第8章 塑性变形

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2020/3/5

某些金属的临界分切应力τc
• 值得注意的是面心立方的τc比体心立方的τc低十几倍

晶体结构 FCC
HCP

金属 Ag Al Al Cu Ni
Mg

滑移面 {111} {111} (20℃) {100} (>450℃) {111} {111}
(0001)

滑移方向 <110> <110> <110> <110> <110>
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单晶体的屈服强度与取向因子
单晶体的屈服强度随取向因子而改变 φ=45º时, cosφcosλ=1/2 ,取向因子达到最 大值,产生拉伸变形的屈服应力最小。 φ=90º或0º时, σS =∞, 晶体不能沿该滑移面 产生滑移
• 在拉伸时,可以粗略认为金属单晶体在外力作用下, 滑移系一开动就相当于晶体开始屈服,此时,对应于 临界分切应力的外加应力就相当于屈服强度σS,
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滑移系统特点
• 1.明显的晶体学特征 • 密排面上沿着密排方向进行 • 2.滑移面受温度、成分(如合金元素)影响可以
改变,滑移方向不会改变
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常温、常压下各种晶体的滑移系统和临界分切应力

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晶体结构 FCC HCP
BCC

金属 Ag Al Al Cu Ni
Mg
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3.Schmid定律
• 由于滑移是晶体沿着滑移面和滑移方向的剪切过 程,决定晶体能否开始滑移的应力一定是作用在 滑移面上沿着滑移方向的剪应力,或称为分切应 力
• Schmid用同种材料但不同取向的单晶体试棒进 行拉伸试验,结果发现不同试棒的取向因子不同, 但开始滑移的分切应力都相同,等于一个确定的 值
应力σ与外力F方向相同,可分解为两个分应力,一个 为垂直于滑移面的分正应力,另一个为分切应力。分 切应力τ作用在滑移方向使晶体产生滑移,其大小为: τ=Sn cosλ=(F×cosφcosλ)/A F/A为拉伸应力,μ=cosφ×cosλ称为取向因子,或称 施密特因子(Schmid),显然取向因子越大,分切应力 越大
2.塑性变形(结构敏感因素,受外力、温度影 响)。外加应力超过即屈服极限,应力和应变就不 再是线性关系,卸载后留下一定的残余变形或永久 变形,为塑性变形或范性形变 • 3.断裂
2020ຫໍສະໝຸດ Baidu3/5

弹性变形特点
• 定义:外力去除以后变形可以消失 • 1.正应力、切应力均可产生弹性变形 • 2.弹性变形具有可逆性 • 3.应力和应变是直线关系,服从虎克定律:在单向
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施密德定律
• 通常把给定滑移系上开始产生滑移所需分切应力称为临 界分切应力τc,也就是说晶体开始滑移所需的分切应力 是: τ=σ×μ=τc
• τc就称为临界分切应力,它是个材料常数 上式就称为Schmid(施密德)定律 • 它可以表述为:当作用在滑移面上沿着滑移方向的分切
应力达到临界值τc时晶体便开始滑移
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hcp晶体的可能滑移系
由于hcp金属滑移系数目较少,密排六方金属的塑性通常都不太好
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hcp的滑移面和滑移方向
• 决定hcp滑移面的一个重 要因素c/a>1.633(Cd、 Zn等)底面是滑移面; c/a< 1.633(Ti、Zr、 Be等)除了底面,{1010},{10-11}也是滑移面, 甚至超过底面; c/a≈ 1.633(如Mg)底面为 主要滑移面,也出现 {10-10},{10-11}面滑移

Co {0001}

<11 2 0>

α-Ti (0001),{1010}(20℃) <11 2 0>

α-Ti {1010}(高温)

<11 2 0>

Zr

{101 0}

Fe {110},{112},{123}

Mo {110},{112},{123}

Nb {110}

Ta {110}

W

{110},{112}

<11 2 0>
<111> <111> <111> <111> <111>

临界分切应力/MN/m2 0.37 0.79
0.98 5.68 0.39-0.50
40.7
1.38
52.4
0.64-0.69

12.8
0.64-0.69 27.6 96.5 33.8 41.4 —

fcc滑移系
滑移方向<110>,滑移面一般为{111} 面心立方结构共有四个不同的{111}晶面,每 个滑移面上有三个<110>晶向,因而面心立方晶体 中共有4×3=12个晶体学等价的滑移系统 随着温度的升高等条件的变化,滑移面可能增 加或改变,但滑移方向始终不变,滑移系也因此可 能增多。例如铝在高温下还可能出现{001}[110]滑 移系统

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原子间作用力、势能与距离 间关系(AB表示两个原子)

原子间相互作用力f
• 弹性变形外力不足以克服原子间势垒,仅偏离平 衡位置,外力撤销回到平衡位置,宏观上表现为 弹性变形
• 故弹性变形的物理本质就是外力引起原子间距发 生可逆变化,弹性模量反映金属原子间结合力大 小
• 正弹性变形模量E,切弹性模量G,波松比ν(横 向、纵向变形之比,一般金属为0.25-0.35)有 关系: G=E/[2·(1+ν)]

滑移面 {111} {111} (20℃) {100} (>450℃) {111} {111}
(0001)

滑移方向 <110> <110> <110> <110> <110>
<11 2 0>

Mg {1010}(>225℃)

<11 2 0>

Be {0001}

<11 2 0>

Be {1010}

<11 2 0>
第八章 塑性变形

• §1 §2 §3 §4 §5 §6

单晶体金属的塑性变形 多晶体的塑性变形 合金的塑性变形 金属塑性变形后的组织与性能 聚合物的变形 陶瓷材料的变形

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金属材料生产基本流程
成分设计 熔炼

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制粉 压型 烧结 后处理

铸造 热变形 冷加工 热处理

晶体的变形
• 晶体在外力的作用下会发生变形 • 1.弹性变形(结构不敏感因素)

温度对临界分切应力的影响 2020/3/5





(10-11)









(0001)

温度
不同滑移系的临界分切应力 随温度变化的示意图

Schmid定律应用
• 单晶体具有等价的滑移系统时,利用Schmid定 律可以确定在给定方向加载时滑移首先沿哪个和 哪些系统进行,是单滑移、双滑移或多滑移
• 讨论这个问题的最好方法是在学习了晶体X射线 衍射以后利用极射投影图来判断
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分切应力

• 对于一根正断面积为A的单 晶体试棒进行拉伸试验, 假定拉力F与滑移面的法线 n的夹角为φ,F和滑移方向 b的夹角为λ,则滑移面的 面积为Q=A/cosφ,
• 作用在滑移面上的正应力 为

• Sn= F/Q =(F×cosφ)/ A

外力在滑移方向的分切应力

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分切应力
膜使变形困难临界分切应力增大)、周围介质 (活性介质屈服强度降低)和变形速度等的影响 • 特别是随合金元素增加而增加,温度上升临界分 切应力降低,低温变化幅度大 • 变形速度增大如同温度降低使临界分切应力增大
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合金元素对临界分切应力的影响

Cu-Ag合金
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Cu-Ni合金

温度对临界分切应力的影响
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塑性变形的方式
本章着重讨论单晶体的塑性变形的方式和规律,并在此基 础上简单讨论多晶体和多相合金的塑性变形特点
• 从宏观上看,固体的塑性变形方式很多,如伸长 和缩短、弯曲、扭转以及各种复杂变形,但从微 观上看,单晶体的塑性变形的基本方式只有两种, 就是滑移和孪生
• 滑移和孪生都是剪切应变,即在剪应力作用下晶 体的一部分相对于另外一部分沿着特定的晶面和 晶向发生平移
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hcp滑移系
a.当滑移面为(0001)时,晶体中滑移面只有一个,此面上 有三个< 1,1,-2,0 >晶向,故滑移系数目为1×3=3个
b.当滑移面为{ 1,0,-1,0}时,晶体中滑移面共有3个,每 个滑移面上一个<1,1,-2,0 >晶向,故滑移系数目为 3×1=3个
c.当滑移面为斜面{1,0,-1,1}时,此时滑移面共有6个, 每个滑移面上一个<1,1,-2,0>,故滑移系数目为 6×1=6个
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bcc滑移系

[111]

(1-21) [111]

(1-10)
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[111] (12-3)

bcc的滑移系
滑移方向为<111>,可能出现的滑移面有 {110}、{112}、{123}如果三组滑移面都能启动, 则潜在的滑移系数目为
6  2  12 1  24 1  48(个) {110} {112} {123}
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fcc滑移系
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hcp滑移系
密排六方晶体的滑移方向恒为<1,1,-2,0>,滑移面 为(0001)或棱柱面{1,0,-1,0}、棱锥面{1,0,-1,1}, 故滑移系统与c/a比值有关 对于c/a比较大的晶体,如Zn、Cd,其密排面为 (0001),滑移系统为(0001)×[110],由于晶 体中滑移面只有一个,此面上有三个<110>晶向, 故一共有三个等价的滑移系统; 对于c/a比较小的晶体如Mg、Ti、Zr等,滑移面除 了(0001)面,还有{100}和{101},因为这些面的 原子密度相差不多

(1





)b

 

b:柏氏矢量 G:切变模量 γ:泊松比 a:滑移面的面间距

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滑移系
• 一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系 • 在滑移的情形下,特定的晶面和晶向分别称为滑移面和
滑移方向。一个滑移面和位于这个滑移面上的一个滑移 方向组成一个滑移系统,用{hkl}[uvw]来表示 • 晶体的滑移系统首先取决于晶体结构,但也与温度、合 金元素有关
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Schmid实验结果
实验点近似位于双曲线σ×μ=常数上。按照Schmid定律,单晶体没 有确定的屈服极限σs。 晶体开始塑性变形时,τc是一定的,但是拉应力σs并不是一个常数, 它取决于单晶体的位向
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临界分切应力公式
• 对多滑移情况下基本不成立 • 临界分切应力受到成分、温度、表面情况(氧化
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滑移的晶体学特征
滑移面 晶体的滑移通常是沿着一定的晶面发 生的,此组晶面称为滑移面
滑移方向 滑移是沿着滑移面上一定的晶向进 行的,此晶向称为滑移方向
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派纳力最小
• 滑移面与滑移方向大致是最密排面和最密排方向,因为 此时派纳力最小

P

 2G
1

exp  

2a 
拉伸时,σ=E×ε,在剪切变形时τ=G×γ • 4.变形量很小,塑性变形的1%以下 • 5.不能引起组织转变
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弹性模量
• 工程设计依据-刚度 • 取决于晶体结构和原子间相互作用力
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原子间相互作用力f
• f=A/r2(吸引力) +B/r4(斥力)
• r原子间距离,A、 B常数
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晶体的性能
• 晶体的弹性变形用弹性模量E和G代表 • 晶体的塑性变形则用单向拉伸时的延伸率δ(断裂前的
最大相对伸长)和断面收缩率ψ(断裂前最大的相对断 面积缩减)来表示 • 晶体的力学性能就是弹性、塑性和强度三方面性能的综 合 • 晶体的弹性和材料的微观组织(结构)关系不大,因而 与材料的成份、热处理的关系不大,属于对结构不敏感 的性能,而晶体的塑性和强度(主要是屈服强度)对微 观组织(结构)十分敏感,属于对结构敏感的性能
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§1 单晶体金属的塑性变形
一、由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另 一部分,沿着一定晶面和晶向作相对的移动,即晶 体塑性变形的滑移机制
铝单晶体抛光后拉伸,表面出现的滑移带
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滑移带结构
~20nm

滑 移 带
滑移线

5-50nm

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单晶体金属的滑移
滑移变形是不均匀的,常集中在一部分晶面上,而 处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移,滑移带的 发展过程,首先是出现细滑移线,后来才发展成带, 而且,滑移线的数目随应变程度的增大而增多,它 们之间的距离则在缩短
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最大分切应力
对于任一给定的φ值,取向因子的最大值出现在 λ=90º- φ时:
cosφcosλ=cosφcos(90º-φ)=(1/2)sin2φ
当φ=45º时(λ也为45º),取向因子有最大值1/2,即最 大分切应力正好落在与外力轴成45º角的晶面以及与外力 轴成45º角的滑移方向上,此时得到最大分切应力
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