材料科學基礎第6章PPT課件

1、1 第六章第六章 塑性變形塑性變形 本章介紹的內容：由簡單到復雜 單晶體塑單晶體塑 性變形性變形 單相單相 多晶體塑多晶體塑 性變形性變形 合金塑性合金塑性 變形變形 塑性變形組織塑性變形組織 及性能及性能 多相多相 機理機理 2 一一 工程應力應變曲線工程應力應變曲線 拉伸試驗基本過程：將拉伸試驗基本過程：將GB6397-86GB6397-86制作的標準制作的標準 試樣（試樣（長試樣長試樣l l10d10d和和短試樣短試樣l=5dl=5d）放在拉伸）放在拉伸 試驗機上緩慢拉伸，試樣在載荷試驗機上緩慢拉伸，試樣在載荷P P下緩慢伸長，下緩慢伸長， 直至斷裂。得到直至斷裂。得到工程應力應變曲線。

2、工程應力應變曲線。 第一節(jié)第一節(jié) 金屬的應力應變曲線金屬的應力應變曲線 3 典型的應力應變曲線 4 5 二二 真實應力應變曲線真實應力應變曲線 真實應力應是瞬時載荷真實應力應是瞬時載荷P P與瞬時面積與瞬時面積F F之比之比 真應變真應變e e應是瞬時伸長量除以瞬時長度，即應是瞬時伸長量除以瞬時長度，即 F P S l l l l l l dl dee 0 )ln(ln 0 6 均勻塑性變形階段的真應力均勻塑性變形階段的真應力- -真應變曲線，稱真應變曲線，稱 為為流變曲線流變曲線： n keS n n值越大，變形時的值越大，變形時的 強化效果越明顯強化效果越明顯 7 第二節(jié)第二節(jié) 單晶體的塑

3、性變形單晶體的塑性變形 常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、扭常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、扭 折。折。 一一 滑移滑移 1 1 滑移現象滑移現象 定義：在切應力作用下，晶體的一部分相對于定義：在切應力作用下，晶體的一部分相對于 另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向 （滑移方向）產生相對位移。（滑移方向）產生相對位移。 8 特點：晶體結構類型并未改變特點：晶體結構類型并未改變 。 滑移的組織形態(tài)：光鏡下：滑移帶（無重現性）滑移的組織形態(tài)：光鏡下：滑移帶（無重現性） 電境下：滑移線。電境下：滑移線。 顯微組織特點：拋光后可能看不見。顯微組織特點：

4、拋光后可能看不見。 9 10 2 2 滑移系滑移系 滑移是沿著特定的滑移是沿著特定的晶面晶面 和和 晶向晶向進行的。進行的。 滑移面滑移面 （密排面）（密排面）滑移方向滑移方向( (密排方向密排方向) ) 滑移系：一個滑移面和其上的一個滑移方向組滑移系：一個滑移面和其上的一個滑移方向組 成一個滑移系成一個滑移系 11 每一種晶格類型的金屬都具有特定的滑移系。每一種晶格類型的金屬都具有特定的滑移系。 滑移系的多少在一定程度上決定了金屬塑性的滑移系的多少在一定程度上決定了金屬塑性的 好壞。好壞。 滑移系的個數滑移系的個數:(:(滑移面?zhèn)€數）滑移面?zhèn)€數）（每個面上所（每個面上所 具有的滑移方向的個數

5、）具有的滑移方向的個數） 12 在其他條件相同時，金屬塑性的好壞不只取在其他條件相同時，金屬塑性的好壞不只取 決于滑移系的多少，還與滑移面原子密排程決于滑移系的多少，還與滑移面原子密排程 度及滑移方向的數目等因素有關度及滑移方向的數目等因素有關 晶體結構晶體結構滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移系數目滑移系數目常見金屬常見金屬 面心立方面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au 1106212Fe,W,Mo 體心立方體心立方12112112Fe,W 12324124Fe 0001133Mg,Zn,Ti 10103Mg,Zr,Ti 1011 6Mg,Ti 13 3 3 臨界分切應力臨界分切應力

6、滑移是在切應力作用下發(fā)生的滑移是在切應力作用下發(fā)生的 滑移發(fā)生的力學條件：滑移發(fā)生的力學條件： coscoscoscos cos/ cos o A P A P 14 當外加應力等于屈服強度時：當外加應力等于屈服強度時： 宏觀上：晶體出現塑性變形。宏觀上：晶體出現塑性變形。 微觀上：晶體開始滑移。此時滑移方向上的分微觀上：晶體開始滑移。此時滑移方向上的分 切應力達到臨界值，稱為切應力達到臨界值，稱為臨界分切應力臨界分切應力。 k k：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切 應力。應力。 coscosmm sk 15 m m稱為取向因子，或稱施密特因子（稱為

7、取向因子，或稱施密特因子（SchmidSchmid）。）。 m m與塑性變形：與塑性變形：m m越大，越有利于滑移。越大，越有利于滑移。 tktk的特點：的特點： 1)1)臨界分切應力的大小主要取決于金屬的本性，臨界分切應力的大小主要取決于金屬的本性， 與外力無關與外力無關。當條件一定時，各種晶體的臨。當條件一定時，各種晶體的臨 界分切應力各有其定值界分切應力各有其定值 2)2)是一個組織敏感參數。是一個組織敏感參數。 材料的組織性能臨界切應力決定屈服強度) 16 4 4 滑移時晶體的轉動滑移時晶體的轉動 1 1）位向和晶面的變化）位向和晶面的變化 滑移過程中，滑移面和滑移方向的轉動必然導滑移

8、過程中，滑移面和滑移方向的轉動必然導 致取向因子的改變。致取向因子的改變。 2 2）取向因子的變化）取向因子的變化 幾何硬化幾何硬化 幾何軟化幾何軟化 17 5 5 多滑移多滑移 1 1）單滑移：只有一組滑移系處于最有利的取向）單滑移：只有一組滑移系處于最有利的取向 （m m最大）時，分切應力最大，便進行單系滑移。最大）時，分切應力最大，便進行單系滑移。 2 2）多滑移：在多個（）多滑移：在多個（22）滑移系上）滑移系上同時同時或或交替交替 進行的滑移。進行的滑移。 發(fā)生多滑移時會出現幾組交叉的滑移帶。發(fā)生多滑移時會出現幾組交叉的滑移帶。 3 3）交滑移）交滑移 交滑移：晶體在兩個或多個不同滑

9、交滑移：晶體在兩個或多個不同滑 移面上沿同一滑移方向進行的滑移。移面上沿同一滑移方向進行的滑移。 18 多滑移多滑移 19 交滑移交滑移 20 交滑移和多滑移的區(qū)別：交滑移和多滑移的區(qū)別： 發(fā)生多滑移時會出現幾組交叉的滑移帶；發(fā)生發(fā)生多滑移時會出現幾組交叉的滑移帶；發(fā)生 交滑移時會出現曲折或波紋狀的滑移帶。交滑移時會出現曲折或波紋狀的滑移帶。 交滑移必須是純螺型位錯，因其滑移面不受限交滑移必須是純螺型位錯，因其滑移面不受限 制?？梢酝瑫r進行共向滑移。制?？梢酝瑫r進行共向滑移。 6 6 滑移的位錯機制滑移的位錯機制 21 22 二二 孿生孿生 1 1 孿生現象孿生現象 在切應力作用下，晶體的一部

10、分相對于另一部在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部 分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶 體取向的鏡面對稱關系。體取向的鏡面對稱關系。 23 變形部分與未變形部分以孿晶面為準，構成鏡變形部分與未變形部分以孿晶面為準，構成鏡 面對稱，形成孿晶。孿晶在顯微鏡下呈帶狀或面對稱，形成孿晶。孿晶在顯微鏡下呈帶狀或 透鏡狀。透鏡狀。 2 2 孿生變形的特點孿生變形的特點 1 1）孿生使一部分晶體發(fā)生了均勻的切變，而）孿生使一部分晶體發(fā)生了均勻的切變，而 滑移是不均勻的，只集中在一些滑移面上進行?；剖遣痪鶆虻?，只集中在一些滑移面上進行。 2 2）孿生后晶體變

11、形部分與未變形部分成鏡面）孿生后晶體變形部分與未變形部分成鏡面 對稱關系，位向發(fā)生變化。對稱關系，位向發(fā)生變化。 24 5 5）由于孿生變形時，局部切變可達較大數量，）由于孿生變形時，局部切變可達較大數量， 所以在變形試樣的拋光表面上可以看到浮凸，所以在變形試樣的拋光表面上可以看到浮凸， 經重新拋光后，雖然表面浮凸可以去掉，但因經重新拋光后，雖然表面浮凸可以去掉，但因 已變形區(qū)的晶體位向不同，所以在偏光下或浸已變形區(qū)的晶體位向不同，所以在偏光下或浸 蝕后仍能看到孿晶。而滑移變形后的試樣經拋蝕后仍能看到孿晶。而滑移變形后的試樣經拋 光后滑移帶消失。光后滑移帶消失。 3 3）孿生比滑移的臨界分切應

12、力高，萌發(fā)于滑）孿生比滑移的臨界分切應力高，萌發(fā)于滑 移受阻因其的局部應力集中區(qū)。移受阻因其的局部應力集中區(qū)。 4 4）孿生對塑性變形的貢獻比滑移小得多。孿）孿生對塑性變形的貢獻比滑移小得多。孿 生改變了晶體位向生改變了晶體位向 25 第三節(jié)第三節(jié) 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形 多晶體塑性變形的基本方式也是滑移和孿生。多晶體塑性變形的基本方式也是滑移和孿生。 一、晶粒取向的影響一、晶粒取向的影響 1 1 變形過程變形過程 26 2 2 晶粒之間變形的協調性晶粒之間變形的協調性 （1 1）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。 （2 2）要求：各晶粒之間變形相

13、互協調。）要求：各晶粒之間變形相互協調。 （獨立變形會導致晶體分裂）（獨立變形會導致晶體分裂） （3 3）條件：獨立滑移系）條件：獨立滑移系3 35 5個。（保證晶個。（保證晶 粒形狀的自由變化粒形狀的自由變化 27 二、晶界的影響二、晶界的影響 1 1多晶體變形的現象多晶體變形的現象 2 2晶粒大小與性能的關系晶粒大小與性能的關系 晶粒越細，強度越高，塑晶粒越細，強度越高，塑 性韌性越好。性韌性越好。 28 1 1）對強度的影響）對強度的影響細晶強化細晶強化 霍爾配奇公式霍爾配奇公式: HALL-PETCH: HALL-PETCH公式公式 s ss s=s=s0 0+kd+kd-1/2 -1

14、/2 2 2）對塑性、韌性的影響）對塑性、韌性的影響 29 第四節(jié)第四節(jié) 合金的塑性變形合金的塑性變形 提高強度的另一方法是提高強度的另一方法是合金化合金化。合金塑性變形合金塑性變形 的基本方式仍是滑移和孿生的基本方式仍是滑移和孿生，但因組織、結構，但因組織、結構 的變化，塑性變形各有特點。的變化，塑性變形各有特點。 一、固溶體的塑性變形一、固溶體的塑性變形 1 1 固溶強化現象固溶強化現象 30 2 2 強化機制強化機制 1)1)晶格畸變，阻礙位錯運動；晶格畸變，阻礙位錯運動； 2 2）柯氏氣團強化。）柯氏氣團強化。 31 二、二、 屈服和應變時效屈服和應變時效 1 1 屈服現象屈服現象 呂

15、德斯帶呂德斯帶 呂德斯帶擴展呂德斯帶擴展 呂德斯帶危害呂德斯帶危害：因屈服：因屈服 延伸區(qū)的不均勻變形（呂延伸區(qū)的不均勻變形（呂 德斯帶）使工件表面粗糙德斯帶）使工件表面粗糙 不同。不同。 32 2 2 應變時效應變時效 原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。 低碳鋼時效圖低碳鋼時效圖 33 三三 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形 單相合金的強化：加入第二相形成多相合金。單相合金的強化：加入第二相形成多相合金。 第二相可通過第二相可通過相變熱處理（沉淀強化，時效強相變熱處理（沉淀強化，時效強 化）化）或或粉末冶金方法（彌散強化）粉末冶金方法（彌散強化）

16、獲得獲得 多相合金根據第二相粒子的尺寸大小分類多相合金根據第二相粒子的尺寸大小分類 多相合金多相合金 聚合型聚合型 彌散型彌散型 第二相的尺寸與基體晶 粒尺寸屬同一數量級 第二相很細小，且彌散分 布于基體晶粒內 34 1 1 聚合型兩相合金的變形聚合型兩相合金的變形 性能按下列方法估計性能按下列方法估計 1 1）兩相都具有較好的塑性，合金的變形阻力）兩相都具有較好的塑性，合金的變形阻力 決定于兩相的體積分數。決定于兩相的體積分數。 2211 35 2）軟基體硬第二相合金的性能除與兩相的）軟基體硬第二相合金的性能除與兩相的 相對含量有關外，在很大程度上取決于脆性相相對含量有關外，在很大程度上取決

17、于脆性相 的的形狀形狀和和分布分布。 第二相網狀分布于晶界（二次滲碳體）第二相網狀分布于晶界（二次滲碳體）,易沿易沿 晶脆斷；晶脆斷； 原因：因塑性相晶粒被脆性相包圍分割，少量原因：因塑性相晶粒被脆性相包圍分割，少量 塑變即脆斷塑變即脆斷 36 兩相呈層片狀分布（珠光體）兩相呈層片狀分布（珠光體） 特點：變形主要集中在基體相中，位錯的移動特點：變形主要集中在基體相中，位錯的移動 被限制在很短的距離內，增加了繼續(xù)變形的阻被限制在很短的距離內，增加了繼續(xù)變形的阻 力，使其強度提高。力，使其強度提高。 片層間距越小，其強度越高片層間距越小，其強度越高 第二相呈顆粒狀分布（球狀滲碳體）。第二相呈顆粒狀

18、分布（球狀滲碳體）。 強度降低，塑性、韌性得到改善強度降低，塑性、韌性得到改善 37 二二 彌散型合金的塑性變形彌散型合金的塑性變形 1 1 不可變形微粒的強化作用不可變形微粒的強化作用 位錯繞過第二相粒子位錯繞過第二相粒子( (粒子、位錯環(huán)阻礙位錯粒子、位錯環(huán)阻礙位錯 運動運動) ) 位錯克服第二粒子的阻礙作 用，克服位錯環(huán)對位錯源的 反向應力。繼續(xù)變形時必須 增大外應力，從而使流變應 力迅速提高 38 2 2 可變形微粒的強化作用可變形微粒的強化作用 當第二相偎可變形微粒時，位錯將切過粒子使當第二相偎可變形微粒時，位錯將切過粒子使 其與基體一起變形其與基體一起變形 39 第五節(jié)第五節(jié) 冷變

19、形金屬的組織與性能冷變形金屬的組織與性能 一、對顯微組織的影響一、對顯微組織的影響 1 1 形成纖維組織形成纖維組織 塑性變形量很大時，各晶粒已不能分辨而成為塑性變形量很大時，各晶粒已不能分辨而成為 一片如纖維狀的條紋，稱為一片如纖維狀的條紋，稱為纖維組織纖維組織 1 1）晶粒拉長）晶粒拉長;2;2）雜質呈細帶狀或鏈狀分布。）雜質呈細帶狀或鏈狀分布。 纖維組織具有明顯的各向異性，縱向的強度和纖維組織具有明顯的各向異性，縱向的強度和 塑性高于橫向。塑性高于橫向。 40 2 形成大量亞結構 41 二二 變形織構變形織構 1 1 變形織構變形織構 擇優(yōu)取向：塑性變形過程中晶粒的轉動，使絕擇優(yōu)取向：塑

20、性變形過程中晶粒的轉動，使絕 大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致的大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致的 現象現象 變形織構：多晶體材料由塑性變形導致的各晶變形織構：多晶體材料由塑性變形導致的各晶 粒呈擇優(yōu)取向的組織。粒呈擇優(yōu)取向的組織。 特征特征: :各向異性各向異性 42 2 2 類型類型 絲織構：某一絲織構：某一晶向晶向趨于與趨于與拔絲方向平行拔絲方向平行。（拉。（拉 拔時形成）拔時形成） 板織構：某板織構：某晶面晶面趨于趨于平行于軋制面平行于軋制面，某，某晶向晶向趨趨 于平行于于平行于主變形方向主變形方向。（軋制時形成）。（軋制時形成） 43 3 3 對性能的影響對性能的影響 不

21、利：造成變形不均勻，制耳。不利：造成變形不均勻，制耳。 有利：硅鋼片有利：硅鋼片織構可減少鐵損織構可減少鐵損 44 三、殘余應力（約占變形功的三、殘余應力（約占變形功的1010） 儲存能儲存能塑性變形中塑性變形中還有約還有約10%10%的變形功被的變形功被 保留于金屬內部。保留于金屬內部。 1 1 第一類殘余應力（彈性應變）第一類殘余應力（彈性應變） 宏觀內應力宏觀內應力: :由整個物體變形不均勻引起。由整個物體變形不均勻引起。 作用：作用： 表面殘留壓應力，可顯著提高其疲勞強度表面殘留壓應力，可顯著提高其疲勞強度 45 2 2 第二類殘余應力第二類殘余應力 微觀內應力微觀內應力: :由晶粒變

22、形不均勻引起。由晶粒變形不均勻引起。 作用：造成顯微裂紋并導致工件的破壞作用：造成顯微裂紋并導致工件的破壞 3 3 第三類殘余應力：第三類殘余應力： 點陣畸變點陣畸變: :由位錯、空位等引起。由位錯、空位等引起。80-90%80-90%。 作用：使金屬處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，作用：使金屬處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，是是 “回復和再結晶回復和再結晶”的驅動力的驅動力 46 四四 塑性變形對性能的影響塑性變形對性能的影響 1 1 應變硬化（加工硬化）應變硬化（加工硬化） 47 2 2 加工硬化的作用加工硬化的作用 對一些對一些不能用熱處理強化不能用熱處理強化（固態(tài)下無相變）（固態(tài)下無相變） 的材料重要強化

23、手段。的材料重要強化手段。 使塑性變形均勻，不致集中在某些局部區(qū)域使塑性變形均勻，不致集中在某些局部區(qū)域 而引起破裂。而引起破裂。 加工硬化還可以提高零件或構件在使用中的加工硬化還可以提高零件或構件在使用中的 安全性。安全性。 加工硬化使金屬在冷加工過程中，變形抗力加工硬化使金屬在冷加工過程中，變形抗力 會不斷增加，增加動力及設備消耗。會不斷增加，增加動力及設備消耗。 48 3 加工硬化曲線 1）典型的單晶體加工硬化曲線 易滑移階段 特點：斜率很小。 線性硬化階段。 特點：斜率幾乎恒定 且最大值。 第階段：拋物線硬化階段。 49 50 2 2）解釋：位錯的運動解釋：位錯的運動 易滑移階段易滑移

24、階段: :應力低，少量的軟取向滑移系開動應力低，少量的軟取向滑移系開動 位錯受阻礙少，易運動。流變較大。位錯受阻礙少，易運動。流變較大。 線性硬化階段：多滑移，位錯間的交互作用導線性硬化階段：多滑移，位錯間的交互作用導 致位錯交割，塞積等作用，阻礙位錯運動，加致位錯交割，塞積等作用，阻礙位錯運動，加 工硬化率高。工硬化率高。 拋物線硬化階段：應力極高，位錯通過交滑移拋物線硬化階段：應力極高，位錯通過交滑移 繞過障礙，異號位錯抵消等，降低位錯密度，繞過障礙，異號位錯抵消等，降低位錯密度， 加工硬化率下降。加工硬化率下降。 51 3 3）不同晶格類型的單晶體加工硬化曲線）不同晶格類型的單晶體加工硬

25、化曲線 面心立方晶體為典型的三階段加工硬化特征面心立方晶體為典型的三階段加工硬化特征 4 4）多晶體加工硬化曲線）多晶體加工硬化曲線 因其變形中晶界的阻礙作用和晶粒之間的協調因其變形中晶界的阻礙作用和晶粒之間的協調 配合要求，配合要求，其加工硬化曲線通常更陡，加工硬其加工硬化曲線通常更陡，加工硬 化速率更高化速率更高。 52 53 第六節(jié)第六節(jié) 聚合物的變形聚合物的變形 聚合物的變形特點：強烈地依賴于聚合物的變形特點：強烈地依賴于T T和和t t，表現，表現 為彈性材料和黏彈性流體性質為彈性材料和黏彈性流體性質 一、熱塑性聚合物的應力一、熱塑性聚合物的應力應變曲線應變曲線 54 A A E A

26、 Y B Yieldingpoint屈服點屈服點 Pointofelasticlimit 彈性極限點彈性極限點 Breakingpoint 斷裂點斷裂點 A B A Y B Strain softening 應變軟化應變軟化 plasticdeformation 塑性形變塑性形變 Strain hardening應變應變 硬化硬化 非晶態(tài)聚合物在非晶態(tài)聚合物在玻璃態(tài)玻璃態(tài)的應力的應力- -應變曲線應變曲線 y y O N D 55 軟硬：模量軟硬：模量強弱：屈服強度強弱：屈服強度韌脆：斷裂能韌脆：斷裂能 56 聚合物具有黏彈性，其應力聚合物具有黏彈性，其應力應變行為受溫度、應變行為受溫度、 應

27、變速率的影響很大。應變速率的影響很大。 1 2 3 4 5 非晶聚合物不同溫度下的非晶聚合物不同溫度下的 曲線曲線 T 57 應變速的額影響應變速的額影響 58 二、冷拉二、冷拉 59 三、剪切帶與銀紋三、剪切帶與銀紋 1 1剪切帶剪切帶 聚合物的屈服塑性變形是以剪切滑移的方式進聚合物的屈服塑性變形是以剪切滑移的方式進 行的。滑移變形可局限于某一局部區(qū)域，形成行的?；谱冃慰删窒抻谀骋痪植繀^(qū)域，形成 剪切帶剪切帶 2 2 銀紋銀紋 某些聚合物在玻璃態(tài)拉伸時，會出現肉眼可見某些聚合物在玻璃態(tài)拉伸時，會出現肉眼可見 的微細凹槽，類似于微小的裂紋。因其能反射的微細凹槽，類似于微小的裂紋。因其能反射 光線而看上去銀光閃閃，故稱之