材料科學(xué)基礎(chǔ)第六章1ppt課件.ppt

第六章塑性變形,機械零件在加工或使用時都會發(fā)生變形，材料對變形的承受能力直接關(guān)系到零件的使用壽命。本章主要討論金屬材料的變形方式和塑性變形機制，簡單介紹陶瓷和高分子材料的變形特點。,1,6.1金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線6.1.1工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(以低碳鋼為例)1當(dāng)應(yīng)力低于e時，應(yīng)力與應(yīng)變成正比：=EE稱為彈性模量，表示材料的剛性。此應(yīng)力范圍內(nèi)撤去應(yīng)力則變形完全消失，稱為彈性變形。,2,e稱為彈性極限(elasticlimit)。2應(yīng)力超過e時發(fā)生塑性變形，應(yīng)力去除后變形部分恢復(fù)。開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力叫屈服極限(surrenderlimit)s。對于無明顯屈服極限的材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力作為屈服極限，以0.2表示。,3,3外力超過s(0.2)后，材料發(fā)生明顯而均勻的塑性變形，要增大應(yīng)變必須提高應(yīng)力。這種隨變形增大，變形抗力也增大的現(xiàn)象叫加工硬化(strainhardening)或應(yīng)變硬化。應(yīng)力達(dá)到b后，材料均勻變形結(jié)束，b叫材料的抗拉強度(tensilestrength)，是材料極限承載能力的標(biāo)志。4應(yīng)力達(dá)到b時，材料開始發(fā)生不均勻變形，形成頸縮。應(yīng)力隨之迅速下降，達(dá)到k時材料短裂。k叫條件斷裂強度(rupturestrength)。,4,斷裂后的試樣殘余變形量l=(lk-l0)與原始長度l0的百分比稱為延伸率(percentageofelongtation)：=(lk-l0)/l0100%(6-1)試樣的原始截面積F0和斷裂時的截面積Fk之差與F0的百分比稱為斷面收縮率(percentageofareareduction)：=(F0-Fk)/F0100%(6-2)和都是材料的塑性指標(biāo)，表示金屬的塑性變形能力。,5,6.1.2真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線：在實際拉伸過程中，試樣橫截面在不斷變化，試樣所受的真應(yīng)力S應(yīng)是瞬時載荷P與瞬時截面積F的比值：S=P/F(6-3)真應(yīng)變?yōu)樗矔r伸長量除以瞬時長度：de=dl/l(6-4)總應(yīng)變?yōu)椋篹=de=ll0dl/l=lnl/l0=ln(1+)(6-5),6,7,圖6-2為真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。與工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的區(qū)別是：試樣產(chǎn)生頸縮以后，盡管外加載荷已經(jīng)下降，但真應(yīng)力仍在升高(截面收縮速率大于載荷下降速率)，直到Sk，試樣斷裂。Sk稱材料的斷裂強度(rupturestrength)。一般把均勻塑性變形階段的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線稱為流變曲線(flowcurve)，其關(guān)系為：S=ken(6-6)n稱為形變強化指數(shù)。密排六方的n較小，體心立方，特別是面心立方的n較大。,8,6.2單晶體的塑性變形材料通常是多晶體，多晶體變形與每個晶粒的變形密切相關(guān)。單晶體常溫塑性變形的主要方式有滑移和孿生兩種。6.2.1滑移6.2.1.1滑移現(xiàn)象：將一塊單晶體進行一定的塑性變形后，原來拋光的表面會出顯許多平行的線條。,9,這些平行線條稱為滑移帶。每一條滑移帶都是由許多聚集在一起的相互平行的滑移線組成，每一條滑移線都對應(yīng)一個小臺階。臺階間距大約為幾十納米，高度約為幾百納米。,10,X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)：1變形晶體的結(jié)構(gòu)類型并未改變，滑移線兩側(cè)的晶向也沒變。即晶體的滑移是晶面間的平移滑動，滑動結(jié)果在表面留下滑移臺階。2滑移的分布不均勻，只集中于某些晶面，而相鄰兩條滑移線之間的晶體沒有滑移。,11,12,13,14,15,*由于四軸晶系中ai組合的不獨立性，任意兩個a基矢的合成矢量都是剩余基矢的負(fù)數(shù)，如:a2+a3=-a1,如果要用晶向指數(shù)表示a1方向,就必須選擇a1的模長使其合成矢量不為0(通常選1),于是有:a1:2110;其余類推。,16,結(jié)論：1滑移面總是晶體的密排面，滑移方向也總是晶體的密排方向。這是因為密排面之間的面間距大，滑移阻力(派納力)??；密排方向原子密度大，移動距離短。2每一種晶格類型都具有特定的滑移系。面心立方金屬為12個：111；密排六方金屬有3個：(0001)；體心立方?jīng)]有明顯密排面，可能的滑移系48個：110,112,123.,17,*派納力：Peierls-Nabarro力，位錯滑移臨界切應(yīng)力。P=2G/(1-)exp-2a/(1-)b式中：b為柏氏矢量；G為切變模量；為泊松比；a為滑移面間距。從此式可以看出：面間距a越大派納力越?。话厥鲜噶縝越小派納力越小。,18,滑移系在一定程度上決定了金屬塑性的好壞。如面心立方和體心立方金屬的塑性好于密排六方金屬。但在相同條件下，金屬塑性好壞還取決于滑移面原子密排程度及滑移方向的數(shù)目等因素。如-Fe有48個滑移系，但滑移方向只有兩個(不區(qū)別正反)，比面心立方(3個)少，而且滑移面的密排程度也較低，所以其塑性要比鋁，銅等面心立方金屬差。,19,6.2.1.3臨界分切應(yīng)力：滑移在切應(yīng)力作用下發(fā)生。晶體中某滑移系是否滑動，取決于該方向上的分切應(yīng)力是否達(dá)到臨界值。有一截面積為A的圓柱形單晶，受軸向拉力P的作用。拉伸軸與滑移面法向ON的夾角為，與滑移方向OT的夾角為。則P在滑移方向的分力為Pcos，而滑移面的面積為A/cos，P在滑移方向的分切應(yīng)力：=(Pcos)/(A/cos)=Pcoscos/A=0coscos。,20,當(dāng)外力P一定時，作用在滑移系上的分切應(yīng)力與晶體受力的位向有關(guān)。當(dāng)0=s(屈服極限)時，晶體開始滑移，此時滑移方向的分切應(yīng)力稱為臨界分切應(yīng)力k：k=scoscos令：m=coscos，則：k=sm或：s=k/m(6-7)m稱為取向因子或斯密特(Schmid)因子。m越大，分切應(yīng)力越大，越有利于滑移。,21,當(dāng)滑移面法線、滑移方向和外力軸處于同一平面且=45時，m=coscos(90-)=sin2/2=0.5。此時m值最大，s最小，最有利于滑移，稱為軟取向；外力與滑移面平行(=90)或垂直(=0)時,s，晶體不能滑移，此種取向稱為硬取向。m對屈服應(yīng)力s的影響在只有一組滑移面的密排六方晶體中尤為明顯。,22,23,臨界分切應(yīng)力主要由材料自身晶體結(jié)構(gòu)決定，與外加作用無關(guān)。對多晶材料而言，組織參數(shù)的作用非常敏感，純度、溫度、變形速度和加工及熱處理狀態(tài)都會產(chǎn)生極大影響。,24,6.2.1.4滑移時晶體的轉(zhuǎn)動：晶體被拉伸而產(chǎn)生滑移時，由于拉力共線的影響，晶面位向會發(fā)生改變,結(jié)果使滑移面和滑移方向逐漸趨于平行于拉力軸線；而壓縮時，晶面改變的結(jié)果使滑移面逐漸趨于與壓力軸線垂直。,25,滑移面和滑移方向的改變必然導(dǎo)致斯密特因子m的改變。因滑移而使m減小，導(dǎo)致滑移困難的現(xiàn)象叫幾何硬化；因滑移而使m增大，導(dǎo)致滑移容易的現(xiàn)象叫幾何軟化。,26,6.2.1.5多滑移和交滑移：在具有多組滑移系的晶體中，若只有一組滑移系取向有利，該方向的分切應(yīng)力達(dá)到臨界分切應(yīng)力時，便發(fā)生單系滑移，稱為單滑移。若幾組滑移系分切應(yīng)力同時達(dá)到臨界值，或者由于晶面改變使其他滑移系的分切應(yīng)力也達(dá)到臨界值，則滑移將在多組滑移系上同時或交替進行，稱為多滑移。此時會在晶體表面出現(xiàn)幾組交叉的滑移帶。,27,28,面心立方金屬的滑移系為111，4個111面構(gòu)成一個八面體。當(dāng)拉力軸為001時，(1)對所有111面，cos=02+02+12/(12+12+1202+02+12)=1/3=54.7，(2)角對101，101011，011也都為45，(3)錐體底面上的兩個方向與001垂直。,29,因此，八面體上有8個滑移系具有相同的取向因子，當(dāng)=k時可以同時開動。但由于這些滑移系有不同位向的滑移面和滑移方向構(gòu)成，滑移時有交互作用，產(chǎn)生交割和反應(yīng)，使滑移變得困難，產(chǎn)生較強的加工硬化。當(dāng)兩個以上的滑移面沿同一方向滑移便形成交滑移。,30,發(fā)生交滑移時，晶體表面會出現(xiàn)曲折或波紋狀的滑移帶。最容易發(fā)生交滑移的是體心立方金屬，滑移面為110，112和123，滑移方向總是。因滑移面不受限制，所以交滑移必是純螺形位錯，難易程度與層錯能相關(guān)。,31,6.2.1.6滑移的位錯機制：晶體的滑移是通過位錯運動來實現(xiàn)的。當(dāng)一個位錯移到晶體表面時，便會在表面上留下一個原子間距的滑移臺階，其大小等于柏氏矢量。大量位錯滑過晶體，會在晶體表面形成顯微滑移痕跡，即滑移線。因此，可將滑移線看成是晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線。,32,33,刃型位錯同樣導(dǎo)致晶體滑移。刃位錯與螺位錯運動導(dǎo)致的晶體滑移的最終結(jié)果相同，但位錯運動的過程不一樣。刃位錯的滑移面是由位錯線與柏氏矢量所決定的平面，其滑移方向為b的方向；螺型位錯運動的方向也垂直于位錯線，但同時垂直于b，即運動方向與晶體滑移方向垂直。,34,6.2.2孿生6.2.2.1孿生變形現(xiàn)象：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面(孿晶面)和一定晶向(孿生方向)相對于另一部分作均勻的切變所產(chǎn)生的變形叫孿生。均勻切變區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)不變，只是取向改變，與未切變區(qū)構(gòu)成鏡面對稱，形成孿晶。,35,36,面心立方金屬的的孿晶面為(111)，它與(110)的交割線為112，此方向即為孿晶方向。以(110)為紙面作圖(b)可以看出：晶體變形后，變形區(qū)域作均勻切變，每層(111)都相對與其相鄰晶面沿112方向位移了d112/3。表明孿生時每層晶面的位錯是借一個不全位錯的移動造成的，在本例中，b=a112/6。,37,各層晶面的位移量與其距孿晶面的距離成正比，變形部分與未變形部分以孿晶面為準(zhǔn)，構(gòu)成鏡面對稱，形成孿晶。孿晶在顯微鏡下呈帶狀或透鏡狀。左圖為鋅中的變形孿晶顯微像。,38,6.2.2.2孿生變形的特點：晶體的孿晶面和孿生方向與其結(jié)構(gòu)類型相關(guān)，體心立方為112,面心立方為111,密排六方為1012。孿生與滑移的區(qū)別為：1孿生使一部分晶體均勻切變，而滑移只集中在一些滑移面上；2孿晶變形部分與未變形部分呈鏡面對稱，位向有變而滑移晶體的各部分位向不變。,39,3孿生比滑移的臨界分切應(yīng)力高得多，只發(fā)生在滑移受阻而引起的局部應(yīng)力集中區(qū)；4孿生對塑性變形的貢獻小得多。但孿生改變晶體取向，使滑移系轉(zhuǎn)向有利位置，有助于晶體的繼續(xù)變形。5孿生變形的局部切變量可以較大，在晶體表面可以看到浮凸，重新拋光后在偏光下或浸蝕后仍可看出孿晶，而滑移晶體拋光后滑移帶消失。,40,密排六方金屬常以孿生方式變形；體心立方金屬在沖擊負(fù)荷或低溫下也借助孿生變形；面心立方一般不發(fā)生孿生，但在極低溫下或受高速沖擊載荷時偶爾也出現(xiàn)孿晶。孿生變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也與滑移不同。圖6-22為銅單晶在4.2K的拉伸曲線。,41,6.3多晶體的塑性變形實用材料多為多晶體，塑性變形的基本方式除滑移和孿生外，晶粒取向和晶界的影響使多晶體變形過程更復(fù)雜。6.3.1晶粒取向的影響：在多晶體中，各個晶粒的取向不同。在給定外力作用下，取向有利的晶粒A的分切應(yīng)力較早達(dá)到臨界值，便首先發(fā)生滑移。位錯在滑移晶粒的晶界處塞積造成應(yīng)力集中，使原來未滑移的相鄰晶粒B的某些滑移系的臨界分切應(yīng)力升高達(dá)到臨界值。使其滑移開動。,42,43,相鄰晶粒B的滑動使原本集中的應(yīng)力得以釋放，晶粒A中的位錯源重新開動并使位錯移出晶粒A。這樣變形便從一個晶粒傳向另一個晶粒并波及整個材料。由于多晶體中每一個晶粒都處于其他晶粒的包圍之中，變形必須與臨近晶粒協(xié)調(diào)，否則會造成空隙導(dǎo)致材料破壞。這使得多晶體的塑性變形比單晶體困難得多，相應(yīng)地，多晶材料的屈服應(yīng)力也比同質(zhì)單晶材料要高。,44,在三維空間，每一個晶粒的變形需用六個應(yīng)變分量表示：xx,yy,zz,zx,xy,yz，由于塑性變形時晶體的體積不變，因此有xx+yy+zz=0的限制條件，所以每個晶粒至少需要5個獨立的滑移系才能協(xié)調(diào)變形。面心立方和體心立方滑移系多，能夠滿足要求，多晶材料具有較好的塑性。密排六方滑移系少，晶粒間的應(yīng)變協(xié)調(diào)性差，多晶材料塑性也差，但強度較高。,45,46,6.3.2晶界的影響：多晶材料的強度隨晶粒的細(xì)化而提高，這種用細(xì)化晶粒來提高材料強度的方法叫細(xì)晶強化(grainrefiningstrengthenin