第五章 材料變形

1、第五章 材料的變形Material Deformation大多數(shù)工件在工作或加工過程中都要承受外力或負載的作用。在外力作用下，材料會產(chǎn)生彈性變形，塑性變形，甚至斷裂。一般來說，金屬材料具有良好的強度和塑性，但耐腐蝕性較差；高分子材料具有重量輕、抗腐蝕等優(yōu)點，但它們強度不高，還會發(fā)生老化現(xiàn)象；陶瓷材料有很高的硬度，高的耐磨性和抗腐蝕性，但脆性大不易加工成形。在力學(xué)性能上，不同的材料有不同的優(yōu)勢和劣勢，在使用和加工過程中只有充分了解其變形的特點和機理，才能有效利用其優(yōu)點，改善其不足。 第一節(jié) 金屬的變形Metal Deformation一、單晶體的塑性變形 滑移 將一個表面拋光的單晶體金屬試樣經(jīng)適

2、當?shù)乃苄宰冃魏?，在金相顯微鏡下可以觀察到，在拋光的表面上有許多平行的細線，稱為滑移帶?；茙Щ凭€滑移帶形成的示意圖滑移系 在塑性變形中，單晶體表面的滑移線并不是任意排列的，它們彼此之間或者相互平行，或者互成一定角度，表明金屬中的滑移只能沿一定的晶面和一定的晶向進行，這些晶向和晶面稱為金屬的滑移方向和滑移面。 一般而言，一個滑移系由一個密排面和該面上的一個密排方向組成。 如，F(xiàn)cc滑移系由111晶面族與該面上的晶向族組成。 Bcc滑移系由110晶面族與該面上的晶向族組成。 （111）110011101（110）111111滑移的臨界分切應(yīng)力 在金屬晶體受外力作用時，不論外力的大小、方向與作用方

3、向如何,都可以將其分解為垂直與某一滑移面的正應(yīng)力與沿此晶面的切應(yīng)力。而滑移是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，只有在滑移面上沿滑移方向的分切應(yīng)力達到某一臨界值時，滑移才能發(fā)生。 公式： 0 scoscos晶體在滑移時的轉(zhuǎn)動 晶體的塑性變形是由于滑移面沿著滑移方向運動產(chǎn)生的，在滑移的同時，晶體也會發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而使晶體的空間取向發(fā)生了變化。如果晶體受拉伸產(chǎn)生滑移時，如果兩端不受限制，在滑移過程中，為使滑移面和滑移方向保持不變，晶體軸線就會發(fā)生偏移。但是，拉伸時，在夾頭的作用下，晶體軸線不能自由偏斜，這就迫使滑移面發(fā)生轉(zhuǎn)動，使位向發(fā)生了改變。FFFF滑移方向S滑移方向S多滑移與交滑移 由于金屬晶體在滑移時會轉(zhuǎn)動

4、，晶體的取向?qū)l(fā)生改變，這就會使起始滑移時取向最有利的滑移系逐漸轉(zhuǎn)到不太有利的取向，而原來取向不太有利的滑移系則逐漸轉(zhuǎn)向比較有利的取向，因此滑移可能會在兩個或多個滑移系中同時或交替因此滑移可能會在兩個或多個滑移系中同時或交替地進行，這種滑移稱為地進行，這種滑移稱為多滑移多滑移。發(fā)生多滑移時會出現(xiàn)的滑移帶呈交叉狀。 在晶體中，兩個或兩個以上滑移面沿著某個共同的滑兩個或兩個以上滑移面沿著某個共同的滑移方向同時或交替滑移，這種現(xiàn)象稱為移方向同時或交替滑移，這種現(xiàn)象稱為交滑移交滑移。交滑移的滑移帶呈波紋或曲折狀。交滑移是在沿著某個晶面滑移受阻時產(chǎn)生的。沿新滑移面進行滑移再次受阻時，又會重新更換滑移面，

5、沿著與初始滑移面平行的平面滑移。只有純螺型位錯才能產(chǎn)生交滑移，因為其柏氏矢量與位錯線平行，滑移面不受限制。交滑移對晶體的塑性變形也有很大貢獻。 孿生 在金屬的塑性變形中，另一種較常見的形變方式為孿生，它常作為滑移不易進行時的補充。一些具有密排六方結(jié)構(gòu)的金屬，如鎘、鋅、鎂、鈹?shù)龋苄宰冃纬３２糠值囊詫\生的方式進行；而鉍、銻金屬的塑性變形幾乎完全以孿生的方式進行。對于有體心立方及面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，當變形溫度很低，形變速度極快，或由于其它原因使滑移過程難以進行時，也會通過孿生的方式進行塑性變形。孿生孿生就是在切應(yīng)力就是在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面與晶向產(chǎn)作用下晶體的一部分相

6、對于另一部分沿一定的晶面與晶向產(chǎn)生的一種均勻切變過程。在孿生變形中，已發(fā)生均勻切變的生的一種均勻切變過程。在孿生變形中，已發(fā)生均勻切變的那部分晶體稱為那部分晶體稱為孿晶孿晶；均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面稱為；均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面稱為孿晶界孿晶界；發(fā)生均勻切變的那個晶面稱為孿生面；孿生面切動；發(fā)生均勻切變的那個晶面稱為孿生面；孿生面切動的方向則為的方向則為孿生方向?qū)\生方向。 孿生面 孿生方向(111) 112孿生區(qū)域A C E GA CEBDFH面心立方晶體（110）晶面的孿生變形過程示意圖和滑移相比，孿生有具如下特點： （1）一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切變，切變時原子移動的

7、距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)倍。 （2）孿晶面兩邊晶體的位向不同，呈鏡面對稱形式。 （3）由于孿生改變了晶體的取向，因此孿晶經(jīng)拋光和浸蝕后仍不能去除。 （4）孿晶變形是一種均勻的切變，即在切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對于其相鄰的晶面沿孿生方向產(chǎn)生了一定位移。 （5）孿生比滑移的臨界分切應(yīng)力高得多，因此孿生常萌發(fā)于滑移受阻引起的局部應(yīng)力集中區(qū)。 同時，孿生對塑性變形的直接貢獻比滑移小得多，但孿生改變了晶體位向，使原來取向不利于滑動的滑移系逐漸轉(zhuǎn)到有利的取向而產(chǎn)生滑移，這種機制對密排六方金屬的變形非常重要。 滑移的位錯機制 (1) 位錯的運動與晶體的滑移 位錯的相消 (a)正刃型位錯

8、(b)負刃型位錯刃型位錯的滑移(2)位錯的增殖 通過位錯線的移動可以知道，晶體每滑移一個柏氏矢量，就應(yīng)該有一個位錯消失。這樣看來，金屬塑性變形后位錯密度應(yīng)該減小。然而通過實驗可知，金屬塑性變形后位錯線反而大大的增加了。這就是說金屬塑性變形過程中位錯發(fā)生了增殖。目前被普遍接受的位錯增殖機制是弗蘭克和瑞德提出的機制。這里只介紹它們提出的F-R位錯源。 BDAC滑移面(a)BDAC滑移面(b)BDAC滑移面(c)BDAC(d)BDAC(e)BDAC(f)F-R位錯源二、多晶體的塑性變形與強化二、多晶體的塑性變形與強化 實際工業(yè)生產(chǎn)中使用的金屬材料很多都是多晶體。多晶體由許多位向不同的單晶組成，因此其

9、塑性變形過程也更為復(fù)雜。多晶體塑性變形的特點 晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性，要求滑移系多，F(xiàn)CC和BCC滑移系多，變形容易協(xié)調(diào)，所以塑性好，HCP晶體滑移系少，協(xié)調(diào)性差，塑性差 晶粒大小對塑性變形的影響實際表明，多晶體金屬的晶粒愈細小，其屈服強度愈高，并且滑移線與孿晶帶大多終止于晶界處而極少穿越。這些表明在多晶體中晶界對變形過程有著明顯的阻礙作用。金屬的屈服強度S與晶粒直徑d有如下關(guān)系 此式即為霍耳-佩奇（Hall-Petch）公式。式中0為一常數(shù)，大體相當于單晶體金屬的屈服強度；K為表征晶界對強度影響程度的常數(shù)，與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)?；舳?佩奇公式是一個非常重要的公式，材料的屈服強度與其亞晶粒之間，塑性材

10、料的流變應(yīng)力與晶粒大小之間，脆性材料的脆性應(yīng)力與晶粒大小之間都滿足上述關(guān)系式。 210SKd三、塑性變形對材料組織性能的影響三、塑性變形對材料組織性能的影響顯微組織的變化 晶粒拉長，纖維狀組織形變織構(gòu) 在金屬塑性變形時，隨著變形程度的增加，各個晶粒從原來互不相同的取向逐漸向主變形方向轉(zhuǎn)動。當變形量很大時，各個晶粒在空間取向上將呈現(xiàn)出一定程度的一致性，這一現(xiàn)象稱為晶粒的擇優(yōu)取向，形變金屬中的這種組織狀態(tài)稱為形變織構(gòu)。 由形變織構(gòu)所造成的“制耳”塑性變形對金屬力學(xué)性能的影響（加工硬化） 隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度顯著提高，而塑性、韌性則顯著下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化或冷作強化。 這種現(xiàn)象

11、是因為隨著塑性變形的進行，位錯的密度不斷增加，位錯運動時的相互交割加劇，產(chǎn)生位錯塞積、交割等障礙，阻礙了位錯的進一步運動，引起變形抗力增加，提高了金屬的強度。 利：提高強度、使變形均勻 弊：耗費能源、使繼續(xù)變形困難、需要增加中間退火殘余應(yīng)力 金屬在塑性變形時，外力所做的功除大部分轉(zhuǎn)化為熱之外，由于金屬內(nèi)部的轉(zhuǎn)變不均勻以及存在點陣畸變，這使得有一小部分能量以畸變能的形式儲存在形變金屬內(nèi)，稱為儲存能，表現(xiàn)為材料的殘余應(yīng)力。材料的殘余應(yīng)力可分為三種，即 （1）第一類內(nèi)應(yīng)力（宏觀內(nèi)應(yīng)力） 因不同部位之間變形不協(xié)調(diào)而形成，占形變儲能的1以下，但破壞性很強。 （2）第二類內(nèi)應(yīng)力（微觀內(nèi)應(yīng)力） 因不同晶粒間

12、變形不協(xié)調(diào)形成，占形變儲能的1020，有一定破壞性。 （3）第三類內(nèi)應(yīng)力（晶格畸變） 因晶體缺陷增殖而形成，占形變儲能的8090，是加工硬化的主要原因。第二節(jié) 金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶金屬經(jīng)冷塑性變形后，組織和性能都發(fā)生了明顯變化。金屬晶體中缺陷密度增大，自由焓升高，并且變形金屬中儲存能的存在，使得金屬處于一種熱力學(xué)亞穩(wěn)定狀態(tài)，其組織和結(jié)構(gòu)具有恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。在常溫下，由于原子的活力很小，原子的擴散速度很慢，這種變化很小。如果溫度升高，使金屬原子獲得足夠的活力，則冷變形金屬就會由亞穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，并發(fā)生一系列組織和性能的變化。這種轉(zhuǎn)變可分為三個過程，即回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。 0 T1

13、 T2 T30 t1 t2 t3 回復(fù) 再結(jié)晶 晶粒長大溫度時間冷變形金屬組織隨加熱溫度及時間的變化示意圖一、回復(fù)一、回復(fù) 回復(fù)是指經(jīng)冷塑性變形的金屬在加熱時，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前，即在再結(jié)晶晶核形成前，所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能變化的過程。在回復(fù)過程中，由于溫度的升高，在內(nèi)應(yīng)力的作用下將發(fā)生局部塑性變形，金屬的屈服強度下降，殘余應(yīng)力將得到部分消除，所以，冷變形金屬進行回復(fù)過程的退火稱為去應(yīng)力退火，它具有即降低金屬殘余應(yīng)力又保持加工硬化性能的作用。回復(fù)的組織與結(jié)構(gòu)變化 三個階段：低溫回復(fù)過程 金屬中的點缺陷密度明顯降低。中溫回復(fù)過程 位錯相消；形成亞晶界，位錯胞也由此轉(zhuǎn)化為規(guī)整的亞晶粒，這一

14、過程稱為亞晶規(guī)整化過程。 高溫回復(fù)階段 位錯垂直于滑移面的方向排列成小角度亞晶界，小角度晶界的兩側(cè)為無畸變的亞晶，多邊化。 二、再結(jié)晶二、再結(jié)晶 冷變形金屬加熱至較高溫度時，將形成一些位向與變形晶粒不同的內(nèi)部缺陷較少的無畸變等軸小晶粒，這些小晶粒不斷向周圍的變形金屬中擴展長大，至到金屬的冷變形組織完全被等軸的新晶粒所取代，這一過程就是金屬的再結(jié)晶。再結(jié)晶溫度 記為T再，經(jīng)驗公式： T再0.4 T熔。再結(jié)晶后的晶粒尺寸和影響再結(jié)晶過程的主要因素 冷變形金屬再結(jié)晶后的晶粒大小，取決于再結(jié)晶的形核率和長大速度。形核率高，長大速度越慢，獲得的再結(jié)晶晶粒越細小；反之，再結(jié)晶晶粒就越粗大。 （1）變形量

15、（2）退火溫度和時間 （3）原始晶粒尺寸 （4）微量溶質(zhì)原子 （5）第二相粒子 臨界變形度 預(yù)先變形程度形變量對再結(jié)晶晶粒尺寸的影響晶粒大小三、晶粒的長大三、晶粒的長大 晶粒的正常長大再結(jié)晶完成以后，晶粒的長大是一個自發(fā)的過程，晶粒的長大的驅(qū)動力是晶體界面能的降低。而其長大的主要方式則是通過晶界的遷移實現(xiàn)的，晶界總有由曲變直的趨勢，因為這樣會使其能量降低，小晶粒不斷被大晶粒吞并，大晶粒的晶界逐漸趨于平直化，三晶界的交角趨于120。晶粒的異常長大（二次再結(jié)晶）將再結(jié)晶完成后的金屬繼續(xù)加熱到某一溫度或是保溫更長的時間，會有少數(shù)晶粒會突然長大，迅速吞并相鄰晶粒，直徑可達幾厘米，最后使金屬的晶粒變得非

16、常粗大，這一現(xiàn)象稱為晶粒的異常長大或二次再結(jié)晶。四、金屬的熱加工四、金屬的熱加工 在工業(yè)生產(chǎn)中，鋼材和許多零件的毛坯都是在加熱至高溫后經(jīng)壓力加工而制成的。 冷塑性變形引起的加工硬化，可以通過加熱發(fā)生再結(jié)晶來加以消除。如果鋼在再結(jié)晶溫度以上進行加工，塑性變形引起的加工硬化便可以立即被再結(jié)晶過程所消除。因此，在再結(jié)晶溫度以上的加工稱為熱加工。反之，在再結(jié)晶溫度以下的加工稱為冷加工。 金屬在高溫下強度降低而塑性提高，所以熱加工的主要優(yōu)點是容易變形，且變形量大，能量消耗少，即使是脆性材料也較容易加工。但由于金屬在表面要發(fā)生氧化，所以熱加工比冷加工產(chǎn)品表面的粗糙度和尺寸精度都要差。一般的，冷加工適合于厚

17、度較小，而且尺寸精度和粗糙度要求較高的場合。厚度較大和變形量較大的工件則需要進行熱加工。在熱加工工程中，金屬內(nèi)部同時發(fā)生著加工硬化和再結(jié)晶軟化，這種再結(jié)晶過程和加工硬化同時進行的過程稱為動態(tài)再結(jié)晶。 金屬熱加工后的組織金屬熱加工后的組織 纖維組織（熱加工流線） 在熱加工過程中，鋼錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都要沿變形方向伸長，這樣就使鑄錠中枝晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜的走向逐漸與變形方向一致，使它們變成條帶狀、線狀（脆性夾雜變成鏈狀）或片層狀，在宏觀試樣上沿著變形方向呈現(xiàn)一條一條的細線，這就是熱加工鋼中的流線，由一條條流線勾畫出來的熱加工鋼中的這種組織就是纖維組織。 纖維組織的出現(xiàn)將使鋼的機械性

18、能呈現(xiàn)各向異性，在沿著纖維伸展的方向上具有較高的機械性能，而在垂直于纖維伸展的方向性能則較差。在制定工件的加工工藝時，必須合理的控制流線的分布情況，盡量使纖維與應(yīng)力方向一致。 （a） （b）曲軸中的流線分布（a）鍛造變形； （b）切削加工。帶狀組織 低碳鋼經(jīng)過熱軋后，組織中的鐵素體和珠光體常沿變形方向呈帶狀或?qū)訝罘植?，形成帶狀組織。 帶狀組織會使金屬材料產(chǎn)生明顯的各向異性。低碳鋼鋼板如果只具有帶狀組織而不存在較多拉長的非金屬夾雜物時，對鋼的橫向機械性能影響不大。但如果出現(xiàn)帶狀組織的同時有較多拉長的非金屬夾雜物，則會使鋼板橫向的塑性和韌性明顯下降。 帶狀組織可以用正火、高溫擴散退火等方法加以去除

19、。 25低碳鋼中的帶狀組織五、金屬強化機制五、金屬強化機制固溶強化 在固溶強化理論中，最主要的是位錯的釘扎機制，這種機制包括位錯與溶質(zhì)原子的彈性交互作用、電學(xué)交互作用和化學(xué)交互作用。 溶質(zhì)原子常常聚集到位錯周圍，形成比較穩(wěn)定的分布。溶質(zhì)原子聚集構(gòu)成的原子團，被稱為柯垂耳 (Cottrell) 氣團位錯脫離柯垂耳氣團需要額外做功，因而柯垂耳氣團可以釘扎位錯使位錯滑動收到阻礙，金屬由此收到強化。 利用位錯與溶質(zhì)原子的彈性交互作用，可以解釋低碳鋼等金屬的上下屈服點現(xiàn)象和應(yīng)變失效現(xiàn)象。例如在低碳鋼中，由于微量的碳、氮原子聚集形成形成的柯垂耳氣團，對位錯有釘扎作用，所以當外力增大到上屈服點時，位錯才掙脫

20、氣團開始運動。可是一旦掙脫氣團以后，位錯受到的阻力立即減小，因此外力下降到下屈服點時也可以使金屬變形，并最終進入加工硬化階段。 第二相強化 又叫彌散強化，第二相粒子阻礙位錯運動，造成強化。加工硬化 變形時晶體缺陷不斷增殖，造成位錯運動困難，引起強化。細晶強化 因晶粒細化，造成晶界面積增加，阻礙了位錯的運動造成強化。第三節(jié) 高分子材料的變形 High Polymers Deformation 聚合物材料具有已知材料中可變范圍最寬的變形性質(zhì)，包括從液體、軟橡膠到剛性固體。而且，與金屬材料相比，聚合物的變形強烈地依賴與溫度和時間，表現(xiàn)為粘彈性，即介于彈性材料和粘性流體之間。 聚合物的變形行為與其結(jié)構(gòu)

21、特點有關(guān)。聚合物由大分子鏈構(gòu)成，這種大分子鏈一般都具有柔性，但柔性鏈易引起粘性流動，可采用適當交聯(lián)保證彈性，除了整個分子的相對運動外，還可實現(xiàn)分子不同鏈段之間的相對運動。這種分子的運動依賴與溫度和時間，具有明顯的松弛特性，引起了聚合物變形的一系列特點。 一、聚合物的力學(xué)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)變一、聚合物的力學(xué)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)變 非晶態(tài)聚合物在不同的溫度下，可以呈現(xiàn)三種不同的力學(xué)狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，這三種力學(xué)狀態(tài)是聚合物分子微觀運動特征的宏觀表現(xiàn)。 玻璃態(tài) 聚合物分子運動的能量很低，不足以克服分子內(nèi)內(nèi)旋轉(zhuǎn)勢壘，大分子鏈段（約由4050個鏈節(jié)組成）和整個分子鏈的運動是凍結(jié)的，或者說松弛時間無限大，只有小

22、的運動單元可以運動。此時，聚合物的力學(xué)性質(zhì)和玻璃相似，因此稱為玻璃態(tài)。在外力的作用下，變形很小，且形變與外力的大小成正比，外力除去后，形變能立即回復(fù)，符合虎克定律。高彈態(tài) 大分子已具有足夠的能量，雖然整個大分子尚不能運動，但鏈段已開始運動。這時，聚合物在外力作用下，大分子鏈可以通過鏈段的運動改變構(gòu)象以適應(yīng)外力的作用。分子在受外力拉伸時，可以從卷曲的線團狀態(tài)變?yōu)樯煺沟臓顟B(tài)。表現(xiàn)出很大的形變,約1000。當外力去除后，大分子鏈又可以通過鏈段的運動回復(fù)到卷曲的線團狀態(tài)。在外力作用下這種大的且逐漸回復(fù)特征的形變，稱為高彈性。高分子材料具有高彈態(tài)是它區(qū)別于低分子材料的重要標志。粘流態(tài) 分子具有很高的能量

23、，這時不僅鏈段能夠運動，而且整個大分子鏈都能運動?；蛘哒f，不僅鏈段運動的松弛時間縮短，而且整個大分子鏈運動的松弛時間也縮短。聚合物在外力作用下將呈現(xiàn)粘性流動，分子間發(fā)生相對滑動。這種形變和低分子液體的粘性流動相似，是不可逆的。當外力撤除時，形變不能回復(fù)。 聚合物由于存在著多重運動單元，在不同溫度下，呈現(xiàn)不同的力學(xué)狀態(tài)。玻璃態(tài)聚合物在升高到一定溫度時可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，這一轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，或簡稱玻璃化溫度，常以Tg表示。高彈態(tài)到粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度稱為粘流溫度，常以Tg表示。 二、熱固性塑料的變形二、熱固性塑料的變形 熱固性塑料因為是剛硬的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分子不易運動，所以在通常拉伸試驗時，

24、它們表現(xiàn)出象脆性金屬一樣的變形特性。但是，在壓應(yīng)力下它們?nèi)阅馨l(fā)生大量的塑性變形。圖5-12為環(huán)氧樹脂在室溫下單向拉伸和壓縮時的應(yīng)力應(yīng)變曲線。環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度Tg為100，這種交聯(lián)作用很強的聚合物，在室溫下因呈剛硬的玻璃態(tài)，拉伸時好象典型的脆性材料，而壓縮時則容易剪切屈服，并有大量的變形。值得注意的是，在屈服之后有“應(yīng)變軟化”現(xiàn)象，即在屈服之后真應(yīng)力下降。然而，這并不意味著產(chǎn)生了頸縮，因為在壓應(yīng)力作用下是不發(fā)生頸縮的。因此，這種在壓縮時的“應(yīng)變軟化”現(xiàn)象是材料本身固有的軟化特性。 拉伸壓縮應(yīng)力MPa0 10 20應(yīng)變/（%） 環(huán)氧樹脂在室溫下拉伸和壓縮時的應(yīng)力應(yīng)變曲線 100 50第四節(jié) 陶瓷