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1、第五 1 章材料的塑性变形Theplasticdeformationofmaterials 材料不同 其弹 塑性性能差异很大塑性变形 对锻 轧 拉 挤有重要作用 对铸造 热处理则要尽量避免 弹性变形 elasticdeformation 塑性变形 plasticdeformation 外力材料 1 弹性和粘弹性 ElasticityandViscoelasticity 弹性变形 ElasticDeformation 低碳钢的拉伸试验弹性变形 可逆性外力去处后可完全恢复 r r0原子处于平衡位置位能U为Umin最稳定F 0rr0即偏离其平衡位置F 引力 斥力力图使原子恢复其原来的平衡位置变形消失
2、 本质 可从原子间结合力的角度来了解之 应力 应变关系 Stress Strainbehavior 虎克定律 Hooke slaw s Eet Gg广义虎克定律矩阵表达式二弹性模量E Elasticmodulus 表征晶体中原子间结合力强弱的物理量 反映原子间的结合力 是组织结构不敏感参数 对晶体而言 系各向异性沿原子最密排的晶向Emax沿原子最疏的晶向Emin工程上E系材料刚度的度量弹性变形量随材料不同而异 E modulusofelasticity Young smodulus G shearmodulusu poisson sratio G E 2 1 u 2 单晶体的塑性变形Plast
3、icDeformationofSingleCrystal 一滑移 Slip 1 现象 2 滑移的晶体学特征滑移面和滑移方向晶体中原子密度最大的面和方向Slipplane Slipdirection为什么 fcc 滑移面 111 滑移方向hcp 0001 c a 1 633 0001 1010 1011 c a 1 633bcc 0 8Tm 123 Slipsystem 晶体结构不同 滑移系的数目不同 Numberofslipsystems fcc 111 有四组 而每个 111 面上共有三个 110 故共有4 3 12个滑移系hcp 1个 0001 面3个 1 3 3个滑移系 bcc 110
4、面共有6组 每个 110 上有2个方向12组 112 1个24组 123 1个故共有6 2 12 1 24 1 48个滑移系一般滑移系愈多 滑移过程中可能采取的空间取向也就愈多 这种材料的塑性就愈好 3 滑移所需临界分切应力Critical resolved shearstress 滑移 圆柱形试样单向拉伸时作用在滑移面上沿滑移方向的 其中 为作用在试样横断面上的拉伸应力 为取向因子 Schmid 晶体滑移必须使t tc 临界分切应力 tc取决晶体中原子间的结合力 即与晶体类型 纯度 杂质 温度以及变形速度有关 与外力无关 一切影响位错滑移难易程度的因素均影响tc 当 90 或 90 时 s
5、晶体不能产生滑移只有当 45 时 s min首先发生滑移 2tc 快速确定具有最大取向因子cos cos 的滑移系方法 映象规则 利用投影图中心部分的八个取向三角形 4 晶体在滑移时的转动 rotation 晶体滑移 在拉伸时使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行 在压缩时使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴垂直 转动的原因 两对力偶 为上下两滑移面的法向分应力在该力偶作用下 使滑移面转至轴向平行 垂直于滑移方向的分切应力在该力偶作用下 使滑移方向转到最大分切应力方向 是 滑移方向的真正引起滑移的有效分切应力 晶体滑移 晶体转动 位向变化 取向因子变化 分切应力值变化 5 多系滑移Multipl
6、eslip 外力下 滑移首先发生在分切应力最大 且t tc的滑移系 原始滑移系 primaryslipsystem 上 但由于伴随晶体转动 空间位向变化 另一组原取向不利 硬取向 滑移系逐渐转向比较有利的取向 软取向 从而开始滑移 形成两组 或多组 滑移系同时进行或交替进行 称为多系滑移 综上所述 滑移变形的基本特点 滑移变形系不均匀的切变 它只集中在某些晶面上 滑移结果两部分晶体产生相对移动 移动的距离 nb 仍保持晶体学的一致性 沿着一定的晶面和晶向进行 滑移系较多的材料为 fcc 一般具有较好塑性 在切应力作用下 且t tc 滑移同时 滑移面和滑移方向将发生转动 实质位错沿滑移面的运动过
7、程 二孪生 Twin 滑移系较少的hcp 或在低温下或者当滑移受阻时晶体会以另一种变形方式 孪生变形进行Deformationbytwinning 不同晶体结构往往有不同孪生面和孪生方向 fcc 111 hcp 1012 bcc 112 2 孪晶的形成 孪生临界切应力比滑移的大得多 只有在滑移很难进行的条件下才会发生 例如 Mg孪生所需tc 4 9 34 3MPa 而滑移时tc仅为0 49MPa 但孪晶的长大速度极快 与冲击波的速度相当 有相当数量的能量被释放出来 故常可听见明显可闻 咔 嚓 声 也称孪生吼叫 通过单纯孪生达到的变形量是极为有限的 如Zn单晶 孪生只能获得7 2 7 4 伸长率
8、 远小于滑移所作的贡献 但是孪生变形改变了晶体的位向 从而可使晶体处于更有利于发生滑移的位置 激发进一步的滑移 获得很大变形量 故间接贡献却很大 孪生的机制 孪生时每层晶面的位置是借助一个不全位错 肖克莱 的移动而成的 是借助位错增殖的极轴机制来实现的 3 孪生形变的意义 孪生的主要特点 孪生是均匀切变 相对移动距离不是孪生方向的原子间距的整数倍 孪生面两边晶体位向不同成镜面对称 切变区内与孪生面平行的每一层原子面均相对其邻面沿孪生方向位移了一定距离 且每一层原子相对于孪生面的切变量和它与孪生面的距离成正比 孪生改变了晶体取向 因此出现孪晶的试样经重新抛光 腐蚀后仍能显现出来 在切应力作用下
9、且t tc但tc 孪生 tc 滑移 实质借助一个不全位错运动而成 存在形核与长大过程 三扭折Kink hcp的Cd压缩时 外力与 0001 面平行 故在 0001 面的t 0 若此时孪生过程的阻力也很大 不能进行 为了使晶体的形状与外力相适应 当外力超过某一临界值时 晶体将会产生局部弯曲 即出现扭折现象 扭折区晶体的取向发生了不对称变化 扭折是为适应外力而发生的不均匀局部塑性变形方式 对变形起一定的协调作用 使应力得到松弛 使晶体不致发生断裂 另外由于扭折引起晶体的再取向 即有可能使扭折带区域中的滑移系处于有利取向 促使晶体形变能力进一步发挥 造成扭折的原因是滑移面的位错在局部地区集中 从而引
10、起的晶格弯曲 四塑变的位错机制 1 滑移的位错机制根据刚性滑移模型推导出的理论切变强度 G一般为104 105MPa 即使采用修正值 与实测值 约为1 10MPa 之间相差3 4个数量级 位错概念引入解决这一矛盾 因为位错运动时只要求其中心附近少数原子移动很小的距离 小于一个原子间距 因此所需的应力要比晶体作整体刚性滑移时小得多 这样借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移 位错运动首先遇到点阵阻力 派纳力 t0 无加硬化时所需切应力a 与材料有关常数0 3 0 5 2 孪生的机制孪晶区域各晶面的相对位移距离是孪生方向原子间距的分数值 这表明孪生时每层晶面的位移应借一个不全位错的移动而造成 位错增
11、殖的极轴机制 fcc中OA OB和OC三条位错线相交于结点O OA OB不在滑移面上 属不动位错 极轴位错 OC为可动的不全位错 且只能绕极轴转动 每当它在 111 面上扫过一圈 就产生一个单原子层的孪晶 同时又沿着螺旋面上升一层 这样不断转动 上述过程逐层地重复进行 就在晶体中形成一个孪晶区域 至于扭折带晶体位向有突变 这个取向改变的过渡区系由一系列同号的刃型位错排列所构成 3 多晶体的塑性变形PlasticDeformationofpolycrystallineMaterials 多晶体变形要受到晶界和相邻不同位向晶粒的约束 周围晶粒同时发生相适应的变形来配合 一般多晶体为多系滑移 高的加
12、工硬化率 变形抗力增大 强度显著提高 应力 应变曲线无 只出现 阶段 晶粒取向的影响 为保持连续性 周围晶粒变形必须相互制约 相互协调 多晶体塑性变形时要求至少有5个独立的滑移系进行滑移 任意变形均可用exxeyyezznxynyznxzfcc bcc滑移系多 塑性好hcp滑移系少 塑性差 二 晶界的阻滞效应多晶体塑性变形的另一个特点是晶界对变形过程的阻碍作用 对只有2 3个晶粒的试样拉伸后呈竹结状 因晶界 尤其是大角晶界 处原子排列不规则 点阵畸变严重 再加上晶界两侧的晶粒取向不同 滑移面和滑移方向彼此不一致之缘故 晶内发生较大变形 晶界处变形量较少 塑变抗力大 可观察到位错的塞积 位错在晶
13、界上产生塞积 注意 晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大 而多晶体加工硬化的主要原因来自晶界两侧晶粒的位向差 晶界阻滞效应只在变形早期影响较大 因早期 位错较小 晶界阻滞效应的大小还与晶体的结构类型有关hcp结构的晶界阻滞效应要比fcc bcc类型的晶体明显滑移系较小三晶粒大小对机械性能的影响1 对室温机械性能的影响晶粒愈细 晶界愈多 强化效应 细晶强化sssbHVStrengtheningbyGrainSizeRe duction较好塑性 因细晶的晶内和晶界附近应变差较小 变形较均匀 有可能断裂前承受大量的变形细晶具有良好的综合机械性能 平衡时 根据每个位错的受力情况 可导出每个位错的位
14、置 以xi表示从障碍物开始计到第i个位错距离 塞积群周围所产生的应力场与一个具有nb的大位错所产生应力场相当 显然 1 此应力场反作用于位错源 并有可能使其停止开动 加工硬化 由此可见在塞积群中位错的分布是不均匀的 越靠近障碍物 位错间距越小 位错塞积群的一个重要效应就是在它的前端会引起应力集中 其数值等于外加切应力n倍 t0 无外加硬化时所需切应力a 与材料有关常数0 3 0 5 Hall Petch公式 屈服强度 相当于单晶体的屈服强度 晶粒平均直径 常数 相邻晶粒位向差对位错运动的影响关系与晶界结构有关 系普遍的关系式 金属材料如此 亚晶的尺寸与ss的关系 塑性材料流变应力和晶粒尺寸 脆
15、性材料的脆断应力与晶粒大小关系以及金属的疲劳强度与晶粒大小间的关系也可用霍尔 佩奇公式来表达 位错在晶界上产生塞积 位错塞积群的一个重要效应就是在它的前端会引起应力集中 其数值等于外加切应力n倍 启动相邻晶粒内的位错源所需临界应力 2 对高温强度的影响低温时 晶界强度 晶内强度加上晶界两侧晶粒位向差影响晶界对滑移有阻滞作用 等强温度Tk ss晶界 ss晶内 高温时则不同 有两种不同的变形机制 1 晶粒沿晶界滑动 晶界滑动机制 当T Tm 2时 以晶粒沿晶界的相对滑移方式进行 T 扩散能力 且原子沿晶界扩散速率 沿晶内的 故高温时晶界似流体一样 呈现粘滞性 变形抗力 沿晶界滑移 2 扩散性蠕变机
16、制蠕变 在一定t C 300 C 下 当应力大于某一值时 即使外力不再增加 而塑性变形随时间延长而会缓慢地增加现象 ABCD为多晶体中一晶粒 AB CD晶界受拉 在其附近易于产生空位 空位浓度较高 AC BD受压 空位浓度较低 扩散 空位 蠕变与 有关 存在空位浓度梯度导致空位向AC BD定向移动 原子向AB CD定向移动 从而使晶粒沿拉伸方向伸长 即使在恒应力情况下 随时间延长也会不断发生应变 扩散性蠕变 T d 扩散性蠕变速率 因此一般高温合金都希望具有较粗晶粒 四 多晶体的应力 应变曲线 与单晶相比 一般不出现硬化第一阶段 易滑移阶段 只有 线性硬化和抛物性硬化阶段 呈现明显的晶界阻滞效应和很高的硬化系数 面心立方晶体 密排六方晶体 4 合金的塑性变形PlasticDeformationofAlloys 一单相固溶体合金的塑性变形PlasticDeformationofSingle Phasealloy1 屈服现象yieldphenomenon拉伸曲线 没有明显屈服点Yieldpoints0 2 应力平台的应力点称为下屈服点 在几乎是恒定的应力下发生的延长称为屈服伸长 应力平台上
