【2017年整理】FH2.1-塑变机理0

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1、17:44,1,材料性能学,付华石家庄铁道大学,17:44,2,绪论第1章 材料的弹性变形第2章 材料的塑性变形第3章 材料的断裂与断裂韧性第4章 材料的扭转、弯曲、压缩性能第5章 材料的硬度第6章 材料的冲击韧性及低温脆性第7章 材料的疲劳性能第8章 材料的磨损 第9章 材料的高温力学性能 第10章 材料在环境介质作用下的腐蚀 第11章 材料的强韧化,金属的塑性变形,17:44,3,第2章 材料的塑性变形,2.1. 材料的塑性变形机理2.1.1 金属与陶瓷晶体的塑性变形机理2.1.2 陶瓷材料的塑性变形特点2.1.3 高分子材料的塑性变形2.2 冷变形金属的回复与再结晶2.2.1 塑性变形对

2、材料性能的影响2.2.2 冷变形金属的回复与再结晶2.2.3 材料的热加工与冷加工2.3 塑性变形的力学性能指标,17:44,4,第2章 材料的塑性变形,2.1. 材料的塑性变形机理2.1.1 金属与陶瓷晶体的塑性变形机理一、单晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形 （一）多晶体塑性变形的特点 （二）冷变形金属的组织与结构2.1.2 陶瓷材料的塑性变形特点一、结合键对位错运动的影响二、单晶陶瓷的塑性变形特点三、多晶陶瓷的塑性变形特点四、非晶体陶瓷的塑性变形2.1.3 高分子材料的塑性变形机理一、线性非晶态高分子材料的塑性变形二、结晶态高聚物的塑性变形,17:44,5,2.1 材料的塑性变形机理,塑

3、性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移 （不可恢复）。,2.1.1 金属与陶瓷晶体的塑性变形机理,常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。,一、单晶体的塑性变形,17:44,6,1. 滑移现象,（一 ）滑移,切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，不破坏晶体内部原子排列 规律性的塑变方式。,2.1材料的塑性变形机理,（动画）,滑移的 位错机制,2.1材料的塑性变形机理,17:44,8,滑移带和滑移线只是晶格滑移结果的表象；重新抛光后可去除。,光镜下：滑移带。电境下：滑移线。,2.1材料的塑性变形机理,17:44,9, ,产生滑移的条件：,面间

4、距大；滑移矢量（柏氏矢量）小；,滑移面 ：密排面滑移方向：密排方向,2.1材料的塑性变形机理,2. 滑移系,滑移面 ：密排面滑移方向：密排方向,一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系个数=滑移面数每个面上的滑移方向数,2.1材料的塑性变形机理,17:44,11,fcc滑移系：滑移面一般为111， 滑移方向；43=12个滑移系,Cu,Al,Ni,Au,Fe,W,Mo,17:44,13,Mg,Zn,Ti,Zr,17:44,14,3. 滑移系数目与材料塑性的关系:,一般滑移系越多，塑性越好；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与同时开动滑移系数目有关； 滑移的临界分切应力,4. 滑移的临界分切

5、应力（c）（ Schmid施密特定律）,：外力在滑移方向上的分解。 c：在滑移面上沿滑移方向开始滑移的最小分切应力。,临界分切应力：cscoscos,外力在滑移方向上的分解：,屈服时，塑变开始： s,取向因子：coscosSchmid因子,17:44,16,coscos 大时，=45时，分解得到的 c值最大（或在较小的s下达到 c ），晶体易滑移：软取向。,cscoscos,或90时，=0 ：硬取向。,2.1材料的塑性变形机理,17:44,17,影响c的因素：,晶体结构；滑移系类型；形变温度；滑移阻力；和取向因子无关。,c取决于金属的本性，不受，的影响；,cscoscos,17:44,18,例

6、：在面心立方晶胞001上施加100MPa的应力，求滑移系(111) 上的分切应力。,解：首先确定该滑移系对应力轴的相对取向，如图2-5。滑移方向和应力轴的夹角=45，cos=0.707。,2.1材料的塑性变形机理,由施密特定律：,=54.76,所以，滑移系(111),上的分切应力为40.8MPa。,滑移面的法线111和应力轴001夹角有：,17:44,20,5. 滑移时晶体的转动,位向和晶面的变化：,力偶1及2使滑移面向拉伸轴向转动,（动画）,2.1材料的塑性变形机理,17:44,21,拉伸时，滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向; 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。,压缩转动,17:44,2

7、2,取向因子变化：,几何硬化：，远离45，滑移变得困难；几何软化：，接近45，滑移变得容易。,2.1材料的塑性变形机理,17:44,23,扭折:,变形受到约束，不均匀塑变；,扭折带,晶体位向突变为有利位置，产生滑移。,17:44,24,6. 单滑移、多滑移、交滑移和复滑移,1） 单滑移只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先开动时，形成单滑移。,一个晶粒内只有一组平行的滑移线(带)。变形量很小的情况下发生。位错在滑移过程中不与其它位错交互作用，因此对材料的强化作用很弱。,2.1材料的塑性变形机理,17:44,25,2） 交滑移：（材料科学基础螺位错）螺位错的交滑移和双交滑移。晶体在两个或多个

8、不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。,2.1材料的塑性变形机理,17:44,26,Al易交滑移，波纹状滑移带,2.1材料的塑性变形机理,17:44,27,3） 多滑移：在多个（2）滑移系上同时或交替进行的滑移。,外力对多个滑移系的取向因子相同。多滑移比单滑移更困难。强化材料。,奥氏体钢交叉滑移带,17:44,28,主滑移系：c时，先启动的滑移系（一次滑移）。,4） 复滑移：（先后开动）,共轭滑移系： 随着滑移的进行，晶体取向变化，启动的另一个等同的滑移系。(第二滑移系),共轭滑移系开动时与主滑移系的滑移线交割，起动较困难；,滑移的表面痕迹 : 单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑

9、移带； 交滑移：波纹状的滑移带。,奥氏体钢交叉滑移带,2.1材料的塑性变形机理,17:44,30,（二）孪生,在切应力作用下，晶体一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变，形成晶体取向的镜面对称关系。,（动画）,2.1材料的塑性变形机理,17:44,31,17:44,32,1. 孪生晶体学晶体的孪晶面和孪生方向与晶体结构类型有关。,17:44,33,fcc中，每层（111）面都相对于其邻晶沿 方向位移了,17:44,34,2. 孪生的特点,孪生是一种均匀的切变；切变时原子移动距离是原子间距的分数倍；孪晶面两侧晶体的位向不同，呈镜面对称；孪晶经抛光与浸蚀后仍能重现。,2.1材料的塑性变

10、形机理,17:44,35,孪晶常见于hcp和bcc晶体，fcc晶体中很难发生孪生。孪生本身对塑变的贡献不大，但孪晶改变了晶体的位向，使新滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。,孪晶一般呈片状。,Zn中的孪晶,17:44,36,孪晶形核一般需要高应力。孪晶长大应力较小，常以爆发方式长大，拉伸曲线呈锯齿状。,2.1材料的塑性变形机理,2h,17:44,38,多晶塑性形变受进晶粒和晶界的双重控制。,二、 多晶体的塑性变形,2.1材料的塑性变形机理,17:44,39,多晶体的塑性变形,2.1材料的塑性变形机理,位错在晶界塞积应力集中相邻晶粒位错源开动 相邻晶粒变形 塑变 （动画）,17:44,40,（一）

11、 多晶体金属塑性变形的特点,1各晶粒变形的不同时性和不均匀性。2各晶粒变形的相互协调性。3滑移的传递：激发相邻晶粒的位错源。,2.1材料的塑性变形机理,取向差效应：,（动画）,(二） 晶界阻滞效应：（竹节效应动画）,晶界对变形的阻碍作用：,晶界原子排列不规则，分布有大量缺陷； 滑移、孪生多终止于晶界，极少穿过。,2.1材料的塑性变形机理,晶界对变形的阻碍作用,晶粒越细，强度s，b，-1越高。,细晶强化：,原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。,(霍尔配奇 Hall-Petch公式)：,17:44,43,5. 塑变后组织的变化,塑性变形 改变材料的外形和尺寸； 内部组织； 性能。在变形的

12、同时，伴随着变性。,2.1材料的塑性变形机理,17:44,44,滑移带、孪晶带 随变形度的增加，等轴晶粒沿变形方向伸长,晶粒呈纤维状的条纹，称为纤维组织（带状组织：杂质呈细带状或链状分布） 。,1）纤维组织和带状组织,16MnR容器钢板带状组织,2.1材料的塑性变形机理,17:44,45,黄铜,纤维组织和带状组织,17:44,46,2）胞状组织（位错胞，亚结构 ）,变形量增加位错缠结 位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。）,17:44,47,胞状组织（位错亚结构 ）,严重冷变形后，位错密度可从退火态的106107cm-2增至10111012cm-2。,变形量越大，胞的数量增多，尺寸减小

13、。,2.1材料的塑性变形机理,17:44,48,3）形变织构,定义：随形变增加，各晶粒的滑移面和滑移方向向主形变方向转动，晶粒取向大体一致，这个过程称为“择优取向”。择优取向后的晶体结构称为“织构”，由变形引起的织构称为形变织构。,常见类型:,丝织构,板织构,2.1材料的塑性变形机理,17:44,49,A 丝织构：在拉丝(拔)时形成，使各个晶粒的某一晶向转向与拉伸方向平行；以表示。,2.1材料的塑性变形机理,17:44,50,B 板织构 ： 轧制时，晶粒的某晶面hkl趋向于与轧制面平行，某晶向趋向于与轧制方向平行；记为hkl。,2.1材料的塑性变形机理,17:44,51,形变织构：各向异性,晶

14、粒拉长，未出现织构。,晶粒拉长，出现织构。,2.1材料的塑性变形机理,C 织构利弊：,沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。,17:44,52,织构利弊：,织构使磁化性能得到改善。例2：硅钢片 高斯织构 （110）001 立方织构 （100）001硅钢片织构可减少铁损。,用有织构的板材冲制筒形零件时，由于在不同方向上塑性差别很大，边缘出现“制耳”。,小结：晶体（金属）的塑变机理,单晶体：滑移，孪生多晶体：非同时性、非均匀性； 晶界阻碍滑移 纤维组织、位错胞、织构,2.1材料的塑性变形机理,2.1.2 陶瓷材料的塑性变形,一、结合键对位错运动的影响,一、单晶陶瓷的塑性,二、多晶陶瓷的塑性,三、非晶陶瓷的塑性,2.1材料的塑性变形机理,2.1.2 陶瓷材料的塑性变形,一、结合键对位错运动的影响,金属：位错运动时不破坏金属键，固有特性是软的。共价键(共价晶体)：位错水平运动时，破坏键合， 点阵阻力高。固有特性是硬的。,共价键,共价晶体,金属,2.1材料的塑性变形机理,离子晶体：,水平方向100滑移一半时，同号离子处于最近邻位置，静电斥力大，位错难以运动；,沿45110面和方向滑移，静电斥力小， 运动较容易-主滑移系。,2.1材料的塑性变形机理,17:44,57,离子晶体产生滑移的条件：,面间距大；滑移矢量（柏氏矢量）小；每个面上是同一种电荷的原子，相对滑移面上的电荷相反。,