材料科学基础第8章 材料的变形与断裂

1、实质：与单晶体基本相同。
2、特殊性：晶界阻滞效应和取向差
效应。
65
1）晶界阻滞效应：
90%以上晶界是大角度晶界； 其结构复杂，由约几个纳米厚的
原子排列紊乱的区域；
使滑移受阻而不易直接传到相邻
晶粒。
66
67
2）取向差效应：
多晶体中，不同位向晶粒的滑移系
取向不相同；
滑移不能从一个晶粒直接延续到另
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。
39

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 2a exp 1 (1 )b
式中，b：柏氏矢量；G：切变模量 γ：泊松比；a：滑移面的面间距。
40
孪生
1 均匀切变；2 沿一定的晶面、晶向进 行；不改变结构。 不改变 改变，形成镜面对 称关系 滑移方向上原子间 小于孪生方向上的 距的整数倍，较大 原子间距，较小 很大，总变形量大 有一定的临界分切 压力 一般先发生滑移 全位错运动的结果 有限，总变形量小 所需临界分切应力 远高于滑移 滑移困难时发生 分位错运动的结果 36
45

分切应力τ大小为：
F cos cos cos A
cos cos 称为取向因子，其值越大，
则分切应力τ越大。
46
Fra Baidu bibliotek
当
φ=45º时（λ也为45º），取向 因子有最大值1/2，此时，得到最大 分切应力τmax 。
在拉伸时：


s
k cos cos
2、孪生：各晶面移动量与其离孪晶面距 离成正比，相邻晶团相对移动距离通常 只是原子间距的几分之一； 滑移：变形时，滑移距离则是原子间
距的整倍数。
33
3、孪生：晶体变形部分的位向发生变化，并 且孪晶面与未变形部分对称； 滑移：晶体位向并不发生变化。
4、孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型。
5、孪生临界分切应力值大，因此，只在很难 滑移的条件下，晶体才发生孪生。
100 ）或棱锥面（ 1-101 ），滑移系分别为 3 个和6个。但滑移方向都是<11-20>。
21
因而金属的塑性，面心立方晶格
> 体心立方晶格 > 密排六方晶格。
22
四、孪生
是以晶体中一定的晶面（孪晶面）沿 着一定的晶向（孪生方向）移动而发生 的，已滑移部分和未滑移部分镜面对称。 在切变区域内，与孪晶面平行的各层 晶面的相对位移是一定的。 实质就是一个肖克莱不全位错的移动。
的易动性。
57
58
刃位错的运动
59
6、滑移的类型
1）单滑移
只有一个特定的滑移系处于最有利
的位置而优先开动时，形成单滑移。
60
2）多系滑移：
由于变形时晶体转动的结果，有两
组或几组滑移面同时转到有利位向， 使滑移可能在两组或更多的滑移面 上同时或交替地进行，形成“双滑 移”或“多滑移”。
61
第八章 材料变形与回复再结晶
8.1 8.2 8.3 金属变形与断裂概述 滑移与孪晶 单晶体塑性变形
8.4
8.5
多晶体塑性变形
纯金属变形强化 8.7 8.8 8.9 8.10 冷变形金属组织 回复和再结晶 金属热变形 陶瓷和高分子材料变形
1
8.6
合金变形强化
第七章
材料的变形与断裂
第一节 金属变形概述 第二节 金属的弹性变形 第三节 滑移与孪晶变形 第四节 单晶体的塑性变形 第五节 多晶体的塑性变形 第六节 纯金属的变形强化 第七节 合金的变形与强化 第八节 冷变形金属的组织与性能 第九节 金属的断裂 第十节 冷变形金属的回复阶段 第十一节 冷变形金属的再结晶 第十二节 金属的热变形、蠕变与超塑性 第十三节 高分子材料(聚合物)的变形
11
包申格效应对于在交变载荷作用下的 机件寿命有重要影响。 经轻微冷变形的工件在服役时，当其 承受与原加工过程加载方向相反载荷时， 应考虑其屈服强度的降低。 消除包申格效应的方法：是预先进行 较大的塑性变形，或在使用前进行回复 或再结晶退火。
12
第三节 滑移与孪晶变形 一、滑移
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。 滑移过程，晶体位向不发生变 化，滑移晶面上下两部分的原子 相对平移一个原子间距或若干个 原子间距。
质、加工硬化等有关。
bcc的滑移方向少，48个滑移系不能同
时运动，且滑移面密排程度低，因此 fcc塑性更好。
20
HCP：
滑移面与轴比c/a有关。 当 c/a 大于或近似等于 1.633 时，滑移面为
(0001)晶面，滑移系为3个。
当 c/a 小于 1.633 时，滑移面变为柱面（ 1-
47

当、＝45时，s最小， 晶体易滑移，软取向； 当φ=90º或0º时，s=∞， 晶体不能沿该滑移面产生 滑移，硬取向。
48

49
当取向因子的变化时：
几何硬化： ， 远离 45 ，滑移变
得困难；
几何软化： ， 接近 45 ，滑移变
得容易。
50
4、滑移时的旋转与转动
固体材料的万分之一左右，而延伸率 高达500～1000%。
5
图8-1
退火纯铜的拉伸曲线
6
第二节
金属的弹性变形
弹性变形时，应变落后于应力，加载 曲线与卸载曲线不重合，存在滞弹性和 包申格效应等，这些现象称为弹性的不 完整性。
7
(一)滞弹性
在弹性范围内，快速 加载或卸载后，随时间 的延长产生附加的弹性 应变的现象被称为滞弹 性，也称为弹性后效。、 金属材料拉伸时产生 的滞弹性。 图2-2
的位错源。
位错在晶界塞积→
应力集中→ 相
邻晶粒位错源开动 →相邻晶粒变 形塑变。
72
73
4）晶界对变形的阻碍作用

多晶体的变形抗力比单晶体大， 变形更不均匀。
74
晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
75
4、晶界对机械性能的影响
1）晶粒越细，其强度和硬度越高。
原因：晶界总
一晶粒中。
68
69
3、多晶体塑性变形的特点
1）各晶粒变形的不同时性，塑性变形由 不均匀性到均匀；
C
A B
70
2）各晶粒变形的相互协调性，需要 五个以上的独立滑移系同时动作。
fcc 和 bcc 金属能满足五个以上独
立滑移系的条件，塑性通常较好；
hcp 金属独立滑移系少，塑性通常
不好。
71
3）滑移的传递，必须激发相邻晶粒
13
14
二、滑移线和滑移带
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。
15
16
三、滑移系：

晶体的滑移发生在一定的晶面和晶向，发生滑移 的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。 一个确定的滑移面与位于该滑移面上的一个滑移 方向构成一个滑移系。
23
24
25
26
27
孪晶对整个变形量的总体贡献不 大，而且临界切应力很大。但是对 hcp结构很重要。
形成的孪晶改变了晶体的位向， 使新的滑移系开动，间接对塑性变 形有贡献。
28
体心立方金属滑移系多，但在一 定特殊条件下也可发生孪晶。（纯 铁-196℃或室温冲击或爆炸成型）
面心立方金属一般不会发生孪晶， 但对于加工硬化或超低温的金属也 有可能。
29
密排六方晶体金属很容易产生孪生
变形；
体心立方晶体金属在低温下发生；
面心立方晶体金属中很难发生孪生。
30
bcc {112}< 1，1，-1 > fcc {111}<1，1，-2 > hcp {1，0，-1，2}< -1，0，1，1>
31
32
1、孪生：均匀切变；
滑移：塑性变形是不均匀的。


滑移面和滑移方向通常是晶体中的密排面和密排 方向。
一个晶体的滑移系数目是晶体有效密排面数与每 个面上的密排方向数目的乘积。 晶体的滑移系愈多，滑移过程可能选择的空间取 向就愈多，晶体的塑性就愈好。
17


FCC：
滑移面：{111}，共有四个有效滑移面。 滑移方向：110，每个滑移面上有三个
滑移系少的密排六方金属常以孪生方式变形。
34
孪生变形产生的塑性变形量一般不超过
10％，但是孪生使晶体位向变化，从而 引起滑移系取向变化，能促进滑移的发 生。
往往孪生与滑移交替发生，即可获得较
大的塑性变形量。
35
滑移 相同点
晶体位向
位移量 对塑变的 不 贡献 同 点 变形应力 变形条件 变形机制
减少，熵值下降，自由焓增高，有 自发回复到自由焓低的原始卷曲状 的趋势，这是弹性回复力产生的主 要原因。
4
能弹性也称普弹性，能弹性材料弹性
模量大，弹性变形量小，其应力-应变 关系符合虎克定律。
与能弹性材料不同，具有熵弹性的材
料的弹性模量小，弹性变形量大。
例如天然橡胶，其弹性模量仅为一般
滑移面示意图
41
3、滑移的条件
① 必要条件：
晶体的滑移是在切
应力作用下进行。
42
②充分条件：
τ大于临界分切应力τc。
43
cos
F cos cos A
44

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τ 。

分切应力τ作用在滑移方向使 晶体产生滑移。
滑移面向外力轴方向转动;
滑移方向向最大切应力方向转动。
51
切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动
52
53
54
拉伸时晶体转动机制示意图
55
5、滑移的机理 滑移是借助位错运动实现的。
多 脚 虫 的 爬行

因此，金属塑性变形的实质是位错运动。
56

晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少 数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子 间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错
9
图2-3 弹性滞后环的类型 a）单向加载 b）交变加载
10
(二)包申格效应
经预先少量塑变，卸载后再 同向加载，规定残余伸长应力 增高； 反向加载规定残余伸长应力 降低的现象，称为包申格 （Baoschinger）效应。 大多数钢材和有色合金等都 图2-4 具有包申格效应。
35钢的包申格效应
第四节 单晶体塑性变形
外 力 在 晶 面 上 的 分 解 切 应 力 作 用 下 的 变 形 锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
37
1、金属塑性变形的方式
滑移：主导作用，占90%。 孪生：辅助作用，最多占10%。
38
2、滑移的方向
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。
滑移系数目：4×3=12个。
18
BCC：
滑移面： {110} 、 {112} 、 {123} 等晶面上。
通常在低温下为 {112} ，中温时为 {110} ，
高温下为{123}。
滑移方向总是111晶向。
总滑移系数目： 6×2+12×1+24×1=48 个。
19
一般滑移系多塑性会好，但是还与杂
面积越大，位错 障碍越多；需要 协调的具有不同 位向的晶粒越多 ，使金属塑性变 形的抗力越高。
度晶 关粒 系大 小 与 金 属 强
76
室温机械性能：晶粒越细，室温强度，包 括σs，σb，σ-1较大，塑性较好，称为细晶 强化。 Hall-Petch公式： s i Kd
2
第一节
金属变形概述
金属材料、陶瓷材料和玻璃化温度以
下的高分子材料属于能弹性；
弹性回复力是键长和键角的微小改变
所引起的焓变所引起的，而熵变所引 起的弹性回复力可忽略。
处于高弹态的橡胶则属于熵弹性。
3
无应力作用时大分子链呈无规线团
状，构象数最大，因此熵值最大。
拉伸时，大分子链的伸展使构象数
3）交滑移
是指两个或多个滑移面共同沿着一
个滑移方向的滑移。
实质是螺位错在不改变滑移方向的
情况下，从一个滑移面滑转移到另 一个滑移面的过程。
62

螺位错的双交滑移：
63
4）滑移的表面痕迹
单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带；
交滑移：波纹状的滑移带。
64
第五节 多晶体塑性变形
滞弹性示意图
8
突然施加 一低于弹 性极限的 应力0， 立即产生 瞬时应变 Oa， Oa 为完全弹 性变形
若应力保持0， 随时间延长，还 会逐渐产生应变 aH，应变aH显 然与时间有关， 被称为滞弹性变 形。
应变Oe=aH随 时间延长，逐渐 消逝，所以Oe也 是滞弹性变形。
同样道理，去除应 力，立即回复的应 变eH=Oa为完全 弹性变形。