第4章變形課件

1、2021/2/111 2021/2/112 第八章第八章 材料的形變材料的形變 (Chapter 8 Deformation of Materials ) 典型材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (stress-strain curve) 材料的變形主要分為彈性變形和塑性變形 彈性極限e :應(yīng)力應(yīng)變成線性關(guān)系的極限應(yīng)力 屈服極限s :開始發(fā)生明顯塑性變形的應(yīng)力 抗拉強度b : 斷裂前能夠承受的最大應(yīng)力 2021/2/113 8.1 材料的彈性變形（Elastic deformation of materials） 2 彈性變形的特征 理想的彈性變形是可逆變形, 加載時變形,卸載時變形消失、恢復(fù)原狀; 在

2、彈性變形范圍內(nèi),應(yīng)力與應(yīng)變之間 服從虎克定律（Hookes law） 正應(yīng)力下: = E )1 (2 E G 切應(yīng)力下: = G 1 彈性變形的本質(zhì) 彈性變形(elastic deformation):外力去除后能夠 完全恢復(fù)的那部分變形; E :正彈性模量(Youngs modulus) G :切變模量(shear modulus) :泊松比(Poissons ratio) 2021/2/114 彈性模量反應(yīng)原子間的結(jié)合力,是組織結(jié)構(gòu)的不敏感參數(shù) 工程上,彈性模量是材料剛度的度量,表征材料抵抗彈性變形的能力 2021/2/115 8.2 單晶體的塑性變形（Plastic deformatio

3、n of single crystalline） 塑性變形(plastic deformation):當(dāng)應(yīng)力超過 屈服應(yīng)力,材料發(fā)生的不可逆的永久變形 單晶體的塑性變形主要 通過滑移方式進行,此 外尚有孿生和扭折 屈服強度與條件屈服強度 塑性變形方式塑性變形方式: 滑移滑移,孿生,扭折 2021/2/116 1 滑移（slip) 1）滑移線與滑移帶(slip lines and slip bands) 當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限時,晶體中會產(chǎn)生 層片之間的相對滑移,這些滑移的累計 構(gòu)成晶體的塑性變形 宏觀上,材料的表面可見一條條細線（滑移帶） 微觀上,可見一系列相互平行的更細的線-滑移線; 一組滑移線

4、構(gòu)成滑移帶; 滑移只是集中在某些晶面上 2021/2/117 2 2）滑移系）滑移系(slip systems) 塑性變形時,材料的滑移只能沿一定的晶面或一定的晶向進行, 這些晶面和晶向就稱為滑移面和滑移方向 滑移面和滑移方向一般是原子排列的密排面和密排方向, 因其面間距最大,點陣阻力小。 滑移方向是原子密排方向,此方向上原子間距小，位錯柏氏矢量小 每一個滑移面和此面上的一個滑移方向合起來構(gòu)成一個滑移系 一般,材料中的滑移系越多,滑移過程中可能采取的空間取向越多, 滑移容易進行，塑性好。 面心立方(fcc):11143 = 12個 體心立方(bcc):11062 +112121 +123241

5、 = 48個 體心立方晶體的滑移面不確定 密排六方(hcp):（0001）1 3 = 3個, 其塑性比面心立方和體心立方差 0211 2021/2/118 3）滑移的臨界分切應(yīng)力 (critical resolved shear stress of slip) coscos coscos cos/ cos A F A F coscos稱為取向因子 或施密特因子（Schmid factor） 引起滑移的應(yīng)力為滑移面上的且應(yīng)力 單向拉伸條件下,外力在滑移面沿滑移方向的分切應(yīng)力: 當(dāng)=45時,取向因子最大, 可用最小的拉力開始滑移 2021/2/119 上式稱為上式稱為SchmidSchmid定律定

6、律 crss crss是一個反映單晶體受力起始屈服的物理量 是一個反映單晶體受力起始屈服的物理量 是材料本身的特性（原子間結(jié)合力、晶面間距）是材料本身的特性（原子間結(jié)合力、晶面間距）, ,與晶體取向和受力狀況無關(guān)。與晶體取向和受力狀況無關(guān)。 屈服應(yīng)力是與晶體取向和受力狀態(tài)有關(guān)的量屈服應(yīng)力是與晶體取向和受力狀態(tài)有關(guān)的量 coscos crss s 當(dāng)外力作用在某一滑移系中的分切應(yīng)力達到一定臨界值時,滑移系開始 滑移,該分切應(yīng)力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力 2021/2/1110 4）滑移時晶面的轉(zhuǎn)動(rotation) 滑移過程中,晶體要發(fā)生轉(zhuǎn)動,從 而導(dǎo)致晶體的空間取向發(fā)生變化。 壓縮時

7、,轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸垂直的方向 Tensile 拉伸時使滑移方向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸 平行的方向 Compressive 2021/2/1111 影像規(guī)則 雙滑移 滑移面轉(zhuǎn)動 滑移方向旋轉(zhuǎn) 2021/2/1112 5）多滑移(multiple slip) 對于有多組滑移系的晶體,滑移首先在取向最有利的滑移系中進行, 隨著變形時晶面的轉(zhuǎn)動,另外的滑移系逐漸轉(zhuǎn)到對滑移有利的取向， 從而使滑移過程沿著兩個或多個滑移系交替進行或同時進行， 這種滑移過程稱為多滑移，也稱多系滑移、復(fù)滑移 例:fcc中001為拉伸軸,有多個滑移系具有相同的Schmid因子, 可同時或交替動作。 2021/2/1113 2 孿生(tw

8、inning) 2）孿生的特點 1）孿生(twinning): 晶體在切應(yīng)力作用下沿著一定的晶面 (孿晶面, twin plane) 和一定的晶向 (孿晶方向, twin direction),在一個區(qū) 域內(nèi)發(fā)生均勻的切變; 這樣的切變并未使晶體的結(jié)構(gòu)變化, 但確使均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生 變化,且變形與未變性區(qū)呈鏡面對稱 孿生變性是在切應(yīng)力下發(fā)生, 臨界應(yīng)力大于滑移所需的應(yīng)力; 孿生是一種均勻切變; 孿晶的兩部分晶體呈鏡面對稱; 2021/2/1114 3 扭折(kink, 不常見) 4) 孿晶(twin)的形成 變形孿晶（機械孿晶, deformation twins） 生長孿晶:氣相沉

9、積、凝固等 退火孿晶(annealing twins,可歸屬于生長孿晶 3) 滑移與孿生的對比 主要發(fā)生在滑移和孿生都不能發(fā)生的情況 下發(fā)生,如 HCP（0001）面平行力作用下 發(fā)生扭折 變形區(qū)域稱為扭折帶, 扭折區(qū)的晶體取向 發(fā)生不對稱性的變化 2021/2/1115 4 加工硬化-單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 典型的單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 1) 易滑移階段: 通常只有一個滑移系進行滑移 2) 線性硬化階段: 第二滑移系開動,滑移線交割, 滑移障礙增加 3) 拋物線階段: 一些障礙被越過,產(chǎn)生交滑移, 發(fā)生動態(tài)回復(fù)等 三種典型晶體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 塑性變形的三個階段 bcc、fcc有典型的三

10、階段, hcp只有兩個階段 2021/2/1116 8.3 晶體滑移的位錯機制 2 exp2 )1 ( 2 exp2 b W G b d G NP d為晶面間距、 W為位錯寬度、 b為柏氏矢量 2 2 滑移引起位錯增殖滑移引起位錯增殖 1 1 位錯運動的阻力位錯運動的阻力: : 派派納力（晶格摩擦力納力（晶格摩擦力 對簡單立方結(jié)構(gòu): P-N =2x10-4 G, 接近實測分切應(yīng)力 弗蘭克弗蘭克瑞德源瑞德源 （Frank-Read sourceFrank-Read source, F-R, F-R源）源） 2021/2/1117 4 交滑移的位錯機制(cross slip) 5 刃型位錯的攀移(

11、climb) 刃型位錯的攀移即多余半原子面通過 空位擴散而擴大或縮小 正攀移圖解 交滑移對材料的塑性影響大,交滑移容易的 材料,塑性好。 交滑移與材料的層錯能有關(guān) 層錯能低,交滑移困難, 層錯能高,交滑移容易 刃型位錯只有一個滑動面,不產(chǎn)生交滑移 交滑移是螺型位錯在不改變滑移方向的情況下 轉(zhuǎn)變滑移面的過程,它增加了滑移的靈活性 2021/2/1118 8.4 多晶體的塑性變形（Plastic deformation of polycrystalline） 1 多晶體塑性變形的特點 1) 多晶體結(jié)構(gòu)的特點: 存在晶界、 相鄰晶粒之間取向不同 2) 塑性變形的特點: (1) 各相鄰晶粒的變形相互協(xié)

12、調(diào)和配合 每個晶粒不只是在取向最有利的單滑移系上滑移, 而必須在幾個滑移系上滑移,其中有些滑移系不 一定取向最有利 多晶體塑性變形時要求每個晶粒至少能在5個獨立 的滑移系上滑移,多晶體的塑性變形是通過各晶 粒的多系滑移來保證相互間的協(xié)調(diào)。 體心立方和面心立方有較多的滑移系,多晶體有較好的塑性, 密排六方滑移系少,晶粒間協(xié)調(diào)性差，塑性變形能力低 2021/2/1119 (2) 晶界對形變過程的阻礙作用 0:為一常數(shù),大體等于單晶體的屈 服度, d: 晶粒直徑 位錯不能越過晶界進入相鄰的晶 粒,在晶界處塞積 晶界的作用與晶界的數(shù)量相關(guān), 而這直接取決于晶粒的大小 K:表征晶界對強度影響的程度 霍爾

13、佩奇公式 （Hall-Petch equation） 多晶體的屈服強度與晶粒平均 直徑的關(guān)系: 2/1 0 Kd s 2021/2/1120 8.5 合金的塑性變形（Plastic deformation of alloys） 1) 合金塑性變形的基本過程仍然是滑移和孿生 2) 合金的組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其塑性變形 的特點 (1) 合金為單相合金時, 固溶體,Cu-Ni (2) 合金為復(fù)相合金時 聚合型合金: 第二相的尺寸與基體相相近, Pb-Sn 1 基本特點 分散分布型 (dispersion distribution): 第二相非常細小且分散分布, Fe-Fe3C、Sn-Ag3Sn 2

14、021/2/1121 2 固溶體的塑性變形(plastic deformation of solid solution) 1) 固溶強化(solid-solution strengthening): 溶質(zhì)原子的加入引起點陣畸變,增加了位錯運動的阻力, 增大了晶體滑移阻力 2) 宏觀表現(xiàn)固溶體的屈服強度高于純?nèi)軇┑?3) 影響固溶強化效果的因素 溶質(zhì)濃度: 溶質(zhì)濃度增加,效果大 固溶體類型: 間隙型大于置換型 溶質(zhì)溶劑原子尺寸差（置換型）: 尺寸差越大,效果好 溶質(zhì)溶劑彈性模量差 溶質(zhì)溶劑原子價電子數(shù)差（置換型）: 差別越大,效果好 2021/2/1122 3 復(fù)相合金的塑性變形 1）聚合型合金

15、 （1）兩相都為塑性相, 晶粒大小相當(dāng)Pb-Sn 等應(yīng)變理論:a = f11 + f22 等應(yīng)力理論:a = f11 + f22 （2）兩相中一個為塑性相,另一個為脆性相 合金變形的阻力不僅取決于兩相的體積分數(shù), 而且還與形狀、大小和分布有關(guān) 合金變形的阻力取決于兩相的 體積分數(shù),可用機械混合法則 2021/2/1123 2）分散分布型(dispersion distribution) 位錯切過粒子,粒子產(chǎn)生新的表面積,使總的表面積升高; 產(chǎn)生新的割階,產(chǎn)生應(yīng)力場等,給位錯的運動帶來困難; 彌散細小分布的第二相分布在基體相中時,會產(chǎn)生顯著的強化作用 （1）第二相粒子為可變形顆粒時 位錯將切過粒

16、子使之隨同基體一起變形 * 強化機理主要有: 2021/2/1124 （2）第二相不能變形 可變形顆粒增大,與基體非共格 位錯繞過機制（奧羅萬機制,Orowan mechanism） L:粒子間距（面對面間距）;G:切變模量;b:柏氏矢量 相圖體積分數(shù)下,第二相越小,L越小,強化效果越好彌散強化 條件: 第二相硬、脆, 2）分散分布型(cont) * 強化機理: L Gb O 2021/2/1125 5 低碳鋼的屈服和應(yīng)變時效 (yielding and strain aging) 1) 低碳鋼的屈服現(xiàn)象和呂德斯帶 屈服現(xiàn)象(yielding): 上下屈服點及屈服平臺 呂德斯帶（Lders b

17、and）: 應(yīng)力超過屈服極限時,在試樣 表面產(chǎn)生一個與拉伸軸成45度 的變形帶。它與滑移帶不同, 是許多晶粒協(xié)調(diào)變形的結(jié)果。 屈服現(xiàn)象的原因: (1) 柯氏氣團（Cottrell atmosphere）: (anchoring of dislocation) (2) 位錯增殖:剛開始位錯少,位錯增殖快, 到一定程度后流變應(yīng)力降低 2021/2/1126 2) 2) 應(yīng)變時效應(yīng)變時效 退火狀態(tài)的試樣拉伸超過屈服 點卸載馬上再加載,不發(fā)生屈 服現(xiàn)象放置一段時間后再加載, 屈服現(xiàn)象重新出現(xiàn) 機理:柯氏氣團解釋 (Cottrell atmosphere) m m vbv, 開始時位錯密度低,需要較 高

18、應(yīng)力才能保持變形速率 （夾頭移動速度。 塑性變形開始后位錯迅速增 殖,維持相同變形速度的應(yīng) 力降低 2021/2/1127 8.6 塑性變形對材料組織與性能的影響 1 顯微組織的變化 晶粒沿形變方向被拉長 纖維狀 夾雜物和第二相: 塑性好的被拉長, 塑性差的破裂 2021/2/1128 亞結(jié)構(gòu)(sub-structure): 晶粒內(nèi)部位錯密度(dislocation density)增加, 位錯纏結(jié)(dislocation tangle), 位錯胞狀亞結(jié)構(gòu) 形變亞晶 (deformation substructure) 2021/2/1129 2 形變織構(gòu)(deformation texture) 2) 成因:塑性變形中,隨著變形程度的增加, 各晶?；品较蛳蛑髯冃畏较蜣D(zhuǎn)動,使多 晶體的各晶粒最終在空間位向上呈現(xiàn)一定 程度的一致現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向 (preferred orientation)，這種組織狀態(tài) 稱為形變織構(gòu)(deformation texture) 絲織構(gòu)(fiber texture): 某一晶向大致與拔絲方向一致; 板織構(gòu)(sheet texture)