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1、材料科学基础第五章材料的形变和再结晶内容预报内容预报为什么要认识和掌握材料的形变和再结晶规律？为什么要认识和掌握材料的形变和再结晶规律？材料在加工制备及应用过程中都要受到外力的作用材料在加工制备及应用过程中都要受到外力的作用材料受力要发生变形：弹性变形、塑性变形、断裂材料受力要发生变形：弹性变形、塑性变形、断裂材料发生变形后材料的组织结构（性能）发生变化材料发生变形后材料的组织结构（性能）发生变化本章主要研究内容：本章主要研究内容：一、材料的变形规律及其微观机制；一、材料的变形规律及其微观机制；二、研究变形后的材料在回复、再结晶过程中组织、二、研究变形后的材料在回复、再结晶过程中组织、结构和性
2、能的变化规律。结构和性能的变化规律。 本章章节结构本章章节结构5.1弹性和粘弹性弹性和粘弹性 5.2晶体的塑性变形晶体的塑性变形 5.3回复和再结晶回复和再结晶 5.4热变形与动态回复、再结晶热变形与动态回复、再结晶5.5陶瓷材料变形的特点陶瓷材料变形的特点5.6高聚物的塑性变形高聚物的塑性变形 材料试验机示意图拉伸材料试验机示意图拉伸位移位移载荷载荷5.0材料力学性能测试材料力学性能测试1.拉伸实验装置拉伸实验装置弹性极限弹性极限抗拉强度抗拉强度屈服强度，会产生屈服强度，会产生0.2%永久永久变形变形2.应力应力-应变曲线应变曲线5.1弹性和粘弹性弹性和粘弹性l弹性外力去除后形变能够完全恢复
3、的性质弹性外力去除后形变能够完全恢复的性质线性（符合胡克定律）和非线性线性（符合胡克定律）和非线性5.1.1 弹性变形的特征和弹性模量弹性变形的特征和弹性模量一、特征：一、特征：（1）理想的弹性变形是可逆的。）理想的弹性变形是可逆的。 （2）实际材料，在弹性变形范围内，服从胡克定律：）实际材料，在弹性变形范围内，服从胡克定律：二、弹性模量（广义的胡克定律）：二、弹性模量（广义的胡克定律）：晶体的各向异性，各个方向的弹性模量不相同晶体的各向异性，各个方向的弹性模量不相同广义的胡克定律：广义的胡克定律：刚度矩阵刚度矩阵柔度矩阵柔度矩阵对于均质各向异性弹性体，最一般的情况，弹性对于均质各向异性弹性体
4、，最一般的情况，弹性系数有系数有36个，其中个，其中21个是独立的：个是独立的：Cij=Cji， Sij=Sji而晶体也存在对称性，所以在某几个方向上原子而晶体也存在对称性，所以在某几个方向上原子排列是相同的，所以系数将会进一步减少。排列是相同的，所以系数将会进一步减少。立方晶系，有立方晶系，有3个独立弹性系数；个独立弹性系数；六方晶系，有六方晶系，有5个独立弹性系数；个独立弹性系数；正交晶系，有正交晶系，有9个独立弹性系数；个独立弹性系数；三、体弹性模量三、体弹性模量K（压缩模量）（压缩模量）1、定义：应力与体积变化率之比。、定义：应力与体积变化率之比。2、对模量的讨论：、对模量的讨论：（1
5、 1）弹性模量代表了原子离开平衡位置的难易程）弹性模量代表了原子离开平衡位置的难易程度，也表征了原子间的相互作用。度，也表征了原子间的相互作用。（2 2）对于晶体来说，也反应了不同方向原子（离）对于晶体来说，也反应了不同方向原子（离子）排列的紧密程度。（见表子）排列的紧密程度。（见表5.25.2）（3 3）材料特别是复合材料由于组织结构的各同异）材料特别是复合材料由于组织结构的各同异性也会导致不同方向模量的不同性也会导致不同方向模量的不同原子、离子间的相互作用力：原子、离子间的相互作用力：平衡位置平衡位置r0，系统的能量最低，系统的能量最低受外力偏离平衡位置，有变形，产生引力或斥力，受外力偏离
6、平衡位置，有变形，产生引力或斥力，能量升高能量升高当外力消失，原子将恢复到平衡位置，变形完全消当外力消失，原子将恢复到平衡位置，变形完全消失，能量下降失，能量下降5.1.2 弹性变形的本质弹性变形的本质5.1.3 弹性的不完整性弹性的不完整性理想的弹性体：理想的弹性体：理想的弹性体是不存在的，可能出现加载线与理想的弹性体是不存在的，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等弹性不卸载线不重合、应变滞后于应力变化等弹性不完整性。完整性。包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。韧性等。 一、包申格效应一、包申格效应 预先加载产生少量塑性变形（
7、小于预先加载产生少量塑性变形（小于4）而后再同向加载则而后再同向加载则 e升高，但反向加载则升高，但反向加载则 e下降。下降。 二、弹性后效二、弹性后效 在加载或卸载时，应变的弛豫过程现象。在加载或卸载时，应变的弛豫过程现象。在弹性极限在弹性极限 e范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现范围内，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象称为弹性后效或滞弹性 三、弹性滞后三、弹性滞后 应变落后于应力，应变落后于应力， - 曲线上加载线与卸载线不再是一条直线，而是形成一封曲线上加载线与卸载线不再是一条直线，而是形成一封闭回线闭回线表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢
8、复所释表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释放的变形功，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。，其大小即用弹性滞后环面积度量。 功功5.1.4 粘弹性（高分子材料）粘弹性（高分子材料）1、粘弹性：一些非晶或多晶体，在比较小的应力、粘弹性：一些非晶或多晶体，在比较小的应力时可以同时表现出粘性和弹性。时可以同时表现出粘性和弹性。2、所谓粘性流动是指非晶态固体和液体在外力作、所谓粘性流动是指非晶态固体和液体在外力作用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外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
9、不能回复。力去除后，形变不能回复。 3、粘弹性是高分子材料的重要力学状态、粘弹性是高分子材料的重要力学状态主链的内旋转，沿外力方向伸展；主链的内旋转，沿外力方向伸展；分子链之间发生相对滑移，产生粘性变形。分子链之间发生相对滑移，产生粘性变形。4、粘弹性的特点：、粘弹性的特点：应变落后于应力。应力应变落后于应力。应力- -应变回线，存在内耗应变回线，存在内耗Maxwell适用于应力松弛适用于应力松弛Voigt蠕变回复、弹性后效和弹性记忆蠕变回复、弹性后效和弹性记忆5.2、晶体的塑性变形、晶体的塑性变形超过弹性极限后，开始屈服，出现塑性变形超过弹性极限后，开始屈服，出现塑性变形多晶材料中的变形行为
10、也与各个小晶料的变形有关系多晶材料中的变形行为也与各个小晶料的变形有关系5.2.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形常温及低温下，塑性变形方式：滑移，孪生，扭折。常温及低温下，塑性变形方式：滑移，孪生，扭折。高温下的形变的方式：扩散，蠕变等高温下的形变的方式：扩散，蠕变等1、滑移、滑移 当应力达到一定的大小时，晶体中一定方向的层片当应力达到一定的大小时，晶体中一定方向的层片之间就会产生的相对滑移，大量的层片间滑动的累之间就会产生的相对滑移，大量的层片间滑动的累积，就成为宏观塑性变形。积，就成为宏观塑性变形。单晶锌变形后产生的单晶锌变形后产生的滑移带滑移带（1）滑移线与滑移带）滑移线与滑移带 滑
11、移只是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑滑移只是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形，只是彼此之移线之间的晶体层片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已间作相对位移而已 （2）滑移系）滑移系塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为些晶面和晶向分别称为“滑移面滑移面”和和“滑移方向滑移方向”。一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。个滑移系。不同的晶体结构，其滑移面和滑移方向也不同。不同的晶体结构，其滑移面和滑移方向也不同。同一晶体结构，也会
12、有不同的滑移面和滑移方向。同一晶体结构，也会有不同的滑移面和滑移方向。思考：滑移面及滑移方向上的原子排思考：滑移面及滑移方向上的原子排布密度上有什么特征？布密度上有什么特征？1、面与面之间的结合力、面与面之间的结合力2、密排面和密排方向、密排面和密排方向面心立方晶体中的滑移面心立方晶体中的滑移111滑移面滑移面滑移方向滑移方向体心立方晶体中体心立方晶体中110滑移面滑移面112滑移面滑移面123滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。晶面和晶向。原子密度大面间距大点阵阻力最小，因而原子密度大面间距大点阵
13、阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移；容易沿着这些面发生滑移；至于滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排至于滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子间距最短，即位错方向上的原子间距最短，即位错b b最小。最小。 体心立方滑移面有三组，原因是没有特别突出的密体心立方滑移面有三组，原因是没有特别突出的密排面。排面。六方密排，滑移方向一般为六方密排，滑移方向一般为110，而滑移面除，而滑移面除00000101之外还与其轴比之外还与其轴比(c/a)(c/a)有关，当有关，当c/a1.633c/a1.633时，密时，密排面可能为排面可能为10101 111或或10101 100等晶面等晶面
14、（3）关于滑移系的讨论）关于滑移系的讨论l在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，取向便愈多在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，取向便愈多，滑移容易进行，它的塑性便愈好。，滑移容易进行，它的塑性便愈好。l面心立方晶体的滑移系共有面心立方晶体的滑移系共有11143=12l体心立方晶体，滑移系共有体心立方晶体，滑移系共有11062+112121+123241=48l密堆六方晶体的滑移系仅有密堆六方晶体的滑移系仅有(0001)1 3=3l由于滑移系数目太少，由于滑移系数目太少，hcp多晶体的塑性不如多晶体的塑性不如fcc或或bcc的的好。好。思考题思考题l今有纯今有纯Ti，Al二种铸锭，试判断它们在
15、室温二种铸锭，试判断它们在室温（20）轧制的难易顺序？）轧制的难易顺序？已知：已知：Ti熔点为熔点为1672 ，在，在883以下为密排六方，在以下为密排六方，在883 以上为面心立方；以上为面心立方；Al的熔点为的熔点为660 ，面心立方。，面心立方。外加应力外加应力两个两个角度角度位错的滑移是实现塑性变形的一种方式位错的滑移是实现塑性变形的一种方式l晶体什么时候开始屈服晶体什么时候开始屈服(开始有塑性形变开始有塑性形变)？有滑移系开动有滑移系开动!l这么多滑移系到底是哪个滑移？这么多滑移系到底是哪个滑移？看哪个先达到其临界分切应力看哪个先达到其临界分切应力此时的此时的 应该称为屈服强度应该称
16、为屈服强度外力方向、外力方向、法线、法线、滑移方向滑移方向不一定共面不一定共面cos cos ：取向因子或施密特因子：取向因子或施密特因子 因子大：软取向因子大：软取向 因子小：硬取向因子小：硬取向当当 =90时：时：滑移面平行于外力方向滑移面平行于外力方向当当 =90时：时：滑移面垂直于外力方向滑移面垂直于外力方向不滑移不滑移当外力方向、法线、滑移方向共面，当外力方向、法线、滑移方向共面，且且 + =90, =45时，取向因子最大时，取向因子最大0.5滑移的临界分切应力的影响因素滑移的临界分切应力的影响因素l真实反映了单晶体的一个物理量真实反映了单晶体的一个物理量l大小大小晶体结构（类型及缺陷）晶体结构（类型及缺陷）温度温度变形速度变形速度见表见表5.4对密排六方的单晶体拉伸对密排六方的单晶体拉伸l只有一个滑移面只有一个滑移面(0001)，如果垂直或者平行，如果垂直或者平行此面进行拉伸，会不会产生滑移？此面进行拉伸，会不会产生滑移？不会不会所以对于单晶材料来说，拉伸试样的晶格取所以对于单晶材料来说，拉伸试样的晶格取向决定了其屈服强度向决定了其屈服强度! !1、材料什么时候屈服？、材料
