材料科学基础&六塑性变形课件.ppt

1、1第六章 塑性变形第一节 金属的应力应变曲线一 工程应力应变曲线拉伸试验基本过程：将GB6397-86制作的标准试样（长试样l10d和短试样l=5d）放在拉伸试验机上缓慢拉伸，试样在载荷P下缓慢伸长，直至断裂.。通过拉伸试验，拉伸试验机记录和绘制出载荷P和伸长量l=l-l0 的关系曲线称之为拉伸图。最后在拉伸图的基础上得到工程应力应变曲线。2典型的应力应变曲线3二 真实应力应变曲线真实应力应是瞬时载荷P与瞬时面积F之比真应变e应是瞬时伸长量除以瞬时长度，即 FPS lllllldldee0)ln(ln0均匀塑性变形阶段的真应力-真应变曲线，称为流变曲线，它们之间的关系如下：nkeS n值越大，

2、变形时的强化效果越明显 4本章介绍的内容：由简单到复杂单晶体塑单晶体塑性变形性变形多晶体塑多晶体塑性变形性变形合金塑性合金塑性变形变形塑性变形组织塑性变形组织及性能及性能单相单相多相多相机理机理5第二节第二节 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。一、滑移1 滑移现象定义：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移。6特点：晶体结构类型并未改变。滑移的组织形态：光镜下：滑移带（无重现性）。电境下：滑移线。显微组织特点：抛光后可能看不见。2 滑移系 滑移是沿着特定的晶面 和 晶向进行的。滑移面（密排面）滑

3、移方向（密排方向）滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系7滑移系的特点：1）滑移面总是晶体的密排面，而滑移方向也总是密排方向。2）每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系。滑移系的多少在一定程度上决定了金属塑性的好坏。滑移系的个数:(滑移面个数）（每个面上所具有的滑移方向的个数）。每一个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间方向。滑移过程可能采取的空间取向越多，塑性越好 8 在其他条件相同时，金属塑性的好坏不只取决于滑移系的多少，还与滑移面原子密排程度及滑移方向的数目等因素有关 晶体结构晶体结构滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移系数目滑移系数目常见金属常见金属面心立方面心立方11

4、14312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo体心立方体心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti9力学模型：设：轴向拉力P，拉伸轴与滑移面法向ON及滑移方向OT的夹角分别为和 。则：P在滑移方向的分力为Pcos 滑移面的面积为A/cos P在滑移方向的分切应力为 3 临界分切应力滑移是在切应力作用下发生的滑移发生的力学条件：滑移系是否发生滑动，决定于沿此滑移系的分切应力的大小，当分切应力达到某一临界值时，滑移才能发生。coscoscoscoscos/cosoAPAP10当s ss，外加应力等于屈

5、服强度时：宏观上：晶体出现塑性变形。微观上：晶体开始滑移。此时滑移方向上的分切应力达到临界值，称为临界分切应力。tk：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。coscosmmskm称为取向因子，或称施密特因子（Schmid）。m与塑性变形：m越大，越有利于滑移。tk的特点：1)临界分切应力的大小主要取决于金属的本性，与外力无关。当条件一定时，各种晶体的临界分切应力各有其定值2)是一个组织敏感参数。11(材料的组织决定材料的性能，因此实际上临界切应力决定了材料的屈服强度)4 滑移时晶体的转动1）位向和晶面的变化滑移过程中，滑移面和滑移方向的转动必然导致取向因子的改变。2）取向因子的变化几何硬

6、化几何软化125 多滑移1）单滑移：只有一组滑移系处于最有利的取向（m最大）时，分切应力最大，便进行单系滑移。2）多滑移：在多个（2）滑移系上同时或交替进行的滑移。发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。3）交滑移 交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。13多滑移多滑移14交滑移交滑移15交滑移和多滑移的区别：发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带；发生交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带。交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限制。可以同时进行共向滑移。6 滑移的位错机制 位错线看作是晶体中已滑移区域和未滑移区域的分界。16二 孪生1 孪生现象在切应力作用下，晶体的一部分相对于

7、另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。17变形部分与未变形部分以孪晶面为准，构成镜面对称，形成孪晶。孪晶在显微镜下呈带状或透镜状。2 孪生变形的特点1）孪生使一部分晶体发生了均匀的切变，而滑移是不均匀的，只集中在一些滑移面上进行。2）孪生后晶体变形部分与未变形部分成镜面对称关系，位向发生变化。185）由于孪生变形时，局部切变可达较大数量，所以在变形试样的抛光表面上可以看到浮凸，经重新抛光后，虽然表面浮凸可以去掉，但因已变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或浸蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。3）孪生比滑移的临界分切应力高，萌发于滑移受阻因其的局

8、部应力集中区。4）孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。孪生改变了晶体位向，使某些滑移系处于有利位向，滑移能够重新开始 19第三节第三节 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生。一、晶粒取向的影响1 变形过程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202 晶粒之间变形的协调性 （1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。（2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）（3）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化多晶体变形协调性：多晶体的每个晶粒都处于其他晶粒的包围之中，其变形必须与周围的晶粒相互协调配合。结果：多晶体的塑性变形较单晶

9、体困难，其屈服应力也高于单晶体。21二、晶界的影响1多晶体变形的现象2晶粒大小与性能的关系 晶粒越细，强度越高，塑性韧性越好。1）对强度的影响细晶强化霍尔配奇公式:HALL-PETCH公式ss=s0+kd-1/22）对塑性、韧性的影响22第四节第四节 合金的塑性变形合金的塑性变形提高强度的另一方法是合金化。合金塑性变形的基本方式仍是滑移和孪生，但因组织、结构的变化，塑性变形各有特点。一、固溶体的塑性变形1 固溶强化现象影响因素：1）熔质原子不同，强化效果不同 232）熔质原子浓度提高，强化作用越大，但不保持线性关系，低浓度时强化效应更为显著。3）熔质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也

10、越大。4）形成间隙固熔体的熔质元素比形成置换固熔体的熔质元素的强化作用大。5）熔质原子与基体金属的价电子数相差越大，则固熔强化作用越强。2 强化机制1)晶格畸变，阻碍位错运动；2）柯氏气团强化。24二、二、屈服和应变时效屈服和应变时效1 1 屈服现象屈服现象吕德斯带吕德斯带：屈服延伸阶段，试样的应：屈服延伸阶段，试样的应变式不均匀的。应力到达上屈服点时，变式不均匀的。应力到达上屈服点时，在试样的应力集中处首先开始塑性变在试样的应力集中处首先开始塑性变形，在试样表面观察到与纵轴呈约形，在试样表面观察到与纵轴呈约4545交角的应变痕迹。交角的应变痕迹。吕德斯带扩展吕德斯带扩展：应力降到下屈服点，：

11、应力降到下屈服点，吕德斯带沿试样长度方向扩展开来，吕德斯带沿试样长度方向扩展开来，此即屈服延伸阶段。当屈服扩展到整此即屈服延伸阶段。当屈服扩展到整个试样标距范围时，屈服延伸阶段即个试样标距范围时，屈服延伸阶段即告结束。告结束。吕德斯带危害吕德斯带危害：因屈服延伸区的不均：因屈服延伸区的不均匀变形（吕德斯带）使工件表面粗糙匀变形（吕德斯带）使工件表面粗糙不同。不同。252 应变时效原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。低碳钢时效图低碳钢时效图26三 多相合金的塑性变形单相合金的强化：加入第二相形成多相合金。第二相可通过相变热处理（沉淀强化，时效强化）或粉末冶金方法（弥散强化）获得 多相合金根据第

12、二相粒子的尺寸大小分类多相合金多相合金聚合型聚合型弥散型弥散型第二相的尺寸与基体晶粒尺寸属同一数量级 第二相很细小，且弥散分布于基体晶粒内 271 聚合型两相合金的变形 性能按下列方法估计1）两相都具有较好的塑性，合金的变形阻力决定于两相的体积分数。2）软基体硬第二相合金的性能除与两相的相对含量有关外，在很大程度上取决于脆性相的形状和分布。第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）,易沿晶脆断；原因：因塑性相晶粒被脆性相包围分割，少量塑变即脆断221128两相呈层片状分布（珠光体）；特点：变形主要集中在基体相中，位错的移动被限制在很短的距离内，增加了继续变形的阻力，使其强度提高。片层间距越小，其强度越

13、高 第二相呈颗粒状分布（球状渗碳体）。强度降低，塑性、韧性得到改善 29二 弥散型合金的塑性变形1 不可变形微粒的强化作用 位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动)位错克服第二粒子的阻碍作用，克服位错环对位错源的反向应力。继续变形时必须增大外应力，从而使流变应力迅速提高302 可变形微粒的强化作用 当第二相偎可变形微粒时，位错将切过粒子使其与基体一起变形31第五节第五节 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能 一、对显微组织的影响1 形成纤维组织塑性变形量很大时，各晶粒已不能分辨而成为一片如纤维状的条纹，称为纤维组织 1）晶粒拉长;2）杂质呈细带状或链状分布。纤维组织具有明显的各向

14、异性，纵向的强度和塑性高于横向。2 形成大量亚结构即形成变形亚晶亚晶粒是加工硬化的原因之一32二 变形织构1 变形织构择优取向：塑性变形过程中晶粒的转动，使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致的现象变形织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。特征:各向异性 332 类型丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形方向。（轧制时形成）343 对性能的影响 不利：造成变形不均匀，制耳。有利：硅钢片织构可减少铁损35三、残余应力（约占变形功的10）外力所做的功除了转化为热量之外，还有约10%的变形功被保留于金属内部，称为

15、储存能，表现为变形金属的残留应力（弹性应变）和点阵畸变（点阵缺陷）。1 第一类残余应力（s）宏观内应力:由整个物体变形不均匀引起。作用：表面残留压应力，可显著提高其疲劳强度 2 第二类残余应力（s）微观内应力:由晶粒变形不均匀引起。作用：造成显微裂纹并导致工件的破坏 363 第三类残余应力（s）：点阵畸变:由位错、空位等引起。80-90%。作用：使金属处于热力学不稳定状态，是“回复和再结晶”的驱动力 37四 塑性变形对性能的影响1 应变硬化（加工硬化）定义：冷变形金属随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化，也称形变强化。382 加工硬化的作用1）强化金

16、属的一种方法，对一些不能用热处理强化（固态下无相变）的材料尤为重要。2）加工硬化使塑性变形能够均匀地分布于整个工件，不致集中在某些局部区域而引起破裂。3）加工硬化还可以提高零件或构件在使用中的安全性。4）加工硬化使金属在冷加工过程中，变形抗力会不断增加，增加动力及设备消耗。393 加工硬化曲线 1）典型的单晶体加工硬化曲线第阶段：易滑移阶段 特点：此阶段接近于直线，其斜率很小。第阶段：线性硬化阶段。特点：应力急剧增加，呈直线，斜率几乎恒定且最大值。第阶段：抛物线硬化阶段。特点：硬化曲线呈抛物线状。402）解释：位错的运动易滑移阶段:应力低，少量的软取向滑移系开动位错受阻碍少，易运动。流变较大。

17、线性硬化阶段：多滑移，位错间的交互作用导致位错交割，塞积等作用，阻碍位错运动，加工硬化率高。抛物线硬化阶段：应力极高，位错通过交滑移绕过障碍，异号位错抵消等，降低位错密度，加工硬化率下降。3）不同晶格类型的单晶体加工硬化曲线面心立方晶体为典型的三阶段加工硬化特征 414）多晶体加工硬化曲线因其变形中晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求，其加工硬化曲线通常更陡，加工硬化速率更高。42 第六节第六节 聚合物的变形聚合物的变形聚合物的变形特点：强烈地依赖于温度和时间，表现为弹性材料和黏弹性流体之间一、热塑性聚合物的应力应变曲线 43聚合物具有黏弹性，其应力应变行为受温度、应变速率的影响很大。44二

18、、冷拉有些聚合物在屈服后能产生很大的塑性变形，其本质与金属也有很大不同。如图如果试样在拉断前卸载，或试样因被拉断而自动卸载，则拉伸中产生的大变形除少量可恢复外，大部分变形将保留下来，这样一个拉伸过程称为冷拉。45三、剪切带与银纹1剪切带聚合物的屈服塑性变形是以剪切滑移的方式进行的。滑移变形可局限于某一局部区域，形成剪切带2 银纹某些聚合物在玻璃态拉伸时，会出现肉眼可见的微细凹槽，类似于微小的裂纹。因其能反射光线而看上去银光闪闪，故称之为银纹。46部位：通常起源于试样表面并和拉伸轴垂直。银纹与裂纹的区别：裂纹的两个张开面之间完全是空的，而银纹面之间由高度取向的纤维束和空穴组成的，仍具有一定强度。

19、47四、热固性塑料的变形热固性塑料是刚硬的三维网络结构，分子不易运动拉伸特点：表现出脆性金属或陶瓷一样的变形特性。压缩特点：在压应力下能发生大量的塑性变形。481 1 前言前言 陶瓷材料大都是脆性材料，对缺陷十分敏感，故其强度试验结果的分散性大。要使陶瓷材料作为结构材料在工程中获得应用，需要对其力学性能做更多的研究，并对其力学性能的试验结果做统计分析。此外，玻璃、光导纤维、电瓷、红外窗口材料等也属于陶瓷材料，对这些材料力学性能的研究报导也日益增多。第七节第七节 陶瓷材料的力学行为陶瓷材料的力学行为49除少数几个具有简单的晶体结构，如MgO，KCl，KBr等，在室温下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶体

20、结构复杂，室温下没有塑性，因而是脆性材料。脆性材料的拉伸试验只能测定其弹性模量和断裂强度。2 陶瓷材料的弹性模量50材材料料E/GPa材材料料E/GPa材材 料料E/GPa金刚石金刚石1200W2C428NbC345WC717MoSi2380Be2C317TiB2648BeO352SiC485Al2O3510FeSi2345B4C455TiC490ZrC345ZrB2440表13-1 典型陶瓷材料的弹性模量51气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响)5.21()1(ppEEoeff式中E0为无孔隙时陶瓷材料的弹性模量，p为孔隙率。52金属与陶瓷材料-e曲线的弹性部分。533 陶瓷材料的强度陶瓷材料在常

21、温下延伸率和断面收缩率均近似为零。可以认为，陶瓷材料的抗拉强度b,断裂强度f和屈服强度在数值上是相等的。而且，陶瓷材料不论在拉伸、弯曲、扭转，或轴向压缩应力状态下均发生脆性断裂。因此，陶瓷材料可认为是本征脆性材料。此外,陶瓷材料的轴向压缩强度比抗拉强度大得多。这是脆性材料的一个特点或优点。和金属材料相比，陶瓷材料在高温下具有良好的抗蠕变性能，而且在高温下也具有一定的塑性。54实际的陶瓷组织结构中存在工艺缺陷，若其中的缺陷是裂纹，则其真实断裂强度应采用Griffith公式；若其中的缺陷是微孔洞，则其真实断裂强度可按下式估算)5.21()1(2/3ppof式中0为无微孔洞材料的断裂强度。55孔隙率对陶瓷材料断裂强度的影响应减小结构陶瓷中的孔隙率，以提高材料的弹性模量和强度。孔隙率对陶瓷材料断裂强度的影响