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1、,材料科学基础,材料科学基础CAI课件,1,绪论 第一章 原子结构与键合 第二章 固体结构 第三章 晶体缺陷 第四章 固体中原子及分子的运动 第五章 材料的形变与再结晶 第六章 单组元相图及纯晶体的凝固 第七章 二元相图及其合金的凝固,材料科学基础,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,2,第五章 材料的形变与再结晶,本章主要内容：,5.1 弹性和粘弹性 5.2 晶体的塑性变形 5.3 回复和再结晶 5.4 热变形与动态回复、再结晶 以下略 5.5 陶瓷材料的变形 5.6 高分子聚合物的变形,塑性变形的机制，对材料组织与性能的影响,回复、再结晶机制与动力学,2018年9月
2、18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,3,弹性的不完整性（略） 单晶的塑性变形：滑移、扭折、孪生的概念 滑移面和滑移方向、滑移系 滑移的位错机制：点阵阻力-派-纳力 多晶体的塑性变形：Hall-Petch公式 合金的塑性变形：形变强化、固溶强化和弥散强化 材料的不同强化方式的强化机制 塑性变形对材料组织与性能的影响 回复与再结晶过程中组织与性能的改变 再结晶形核机制、再结晶晶粒长大机制- 再结晶动力学计算 再结晶温度及其影响因素,【本章重要概念】,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,4,冷变形（Tm）,按塑性变形温度分,体积成型（锻造、轧制、挤压、拉拔等） 板料
3、成型（冲裁、弯曲、拉延等）,塑性变形 （固态成型）,塑性变形分类：,塑性变形在金属的锻、轧、拉、挤加工过程中有重要作用。,材料的塑性变形,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,5,锻、轧、拉、 挤,体积成型：,锻造,轧制,拉拔,挤压,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,6,低碳钢的拉伸试验 e弹性极限 s屈服强度 b抗拉强度 弹性变形: 具有可逆性，外力去除后可完全恢复塑性变形：不可逆,弹性变形（elastic deformation）,塑性变形（plastic deformation）,外力 材料,完整的塑性变形过程,外形尺寸变化,内部组织、性能
4、变化,塑性变形导致,这种状态自由焓较高，不稳定，加热后发生回复与再结晶,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,7,r=r0 原子处于平衡位置位能 U 为 Umin最稳定 F=0r r0 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,5.1.1 弹性的本质 可从原子间结合力的角度来了解之。无外力作用时，原子间结合能和结合力是原子间距的函数。, 5.1 弹性和粘弹性(高分子),弹性变形是塑性变形之前必经历的过程,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,8,5.1.2 弹性变形的特征 （1）理想的弹性变形是可逆变形； （2）在弹性变形范围内，应
5、力-应变关系服从胡克（Hooke）定律： 正应力下 = E 切应力下 = G各向异性弹性体的应力应变关系，即广义虎克定律可用矩阵表示。 （3）弹性变形量随材料的不同而异。,E-杨氏弹性模量 G-剪切模量 -泊松比,G = E/2(1+),不同材料的弹、塑性性能差异很大;如金属、陶瓷、高分子,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,9,弹性模量 E (Elastic modulus)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。合金化影响小。共价键(E金刚石) 金属键高分子-分子键。对单晶体而言，弹性模量是各向异性的：单晶体沿原子最密排的晶向 Emax ，沿原子最
6、疏的晶向Emin。多晶体因晶粒任意取向，总体呈各向同性。工程上E是材料刚度的度量。,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,10, 5.2 晶体的塑性变形,本节内容包括： 1.单晶体的塑性变形 2. 多晶体的塑性变形 3.合金的塑性变形 4.塑性变形对材料组织与性能的影响,当应力超过弹性极限，材料发生塑性变形，产生不可逆的永久变形。其本质与弹性变形相比更为复杂。具体分析：单晶体多晶体,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,11,5.2.1 单晶体（Single Crystal）的塑性变形,滑移 Slip,孪生 Twinning,晶界滑动 Grain b
7、oundary Sliding,扩散性蠕变 Diffusional Creep,高温情况下,扭折 kink,塑性变形方式,多晶体的晶粒内，由位错运动方式决定,多晶体的晶粒之间,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,12,一、滑移（Slip）,a. 现象-滑移线与滑移带,单晶体的拉伸试验,塑性变形的不均匀性特征：滑移只沿一定的晶面、一定晶向进行,纯铁金相组织中的滑移线,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,13,b. 滑移的晶体学特征-滑移系,原因是：,1、原子密度最大的晶面上面间距最大、点阵阻力最小。,2、最密排方向上的原子间距最短。-位错运动克服的
8、阻力最小。,滑移系：由晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成, 构成了滑移的空间取向。 表5.3 常见金属的滑移面与方向,滑移的特征：通常滑移面和滑移方向总是晶体中原子密度最大的面和方向,P-N力,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,14,晶体结构不同，滑移系的数目不同 fcc：111 有四组，而每个(111)面上共有三个110， 共有4312个滑移系,hcp：1个(0001)面， 3个方向 共有133个滑移系,bcc： 110面共有6组， 每个110上有2个方向112面共有12组， 每个112 1个方向123面共有24组， 每个123 1个方向共有621212414
9、8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。,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,15,c. 滑移所需临界分切应力 确定滑移面和方向 Critical（resolved）shear stress,圆柱形试样单向拉伸情况下，作用在滑移面上沿滑移方向的切应力：,其中,作用在横断面上的拉伸应力,取向因子,A1=,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,16,晶体滑移 必须使t tc,临界分切应力:,tc决定了位错滑移的难易程度 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
10、外力无关。见表5.4,其中s-起始屈服强度，由取向因子决定,图5.9 P175：当90或90 时，s 晶体不能产生滑移 只有当 45 时，smin 首先发生滑移2tc,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,17,d. 滑移时晶面的转动,滑移面上发生相对位移,晶面转动,空间取向发生变化,晶体滑移,拉伸时，使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行,压缩时，使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴垂直,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,18,转动的原因,两对力偶：,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
11、偶作用下，使滑移方向转到最大分切应力方向,平行滑移方向、真正引起滑移的有效分切应力,作用于滑移面的最大分切应力,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,19,形变过程： 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,e. 多系滑移 Multiple slip,多系滑移： 外力下，滑移首先会发生在分切应力最大、且t tc的滑移系原始滑移系上。 但由于伴随晶体转动空间位向变化另一组原取向不利；滑移系逐渐转向比较有利的取向，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。,名词解释,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,20,f
12、. 滑移的位错机制,第3章提到：与实测值（约为110MPa）之间相差34个数量级。 根据刚性位移模型，理论剪切强度 (G一般为104105MPa）修正后的理论剪切强度=G/30， 仍然偏大。,因为位错运动时，只要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位移时小得多。这样，借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。,位错概念引入解决这一矛盾：,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,21,P178 图5.13 位错中心能量的周期性变化1、位错运动首先遇到点阵阻力派.纳力(P-N force)：,对于简单立方d=b，=0.35, 得到P-N=
13、210-4G，远小于理论剪切强度G/30. 说明位错的滑移容易进行 P-N力与晶体结构和原子间作用力有关。从上式可知滑移面间距d、滑移方向原子间距b，则 ，因此：,晶体的滑移通常发生在原子最密集的晶面并沿着最密集的晶向进行。,2、除点阵阻力外，位错与点缺陷、其他位错、晶界(多晶体)、第二相质点（合金）等交互作用，对位错的滑移运动均会产生阻力，导致晶体强化。,（5.10）,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,22,综上所述，滑移变形的基本特点： 滑移实质是位错沿滑移面的运动过程 滑移变形系不均匀的切变，它只集中在某些晶面上； 沿着一定的晶面和晶向进行，滑移系较多的材料一般
14、具有较好塑性；（fcc） 滑移条件：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；,（略）,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,23,二、孪生Twin,金相观察：纯镁、纯锌中的形变孪晶,孪生变形的难易程度：和对称性、滑移系数量有关。HCPBCCFCC， FCC极低温下也会孪生- 图5.18 铜单晶拉伸曲线（4.2K）,孪生的定义：滑移系较少的晶体（如hcp的 Mg,Zn,Ge），或滑移系较多的晶体在低温下，或当滑移受阻时的一种变形方式。,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,24,a. 孪生变形过程 P180 图5.16 孪晶
15、 孪晶界 孪晶面孪晶界 孪生方向 b. 孪生的特点（简答）,临界切应力大于滑移的c 均匀切应变孪生是在切应力作用下沿特定的晶面与晶向产生的均匀切变。孪晶区的原子同时移动，同一层原子移动距离相同。 镜面对称位向关系,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,25,形核（难）：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=4.934.3MPa，而滑移时tc仅为0.49MPa。 长大（易）：例如，Zn单晶形核-0.1G，长大 -0.001G。 萌生之初，能量大量积累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。,c. 孪晶的形成方式,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,26,d. 孪生变形的意义： 通过单纯孪生直接达到的变形量是极为有限的。如Zn单晶，孪生只能获得7.27.4伸长率，远小于滑移所作的贡献。 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。,2018年9月18日星期二,材料科学基础CAI课件-郭开元,27,纳米孪晶纯铜 孪晶强化、超塑性：拉伸强度是普通纯铜的十倍以上,达到高强度钢的强度水平; 而室温电导率与无氧高导铜相当,
