材料力学性质ppt课件

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1、第八章：材料力学性质,材料物理导论,1、晶体的塑性变形 2、位错的运动和塑性 3、各种金属的塑性 4、高温蠕变 5、非晶态金属的强度,本章要点,1、晶体的塑性变形 材料在外力去除后仍保持部分应变的特性称为塑性. 一、变形机制 强度：材料施加应力时，达到某个应力之前不发生塑性变形和断裂，这种承受能力； 晶体的变形与： 环境因素（温度 T）和施加应力（）有关； 通过力学性能实验，可得材料变形机制图； 确定变形温度 T 变形应力；实验有多种：,拉伸实验 疲劳实验 冲击实验 压缩实验 硬度实验 断裂实验 蠕变实验,材料力学性质,G/,表示支配各自变形机制区域的图 变形机制图画出了等应变速度，描述了它的

2、晶体塑性行为,钨多晶体的变形机制,发现： 变形机制中 低温：主要为位错滑移机制 高温：主要为位错蠕动机制,材料力学性质,二、晶体的滑移变形 晶体的塑性变形主要是：滑移变形 滑移是指在剪切应力的作用下,晶体的一部分相对于另一部分 发生平移滑动. 滑移带与滑移线的关系 如单晶体的滑移变形 首先：使条纹沿特定晶面（滑移面）向特定方向（滑移方向）偏移，一组滑移方向和滑移面称 滑移系：hkl， hkl 滑移面：晶格面间距最宽的面； lmn 滑移方向：晶格矢量最短的方向；,材料力学性质,滑移带与滑移线的关系,材料力学性质,三、金属的塑性特征 材料发生塑性变形而不断裂的能力称为延展性。 只有金属晶体有延展性

3、； 原因：金属晶体结构致密（与陶瓷等比）。 设：h 晶格面间距；b 伯格斯矢量大小；h/b 越大，越易滑移（由晶格周期性决定）；位错中附带派尔斯势场； 派尔斯势场： 所有相同滑移系中，晶体往哪个滑移系滑移，由派尔斯势场决定； 指由于位错本身能量遵循晶体点阵周期性，其势能在变化。,材料力学性质,派尔斯势场消失的温度：说明：h/b 值越大，滑移系越容易滑动。 滑移系滑移难易度由 h/b 的值和 b 本身的值决定! 金属加工性能好，由它的晶体结构简单所决定！,位错超越势垒过程中应力与温度的关系,派尔斯势：原子间距变动短程势能，位错可借助热势能超越势垒，图示。位错以某种速度滑移需要应力在绝对零度也必要

4、，随温度升高而减少。T0 附近派尔斯势消失，T0 用缺陷能量确定，与 b3 和 成正比，如下式：,T0,Tp,0,温度,应力,派尔斯应力,伯格斯矢量,材料力学性质,派尔斯势力：设晶格面间距为 h，弹性模量 G；则： 位错滑移所需要的临界切应力，依赖于 h/b；,材料力学性质,2、位错的运动和塑性 一、位错运动的阻抗 晶体的强度由位错运动的阻抗确定，以下几点决定： 1）派尔斯势 原子间距变动短程势能，由晶体种类决定。 由派尔斯势控制的位错滑移难易程度由 b 和 h/b 的值决定。 金属中派尔斯势： bcc 低温变形； hcp 非底面滑移。,2）滑移位错与其他位错的相互作用 对晶体塑性变形，位错密

5、度增加，晶体变硬 加工硬化； 下图所示：间距为 h 的滑移面上正负位错相互作用应力，是水平距离 x 的函数：,l,h,y,0,x,材料力学性质,h 晶格面间距 G 弹性模量 b 伯格斯矢量,晶体塑性变形，使位错密逐渐增加，增加后的位错间有相互作用，使某些位错难运动（增加位错运动阻抗），增加晶体强度。 重要的是正负位错使滑移面交错，形成稳定位错偶极子； 大量偶极子形成多极子，如穿透滑移面，形成林位错。 滑移位错受林位错作用，对应变形应力：,林位错密度,伯格斯矢量,弹性模量,材料力学性质,3）位错与固溶原子的相互作用 主要有： 弹性相互作用、 化学相互作用、 电的相互作用和 几何相互作用。 最主要

6、：弹性相互作用；,材料力学性质,其主要是：尺寸效应和弹性模量效应：,（a）尺寸效应： 母体晶体原子和固溶原子由于尺寸不同在位错周围产生不同静水压;（b）弹性模量效应： 固溶原子转换使转换处弹性模量发生局部变化，引起位错应变能发生相应变化。,材料力学性质,置换固溶原子 应用尺寸效应刃型位错与固溶原子的相互作用能：应变能的变化：,尺寸因子=(rs-r0)/r0， r0 母体晶体的原子半径， rs 固溶原子的原子半径,固溶原子的体积,弹性模量参数=(G-G)/G,材料力学性质,填隙固溶原子 相互作用能：可见：填隙原子比转换型原子对位错的影响大得多！,材料力学性质, 置换固溶原子,4）位错与析出物的相

7、互作用 析出物和弥散粒子阻碍位错运动，使晶体变硬。 析出物分共格和非共格析出物； （a）共格析出物： 有与固溶原子一样的尺寸效应和弹性模量效应，位错不管是切割析出物还是绕过析出物，都要有一定的能量才能实现； （b）非共格析出物： 母相中的位错不能切割析出物时，析出物形成非常强的障碍；,材料力学性质,（2）屈 服 应力 应变曲线在弹性变形区为直线，表示材料韧性的基本性质； 但如形变从弹性变形转为塑性变形时，发生弯曲，称 材料的屈服。 此时应力为 屈服应力。,材料力学性质,屈服的各种形态,a fcc 金属单晶中屈服； b fcc 金属多晶材料中屈服； c bcc 金属单晶和半导体晶体中屈服； d

8、软钢材料中伴有吕德斯带传播的屈服； d 中，塑性变形不是试样整体同时发生，变形从产生应力集中的部分开始，由塑性变形区逐渐扩展到整个试样，使变形开始 变形区称为吕德斯带；,材料力学性质,下式： 晶体塑性变形速度，N 瞬间运动位错密度， v 平均滑移运动速度， 晶体取向因子； (a) 位错发生增殖屈服称增殖控制的屈服， (b) 可动位错变化屈服称可动性控制的屈服。 为使应变速度一定， 值使塑性变形减小；达上屈服应力后，变性应力下降，屈服点下降；位错密度增加，位错间相互作用发生加工硬化，变形应力经过极小值后增加，该极小点为下屈服应力。,位错的增殖过程图, 接近 c 临界应力，v 急剧变小，则成为零,

9、屈服的微观机制： 发生塑性形变：位错须发生增殖，同时可动位错密度变大。,（3）加工硬化 对晶体塑性变形，位错密度增加，晶体变硬 加工硬化； 利用塑性加工引起加工硬化现象 如钢琴丝，强韧性通过强加工形成； 原 因：塑性变形引起晶体中大量位错逐渐塞积，从而使发生形变变得困难。 硬化的大小与位错密度的方根成正比； 在电子显微镜观察实验得到验证，称为利 赫许关系,材料力学性质,（4）固溶硬化和沉淀硬化 a）点障碍引起的硬化： 固溶原子和微小析出物可近似看成位错运动的点障碍。 点障碍引起的形变阻抗为：,材料力学性质,b）高浓度固溶体的强度： 高浓度固溶体，固溶原子不再随机分布，而是有一定有短程的序，产生

10、格外的一个作用力：格外作用在位错上的抗力是固溶原子的抗力，再加上非热激活应力。,材料力学性质,c）沉淀硬化： 析出硬化应力： 说明：析出硬化量由析出物之间的间距(-d)确定。 时效初期：是小的析出物，然后析出粒子粗化（小的析出物消失，大的析出物长大），间距 (-d) 增大硬化量减少，析出硬化进行。 然后：析出结束后，析出硬化达饱和。 即：析出硬化量随时效时间增加面减少。,材料力学性质,材料力学性质,4、高温蠕变一、高温蠕变的特征 高温：指高于 1/2 Tm（金属融点）的绝对温度； 蠕变：变形随着时间缓慢的蠕动。当对材料施加恒定应力 0 时， 其应变随时间而增加的现象。 应变速度用公式表示：高温

11、形变中，产生加工硬化地同时出现软化。 蠕变类型：纳巴-海林蠕变（只有原子扩散）；柯布莱蠕变（只 在晶界扩散）,瞬时发生的和时间没有关系,应变与时间成正比,加速蠕变阶段。应变率随时间增加，最后到 d 点断裂,蠕变减速阶段,材料力学性质,oa 段形变是瞬时发生的和时间没有关系第一阶段蠕变 ab，蠕变减速阶段 A 为常数；低温时 n=1， 高温时 n=2/3，第二阶段蠕变 bc，稳态蠕变阶段 （常数） 应变与时间成正比； 第三阶段蠕变 cd，加速蠕变阶段。应变率随时间增加，最后到 d 点断裂,材料力学性质,高温蠕变理论,1、位错运动理论 2、扩散蠕变理论 3、晶界蠕变理论,高温蠕主要有以下几种理论:

12、,高温蠕理论,位错攀移示意图,高温蠕理论,(1)位错运动理论:在低温下受到阻碍而难以发生运动的位错,在高温下由于热运动增 大了原子能量,使得位错克服阻碍发生运动,导致材料蠕变.,高温蠕理论,（2）扩散蠕变理论与晶体中的扩散现象类似, 蠕变过程是应力作用下空位沿应力作用 方向扩散的一种形式.,沿晶粒内部扩散的稳态蠕变速率,沿晶界扩散扩散的稳态蠕变速率,多晶材料中存在着大量晶界，当晶界位向差大时，可以把晶界看成是非晶体。 高温时，其粘度变小，从而易发生粘滞流动，而产生蠕变。,高温蠕理论,影响蠕变的因素:温度、应力、组分、晶粒大小等。,（3）晶界蠕变理论,（2）纯金属蠕变与合金蠕变 应力指数 n 接

13、近 5 时称纯金属蠕变； 纯金属蠕变：产生特有的二次晶状组织，形成亚晶界和位错网，阻抗位错运动的主要应力是内部应力。 当 n 大约为 3 时，称合金蠕变； 合金蠕变：不产生亚晶界和位错网，阻抗位错运动的应力除了内部应力还有有效应力。,材料力学性质,图表示两者和区别如下：,纯金属型和合金型的过渡蠕变曲线,应变速度随时间逐渐减少，一直达稳定,变形速度一度增加之后，过渡到稳定状态，表现出向下凸的曲线,材料力学性质,（3）高温蠕变的机制 a）纯金属蠕变的位错网长大理论： 位错网长大的速度： 回复率为： 应变速度： 所以硬化系数：,5、非晶态金属的强度 一般结晶体硬，但同时也脆，而非晶态金属硬而不脆，作

14、为高强度材料极其有用。 （1）非金属塑性行为的两个区域 低温：滑移变形区 高温：均匀变形区,Cu57Zr43非晶合金的曲阜应力和温度的关系,材料力学性质,a）在某个温度（几百个K，滑移变形区）以下，由于变形是因为局域性滑移造成的，非晶态与晶体的塑性曲线一样。但变形不是简单的从一个派尔斯谷移动一个原子距离到另一个派尔斯谷， 而是局域原子都参加的剪切变形而成， 因此不能由热激活，强度非常高。,Cu57Zr43非晶合金的曲阜应力和温度的关系,材料力学性质,b）而在此温度以上（均匀变形区），塑性曲线表现出与玻璃在高温下形变的特性，表现出有粘性的流动变形。试样内各处独立地由热激活过程控制局域剪切变形，是

15、规模更小的变形，因而表现： 粘性、 均匀性， 流动性。,Cu57Zr43 非晶合金的曲阜应力和温度的关系,材料力学性质,（2）变形的微观机制 a）滑移变形 非晶中不存在长程有序，物理性能各向同性；不存在晶界，易获高强度； 改变原子及组成比，改变材料物理参数，密度，硬度，耐热性，电导率，折射率和禁带宽度等。 非晶态金属无长程有序，粘度达 1013 泊P，1P=0.1 PaS），某一狭窄温区可发生明显结构相变。 力学性质比一般金属高得多，非晶 Fe80B20，断裂强度是结构钢 7 倍，抗拉强度达 4000 MPa，维氏硬度 HV 达 1400，杨氏模量 E 和剪切模量 G 较一般金属低 30 %

16、40 %。,材料力学性质,非晶态有高强度和硬度，由于非晶态结构特征： a、可能有短程序原子尺寸在 80 埃以内，原子位移大小和方向没有晶态金属特有的晶格滑移限制； b、非晶态金属存在活动性很高局部区域，外力作用时这些局部区域重新排列形成另一稳定组态，使非晶态金属屈服时呈整体屈服而不是晶态中局部屈服； c、非晶态金属接近是一个连续均匀体，基本上各向同性，没有晶界、孪晶、位错等微观缺陷，故有高强度和硬度； d、非晶态金属强度随温度升高而急剧下降，拉伸应力却显著增大，在常温附近，应变速度愈大，强度下降倾向愈大，这一行为与晶态金属相反。,材料力学性质,b）均匀变形 高温的均匀变形不是变形应力的传播形式， 是由试样内各处独立由热激活产生局域剪切变形造成。,材料力学性质,