材料科学基础第五章 材料的变形与再结晶

对于密排六方结构结构，这种现象尤为明显。
• 拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴线方向。
拉伸作用在中间一层金属上下两面的作用力ζ可分为两个分应力： A 分正应力 垂直于滑移面，构成力偶，使晶块滑移面朝外力轴方向转动。 B 分切应力 当外力分解到滑移面上的最大分切应力与滑移方向不一致时，又可分解为 平行于滑移方向和垂直于滑移方向的两个分力。前一分力是产生滑移的有效 分切应力，后一分力将构成一对作用在晶块上下滑移面上的力偶，力图使滑 移方向转至最大切应力方向。
• 滑移系主要与晶体结构有关。晶体结构不同，滑移系不同；晶体中滑移系 越多，滑移越容易进行，塑性越好。
• 结论: ① 滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列的最密排面和最密排晶向。 如 fcc： ｛111｝ <110> bcc： ｛110｝、｛112｝和｛123｝ <111> hcp： ｛0001｝ <11-20> ② 每一种晶格类型的金属都有特定的滑移系，且滑移系数量不同。 如：fcc中有12个, bcc中有48个， hcp中有3个。
• (3) 弹性变形量随材料的不同而异。
• 对完全各向同性材料 υ= 0.25 对金属υ值约为0.33（或1/3） • 当υ=0.25时，G=0.4E； 当υ=0.33时，G=0.375E , K=E/3(1-2υ) ≈E • 弹性常数4个： E，G，υ，K 只要已知E和υ，就可求出G和K ， 由于E易测，因此用的最多。
5.2 晶体的塑性变形
• • • • 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 合金的塑性变形 塑性变形对材料组织和性能的影响
5.2.1 单晶体的塑性变形
• 常温或低温下，单晶体塑性变形（plastic deformation）方式： • 1. 滑移（slip） • 2. 孪生（twining） • 3. 扭折（kink）
1. 塑性指标 δ、ψ • 伸长率δ,表示均匀变形的能力，与加工硬化率n有关。 δ=（Lk－Lo）/ Lo×100% • 断面收缩率ψ,表示局部变形的能力，与缺口敏感性(度)有关。
ψ=（Fo－Fk）/ Fo×100%
2、塑性的实际意义
• 金属材料的塑性指标是安全力学性能指标；
• εf –材料均匀变形的能力。
弹性模量的技术意义
• 技术意义： E，G称为材料的刚度，它表示材料在外载荷下 抵抗弹性变形的能力 • 影响E的特征因素：
•
• • • •
与原子序数有周期性关系
E=K/γm K，m>1特征常数，γ原子半径 γ↑E↓ 温度T： T↑ 原子结合力下降，E↓ ε加载速度：对E 影响不明显 合金化（加入某种金属），热处理对E影响不明显。
• 弹性模量(E)
• (1)弹性模量（modulus of elasticity）E代表着使原子
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。 • (3) 对晶体而言，E是各向异性的。在单晶体中，沿原子 密排面E最高，沿原子排列最疏的晶向E最低。多晶体中， E各向同性。 • (4) 工程上，E是材料刚度的度量。
2、ζe<ζ<ζs 微量塑性变形开始阶段
• ζs：材料屈服极限,是开始发生塑性变形的最小应 力。
• ζ0.2:材料屈服强度（yield strength），表示以材 料产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，又 称条件屈服极限。主要用于无明显屈服的材料的 屈服点。 • ζs、ζ0.2表示材料对开始微量塑性变形的抗力。
当外力与滑移面平行或垂直时（θ=90º 或θ=0º ），则ζ→∞， 晶体无法滑移。
硬取向：晶体中有些滑移系与外力取向偏离45º 很远，需要 较大的ζs值才能滑移，称为硬取向。 • 取向因子cosθcosλ对ζ的影响在密排六方结构中尤为明显。
一些金属的滑移系和临界分切应力
（4）滑移时晶体的转动
• 随着滑移的进行，晶体的取向发生改变的现象称为晶体的转动。
此时，外力对两个滑移系的取向因子完全相同。
• 具有多滑移系的晶体，除多系滑移外, 还可发生交滑移
（cross-slip）
• bcc结构中最易发生交滑移。
（6）滑移中的位错机制
• 滑移是借助于位错在滑移面上运动来逐步进行的；
晶体的滑移必在一定外力作用下才能发生，说明位
错运动要克服阻力，该阻力来自点阵阻力，称为派
ζk：条件断裂强度
四、低碳钢ζ—ε曲线的特点
1、 ζ<ζe 弹性变形阶段（elastic deformation） 线性阶段
ζe：材料弹性极限,是材料保持弹性的最大应力。单位：MPa 该阶段符合虎克定律 ζ= Eε或 η= Gγ
E、G为弹性模量、切变模量，表示金属材料抵抗弹性变形的 能力。为ζ—ε曲线上斜率
2 弹性变形的特征和弹性模量
弹性变形的特征 • (1) 理想的弹性变形是可逆变形 • (2) 在弹性变形范围内，应力和应变间服从虎克定律(单值线性函数关系)。 正应力下:ζ= Eε E---弹性模量 切应力下: η= Gγ η、γ—分别为切应力、切应变, G---切变模量 G = E /[2（1－ν）] K = E /[3(1－2ν)] v—泊松比 ,横向收缩率与纵向伸长率的比值 K—体弹性模量,压力与体积变化率的比值
三种常见金属晶体结构的滑移系
（3）滑移的临界分切应力（ηk）
• 滑移的临界分切应力（critical resolved shear stress）:
• 计算方法:
• ηk =(F/A) cosθcosλ=ζcosθcosλ • 式中cosθcosλ为取向因子
（orientation factor），
• 根据拉伸试验研究表明，金属在外力作用下一般经历三个阶段：
弹性变形（elastic deformation） 塑性变形（plastic deformation） 断裂（fracture）
三、应力—应变曲线
原始曲线：载荷-伸长曲线 经过变换：应力-应变曲线
ζp:比例极限
ζe: 弹性极限
ζs:屈服极限 ζb: 强度极限
• 下图2中带浅咖啡色的部分为原子移动后形成的孪晶。可以看 出，孪晶与未变形的基体间以孪晶面为对称面成镜面对称关系。 如把孪晶以孪晶面上的[11-2 ]为轴旋转180度，孪晶将与基体 重合。其他晶体结构也存在孪生关系，但各有其孪晶面和孪晶 方向。
fcc晶体孪生变形示意图1
(2) 孪生的特点
• ① 孪生变形是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻 的应力集中区。因此孪生的ηk比滑移时大得多。 • ② 孪生是一种均匀切变。而滑移是不均匀的。 • ③ 孪生的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。而滑移后晶体 各部分的位向并未改变。
所以，拉伸时，在产生滑移的过程中， 晶体的位向在不断改变，不仅滑移面 在转动，而且滑移方向也改变位向。
压缩 压缩时晶体的滑移面， 力图转至与压力方向 垂直的位置。
·
几何硬化与几何软化
· 几何硬化：如果晶体滑移面原来是处于其法线与外
力轴夹角接近45º 的位向，经滑移和转动后，就会
转到此夹角越来越远离45º 的位向，从而使滑移变 得越来越困难。
3、ζs<ζ<ζb 均匀塑性变形 ε↑、ζ↑
• ζb：抗拉强度, 表示材料最大均匀塑性变形的抗力。
4、ζb<ζ<ζk 不均匀塑性变形
•
•
ζ>ζb 试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈
ζk：条件断裂强度。表示材料对塑性变形的极限抗力。
• 塑性断裂:产生一定量塑性变形后的断裂。
五、塑性
材料在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力。
• 1.滑 移 • (1) 滑移线和滑移带 • 滑移线（slip line）： 滑移线实际上是在 晶体表面产生的小台阶。 • 滑移带（slip band）是由一系列相互平行 的更细的线组成的。
铜中的滑移带 500×
滑移线和滑移带示意图
（2）滑移系
• 滑移是沿着特定的晶面(称为滑移面 slip plane)和晶向(称为滑移方向 slip direction)上运动。一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系 （slip system）。滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。
纳P—N力，其大小为： • ηP-N = 2Gexp(-2пW/b)/(1-ν) ηP-N与位错的宽度W 呈指数关系，滑移面间距d增大，w[=d /(1-ν)]增大， 或滑移方向上原子间距b减小，则ηP-N下降，滑移阻
力小, 滑移容易进行。
刃位错的滑移示意图
刃位错的滑移模型
螺位错的滑移模型
2.孪生
该值越大，ηk越大，越有利于滑移。
计算分切应力的分析图
• 当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴三者共处一个平面， cosθcosλ=coscos(90-θ)=(sin2θ)/2, 则θ=45º时，cosθcosλ=1/2，此取向最有利于滑移，即以 最小的拉应力就能达到滑移所需的分切应力。
软取向：晶体中有些滑移系与外力的取向接近45º 角，处 于易滑移的位向，具有较小的ζs值，称为“软取向”。通常是 软取向的滑移系首先滑移。
第五章 材料的变形和再结晶
概
一、 机械性能(力学性能)
述
1. 定义:材料承受外力作用的能力。 2. 机械性能四大指标： 强度、硬度、塑性、韧性。 3.实验 通过实验可以测出相应的机械性能指标， 最常见的是拉伸实验、硬度实验和冲击实验。
二、拉伸试验
⑴ 实验设备
拉伸试验的现场录像
材料试验机。 ⑵ 拉伸试样 圆试样 长试样 扁试样 短试样 ⑶ 拉伸过程
2) 弹性后效（滞弹性）
• 在弹性极限内，应变落后于应力并和时间有关的现象，叫
弹性后效或滞弹性。
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3) 弹性滞后
由于应变落后于应力，在应力—应变曲线上加载线与 卸载线不重合而形成一封闭回路。 • 弹性滞后环
• 精密仪器不希望有滞后现象
4. 黏弹性
• 黏性流动： • 牛顿黏性流动定律： ζ=η·dε/dt • 粘弹性具有弹性和粘性变形两方面的特征，它是 高分子材料的重要力学性能之一。其特点是应变 落后于应力。其ζ-ε曲线为一回线，回线所包含面 积即为内耗。 • 粘弹性模型：Maxwell模型—应力松弛（stress relaxation） • Voigt模型—蠕变回复、弹性后效、弹性记忆
• (1) 孪生变形过程 • 孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面(孪晶面)
和一定方向(孪生方向)相对于另一部分作均匀的切变所产生的
变形。但是不同的层原子移动的距离也不同。 • 变形与未变形的两部分晶体构成镜面对称,合称为孪晶（twin）。
• 均匀切变区与未切变区的分界面成为孪晶界。
• 孪晶面（twining plane）： • 孪晶方向（twining direction）：
3 弹性的不完整性
有别于理想弹性变形特点的现象。 • • • 1) 包申格效应: 2) 弹性后效(滞弹性) 3) 弹性滞后
1) 包申格效应:
指材料经预先加载产生少量塑性变形，然后同向加载则ζe升 高,反向加载则ζe降低的现象。 (应变疲劳) 实际材料T10钢的包辛格效应 • • • • • 条件：T10钢淬火350℃回火 拉伸时，曲线1 ζ0.2=1130M Pa 曲线2 事先经过预压变形再拉伸时, ζ0. 2 =880M Pa
• Ψf –局部变形的能力。 • 塑性对压力加工是很有意义的。加工硬化 • 塑性大小反映冶金质量的好坏，评定材料质量。
3 、塑性、脆性材料的划分
δ≥5%：塑性材料，低碳钢、铜合金
δ<5%： 脆性材料，铸铁。
5.1 弹性和黏弹性
1 弹性变形的本质
弹性变形（elastic deformation）
弹性变形的原因： 原子间结合力
FCC晶体孪生变形
• FCC晶体的孪生面是（111），孪生方向是[11-2 ]。图2是FCC 晶体孪生示意图。fcc中孪生时每层晶面的位移是借助于一个 不全位错（b=a/6[11-2]）的移动造成的，各层晶面的位移量与 其距孪晶面的距离成正比。孪晶在显微镜下观察呈带状或透镜 状。每层（111）面的原子都相对于邻层（111）晶面在[11-2 ] 方向移动了此晶向原子间距的一个分数值。
几何软化：经滑移和转动后，一些原来角度远离45º
的晶面将转到接近45º ，使滑移变得容易进行。
（5）多系滑移（multislip/polyslip）
• 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。
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”。