第5章材料的形变

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第5章材料形变与再结晶
主要内容 �(1)熟悉滑移、孪生变形的主要ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ点:滑 移系统; �(2)理解加工硬化、细晶强化、弥散强化、 固溶强化等产生的原因和它的实际意义; �(3)熟悉材料塑性变形后内部组织及性能 的变化,这些变化的实际意义。
金属材料生产基本流程
成分设计 熔炼
制粉 压型 烧结 后处理
铸造 热变形 冷加工 热处理
作业
�1. 为什么滑移面和滑移方向往往 是金属晶体中原子排列最密的晶面 和晶向? �2. 什么是弹性变形?并用双原子 模型来解释其物理本质。
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形 临界分切应力
对截面积为A的单晶体试棒进行 拉伸试验
假定拉力F与滑移面法线 n夹角为φ F和滑移方向b夹角为λ cosφ 滑移面的面积为 Q=A/ A/cos 滑移方向上的分力 F’=F×cos λ 滑移面上的切应力 F×cos λ)/ Q /Q=(F τ = F‘/Q=( 外力在滑移方向的分切应力
⑶滑移时,晶体两部分的相对位移量 是原子间距的整数倍. 滑移的结果在晶体表面形成台阶,称 滑移线,若干条滑移线组成一个滑移 带。
铜拉伸试样表面滑移带
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种:滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向 最大切应力方向转动。
滑移时晶面的转动
临界分切应力
通常把给定滑移系上开始产生滑移所需分切应力称为 τC 临界分切应力 临界分切应力τ
τ ≥τc
F = cos ϕ cos λ A = σ s cos ϕ cos λ
拉伸时,可以认为金属单晶体在外力作用下,滑移系一开动就 应力 相当于屈 相当于晶体开始屈服,对应临界分切应力的外加 相当于晶体开始屈服,对应临界分切应力的外加应力 应力相当于屈 σS 服强度 服强度σ
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
分切应力 τ作用在滑移方向使晶体产生 分切应力τ 滑移,其大小
F τ = cos ϕ cos λ A
为拉伸应力 F/A F/A为拉伸应力 φcos λ称为取向因子,或称施密特 cos cosφ cosλ Schmid ) 因子( 因子(Schmid Schmid) 取向因子越大,分切应力越大
外力在滑移方向的分切应力
分切应力 分切应力
F τ = cos ϕ cos λ A
φ值,取向因 对于任一给定的 对于任一给定的φ º- φ时 =90º 子的最大值出现在 λ=90
º-φ)=(1/2)sin2φ cosφcosλ=cosφcos(90 90º º时(λ也为45 º),取向因子有最大值 1/2 当φ=45 =45º 45º 即最大分切应力正好落在与外力轴成 45 º 角的晶面以及与外力轴成 45º º角的滑移方向上,此时分切应力最大 45 45º
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
2、滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实 际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面 上位错的运动来实现的。






§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
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 位错的易动性。
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形 铝单晶体抛光后拉伸,表面出现的滑移带
(a-×100;b-×12500)及滑移带的示意图(c)
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
滑移带结构
~20nm
滑 移 带
5-50nm 滑移线
滑移变形不均匀,集中在一部分晶面上,各滑移带之间的晶 体没有滑移
先出现细滑移线,发展成带 滑移线的数目随应变程度的增大而增多
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
硬取向与软取向
硬取向 º很远,需要较大的 σs值才能滑 晶体中有些滑移系与外力取向偏离 45 45º 移,称为硬取向 软取向 晶体中有些滑移系与外力的取向接近45 º角,处于易滑移位向,具有 45º 较小的σs值,称为“软取向” 通常是软取向的滑移系首先滑移
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
因而金属的塑性
BCC > FCC > HCP
课堂练习
� 体心立方晶格的晶体在受力时发生滑移,其滑移面和滑移 方向分别为 ( ) � 下列有关金属弹性变形的说法中,不对的是( A 它是可逆的,即去掉外力后变形就消失 B 应力与应变之间呈线性关系 C 弹性变形量的数值一般都比较大 D 单晶体的弹性模量是各向异性的 )
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
fcc滑移系
一个滑移面和其上的一个 滑移方向构成一个滑移系。
四个 {111} 面,每个面上 三个 <110> ,共 4×3=12 个等价滑移系 四个{111} {111}面,每个面上 面,每个面上三个 三个<110> <110>,共 ,共4 3=12个
σ 弹性模量 E = tgα = (MPa) ε
5.1
弹性和黏弹性
弹性变形特点
外力去除以后变形可以消失的变形 1.正应力、切应力和压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 在单向拉伸时,σ=Eε 在剪切变形时 τ=Gγ 4.变形量很小,塑性变形的1%以下 5.不能引起组织转变
5.1
弹性和黏弹性
弹性模量
�工程设计依据-刚度
�本质是晶体结构和原子间相互作用力
原子间相互作用力f
A B f = 2+ 4 r r
吸引力 斥力 r原子间距离 A、 B常数
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
外力作用不足以克服原子间势垒,仅偏离平衡位置, 弹性变形 外力撤销回到平衡位置,宏观上表现为 外力撤销回到平衡位置,宏观上表现为弹性变形 弹性变形物理本质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 弹性模量E,切变模量G,泊松比ν(横向、纵向变 形之比,一般金属为0.25-0.35)有关系
bcc滑移系
不具有 突出的 最密集 晶面
{110} 面,每个面上 两个 <111> ,共 6×2=12 个等价滑移系 六个 六个{110} {110}面,每个面上 面,每个面上两个 两个<111> <111>,共 ,共6 2=12个 个{112} 面,每个面上 一个 <111> ,共 12 ×1=12 个等价滑移系 12 12个 {112}面,每个面上 面,每个面上一个 一个<111> <111>,共 ,共12 12× 1=12个 个{123} 面,每个面上 一个 <111> ,共 24 ×1=24 个等价滑移系 24 24个 {123}面,每个面上 面,每个面上一个 一个<111> <111>,共 ,共24 24× 1=24个
泊松比数值
解释
不可压缩或拉伸中无体积变化
0.5 0.0 0.49~0.499 0.20~0.40
没有横向收缩 橡胶的典型数值 塑料的典型数值
∆V 压缩应变 压缩应变 Compression Compression ∆ = V0 strain strain
压缩模量 Modulus of compression
微观上单晶体的塑性变形的基本方式只有两种:滑移和孪生 多晶体高温阶段还有晶界滑动和扩散性蠕变
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
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
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
Only two independent variables
(E) 小结 弹性模量 弹性模量(E) (E)小结
弹性模量( modulus of elasticity ) E 代表 (1) (1)弹性模量( 弹性模量(modulus elasticity) 着使原子离开平衡位置的难易程度,是表征晶体 中原子间结合力强弱的物理量。 (2) E 是组织不敏感参数。 E是组织不敏感参数。 E 是各向异性的。在单晶体 (3) 对晶体而言, 对晶体而言,E E最高,沿原子排列最疏的晶 中,沿原子密排方向 中,沿原子密排方向E E各向同性。 向E最低。多晶体中, 最低。多晶体中,E E是材料刚度的度量。 (4) 工程上, 工程上,E
5.1
弹性和黏弹性
5.2
塑 塑 性 性 变 变 形 形 指标为: 伸长率: 断面收缩率:
晶体的塑性变形
屈 服 强 度
l1 − l0 δ= ×100% l0
F0 − F1 ψ= × 100% F0
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
5.2
晶体的塑性变形
塑性变形的方式
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 宏观上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
金属材料生产基本流程
自 由 锻 造
模 膛 锻 造
金属材料生产基本流程
2)板料冲压(又称薄板冲压和冷冲压)
应力σ = P/F0 应变ε = (l-l0)/l0
拉 伸 试 验 机
低碳钢的应力-应变曲线
拉伸试样
5.1
弹性和黏弹性
1、弹性和刚度
弹性是材料变形中表现出 的一种行为,在外力作用 下物体产生了变形,当外 力去除后能回复原来形状 的能力称为物体的弹性性 质,这种可逆变形就叫做 弹性变形。
hcp晶体的可能滑移系
面,每个面上 三个< 1120 > ,共 1×3=3 个等价滑移系 1个{0001} {0001}面,每个面上 面,每个面上三个 ,共1 3=3个 hcp 金属滑移系数目较少, HCP 金属的塑性通常都不太好 由于 由于hcp hcp金属滑移系数目较少, 金属滑移系数目较少,HCP HCP金属的塑性通常都不太好
滑移小结(滑移变形的基本特点)
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
一、滑移 滑移是指晶体的一部分沿一定的 晶面和晶向相对于另一部分发生 滑动位移的现象。
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
1、滑移变形的特点 :
⑴ 滑移只能在切应力的作用下发生。产 生滑移的最小切应力称临界切应力.
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
⑵ 滑移常沿晶体中原子密度 最大的晶面和晶向发生。? 因原子密度最大的晶面和 晶向之间原子间距最大, 结合力最弱,产生滑移所 需切应力最小。
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
一个滑移面和其上 的一个滑移方向构 成一个滑移系。 三种典型金属晶格的滑移系
晶格 滑移面 {110} {110} {111} 滑移 方向 滑移系 体心立方晶格 {111} 面心立方晶格 密排六方晶格
§5.2.1 单晶体金属的塑性变形
滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性也越 好,其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。
P PV0 体积模量 B K= = ∆ ∆V
The relationship between Young’s modulus E, shear modulus G and compression modulus K K
对于各向同性材料:
E = 2G (1 + ν ) = 3B K(1 − 2ν )
E G= 2(1 + v)
晶体的弹性变形用弹性模量E和G代表
Poisson’s ratio 泊松比 ν
在拉伸实验中,材料横向单位 宽度的减小与纵向长度的增加 之比值。
∆m / m0 εT ν =− =− ∆l / l 0 ε
Possion ratios for different materials
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
τc σs = cos ϕ cos λ
º φ=45 =45º
t φ cos λ= 屈服应力 cos cosφ cosλ 1/2 ,取向因子达到最大值,产生拉伸变形的 ,取向因子达到最大值,产生拉伸变形的屈服应力 最小
c
º或 0 º 时 φ=90 =90º σS =∞, 晶体不能沿该滑移面产生滑移 τC是材料的性质,对于一定的金 临界分切应力 临界分切应力τ 晶体的本质 ,而 属,是一个常数,它只取决于 属,是一个常数,它只取决于晶体的本质 晶体的本质,而 取向无关 。单晶的屈服强度σ s,却与 与晶体的 与晶体的取向无关 取向无关。单晶的屈服强度 ? 晶体取向有关。 晶体取向有关。?
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