度出发，理论计算结果表明——无外 力作用时，晶体内原子间的结合能或结合力是原子间 距离的函数。弹性变形的物理本质： 原子处于平衡位臵时，原子间距r = r0，原子处于 势能U最低的位臵，原子所承受的吸引力和排斥力 相等——相互作用力为0，处于最稳定的状态。 在外力作用下，原子偏离平衡位臵，原子间距r增 大时将产生吸引力；如果原子间距r减小则将产生 排斥力。 外力去除后，原子都会恢复其原来的平衡位臵，所 产生的变形将完全消失。
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运动的表现 理论与原子 理论
实际晶体中原 子、离子或分 子的运动规律
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材料科学基础——第5章 材料的形变和再结晶
内容简介： 弹性变形与粘弹性
材料受力情况下的力学行为 晶体的塑性变形 单晶体、多晶体与合金的塑性变形（滑移、孪生、扭 折、晶粒取向、屈服现象）；变形后的组织与性能 （显微组织、亚结构、加工硬化、变形织构、残余应 力） 回复与再结晶 变形晶体加热时的组织与性能变化、晶粒的形核长大 过程及其影响因素、二次再结晶、再结晶织构与退火 孪晶、动态回复与动态再结晶 超塑性行为 高聚物的塑性变形
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粘弹性
变形形式——弹性变形、塑性变形和粘性流动。
粘性流动 —— 非晶态固体和液体在很小外力作用下
便会发生没有确定形状的流变现象；当外力去除后， 其形变也不能回复。 d 纯粘性流动服从牛顿(Newton)粘性流动定律： dt 式中 为应力； d/dt 为应变速率； 为粘度系数 —— 反映流体的内摩擦力 ——流体流动的难易程度 (单位： Pa· S)。 一些非晶体，有时甚至多晶体，在较小的应力时可 以同时表现出弹性和粘性——粘弹性现象。 粘弹性变形 —— 与时间有关，又具有可回复的弹 性变形性质 —— 具有弹性和粘性变形两方面的特 征。
实际弹性体施加一定的应力时，除了产生一个瞬时应变以外， 它还可能产生一个随时间而变化的附加应变——弛豫应变。 弹性后效和弹性蠕变两者都是在弹性范围内表现出来应变的弛 豫现象——统称为滞弹性。
应变
弹性后效
弹性滞后(Elasticity Hysteresis)
由于应变落后于应力，在 σ-ε 曲线上使加载线与卸 金属的内耗——循环韧性——金属材料在 载线不重合而形成一封闭回线——弹性滞后。
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与时间因素相关的粘弹性 —— 高分子材料重要力学
特性之一 —— 粘弹性材料；其性能与分子链结构密 切相关： 受外力作用时，分子内的键角和键长 —— 原子间 的距离要相应发生变化，顺式结构链段之间也要 顺着外力方向舒展开来。 外力较小时为可逆的弹性变形。 分子链之间会出现相对滑动而产生粘性变形。 外力较小时为不可逆的形变。 典型的粘弹性变形规律模型 —— 由表示弹性变形部 分的弹簧和表示粘性变形部分的粘壶组成的串联型 Maxwell模型和并联型佛赫特或瓦伊特(Voigt)模型。
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滑移线——每一层晶面
滑移系(Slip system)——晶体中由一个滑移面和该滑移面上的一 个滑移方向所构成的位错运动通道——用{hkl}<uvw>来表示。 滑移往往沿着一定的滑移面和一定的滑移方向进行，滑移面 和滑移方向通常是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。 滑移面(Slip plane)——晶体中位错运动的晶面——密排面。 密排面——原子密度最大，晶面间距也最大，点阵阻力 最小，滑移容易。 滑移方向(Slip direction)——晶体中位错运动的晶向——密 排方向。 密排方向——最密排方向的原子密度最大，原子间距最 短，位错的柏氏矢量(Burgers vector)最小， 点阵阻力最 小，滑移容易。 滑移面和滑移方向都与晶体结构有关。例如：fcc晶体的滑 移系为{111}<110>——最密排的晶面和晶向；bcc晶体不具 有突出的最密排晶面，滑移面根据材料与温度等因素可有 {110}、{112}和{123}三组，但滑移方向总是<111>；hcp晶体 的滑移方向一般是<11 2 0>，其最密排晶面与其轴比有关： c/a 1.633时滑移面为{0001}，c/a < 1.633时{0001}不再是唯 一密排面，滑移可发生于{0001}、{10 1 1}或{10 1 0}等晶面。 一个滑移系——代表晶体滑移时可能采取的一个空间取向。