材料科學(xué)基礎(chǔ)課件第八章_材料的塑性變形

1、1第八章 材料的塑性變形納米銅的室溫超塑性2第一節(jié) 金屬變形概述彈性變形塑性變形斷裂彈性變形塑性變形斷裂Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E3第一節(jié) 金屬變形概述第七章塑性變形第一節(jié)金屬變形概述彈性變形彈性變形：變形可逆；變形可逆；應(yīng)力應(yīng)變呈應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系。線性關(guān)系。彈性模量彈性模量：原子間結(jié)合原子間結(jié)合力的反映和力的反映和度量。度量。4第二節(jié) 單晶體的塑性變形 常溫下塑性變形的主要方式：常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、滑移、孿生、扭折。扭折。一一 滑移滑移1 1 滑移

2、：在切應(yīng)力作用下，晶體的一滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一 部分相對(duì)于另一部分沿著一部分相對(duì)于另一部分沿著一 定的晶面（定的晶面（滑移面滑移面）和晶向）和晶向 （滑移方向滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移，）產(chǎn)生相對(duì)位移， 且不破壞晶體內(nèi)部原子排列且不破壞晶體內(nèi)部原子排列 規(guī)律性的塑變方式。規(guī)律性的塑變方式。 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E5第二節(jié) 單晶體的塑性變形 一一 滑移滑移 光鏡下：滑移帶（光鏡下：滑移帶（無(wú)重現(xiàn)性無(wú)重現(xiàn)性）。）。 2 2 滑移的表象學(xué)滑移的表象學(xué) 電境下：滑移線

3、。電境下：滑移線。Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E6第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)滑移的晶體學(xué) 滑移面滑移面 （密排面）（密排面） （1 1）幾何要素）幾何要素 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向） 7第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)滑移的晶體學(xué)（2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向的組合。滑移系：一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向的組合。 滑移系的個(gè)數(shù)滑移系的個(gè)數(shù):(:(滑移面?zhèn)€數(shù)）滑移面?zhèn)€數(shù)）（每個(gè)面上所具有的滑移方

4、向（每個(gè)面上所具有的滑移方向 的個(gè)數(shù)）的個(gè)數(shù)）8 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E9第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)滑移的晶體學(xué) （2 2）滑移系）滑移系 滑移系數(shù)目與材料塑性的關(guān)系滑移系數(shù)目與材料塑性的關(guān)系 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好； 與滑移面密排程度和滑移方向個(gè)數(shù)有關(guān)；與滑移面密排程度和滑移方向個(gè)數(shù)有關(guān)； 與同時(shí)開(kāi)動(dòng)滑移系數(shù)目有關(guān)（與同時(shí)開(kāi)動(dòng)滑移系數(shù)目有關(guān)（ c c）。）。10第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)滑移的晶體

5、學(xué)（3 3）滑移的臨界分切應(yīng)力（）滑移的臨界分切應(yīng)力（ c c） c c：在滑移面上沿滑移方面開(kāi)始滑移的最小分切應(yīng)力。：在滑移面上沿滑移方面開(kāi)始滑移的最小分切應(yīng)力。 ( (外力在滑移方向上的分解外力在滑移方向上的分解) c c s scoscos coscos 11第二節(jié) 單晶體的塑性變形 3 3 滑移的晶體學(xué)滑移的晶體學(xué)（3 3）滑移的臨界分切應(yīng)力（）滑移的臨界分切應(yīng)力（ c c） c c取決于金屬的本性，不受取決于金屬的本性，不受 ， 的影響；的影響； 或或 9090 時(shí)，時(shí)， s s ； c c s scoscos coscos s s的取值的取值 ， 4545 時(shí)，時(shí)， s s最小，晶

6、體易滑移；最小，晶體易滑移； 軟取向：值大；軟取向：值大； 取向因子：取向因子：coscos coscos 硬取向：值小。硬取向：值小。 12第二節(jié) 單晶體的塑性變形 4 4 滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)（1 1）位向和晶面的變化）位向和晶面的變化 拉伸時(shí)拉伸時(shí), ,滑移面和滑移方向趨于滑移面和滑移方向趨于 平行于力軸方向平行于力軸方向; ; 壓縮時(shí)，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。壓縮時(shí)，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。 幾何硬化：幾何硬化： ， 遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離4545 ，滑移變得困難，滑移變得困難；（2 2）取向因子的變化）取向因子的變化 幾何軟化；幾何軟化； ， 接近接近4545 ，滑移變得容易，

7、滑移變得容易。13第二節(jié) 單晶體的塑性變形 5 5 多滑移多滑移 （1 1）滑移的分類）滑移的分類 多滑移：在多個(gè)（多滑移：在多個(gè)（22）滑移系上同時(shí)或交替進(jìn)行的滑移。）滑移系上同時(shí)或交替進(jìn)行的滑移。 雙滑移：雙滑移： 單滑移：?jiǎn)位疲?（2 2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾角分別相）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾角分別相等的一組滑移系。等的一組滑移系。2h14第二節(jié) 單晶體的塑性變形 6 6 交滑移交滑移 （1 1）交滑移：晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的）交滑移：晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的 滑移?；?。 （2 2）機(jī)制

8、）機(jī)制 螺位錯(cuò)的交滑移：螺位錯(cuò)從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑螺位錯(cuò)的交滑移：螺位錯(cuò)從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑 移面的過(guò)程；移面的過(guò)程； 螺位錯(cuò)的螺位錯(cuò)的雙交滑移雙交滑移：交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過(guò)程。：交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過(guò)程。15第二節(jié) 單晶體的塑性變形 7 7 滑移的表面痕跡滑移的表面痕跡 單滑移：?jiǎn)我环较虻幕茙В粏位疲簡(jiǎn)我环较虻幕茙В?多滑移：相互交叉的滑移帶；多滑移：相互交叉的滑移帶； 交滑移：波紋狀的滑移帶。交滑移：波紋狀的滑移帶。16第二節(jié) 單晶體的塑性變形二二 孿生孿生（1 1）孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分）孿生：在切

9、應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)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體取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(duì)稱關(guān)系。向的鏡面對(duì)稱關(guān)系。 孿生面孿生面 A1111,A2112,A31012A1111,A2112,A31012（2 2）孿生的晶體學(xué)）孿生的晶體學(xué) 孿生方向?qū)\生方向 A1,A2,A3A1,A2,A3 孿晶區(qū)孿晶區(qū) 17第二節(jié) 單晶體的塑性變形二二 孿生孿生 18第二節(jié) 單晶體的塑性變形二二 孿生孿生 （3）孿生變形的特點(diǎn)孿生變形的特點(diǎn) 滑移滑移孿生孿生相同點(diǎn)相同點(diǎn)1 1 切變；切變；2 2 沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；3 3 不改變結(jié)構(gòu)

10、不改變結(jié)構(gòu)。不不同同點(diǎn)點(diǎn) 晶體位向晶體位向不改變（對(duì)拋光面觀察無(wú)不改變（對(duì)拋光面觀察無(wú)重現(xiàn)性）重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對(duì)稱關(guān)系（對(duì)拋改變，形成鏡面對(duì)稱關(guān)系（對(duì)拋光面觀察有重現(xiàn)性）光面觀察有重現(xiàn)性）位移量位移量滑移方向上原子間距的整滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，小于孿生方向上的原子間距，較小。較小。對(duì)塑變的貢獻(xiàn)對(duì)塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。很大，總變形量大。有限，總變形量小。有限，總變形量小。變形應(yīng)力變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移滑移變形條件變形條件一般先發(fā)生滑移一般先發(fā)生滑移滑移困難時(shí)發(fā)

11、生滑移困難時(shí)發(fā)生變形機(jī)制變形機(jī)制全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果19第三節(jié) 多晶體的塑性變形20第三節(jié) 多晶體的塑性變形1 1 晶粒之間變形的傳播晶粒之間變形的傳播 位錯(cuò)在晶界塞積位錯(cuò)在晶界塞積 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 相鄰晶粒位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)相鄰晶粒位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng) 相相鄰晶粒變形鄰晶粒變形 塑變塑變 2 2 晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性 （1 1）原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。）原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。 （2 2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo)）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo) 致晶體分裂）致晶體分裂） （3 3）條件：獨(dú)立

12、滑移系）條件：獨(dú)立滑移系 5 5個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變 化）化） 21第三節(jié) 多晶體的塑性變形3 3 晶界對(duì)變形的阻礙作用晶界對(duì)變形的阻礙作用 （1 1）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。 （2 2）晶界對(duì)變形的影響）晶界對(duì)變形的影響: :滑移、孿生多終止于晶界滑移、孿生多終止于晶界, ,極少極少 穿過(guò)。穿過(guò)。 22第三節(jié) 多晶體的塑性變形3 3 晶界對(duì)變形的阻礙作用晶界對(duì)變形的阻礙作用（3 3）晶粒大小與性能的關(guān)系）晶粒大小與性能的關(guān)系 a a 晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高( (細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化：霍

13、爾配奇公式：霍爾配奇公式) ) s s= = 0 0+kd+kd-1/2-1/2 原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。 （有尺寸限制）（有尺寸限制） 晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中 導(dǎo)致的開(kāi)裂機(jī)會(huì)減少，可承受更大的變導(dǎo)致的開(kāi)裂機(jī)會(huì)減少，可承受更大的變 形量，表現(xiàn)出形量，表現(xiàn)出高塑性高塑性。 b b 晶粒越細(xì)，塑韌性提高晶粒越細(xì)，塑韌性提高 細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易 萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂 過(guò)程中可吸收較多能量過(guò)程

14、中可吸收較多能量, ,表現(xiàn)表現(xiàn)高韌性高韌性。23第四節(jié) 合金的塑性變形一一 固溶體的塑性變形固溶體的塑性變形 1 1 固溶體的結(jié)構(gòu)固溶體的結(jié)構(gòu) 2 2 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 （1 1）固溶強(qiáng)化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬）固溶強(qiáng)化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。 晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)； （2 2）強(qiáng)化機(jī)制）強(qiáng)化機(jī)制 柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化?？率蠚鈭F(tuán)強(qiáng)化。 24第四節(jié) 合金的塑性變形一一 固溶體的塑性變形固溶體的塑性變形 2 2 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 （3 3）屈服和應(yīng)變時(shí)效）屈服和應(yīng)變時(shí)效 現(xiàn)象：上下屈服點(diǎn)、屈服延

15、伸（呂德斯帶擴(kuò)展）?，F(xiàn)象：上下屈服點(diǎn)、屈服延伸（呂德斯帶擴(kuò)展）。 預(yù)變形和時(shí)效的影響：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服預(yù)變形和時(shí)效的影響：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時(shí)間或現(xiàn)象；去載后放置一段時(shí)間或200200加熱后再加載出現(xiàn)屈服。加熱后再加載出現(xiàn)屈服。 原因：柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成。原因：柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成。 4h25第四節(jié) 合金的塑性變形一一 固溶體的塑性變形固溶體的塑性變形 2 2 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 （4 4）固溶強(qiáng)化的影響因素）固溶強(qiáng)化的影響因素 溶質(zhì)原子含量越多，強(qiáng)化效果越好；溶質(zhì)原子含量越多，強(qiáng)化效果越好； 溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強(qiáng)化效果越好；溶劑與

16、溶質(zhì)原子半徑差越大，強(qiáng)化效果越好； 價(jià)電子數(shù)差越大，強(qiáng)化效果越好；價(jià)電子數(shù)差越大，強(qiáng)化效果越好； 間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果高于置換式溶質(zhì)原子。間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果高于置換式溶質(zhì)原子。 26第四節(jié) 合金的塑性變形二二 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形 1 1 結(jié)構(gòu)：基體第二相。結(jié)構(gòu)：基體第二相。 2 2 性能性能 （1 1）兩相性能接近：按強(qiáng)度分?jǐn)?shù)相加計(jì)算。）兩相性能接近：按強(qiáng)度分?jǐn)?shù)相加計(jì)算。 （2 2）軟基體硬第二相）軟基體硬第二相 第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）；第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）； a a結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 兩相呈層片狀分布（珠光體）；兩相呈層片狀分布（珠光體）； 第二相

17、呈顆粒狀分布（三次滲碳體）。第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）。27第四節(jié) 合金的塑性變形二二 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形2 2 性能性能（2 2）軟基體硬第二相）軟基體硬第二相 位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子( (粒子、位錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)粒子、位錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)) ) b b 彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子（表面能、錯(cuò)排能、粒子阻位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子（表面能、錯(cuò)排能、粒子阻 礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）28第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 一一 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 晶粒拉長(zhǎng)晶粒拉長(zhǎng); ; 1 1 形成纖維組織形成纖維組織 雜質(zhì)呈

18、細(xì)帶狀或鏈狀分布。雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布。29第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 一一 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響2 2 形成形變織構(gòu)形成形變織構(gòu)（1 1）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu) 取向的組織。取向的組織。 絲織構(gòu)絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）（2 2）類型）類型 板織構(gòu)板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平 行于主變形方向。（軋制時(shí)形成）行于主變形方向。（軋制時(shí)形成） 30第五

19、節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 一一 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響2 2 形成形變織構(gòu)形成形變織構(gòu) 力學(xué)性能：利力學(xué)性能：利: :深沖板材變形控制深沖板材變形控制; ;弊：制耳弊：制耳。（3 3）對(duì)性能的影響）對(duì)性能的影響 ( (各向異性各向異性) ) 物理性能物理性能: :硅鋼片硅鋼片100100100100織構(gòu)可減少鐵損?？棙?gòu)可減少鐵損。 31第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 一一 對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 3 3 形成位錯(cuò)胞形成位錯(cuò)胞 變形量變形量 位錯(cuò)纏結(jié)位錯(cuò)纏結(jié) 位錯(cuò)胞位錯(cuò)胞 （大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)

20、位錯(cuò)密度低。（大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯(cuò)密度低。) ) 32第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 二二 對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 1 1 對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化） （1 1）加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形量的增）加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形量的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。 33第五節(jié) 塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 二二 對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 1 1 對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化） 強(qiáng)化金屬的重要途徑；強(qiáng)化金屬的重要途徑； 利利 提高材料使用安全性；提高材料使用安全性； （2 2）利弊）利弊 材料加工成型