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1、,材料科学基础,材料科学基础,第五章 材料的形变与再结晶,第一节 应力与应变,一、真实应力-应变曲线 作用力P P 真实应力si= si= 瞬时实际截面积Ai Ai 瞬时真应变 总的真应变 sie真应力-应变曲线 OP纯弹性应变阶段 P弹性极限 PF弹性加范性应变阶段 F断裂点,第一节 应力与应变,二、工程应力-应变曲线 拉伸实验测量值： 工程应力： 工程应变：,A0试样原始截面积 L0试样原始长度 P 作用力、载荷 L 拉伸试样的长度 Af断裂处试样的横截面积 Lf断裂时试样的标距长度,第一节 应力与应变,真实应力si、应变e与工程应力s、应变e之间的换算 （适用于均匀形变阶段）,第二节 弹
2、性形变,一、弹性形变的宏观定律 虎克定律在应变不很大的情况下，应力与应变多成线性关系。 单向拉伸的简单条件下,真实正应力si与真实应变e的关系为: si = c e c 弹性模量 单向切变的简单条件下,真实切应力t与真实切应变g的关系为: t = c g c 切变弹性模量 采用工程应力与工程应变时： s = E e E弹性模量、杨氏模量c = G g G切变弹性模量c 波松比()：表示纵向形变与横向形变间的比值关系,第二节 弹性形变,二、弹性应变能 形变功 dW= p dL = siAi dL = siV dL/L = siV de=cVede p/Ai=si AiL=V de=dL/L i=
3、ce 单位体积储存的弹性能： 若用工程应力、应变表示： 切应变条件下：,第二节 弹性形变,三、影响弹性形变的内在因素 原子间结合力的大小，反映在弹性模量上 (弹性模量的大小表征原子结合力的大小) 在原子平衡位置附近，原子间的作用力 与位移为直线关系，决定了晶体的弹性 应变与应力近似于直线关系。 单晶体原子排列具有方向性、弹性模量也具有方向性 沿原子线密度最大的方向，弹性模量也最大。 多晶体各晶粒的晶体学相对取向不同，强弱互补， 弹性模量的方向性表现不出来，介于最大值与最小值之间。 弹性模量是属于结构不敏感的性能。,第三节 范性形变的表象,一、范性形变的宏观特征 范性形变的宏观表现物体的外形或尺
4、寸发生了永久变化。 拉伸试样：弹性形变范性形变颈缩继续形变断裂 si=ce si=c*e+ s0 一般n1 应力随应变的增量(ds/de)即曲线的斜率，称为加工硬化系数。 ds/de=knen-1,si=ken,强化系数,应变硬化指数,第三节 范性形变的表象,二、范性形变在显微组织中的反映 1. 晶粒外形的变化 晶粒外形变化趋势大体上与工件宏观流变的趋势相符合： 单向拉伸情况下，晶粒沿拉力轴的方向伸长 单向压缩情况下，晶粒沿垂直于压力轴的方向伸展 各晶粒各自独立又相互协调地形变： 软者变化大，硬者变化小，应力和应变得以传递。 2. 晶粒内部的变化 滑移带 孪生带 一系列线条状的或带状的组织特征
5、 形变带 波纹状 枣核状,第四节 单晶体的滑移,滑移是晶体形变最普遍的基本过程之一。 滑移是晶体的两部分之间沿着一定的晶面（滑移面）和一定 的 晶向（滑移方向）而发生的一种相对切变。 这种切变既不改变晶体的点阵类型，也不影响晶体的取向，只是在晶体表面出现了一系列的台阶状的痕迹。,第四节 单晶体的滑移,一、滑移机理 晶体滑移的元过程位错的运动 位错沿某一晶面逐点扫过晶体时，晶体的两部分也就沿这个晶面逐步发生了滑移。 刃型位错线运动的方向是和滑移方向相平行 位错线与柏氏矢量垂直， 滑移面由位错线和柏氏矢量唯一决定。 正、负型刃位错的运动方向正好相反 螺型位错线运动的方向是和滑移方向相垂直 位错线与
6、柏氏矢量平行， 滑移面无法唯一确定。 左、右型螺位错的运动方向正好相反,第四节 单晶体的滑移,正刃型位错引起滑移 刃型位错线 负刃型位错引起滑移 左螺型位错引起滑移 螺型位错线 右螺型位错引起滑移,第四节 单晶体的滑移,二、晶体的滑移面和滑移方向 滑移面：晶体的滑移大多优先发生在原子密度最大的面上。 原子密度大的晶面，面间距也大，晶面滑移阻力小， 滑移量小，所需的能量也小。 滑移方向：滑移易于优先沿原子线密度最大的晶向进行。 沿最密集方向切变一个原子间距，做功最小。,第四节 单晶体的滑移,三、滑移系 滑移系：晶体中一个可滑移的晶面和其上一个可滑移的晶向 合称一个滑移系，用 k h l 表示。
7、面心立方晶体 最可能发生滑移的晶面为111 共四组：(111) (111) (111) (111) 每个面上有三个密集方向 如：(111)110 011 101 潜在滑移系共有43=12个,第四节 单晶体的滑移,体心立方晶体 最可能发生滑移的晶面110，其次是112和123 最可能发生滑移的晶向 110晶面族包含 6 组晶面，各有2个滑移方向； 112晶面族包含12组晶面，各有1个滑移方向； 123晶面族包含24组晶面，各有1个滑移方向。 潜在滑移系：62+121+241=48，其中前12个较普遍。,第四节 单晶体的滑移,密集六方晶体 轴比 c/a=1.633时：可滑移系为0001 (密集面，
8、1组)和 (密集方向，3组)，共3个。 轴比 c/a1.633时： 0001 不再是密集面，但密度仍较高。 1010 1011 1012,密度增加，可作为滑移面(各3组)， 滑移方向仍然是(各1组)。,第四节 单晶体的滑移,四、滑移的临界分切应力 切应力分量是滑移的先决条件：一个滑移系只有当受到它所需要的一定大小的切应力时，它才能开始滑移。 面积：A/cos 法向分力：Pcos OS切向分力：Psin OT切向分力：Psincos 或 Pcos,滑移面,切应力分量 OT切应力= 滑移面面积,第四节 单晶体的滑移,OT分切应力： =P/A 试样横截面上的正应力 =coscos=cossincos
9、 取向因子 几个方面的讨论： (1) 如果角度一定，当 =45时， 最大，达到最大值 = 45 是最有利于滑移的方向，称为软取向； 45 都属于不利于滑移的方向； = 根本无法滑移，称为硬取向。, ,第四节 单晶体的滑移,(2) 滑移系的取向是由晶体的取向来决定的。晶体的取向不同， 表现出表观的试样开始屈服时的试样横截面上的正应力ss 变化很大，但所对应的分切应力总是一个定值，这个值叫 临界分切应力tk。这个规律叫临界分切应力定律。 在滑移面的滑移方向上，只有当分切应力的值达到或超 过某一特定的大小以后，晶体才沿这一滑移系开始滑移，这 个特定的值就是临界分切应力。 (3) tk是 真正表示晶体
10、屈服实质的物理量。对于单晶体来说， ss所谓屈服点（开始滑移时试样横截面上的正应力）无实 际意义，会随晶体取向而变化。 (4) 晶体中等同滑移系的tk是一样的，非等同滑移系的tk则不同。 密集系的tk最小。 (5) 提高tk来提高材料的屈服强度： a. 消除位错； b. 增加位错运动的阻力各种强化方法、增加结构缺陷等。,第四节 单晶体的滑移,五、形变过程中晶体的再取向与复杂滑移 1. 拉伸、压缩时晶体的转动,拉伸时， 晶体的转动是力求使作用滑移系 转到与力轴平行的方向。 力轴不固定时，滑移层不转动； 力轴固定时，滑移层转动。 压缩时， 晶体的转动是力求使作用滑移系 转到与力轴垂直的方向,第四节 单晶体的滑移,2. 双滑移或多滑移 若一个处于最软取向的滑移系，启动后引起晶体转动，使其自身转向硬取向而停止滑移，但却会使某些原处于较硬取向的滑移系转向软取向而进行滑移，进而引起新的滑移系参加滑移或使已硬化的旧滑移系重新滑移。 3. 物理强化效果 滑移会使k增大，这种现象称为物理强化。 双滑移或多滑移由于相互间要反复发生交割，所以比单滑移的强化效果大。参与的滑移系越多，强化效果也越大。 双滑移、多滑移 物理强化 加工硬化,第四节 单晶体的滑移,八、形变过程中位错的增殖 Frank-Read位错源,
