材料科学基础_材料的塑形变形

第三节
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滑移的位错理论分析
滑移的实质是位错的运动 位错的增殖 位错的交割 位错的塞积 加工硬化
滑移的实质是位错的运动
大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上 的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切 应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错 从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的 滑移。
滑移的实质是位错的运动
位错的滑移面就是晶体的滑移面，柏氏矢量的 方向就是晶体的滑移方向。为了使位错的能量较低， 在结构容许的条件下，尽量减小柏氏矢量，所以原子 的密排方向就成为了位错的柏氏矢量的方向。
位错的增殖
塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产 生滑移台阶，但位错的数量(位错密度)却在不 断的增加，这是因为在外应力作用下发生塑性 变形时位错会发生增殖。
3. 应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部 某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比 值称为“线应变”；物体内两互相垂直的平面在变 形后夹角的改变值称为“剪应变”或“角应变”； 变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位 体积之比值称为“体积应变”。
变形过程
低碳钢的拉伸曲线如 图所示。 在应力低于弹性极限 σ e时，材料发生的 变形为弹性变形；应 力在σ e到σ b之间将 发生的变形为均匀塑 性变形；在σ b之后 将发生颈缩；在K点 发生断裂。
塑性变形过程－－颈缩
1. 颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形， 产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域 进行。 2. 特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降， 工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真 实应力依然在上升。
3. 极限强度：材料开始发生颈缩时对应的工程 应力σ b ，这时试样出现失稳，颈缩真实应 力依然在上升，但能承受的总外力在下降。
滑移的实质是位错的运动
对应于位错运动，在滑 移的过程中，只需要位错中 心上面的两列原子（实际为 两个半原子面）向右作微量 的位移，位错中心下面的一 列原子向左作微量的位移， 位错中心便会发生一个原子 间距的右移。由此可见，通 过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原 子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极 少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的临界切 应力便远远小于整体刚性滑移。
临界分切应力：当外力在某个滑移面的滑移方向上的 分切应力达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑 移，材料开始发生塑性变形，这个切应力值叫临界分 切应力，它是决定材料强度的直接因素。 首开滑移系: 在某一外力作用下，取向因子最大的滑 移系将有最大的分切应力，外力加大，它将首先达到 临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子最大 的滑移系称为这个外力下的首开滑移系。
塑性变形过程－－屈服
1. 屈服：材料开始发生塑性变形。 2. 屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形， 这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿 状的平台。这是部分材料所具有的特征。 3. 屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗 力，也称为屈服极限，用σ s表示。对具有屈服现象 的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服 现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变答0.2% 时的应力值表示。
位错的塞积
位错运动时，在其 前沿如果有障碍(如晶界、 不可变形的硬质点……)， 就停留不能前进，若同一 位错源不断产生一系列位 错源源而来，在此将产生 塞积。
位错的塞积在该处产生大的应力，可能带来的 后果有：①螺位错可改变滑移面而发生交滑移；② 晶界处的应力可能迫使相邻晶粒中的位错运动来松 弛应力；③无发松弛就有可能在此处造成裂纹。
塑性变形过程－－断裂
1. 断裂：变形量大至K点，试样发生断裂。
2. 实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力， 原子间的结合破坏而分离。
3. 韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂 叫“韧性断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶 粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。
4. 脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其 断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。 脆性断裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂”，断口 凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为 “穿间断裂”，断口比较平坦。
施密特定律
直接推动滑移的是在 滑移方向上的分切应力。 在同一外加应力作用下， 不同的滑移系因自己的取 向不同，对应的分切应力 也不相同。
图示一单晶体单向拉 伸，滑移面法线方向与外 力的夹角为υ ，滑移方向 和拉力轴的夹角为λ ，注 意到滑移方向、拉力轴和 滑移面的法线三者一般不 在一平面，即 υ +λ ≠900 。
施密特定律
因子或施密特因 子。当υ +λ = 900，取向 因子有最大值0.5。
施密特定律
滑移方向上的分切应力为：
称为施密特定律，τ c是一 常数，但材料的屈服强度 σ s则随拉力轴相对于晶体 的取向不同而不同，即晶 体材料存在各向异性。
临界分切应力与首开滑移系
第一节
• • • • • 名词概念 变形过程 弹性变形 塑性变形 塑性变形的方式
变形概述
变形过程中的名词概念
1. 变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。
2. 应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同 截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。
等效滑移系: 在某一外力作用下，取向因子相同的滑 移系将有相同分切应力，外力加大，它将同时达到临 界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子相同滑 移系称为这个外力下的等效滑移系。
滑移变形的主要特点
1. 滑移只能在切应力的作用下发生。 2. 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向 发生。这是因为只有在最密晶面之间的面间 距最大，原子面之间的结合力最弱，沿最密 晶向滑移的步长最小，因此这种滑移所需要 的外加切应力最小。 3. 滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移 方向的距离为原子间距的整数倍，滑移的结 果会在晶体的表面上造成台阶。
例如
位错的增殖
利用Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上 有一段位错，CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位 错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号 位错相消，产生一位错环，内部CD段还存在。反复可 生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶 可为柏氏矢量的整数倍。
位错的交割
不在同一个滑移面 上的两位错运动的过程 中可发生交割。图示例 子表示如果位错AB向下 运动扫过位错CD，由于 扫过区间的晶体两边发 生了柏氏矢量大小的滑 移，在位错CD上产生了 EF转折，EF长度为AB的 柏氏矢量，EF位错的柏 氏矢量不发生变化，位 错的性质和原来可能不 一样。
4. 滑移的同时必然伴随有晶体的转动。
滑移变形的主要特点
滑移变形在晶体表面形成的滑移线
滑移时晶体的转动
当外力作用于单晶体 试样上时，它在某些相邻 层晶面上所分解的切应力 使晶体发生滑移，而正应 力和垂直滑移方向的另一 分切应力因滑移错开组成 一力偶，使晶体在滑移的 同时向外力方向发生转动。 转动的趋势为滑移面趋于 平行拉力方向，滑移方向 也趋于平行拉力方向。
塑性变形过程－－均匀变形
1. 均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体 进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力， 材料的变形将不能继续下去。 2. 原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生 了加工硬化。 已经发生变形处的强度提高， 进一步变形困难，即变形要在更大的应力作 用下才能进行。下一步的变形发生在未变形 或变形相对较小的位置，达到同样变形后， 在更大的应力作用下发生变形。
加工硬化
材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、 韧性明显下降的现象称为加工硬化。这种加工硬化的 作用在拉伸时的应力--应变曲线中可看出，材料屈服 后要继续变形只有不断增加外力。
滑移系
滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排 晶面； 滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最 密排方向； 一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以 滑移的方式称为“滑移系”。
典型晶格的滑移系
FCC
滑移系对性能的影响
晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大， 材料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的 滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。 在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心 立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有12个滑移系， 但铁的塑性不如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁 及锌等，因其滑移系仅有3个，故其塑性远较具有立 方晶格的金属差。
弹性变形
1. 定义：变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全 恢复，变形消失。 2. 特点：服从虎克定律，及应力与应变成正比
3. 比例系数E称为弹性模量G称为切变模量，它反映材 料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度” 。 4. 实质： 弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内 部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间 的结合力。晶体材料反应为晶格发生了伸长(缩短) 或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去 除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。
第二节
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单晶体的滑移
滑移概念 过程说明 滑移系 施密特定律 临界分切应力 滑移变形的主要特点
滑移概念
滑移：滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定 的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的 另一部分发生的相对滑动
滑移过程说明
在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一 步将使晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新 的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久 的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体 的表面将出现滑移产生的台阶。 作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不 能使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产 生塑性变形；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分 离，材料则出现断裂。 材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑 性变形，但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶 格沿另外的方向上发生滑移。
位错的交割
若 AB为一个源发出 的一批位错，EF则为多 倍长。如果CD为如图的 刃位错，AB上也留下一 转折。转折的性质不一 样，有的在位错的线张 力作用下可消失，或以 相同滑移方向一起滑移 的称为扭折；有的不仅 不能消失，而且滑移面 也不同而不能一起运动， 这种称为割阶。割阶成 为位错运动的阻碍。
塑性变形
1. 定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力 大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还 发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到 完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。
2. 塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸 长率(δ %)或断面减缩率(ψ %)表示。
3. 实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内 部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原 子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。
第八章
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材料的塑性变形
变形概述 单晶体的滑移 滑移的位错理论分析 多晶体的塑性变形 其他塑性变形方式 塑性变形对组织性能的影响
塑性变形引言
塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也 是材料成型的一种重要加工方法。大多数金属均具有 良好的塑性变形能力，这也是金属材料获得广泛应用 的重要原因之一。塑性变形可以改变金属的外形，也 是塑性材料成形的主要方法之一。同时塑性变形也会 改变材料的内部组织和结构，从而影响到它的宏观性 能，可使材料的某些性能如强度等得到显著的提高。 但在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能带来 某些不利的影响，为了消除塑性变形(冷加工)这些不 利的影响，在加工之后或加工过程中，通常还对材料 进行加热，使其内部发生回复和再结晶过程。所以， 塑性变形和再结晶是材料研究中的重要问题。
塑性变形的方式
材料在外力作用下发生塑性变形，依材料 的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性 变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方 式有：滑移、孪生、蠕变、流动。 其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。 而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样 只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度 的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为 液体，可以维持自己形状的位固体、