材料科学基础第6章.ppt

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1、第六章第六章 塑性变形塑性变形本章介绍的内容：由简单到复杂单晶体塑单晶体塑性变形性变形单相单相多晶体塑多晶体塑性变形性变形合金塑性合金塑性变形变形塑性变形组织塑性变形组织及性能及性能多相多相机理机理1一一 工程应力应变曲线工程应力应变曲线拉伸试验基本过程：将拉伸试验基本过程：将GB6397-86GB6397-86制作的标准试制作的标准试样（样（长试样长试样l l10d10d和和短试样短试样l=5dl=5d）放在拉伸试）放在拉伸试验机上缓慢拉伸，试样在载荷验机上缓慢拉伸，试样在载荷P P下缓慢伸长，直下缓慢伸长，直至断裂。得到至断裂。得到工程应力应变曲线。工程应力应变曲线。第一节第一节 金属的应

2、力应变曲线金属的应力应变曲线2典型的应力应变曲线34二二 真实应力应变曲线真实应力应变曲线真实应力应是瞬时载荷真实应力应是瞬时载荷P P与瞬时面积与瞬时面积F F之比之比真应变真应变e e应是瞬时伸长量除以瞬时长度，即应是瞬时伸长量除以瞬时长度，即 5均匀塑性变形阶段的真应力均匀塑性变形阶段的真应力-真应变曲线，称真应变曲线，称为为流变曲线流变曲线：n n值越大，变形时的值越大，变形时的强化效果越明显强化效果越明显 6第二节第二节 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形常常温温下下塑塑性性变变形形的的主主要要方方式式：滑滑移移、孪孪生生、扭扭折。折。一一 滑移滑移1 1 滑移现象滑移现象定定义义：在

3、在切切应应力力作作用用下下，晶晶体体的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分沿沿着着一一定定的的晶晶面面（滑滑移移面面）和和晶晶向向（滑移方向）产生相对位移。（滑移方向）产生相对位移。7特点：晶体结构类型并未改变特点：晶体结构类型并未改变 。滑滑移移的的组组织织形形态态：光光镜镜下下：滑滑移移带带（无无重重现现性性）电境下：滑移线。电境下：滑移线。显微组织特点：抛光后可能看不见。显微组织特点：抛光后可能看不见。892 2 滑移系滑移系 滑移是沿着特定的滑移是沿着特定的晶面晶面 和和 晶向晶向进行的。进行的。滑移面滑移面 （密排面）（密排面）滑移方向滑移方向(密排方向密排方向)滑移系：一个滑

4、移面和其上的一个滑移方向组滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系成一个滑移系10每每一一种种晶晶格格类类型型的的金金属属都都具具有有特特定定的的滑滑移移系系。滑滑移移系系的的多多少少在在一一定定程程度度上上决决定定了了金金属属塑塑性性的的好坏。好坏。滑滑移移系系的的个个数数:(:(滑滑移移面面个个数数）（每每个个面面上上所所具有的滑移方向的个数）具有的滑移方向的个数）11在其他条件相同时，金属塑性的好坏不只取在其他条件相同时，金属塑性的好坏不只取决于滑移系的多少，还与滑移面原子密排程决于滑移系的多少，还与滑移面原子密排程度及滑移方向的数目等因素有关度及滑移方向的数目等因素有关 晶

5、体结构晶体结构滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移系数目滑移系数目常见金属常见金属面心立方面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo体心立方体心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti123 3 临界分切应力临界分切应力滑移是在切应力作用下发生的滑移是在切应力作用下发生的滑移发生的力学条件：滑移发生的力学条件：13当外加应力等于屈服强度时：当外加应力等于屈服强度时：宏观上：晶体出现塑性变形。宏观上：晶体出现塑性变形。微微观观上上：晶晶体体开开始始滑滑移移。此此时时滑滑移移方方向向上上的

6、的分分切应力达到临界值，称为切应力达到临界值，称为临界分切应力临界分切应力。k k：在在滑滑移移面面上上沿沿滑滑移移方方面面开开始始滑滑移移的的最最小小分分切切应力。应力。14m m称为取向因子，或称施密特因子（称为取向因子，或称施密特因子（SchmidSchmid）。）。m m与塑性变形：与塑性变形：m m越大，越有利于滑移。越大，越有利于滑移。tktk的特点：的特点：1)1)临界分切应力的大小主要取决于金属的本性，临界分切应力的大小主要取决于金属的本性，与外力无关与外力无关。当条件一定时，各种晶体的临。当条件一定时，各种晶体的临界分切应力各有其定值界分切应力各有其定值2)2)是一个组织敏感

7、参数。是一个组织敏感参数。材料的组织性能临界切应力决定屈服强度)154 4 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动1 1）位向和晶面的变化）位向和晶面的变化滑滑移移过过程程中中，滑滑移移面面和和滑滑移移方方向向的的转转动动必必然然导导致取向因子的改变。致取向因子的改变。2 2）取向因子的变化）取向因子的变化几何硬化几何硬化几何软化几何软化165 5 多滑移多滑移1 1）单单滑滑移移：只只有有一一组组滑滑移移系系处处于于最最有有利利的的取取向向（m m最大）时，分切应力最大，便进行单系滑移。最大）时，分切应力最大，便进行单系滑移。2 2）多多滑滑移移：在在多多个个（22）滑滑移移系系上上同同时时或或交

8、交替替进行的滑移。进行的滑移。发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。3 3）交交滑滑移移 交交滑滑移移：晶晶体体在在两两个个或或多多个个不不同同滑滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。移面上沿同一滑移方向进行的滑移。17多滑移多滑移18交滑移交滑移19交滑移和多滑移的区别：交滑移和多滑移的区别：发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带；发生发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带；发生交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带。交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带。交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限制。可以同时进行共向滑移。制。可以同时进行

9、共向滑移。6 6 滑移的位错机制滑移的位错机制 2021二二 孪生孪生1 1 孪生现象孪生现象在在切切应应力力作作用用下下，晶晶体体的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分沿沿一一定定的的晶晶面面和和晶晶向向发发生生均均匀匀切切变变并并形形成成晶晶体取向的镜面对称关系。体取向的镜面对称关系。22变形部分与未变形部分以孪晶面为准，构成镜变形部分与未变形部分以孪晶面为准，构成镜面对称，形成孪晶。孪晶在显微镜下呈带状或面对称，形成孪晶。孪晶在显微镜下呈带状或透镜状。透镜状。2 2 孪生变形的特点孪生变形的特点1 1）孪孪生生使使一一部部分分晶晶体体发发生生了了均均匀匀的的切切变变，而而滑移是不均

10、匀的，只集中在一些滑移面上进行。滑移是不均匀的，只集中在一些滑移面上进行。2 2）孪孪生生后后晶晶体体变变形形部部分分与与未未变变形形部部分分成成镜镜面面对称关系，位向发生变化。对称关系，位向发生变化。235 5）由于孪生变形时，局部切变可达较大数量，）由于孪生变形时，局部切变可达较大数量，所以在变形试样的抛光表面上可以看到浮凸，所以在变形试样的抛光表面上可以看到浮凸，经重新抛光后，虽然表面浮凸可以去掉，但因经重新抛光后，虽然表面浮凸可以去掉，但因已变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或浸已变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或浸蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形

11、后的试样经抛光后滑移带消失。光后滑移带消失。3 3）孪生比滑移的临界分切应力高，萌发于滑）孪生比滑移的临界分切应力高，萌发于滑移受阻因其的局部应力集中区。移受阻因其的局部应力集中区。4 4）孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。孪）孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。孪生改变了晶体位向生改变了晶体位向24第三节第三节 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生。多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生。一、晶粒取向的影响一、晶粒取向的影响1 1 变形过程变形过程252 2 晶粒之间变形的协调性晶粒之间变形的协调性 （1 1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。）原因：各晶粒之

12、间变形具有非同时性。（2 2）要要求求：各各晶晶粒粒之之间间变变形形相相互互协协调调。（独立变形会导致晶体分裂）（独立变形会导致晶体分裂）（3 3）条条件件：独独立立滑滑移移系系3 35 5个个。（保保证证晶晶粒形状的自由变化粒形状的自由变化26二、晶界的影响二、晶界的影响1 1多晶体变形的现象多晶体变形的现象2 2晶粒大小与性能的关系晶粒大小与性能的关系 晶晶粒粒越越细细，强强度度越越高高，塑塑性韧性越好。性韧性越好。271 1）对强度的影响）对强度的影响细晶强化细晶强化霍尔配奇公式霍尔配奇公式:HALL-PETCH:HALL-PETCH公式公式s ss s=s=s0 0+kd+kd-1/2

13、-1/22 2）对塑性、韧性的影响）对塑性、韧性的影响28第四节第四节 合金的塑性变形合金的塑性变形提提高高强强度度的的另另一一方方法法是是合合金金化化。合合金金塑塑性性变变形形的的基基本本方方式式仍仍是是滑滑移移和和孪孪生生，但但因因组组织织、结结构构的变化，塑性变形各有特点。的变化，塑性变形各有特点。一、固溶体的塑性变形一、固溶体的塑性变形1 1 固溶强化现象固溶强化现象292 2 强化机制强化机制1)1)晶格畸变，阻碍位错运动；晶格畸变，阻碍位错运动；2 2）柯氏气团强化。）柯氏气团强化。30二、二、屈服和应变时效屈服和应变时效1 1 屈服现象屈服现象吕德斯带吕德斯带吕德斯带扩展吕德斯带

14、扩展吕德斯带危害吕德斯带危害：因屈服：因屈服延伸区的不均匀变形（吕延伸区的不均匀变形（吕德斯带）使工件表面粗糙德斯带）使工件表面粗糙不同。不同。312 2 应变时效应变时效原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。低碳钢时效图低碳钢时效图32三三 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形单相合金的强化：加入第二相形成多相合金。单相合金的强化：加入第二相形成多相合金。第第二二相相可可通通过过相相变变热热处处理理（沉沉淀淀强强化化，时时效效强强化）化）或或粉末冶金方法（弥散强化）粉末冶金方法（弥散强化）获得获得 多相合金根据第二相粒子的尺寸大小分类多相合金根据第二相粒

15、子的尺寸大小分类多相合金多相合金聚合型聚合型弥散型弥散型第二相的尺寸与基体晶粒尺寸属同一数量级 第二相很细小，且弥散分布于基体晶粒内 331 1 聚合型两相合金的变形聚合型两相合金的变形 性能按下列方法估计性能按下列方法估计1 1）两相都具有较好的塑性，合金的变形阻力）两相都具有较好的塑性，合金的变形阻力决定于两相的体积分数。决定于两相的体积分数。342）软基体硬第二相合金的性能除与两相的相）软基体硬第二相合金的性能除与两相的相对含量有关外，在很大程度上取决于脆性相的对含量有关外，在很大程度上取决于脆性相的形状形状和和分布分布。第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）第二相网状分布于晶界（二次渗碳体

16、）,易沿易沿晶脆断；晶脆断；原因：因塑性相晶粒被脆性相包围分割，少量原因：因塑性相晶粒被脆性相包围分割，少量塑变即脆断塑变即脆断35两相呈层片状分布（珠光体）两相呈层片状分布（珠光体）特点：变形主要集中在基体相中，位错的移动特点：变形主要集中在基体相中，位错的移动被限制在很短的距离内，增加了继续变形的阻被限制在很短的距离内，增加了继续变形的阻力，使其强度提高。力，使其强度提高。片层间距越小，其强度越高片层间距越小，其强度越高 第二相呈颗粒状分布（球状渗碳体）。第二相呈颗粒状分布（球状渗碳体）。强度降低，塑性、韧性得到改善强度降低，塑性、韧性得到改善 36二二 弥散型合金的塑性变形弥散型合金的塑

17、性变形1 1 不可变形微粒的强化作用不可变形微粒的强化作用 位错绕过第二相粒子位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错粒子、位错环阻碍位错运动运动)位错克服第二粒子的阻碍作用，克服位错环对位错源的反向应力。继续变形时必须增大外应力，从而使流变应力迅速提高372 2 可变形微粒的强化作用可变形微粒的强化作用 当第二相偎可变形微粒时，位错将切过粒子使当第二相偎可变形微粒时，位错将切过粒子使其与基体一起变形其与基体一起变形38第五节第五节 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能 一、对显微组织的影响一、对显微组织的影响1 1 形成纤维组织形成纤维组织塑塑性性变变形形量量很很大大时时，各各晶晶粒

18、粒已已不不能能分分辨辨而而成成为为一片如纤维状的条纹，称为一片如纤维状的条纹，称为纤维组织纤维组织 1 1）晶粒拉长）晶粒拉长;2;2）杂质呈细带状或链状分布。）杂质呈细带状或链状分布。纤维组织具有明显的各向异性，纵向的强度和纤维组织具有明显的各向异性，纵向的强度和塑性高于横向。塑性高于横向。392 形成大量亚结构40二二 变形织构变形织构1 1 变形织构变形织构择择优优取取向向：塑塑性性变变形形过过程程中中晶晶粒粒的的转转动动，使使绝绝大大部部分分晶晶粒粒的的某某一一位位向向与与外外力力方方向向趋趋于于一一致致的的现象现象变形织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶变形织构：多晶体材料由塑性变形

19、导致的各晶粒呈择优取向的组织。粒呈择优取向的组织。特征特征:各向异性各向异性 412 2 类型类型丝织构：某一丝织构：某一晶向晶向趋于与趋于与拔丝方向平行拔丝方向平行。（拉。（拉拔时形成）拔时形成）板织构：某板织构：某晶面晶面趋于趋于平行于轧制面平行于轧制面，某，某晶向晶向趋趋于平行于于平行于主变形方向主变形方向。（轧制时形成）。（轧制时形成）423 3 对性能的影响对性能的影响 不利：造成变形不均匀，制耳。不利：造成变形不均匀，制耳。有利：硅钢片有利：硅钢片织构可减少铁损织构可减少铁损43三、残余应力（约占变形功的三、残余应力（约占变形功的1010）储储存存能能塑塑性性变变形形中中还还有有约

20、约10%10%的的变变形形功功被被保留于金属内部。保留于金属内部。1 1 第一类残余应力（弹性应变）第一类残余应力（弹性应变）宏观内应力宏观内应力:由整个物体变形不均匀引起。由整个物体变形不均匀引起。作用：作用：表面残留压应力，可显著提高其疲劳强度表面残留压应力，可显著提高其疲劳强度 442 2 第二类残余应力第二类残余应力微观内应力微观内应力:由晶粒变形不均匀引起。由晶粒变形不均匀引起。作用：造成显微裂纹并导致工件的破坏作用：造成显微裂纹并导致工件的破坏 3 3 第三类残余应力：第三类残余应力：点阵畸变点阵畸变:由位错、空位等引起。由位错、空位等引起。80-90%80-90%。作用：使金属处

21、于热力学不稳定状态，作用：使金属处于热力学不稳定状态，是是“回复和再结晶回复和再结晶”的驱动力的驱动力 45四四 塑性变形对性能的影响塑性变形对性能的影响1 1 应变硬化（加工硬化）应变硬化（加工硬化）462 2 加工硬化的作用加工硬化的作用对一些对一些不能用热处理强化不能用热处理强化（固态下无相变）（固态下无相变）的材料重要强化手段。的材料重要强化手段。使塑性变形均匀，不致集中在某些局部区域使塑性变形均匀，不致集中在某些局部区域而引起破裂。而引起破裂。加工硬化还可以提高零件或构件在使用中的加工硬化还可以提高零件或构件在使用中的安全性。安全性。加工硬化使金属在冷加工过程中，变形抗力加工硬化使金

22、属在冷加工过程中，变形抗力会不断增加，增加动力及设备消耗。会不断增加，增加动力及设备消耗。473 加工硬化曲线 1）典型的单晶体加工硬化曲线易滑移阶段 特点：斜率很小。线性硬化阶段。特点：斜率几乎恒定且最大值。第阶段：抛物线硬化阶段。48492 2）解释：位错的运动解释：位错的运动易滑移阶段易滑移阶段:应力低，少量的软取向滑移系开动应力低，少量的软取向滑移系开动位错受阻碍少，易运动。流变较大。位错受阻碍少，易运动。流变较大。线性硬化阶段：多滑移，位错间的交互作用导线性硬化阶段：多滑移，位错间的交互作用导致位错交割，塞积等作用，阻碍位错运动，加致位错交割，塞积等作用，阻碍位错运动，加工硬化率高。

23、工硬化率高。抛物线硬化阶段：应力极高，位错通过交滑移抛物线硬化阶段：应力极高，位错通过交滑移绕过障碍，异号位错抵消等，降低位错密度，绕过障碍，异号位错抵消等，降低位错密度，加工硬化率下降。加工硬化率下降。503 3）不同晶格类型的单晶体加工硬化曲线）不同晶格类型的单晶体加工硬化曲线面心立方晶体为典型的三阶段加工硬化特征面心立方晶体为典型的三阶段加工硬化特征 4 4）多晶体加工硬化曲线）多晶体加工硬化曲线因其变形中晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调因其变形中晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求，配合要求，其加工硬化曲线通常更陡，加工硬其加工硬化曲线通常更陡，加工硬化速率更高化速率更高。5152 第

24、六节第六节 聚合物的变形聚合物的变形聚合物的变形特点：强烈地依赖于聚合物的变形特点：强烈地依赖于T T和和t t，表现，表现为弹性材料和黏弹性流体性质为弹性材料和黏弹性流体性质一、热塑性聚合物的应力一、热塑性聚合物的应力应变曲线应变曲线 53AYBYieldingpoint屈服点屈服点Pointofelasticlimit弹性极限点弹性极限点Breakingpoint断裂点断裂点Strain softening 应变软化应变软化plasticdeformation塑性形变塑性形变Strainhardening应变应变硬化硬化非晶态聚合物在非晶态聚合物在玻璃态玻璃态的应力的应力-应变曲线应变曲线

25、 y yOND54应力应力应力应力-应变曲线的类型应变曲线的类型应变曲线的类型应变曲线的类型Typesofstress-straincurveTypesofstress-straincurve软硬：模量软硬：模量强弱：屈服强度强弱：屈服强度韧脆：断裂能韧脆：断裂能55聚合物具有黏弹性，其应力聚合物具有黏弹性，其应力应变行为受温度、应变行为受温度、应变速率的影响很大。应变速率的影响很大。12345非晶聚合物不同温度下的非晶聚合物不同温度下的 曲线曲线T56应变速的额影响应变速的额影响57二、冷拉二、冷拉58三、剪切带与银纹三、剪切带与银纹1 1剪切带剪切带聚合物的屈服塑性变形是以剪切滑移的方式进

26、聚合物的屈服塑性变形是以剪切滑移的方式进行的。滑移变形可局限于某一局部区域，形成行的。滑移变形可局限于某一局部区域，形成剪切带剪切带2 2 银纹银纹某些聚合物在玻璃态拉伸时，会出现肉眼可见某些聚合物在玻璃态拉伸时，会出现肉眼可见的微细凹槽，类似于微小的裂纹。因其能反射的微细凹槽，类似于微小的裂纹。因其能反射光线而看上去银光闪闪，故称之为光线而看上去银光闪闪，故称之为银纹银纹。59四、热固性塑料的变形四、热固性塑料的变形热热固固性性塑塑料料：刚刚硬硬的的三三维维网网络络结结构构，分分子子不不易易运动运动拉拉伸伸特特点点：表表现现出出脆脆性性金金属属或或陶陶瓷瓷一一样样的的变变形形特性。特性。压缩

27、特点：在压应力下能发生大量的塑性变形。压缩特点：在压应力下能发生大量的塑性变形。601 1 前言前言 陶瓷材料大都是脆性材料，对缺陷十分敏陶瓷材料大都是脆性材料，对缺陷十分敏感，故其强度试验结果的分散性大。要使陶瓷感，故其强度试验结果的分散性大。要使陶瓷材料作为结构材料在工程中获得应用，需要对材料作为结构材料在工程中获得应用，需要对其力学性能做更多的研究，并对其力学性能的其力学性能做更多的研究，并对其力学性能的试验结果做统计分析。试验结果做统计分析。第七节第七节 陶瓷材料的力学行为陶瓷材料的力学行为61除少数几个具有简单的晶体结构，如除少数几个具有简单的晶体结构，如MgOMgO，KClKCl，

28、KBr KBr等，在室温下稍具塑性以外，一等，在室温下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶体结构复杂，室温下没有塑性般陶瓷的晶体结构复杂，室温下没有塑性（脆性材料）。（脆性材料）。脆性材料的拉伸试验脆性材料的拉伸试验测定其弹性模量和测定其弹性模量和断裂强度。断裂强度。2 2 陶瓷材料的弹性模量陶瓷材料的弹性模量62材材料料E/GPa材材料料E/GPa材材 料料E/GPa金金刚刚石石1200W2C428NbC345WC717MoSi2380Be2C317TiB2648BeO352SiC485Al2O3510FeSi2345B4C455TiC490ZrC345ZrB2440表13-1 典型陶瓷材料的弹性模量63气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响 式中式中E0E0为无孔隙时陶瓷材料的弹性模量，为无孔隙时陶瓷材料的弹性模量，p p为孔隙率。为孔隙率。64金属与陶瓷材料-e曲线的弹性部分。65