第八章材料的形變

第八章材料的形變第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日§8.1材料的彈性變形（Elasticdeformationofmaterials）2彈性變形的特征

●理想的彈性變形是可逆變形，加載時(shí)變形，卸載時(shí)變形消失、恢復(fù)原狀；

●在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之間服從虎克定律（Hooke’slaw）

正應(yīng)力下：σ=Eε切應(yīng)力下：τ=Gγ1彈性變形的本質(zhì)●彈性變形(elasticdeformation)：外力去除后能夠完全恢復(fù)的那部分變形；彈性變形是塑性變形的先行階段。E：彈性模量(Young’smodulus)G

：切變模量(shearmodulus)ν

：泊松比(Poisson’sratio)第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日●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)●彈性變形量隨材料的不同而異

●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第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日§8.2單晶體的塑性變形（Plasticdeformationofsinglecrystalline）●塑性變形(plasticdeformation)：當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限，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(jìn)行，此外尚有孿生和扭折第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日1滑移（slip)1）滑移線與滑移帶(sliplinesandslipbands)●

當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限時(shí)，晶體中會(huì)產(chǎn)生

層片之間的相對(duì)滑移，這些滑移的累計(jì)

構(gòu)成晶體的塑性變形●

宏觀上，材料的表面可見一條條細(xì)線（滑移線）●

微觀上，可見一系列相互平行的更細(xì)的線-滑移線；●

一組滑移線構(gòu)成滑移帶；

滑移只是集中在一些晶面上第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日2）滑移系(slipsystems)●塑性變形時(shí)，滑移線與滑移帶的排列不是任意的，材料的滑移只能沿一定的晶面或一定的晶向進(jìn)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(diǎn)陣阻力小?！衩恳粋€(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向合起來構(gòu)成一個(gè)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(jìn)行，塑性好?！衩嫘牧⒎?fcc)：{111}4<110>3=12個(gè)●體心立方(bcc)：{110}6<111>2+{112}12<111>1+{123}24<111>1=48個(gè)●密排六方(hcp)：（0001）1<1120>3=3個(gè)，其塑性比面心立方和體心立方差第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日3）滑移的臨界分切應(yīng)力(criticalresolvedshearstressofslip)●cosφcosλ稱為取向因子或施密特因子（Schmidfactor）●設(shè)圓柱形單晶體的截面積A，軸向拉力F，滑移面法線與軸向拉力F的夾角φ，滑移方向與外力的夾角λ，則外力在滑移面沿滑移方向的分切應(yīng)力：

●當(dāng)外力作用在某一滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到一定臨界值時(shí)，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

●當(dāng)φ=λ=45o時(shí)，取向因子最大，可用最小的拉力開始滑移第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日τcrss為滑移的臨界分切應(yīng)力，它是一個(gè)反映單晶體受力起始屈服的物理量第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日4）滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)(rotation)●滑移過程中，晶體要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致晶體的空間取向發(fā)生變化?！駢嚎s時(shí)，轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸垂直的方向Tensile●拉伸時(shí)使滑移方向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸平行的方向Compressive第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日5）多滑移(multipleslip)●對(duì)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(jìn)行，隨著變形時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)，另外的滑移系逐漸轉(zhuǎn)到對(duì)滑移有利的取向，從而使滑移過程沿著兩個(gè)或多個(gè)滑移系交替進(jìn)行或同時(shí)進(jìn)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(gè)滑移系具有相同的Schmid因子，可同時(shí)或交替動(dòng)作。

第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日2孿生(twinning)

2）孿生的特點(diǎn)1）孿生(twinning)：●晶體在切應(yīng)力作用下沿著一定的晶面(孿晶面,twinplane)和一定的晶向(孿晶方向,twindirection)，在一個(gè)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(duì)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(duì)稱；第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日3扭折(kink,不常見)

4)孿晶(twin)的形成●變形孿晶（機(jī)械孿晶,deformationtwins）●生長孿晶：氣相沉積、凝固等●退火孿晶(annealingtwins，可歸屬于生長孿晶3)滑移與孿生的對(duì)比

●主要發(fā)生在滑移和孿生都不能發(fā)生的地方●變形區(qū)域稱為扭折帶，扭折區(qū)的晶體取向發(fā)生不對(duì)稱性的變化第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日4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(gè)滑移系進(jìn)行滑移2)線性硬化階段：第二滑移系開動(dòng)，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(gè)階段

軟取向bcc、fcc有典型的三階段，hcp只有兩個(gè)階段

第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日§8.3晶體滑移的位錯(cuò)機(jī)制（Plasticdeformationofsinglecrystalline）d為晶面間距、W為位錯(cuò)寬度、b為柏氏矢量2位錯(cuò)增殖機(jī)制(generationmechanism)1位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力：●派—納力（Peierls-Nabarroforce，P-Nforce）

●對(duì)簡單立方結(jié)構(gòu)：

τP-N=2x10-4G，接近實(shí)測分切應(yīng)力

弗蘭克—瑞德源（Frank-Readsource,F-R源）第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日3位錯(cuò)的交割圖（石）（位錯(cuò)的反應(yīng)）第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日4交滑移的位錯(cuò)機(jī)制(crossslip)5刃型位錯(cuò)的攀移(climb)●刃型位錯(cuò)的攀移即多余半原子面通過空位擴(kuò)散而擴(kuò)大或縮小正攀移圖解●交滑移對(duì)材料的塑性影響大，交滑移容易的材料，塑性好?！窠换婆c材料的層錯(cuò)能有關(guān)(stackingfault)，層錯(cuò)能低，交滑移困難，層錯(cuò)能高，交滑移容易●刃型位錯(cuò)只有一個(gè)滑動(dòng)面，不產(chǎn)生交滑移●交滑移是螺型位錯(cuò)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

第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日§8.4多晶體的塑性變形（Plasticdeformationofpolycrystalline）1多晶體塑性變形的特點(diǎn)1)多晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：●存在晶界、相鄰晶粒之間取向不同2)塑性變形的特點(diǎn)：(1)各相鄰晶粒的變形相互協(xié)調(diào)和配合●每個(gè)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(gè)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(shí)要求每個(gè)晶粒至少能在5個(gè)獨(dú)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

第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日(2)晶界對(duì)形變過程的阻礙作用σ0：為一常數(shù)，大體等于單晶體的屈服強(qiáng)度，2)塑性變形的特點(diǎn)(con’t)：●位錯(cuò)不能越過晶界進(jìn)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(duì)強(qiáng)度影響的程度

●霍爾—佩奇公式（Hall-Petchequation）多晶體的屈服強(qiáng)度與晶粒平均直徑的關(guān)系：

第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日2多晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拋物線—線性硬化—拋物線●第一階段，變形有少數(shù)晶粒逐漸擴(kuò)展到全部晶?！竦诙A段與第三階段與單晶體類似第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日§8.5合金的塑性變形（Plasticdeformationofalloys）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(diǎn)

(1)合金為單相合金時(shí)，固溶體，Cu-Ni

(2)合金為復(fù)相合金時(shí)

●聚合型合金：第二相的尺寸與基體相相近，Pb-Sn1基本特點(diǎn)

●分散分布型(dispersiondistribution)：第二相非常細(xì)小且分散分布，F(xiàn)e-Fe3C、Sn-Ag3Sn

第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日2固溶體的塑性變形(plasticdeformationofsolidsolution)

1)固溶強(qiáng)化(solid-solutionstrengthening)：溶質(zhì)原子的加入引起點(diǎn)陣畸變，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度高于純?nèi)軇┑?/p>

3)影響固溶強(qiáng)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)溶劑原子價(jià)電子數(shù)差（置換型）：差別越大，效果好

第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日3復(fù)相合金的塑性變形1）聚合型合金（1）兩相都為塑性相，Pb-Sn等應(yīng)變理論：σa=f1σ1+f2σ2等應(yīng)力理論：εa=f1ε1+f2ε2（2）兩相中一個(gè)為塑性相，另一個(gè)為脆性相●合金變形的阻力不僅取決于兩相的體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)，可用機(jī)械混合法則第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日2）分散分布型(dispersiondistribution)●位錯(cuò)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(cuò)的運(yùn)動(dòng)帶來困難；

彌散細(xì)小分布的第二相分布在基體相中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用（1）第二相粒子為可變形顆粒時(shí)位錯(cuò)將切過粒子使之隨同基體一起變形*強(qiáng)化機(jī)理主要有：

第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日（2）第二相不能變形●可變形顆粒增大，與基體非共格位錯(cuò)繞過機(jī)制（奧羅萬機(jī)制，Orowanmechanism）τ=Gb/LL：粒子間距；G：切變模量；b：柏氏矢量

●第二相越小，越均勻，硬度越高，強(qiáng)化效果越好，且不影響塑性條件：●第二相硬、脆，

2）分散分布型(con’t)*強(qiáng)化機(jī)理：

第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日4鐵、碳合金的舉例

1)固溶強(qiáng)化

平衡固溶，C<0.0218%，效果不大馬氏體，過飽和固溶體，效果顯著（馬氏體強(qiáng)化，位錯(cuò)強(qiáng)化）

2)第二相強(qiáng)化

片狀滲碳體索氏體屈氏體彌散滲碳體回火索氏體回火屈氏體

3)細(xì)晶強(qiáng)化

亞微米鋼亞結(jié)構(gòu)

第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日5低碳鋼的屈服和應(yīng)變時(shí)效(yieldingandstrainaging)

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(diǎn)及屈服平臺(tái)

●呂德斯帶（Lüdersband）：應(yīng)力超過屈服極限時(shí)，在試樣表面產(chǎn)生一個(gè)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?！袂F(xiàn)象的原因：(1)柯氏氣團(tuán)（Cottrellatmosphere）：位錯(cuò)釘扎(anchoringofdislocation)(2)位錯(cuò)增殖：剛開始位錯(cuò)少，位錯(cuò)增殖快，到一定程度后流變應(yīng)力降低第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日2)應(yīng)變時(shí)效(strainaging)

退火狀態(tài)的試樣拉伸超過屈服點(diǎn)卸載馬上再加載，不發(fā)生屈服現(xiàn)象放置一段時(shí)間后再加載，屈服現(xiàn)象重新出現(xiàn)●機(jī)理：柯氏氣團(tuán)解釋

(Cottrellatmosphere)

第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日§8.6塑性變形對(duì)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，塑性差的破裂第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日●亞結(jié)構(gòu)(sub-structure)：晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度(dislocationdensity)增加，位錯(cuò)纏結(jié)(dislocationtangle)，位錯(cuò)胞狀亞結(jié)構(gòu)–形變亞晶(deformationsubstructure)第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日2形變織構(gòu)(deformationtexture)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(dòng)，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(preferredorientation)，這種組織狀態(tài)稱為形變織構(gòu)(deformationtexture)●絲織構(gòu)(fibertexture)：某一晶向大致與拔絲方向一致；●板織構(gòu)(sheettexture)：