材料科学基础第五章 材料的变形与再结晶

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。
• 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
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。
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
• 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
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
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。
• 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。
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。
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。
• (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。
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。
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
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），
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。
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。
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
• 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。
• (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）：
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.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。
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。