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1、材料的变形与再结晶,弹性与粘弹性 晶体的塑性变形 回复与再结晶 高聚物的塑性变形,材料变形概论,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,纳米铜的室温超塑性,NASAs Shuttle Remote Manipulator System: SRMS Courtesy of Getty Images,材料变形概论,材料在力的作用下要产
2、生变形，无论是金属材料、无机非金属材料和高分子材料，材料的变形就其基本特征而言可分为三类： 弹性变形 塑性变形 粘性变形 本章将分别介绍材料的3种变形方式，着重讨论塑性变形的微观机理，并对金属弹性变形之后的再结晶现象进行讨论。,弹性与粘弹性,弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。 原子处于平衡位置时，其原子间距为r0，位能U处于最低位置，相互作用力为零，这是最稳定的状态。当原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。这样，外力去除后，原子都会恢复其原来的平衡位置，所产生的变形便完全消失，这就是弹性变形。,（a）体系能量与原子间距的关系 （b）原子间
3、作用力和距离的关系,1 弹性变形的本质,Condon-Morse曲线,2 弹性变形的特征和弹性模量,弹性变形的主要特征是： （1）理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。 （2）金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或卸载时，只要在弹性变形范围内，其应力与应变之间都保持单值线性函数关系，即服从虎克（Hooke）定律： 在正应力下，s = Ee， 在切应力下，t =Gg， 式中，s，t分别为正应力和切应力；e，g分别为正应变和切应变；E，G分别为弹性模量（杨氏模量）和切变模量。 弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：,式中，为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金属材料的泊松比
4、在0.250.35之间，高分子材料则相对较大些。 弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。金刚石一类的共价键晶体由于其原子间结合力很大，故其弹性模量很高；金属和离子晶体的则相对较低；而分子键的固体如塑料、橡胶等的键合力更弱，故其弹性模量更低，通常比金属材料的低几个数量级。 （3）弹性变形量随材料的不同而异。 多数金属材料仅在低于比例极限sp的应力范围内符合虎克定律，弹性变形量一般不超过0.5%；而橡胶类高分子材料的高弹形变量则可高达1000%，但这种变形是非线性的。,Cij为弹性系数，或刚度系数,Sij为弹性顺序，或柔度系数,由于对称性的原因，Cij
5、Cji,由于对称性的原因，Sij Sji,晶体中的各向异性,3 弹性的不完整性,(1) 包申格（Bauschiger）效应 材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4），而后同向加载则se升高，反向加载则se下降。此现象称之为包申格效应。它是多晶体金属材料的普遍现象。 包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某滑移面运动，遇林位错而弯曲。 所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包申格效应，因此，包申格效应是多晶体金属所具有普遍现象。,3 弹性的不完整性,(2) 弹性后效 一些实际晶体，在加载或卸载时，应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程来
6、完成其变化的。这种在弹性极限se范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性。 弹性后效速率和滞弹性应变量与材料成分、组织有关，也与试验条件有关。材料组织越不均匀，弹性后效越明显，钢经淬火或塑性变形后，由于增加了组织不均匀性，故弹性后效倾向增大。,温度升高，弹性后效速率和弹性后效以后的变形量都急剧增加。 切应力愈大，弹性后效愈强烈。 弹性后效与金属中点缺陷的移动有关。,恒应力下的应变弛豫,3 弹性的不完整性,(3) 弹性滞后 由于应变落后于应力，在s-e 曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称之为弹性滞后。 弹性滞后表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复
7、所释放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称之为内耗，其大小即用弹性滞后环面积度量。,弹性与粘弹性,弹性滞后（环）与循环韧性,4 粘弹性,所谓粘性流动是指非晶态固体和液体在很小外力作用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外力去除后，形变不能回复。 纯粘性流动服从牛顿粘性流动定律： 式中s为应力；d/dt为应变速率；h称为粘度系数，反映了流体的内摩擦力，即流体流动的难易程度，其单位为Pas。 一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，这就是粘弹性现象。 粘弹性变形的特点是应变落后于应力。当加上周期应力时，应力应变曲线就成一回线，所包含的面积即为应力循环一周所损耗的能
8、量，即内耗。,滞弹性变形模型 （a）Maxwell模型；（b）Voigt-Kelvin模型,松弛系数,（a）,（b）,晶体的塑性变形,应力超过弹性极限，材料发生塑性变形，即产生不可逆的永久变形。 概述： 金属当所施加的外力超过屈服强度时，就会发生塑性变形。虽然，金属通常都是多晶体，但多晶体的变形是与其中各个晶粒的变形行为相关的，研究单晶体的变形能使我们掌握金属变形的基本过程，从而有助于进一步了解多晶体的变形。 金属在常温和低温下，其塑性变形的主要方式是滑移和孪生。,1 滑移系及临界分切应力定律,1、滑移现象 晶体的塑性变形并非均匀地发生于整个晶体中，而是一个不均匀的过程，当应力超过其弹性极限后
9、，晶体中就会产生层片之间的相对位移，即滑移。发生了滑移，使试样的抛光面上产生了高低不一的台阶即滑移线，许多密集在一起的滑移线组成滑称带。 2、滑移系 晶体的滑移并不是任意的，通常是沿着一定的晶面发生的，此组晶面称为滑移面，滑移是沿着滑移面上的一定晶向进行，称为滑移方向。滑移面通常是晶体中原子的密排面，滑称方向通常是晶体中原子的最密排方向。一个滑移面和该面上的一个滑称方向级成一个滑移系，每一个滑移系表示金属晶体进行滑称时可能采取的一个空间取向。 例如：fc.c滑移面111，滑移方向。这样就可组成：,面心立方的滑移系,滑移方向，滑移面一般为111 面心立方结构共有四个不同的111晶面，每个滑移面上
10、有三个晶向，故共有43=12个滑移系。,移方向恒为列产品 ，滑移面为（0001）或棱柱面 、棱锥面,密排六方的滑移系,hcp滑移系 当滑移面为（0001）时，晶体中滑移面只有一个，此面上有三个 晶向，故滑移系数目为13=3个。 当滑移面为 时，晶体中滑移面共有3个，每个滑移面上一个 晶向，故滑移系数目为31=3个。 当滑移面为斜面 时，此时滑移面共有6个，每个滑移面上一个 ，故滑移系数目为61=6个。 由于hcp金属滑移系数目较少，密排六方金属的塑性通常都不太好。,（3）bcc 滑移方向为，可能出现的滑移面有110、112、123如果三组滑移面都能启动，则潜在的滑移系数目为： （个）,1106
11、2+112121+123241=48,典型材料的滑移系统,3、 临界分切应力定律 试棒横截面积为A，轴向拉力F。F与滑移面法线的夹角为，与滑移方向的夹角为，沿着滑移方向的分切应力为。 当=S，=c 时， c = Scoscos,c ：临界分切应力，表明当外力作用在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时晶体便开始滑移。 式中：coscos 称取向因子（Schmid因子） 单晶体的屈服强度随取向因子而改变 =45时,取向因子达到最大值，产生拉伸变形的屈服应力最小。 =90或0时, S =, 晶体不能沿该滑移面产生滑移。 4、滑移时晶面的转动 随着滑移的进行，晶体要发生转动，从而导致晶体的空间
12、取向变化。,（1）位向和晶面的变化 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。 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）取向因子的变化,滑移的分类 多滑移：在多个（2）滑移系上同时 或交替进行的滑移。 双滑移： 单滑移： 等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。,5、多系滑移 由临界分切应力定律可知，当对一个晶体施加外力时，可能会有两个以上的滑称系上的分切应力同时满足的条件，而使各自滑移面上的位错同时启动，这种现象称为多系滑移。,滑移方向,滑移系,滑移面,镜像法则： 在标准投影图中
13、标出加载力F的方向；该点将落入由投影轴-某滑移面-某滑移方向投影点所构成的三角形内，则与与该滑移面相对的滑移面和与该滑移方向相对的滑移方向就构成滑移系。,6、复滑移 对于有多组滑移面的晶体来说，滑移首先发生在分切应力最大的这组面上，但由于变形时晶面转动的结果，使起始滑移时取向最有利的滑移系逐渐转到不太有利的取向，而原来取向不太有利的滑移系则逐渐转到比较有利的取向，从而使滑移过程沿着两个或多个滑移系交替进行或同时进行，这个滑移称为复滑移。 7、交滑移 交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。,机制 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程； 螺位错
14、的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。,2 滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。,实际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算值低34个数量级，表明晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上运动来逐步地进行的。 晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发生，这说明位错的运动要克服阻力。 位错运动的阻力首先来自点阵阻力。由于点阵结构的周期性，当位错沿滑移面运动时，位错中心的能量也要发生周期性的变化。,3 滑移的位错机制,位错的扭折运动,由派纳力公式可知，位错宽度越大，则派一纳力越小，
15、这是因为位错宽度表示了位错所导致的点阵严重畸变区的范围宽度大则位错周围的原子就能比较接近于平衡位置，点阵的弹性畸变能低，故位错移动时其他原子所作相应移动的距离较小，产生的阻力也较小。 位错运动的阻力除点阵阻力外，位错与位错的交互作用产生的阻力；运动位错交截后形成的扭折和割阶，尤其是螺型位错的割阶将对位错起钉扎作用，致使位错运动的阻力增加；位错与其他晶体缺陷如点缺陷，其他位错、晶界和第二相质点等交互作用产生的阻力，对位错运动均会产生阻力，导致晶体强化。,二 孪生 （1）孪生：在切应力作用下，晶体的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并形成晶体取 向的镜面对称关系。 孪生面 A11
16、11,A2112,A310-12 （2）孪生的晶体学 孪生方向 A1,A2,A3 孪晶区,面心立方晶体孪晶变形示意图,孪生的位错极轴机制,孪生的特点 孪生时一部分晶体发生了均匀的切变，但切变前后晶体结构不发生改变，而滑移变形是集中在一些滑移面上进行。 孪生变形后，晶体已变形部分与未变形呈镜面对称，而滑移变形后晶体各部分的相对位向不发生切变,锌中的变形孪晶,2孪生的特点 （1） 孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距的分数倍；孪生是部分位错运动的结果；孪晶面两侧晶体的位向不同，呈镜面对称；孪生是一种均匀的切变；孪晶浸蚀后有明显的衬度，经抛光与浸蚀后仍能重现。 （2）孪晶的萌生一般需要较大的应力，但随后长大所需的应力较 小，其拉伸曲线呈锯齿状。孪晶核心大多是在晶体局部高应力区形成。变形孪晶一般呈片状。变形孪晶经常以爆发方式形成，生成速率较快。,
