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1、材料性能学力学塑性材料性能学力学塑性及超塑性及超塑性本讲稿第一页，共三十五页第二节第二节 塑性和超塑性塑性和超塑性 概念物理本质及变化规律性能指标及影响因素超塑性本讲稿第二页，共三十五页弹性变形：应力去除后能 够恢复的变形。=E弹性模量：E弹性极限：e屈服极限：s，0.2加工硬化（应变硬化）抗拉强度：b断裂强度：k延伸率：=(lk-l0)/l0断面收缩率：=（F0-Fk)/F0本讲稿第三页，共三十五页一、塑性变形概念一、塑性变形概念塑性变形塑性变形是指一种在外是指一种在外力去除后不能恢复的形力去除后不能恢复的形变。变。材料经受塑性形变而不材料经受塑性形变而不破坏的能力叫破坏的能力叫延展性延展性
2、。本讲稿第四页，共三十五页二、塑性变形机理二、塑性变形机理(物理本质物理本质)晶格滑移晶格滑移塑性变形位错运动理论塑性变形位错运动理论位错运动激活能位错运动激活能位错运动的速度位错运动的速度形变速率形变速率位错增殖机理位错增殖机理 晶格滑移条件晶格滑移条件临界分解剪切应力临界分解剪切应力滑移系数量滑移系数量本讲稿第五页，共三十五页孪晶孪晶是在剪应力作用下产生是在剪应力作用下产生的另一种塑性变形方式。的另一种塑性变形方式。孪晶孪晶本身提供的变形量很本身提供的变形量很小，但可以调整滑移面的小，但可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动，方向，使新的滑移系开动，因而可以对塑性变形产生因而可以对塑性变形
3、产生影响。影响。本讲稿第六页，共三十五页本讲稿第七页，共三十五页1.晶格滑移条件晶格滑移条件滑移滑移是在是在剪应力剪应力作用下在一定作用下在一定滑移滑移系统（系统（滑移面和滑移方向滑移面和滑移方向）上进行的。上进行的。滑移面和滑移方向滑移面和滑移方向指数小，原指数小，原子密度大，柏氏矢量子密度大，柏氏矢量b b较小。较小。几何因素：几何因素：静电作用因素静电作用因素：拉力、滑移面和滑移方向间的几何关系拉力、滑移面和滑移方向间的几何关系（一）晶格滑移（一）晶格滑移本讲稿第八页，共三十五页滑移系统的多少不是决定塑性好坏滑移系统的多少不是决定塑性好坏的唯一因素。的唯一因素。如如fccfcc结构的结构
4、的CuCu、AlAl相比相比bccbcc结构的结构的-Fe-Fe，滑移系少，但晶格阻力较，滑移系少，但晶格阻力较低，位错容易运动。低，位错容易运动。金属晶体的滑移面除原子最密排晶金属晶体的滑移面除原子最密排晶面外，还受到温度、成分和预先变面外，还受到温度、成分和预先变形程度等的影响。形程度等的影响。如如bccbcc结构的结构的112112及及123123晶面在温晶面在温度升高也可能成为滑移面，增大金属度升高也可能成为滑移面，增大金属的塑性。的塑性。本讲稿第九页，共三十五页本讲稿第十页，共三十五页铜多晶试样拉伸后形成的滑移带,x173倍(采自C.Brady,美国国家标准局)锌的单晶和多晶的拉伸曲
5、线 本讲稿第十一页，共三十五页截面为截面为A A的圆柱单晶，受拉力的圆柱单晶，受拉力F F，在滑移，在滑移面上沿滑移方向发生的滑移：面上沿滑移方向发生的滑移：2.临界分解剪切应力临界分解剪切应力此应力在滑移方向上的分剪应力为此应力在滑移方向上的分剪应力为滑移面上滑移面上F F方向的应力为方向的应力为本讲稿第十二页，共三十五页不同滑移面及滑移方向的应力都不一样；不同滑移面及滑移方向的应力都不一样；同一滑移面上同一滑移面上不同滑移方向，剪应力也不一样不同滑移方向，剪应力也不一样。当当0 0（临界剪应力）时发生滑移。（临界剪应力）时发生滑移。可见，在外力可见，在外力F F的作用下，在与的作用下，在与
6、N N、F F处于同一平面内的滑处于同一平面内的滑移方向上，剪应力达做大值，其他方向剪应力均较小。移方向上，剪应力达做大值，其他方向剪应力均较小。本讲稿第十三页，共三十五页金属金属易于滑移而产生塑性形变，因为金属材料滑移系统很多，易于滑移而产生塑性形变，因为金属材料滑移系统很多，FeFe、CuCu等滑移系统有等滑移系统有4848种之多种之多金属键没有方向性金属键没有方向性无机材料无机材料的滑移系统很少，的滑移系统很少，离子键或共价键具有明显的方向性离子键或共价键具有明显的方向性同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条
7、件与静电作用条件。用条件。3.滑移系的数量滑移系的数量多晶材料多晶材料，晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的，晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大。即使个别晶粒已达临界剪应力而发生滑移，也会剪应力差别很大。即使个别晶粒已达临界剪应力而发生滑移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止多晶材料更不容易多晶材料更不容易产生滑移。产生滑移。本讲稿第十四页，共三十五页滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切变；切变；2 2 沿一定的晶面、晶向进行；沿一定的晶面、晶向进行；3 3 不改变结构不改变结构。不不同同点点晶体位向晶
8、体位向不不改改变变（对对抛抛光光面面观观察察无无重现性）重现性）。改改变变，形形成成镜镜面面对对称称关关系系（对对抛抛光面观察有重现性）光面观察有重现性）位移量位移量滑滑移移方方向向上上原原子子间间距距的的整整数倍，较大。数倍，较大。小小于于孪孪生生方方向向上上的的原原子子间间距距，较小。较小。对塑变的贡献对塑变的贡献很大，总变形量大。很大，总变形量大。有限，总变形量小。有限，总变形量小。变形应力变形应力有一定的临界分切压力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于所需临界分切应力远高于滑移滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的
9、结果全位错运动的结果分位错运动的结果分位错运动的结果本讲稿第十五页，共三十五页（二）塑性形变的位错运动理论（二）塑性形变的位错运动理论实际晶体中存在位错缺陷，当受实际晶体中存在位错缺陷，当受剪应力剪应力作用时，并不是晶作用时，并不是晶体内两部分整体相互错动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运体内两部分整体相互错动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运动动实际晶体的滑移是位错运动的结果实际晶体的滑移是位错运动的结果使位错运使位错运动所需的力比使晶体两部分整体相互滑移所需的力小得动所需的力比使晶体两部分整体相互滑移所需的力小得多。多。本讲稿第十六页，共三十五页（二）塑性形变的位错运动理论（二）塑性形变的位错
10、运动理论本讲稿第十七页，共三十五页本讲稿第十八页，共三十五页本讲稿第十九页，共三十五页1、位错运动激活能、位错运动激活能位错是一种缺陷，原子排位错是一种缺陷，原子排列中有缺陷的地方一般势列中有缺陷的地方一般势能较高。能较高。H()H()为为位错运动激活能位错运动激活能 大，大，H()H()小；小；小，小，H()H()大。大。H()H()为为 的函数的函数，无剪应力，无剪应力（=0=0）作用时，）作用时，H()=hH()=h。本讲稿第二十页，共三十五页一个原子能脱离平衡位置的几率是由波尔兹曼因子一个原子能脱离平衡位置的几率是由波尔兹曼因子e e-E/kT-E/kT决定决定的，的，E E为激活能。
11、为激活能。位错是一种缺陷，其运动缺陷也由波尔兹曼因子决定，位错是一种缺陷，其运动缺陷也由波尔兹曼因子决定，得到位错运动的速度：得到位错运动的速度：2、位错运动速度、位错运动速度V V0 0 ：与原子热振动固有频率有关的常数；与原子热振动固有频率有关的常数；k k：波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，为1.381.38 1010-23-23J/KJ/K；T T：绝对温度绝对温度本讲稿第二十一页，共三十五页结论：结论：（1 1）=0=0时，时，H()=hH()=h，比，比kTkT大得多。大得多。室温室温300K300K，kTkT为为0.026eV0.026eV；金金属属材材料料的的hh约约为为0.1-0
12、.2eV0.1-0.2eV，离离子子键键、共共价价键键的的无无机机材材料料hh约为约为1eV1eV。（2 2）位位错错只只能能在在滑滑移移面面上上运运动动，只只有有滑滑移移面面上上的的分分剪剪应应力力才才能能使使H()H()降降低低。无无机机材材料料的的滑滑移移系系统统少少，滑滑移移面面上上的的分分剪剪应应力力往往往往很小，尤其在多晶陶瓷中更是如此。很小，尤其在多晶陶瓷中更是如此。（3 3）温度升高，位错运动的速度加快。）温度升高，位错运动的速度加快。本讲稿第二十二页，共三十五页位错运动的理论充分说位错运动的理论充分说明无机材料中产生位错明无机材料中产生位错运动是困难的运动是困难的当滑当滑移面
13、上的分剪应力尚未移面上的分剪应力尚未使位错以足够的速度运使位错以足够的速度运动时，此应力可能已超动时，此应力可能已超过微裂纹扩展所需的临过微裂纹扩展所需的临界应力而使材料脆断。界应力而使材料脆断。本讲稿第二十三页，共三十五页3、形变速率、形变速率设在时间设在时间t t内，长度为内，长度为l l的试件形变量的试件形变量为为 l l，应变为，应变为 l/l=l/l=，应变速，应变速 率为率为 。假设假设l l l l平面上有平面上有n n个位错，则参与形变个位错，则参与形变的滑移平面上的位错密度为的滑移平面上的位错密度为如位错运动的平均速度为如位错运动的平均速度为本讲稿第二十四页，共三十五页在时间
14、在时间t t内内n n个位错通过试样边界，会引起位错增殖，个位错通过试样边界，会引起位错增殖，使通过边界的使通过边界的位错数增加到位错数增加到ncnc个（个（cc位错增殖系数）位错增殖系数）。每个位错运动造成在运动方向上一个原子间距的每个位错运动造成在运动方向上一个原子间距的滑移，即一个柏氏矢量的滑移，以滑移，即一个柏氏矢量的滑移，以b b表示，则单表示，则单位时间内的滑移量为位时间内的滑移量为则宏观应变率为则宏观应变率为本讲稿第二十五页，共三十五页塑性形变率取决于塑性形变率取决于位错运动速度位错运动速度 ，位错密度，位错密度D D、柏、柏氏矢量氏矢量b b和和位错增殖系数位错增殖系数c c。
15、造成宏观塑性形变，必须：造成宏观塑性形变，必须：（1 1）足够多的位错；）足够多的位错；（2 2）位错有一定的运动速度；）位错有一定的运动速度；（3 3）柏氏矢量）柏氏矢量b b要大。要大。本讲稿第二十六页，共三十五页位错形成需要能量，按弹性理论计算，位错形成能为位错形成需要能量，按弹性理论计算，位错形成能为 E=aGbE=aGb2 2GG剪切模量；剪切模量；aa几何因子（几何因子（0.5-1.00.5-1.0）；）；bb柏氏矢量柏氏矢量b b小才容易形成位错，小才容易形成位错，b b相当于晶格的点阵常数。相当于晶格的点阵常数。a.a.金属为单元结构，点阵常数较小，一般为金属为单元结构，点阵常
16、数较小，一般为33左右，形成位错左右，形成位错的能量小，容易形成位错。的能量小，容易形成位错。b.b.无机材料都是二元以上的多元化合物，结构比较复杂，点阵中原无机材料都是二元以上的多元化合物，结构比较复杂，点阵中原子数较多，点阵常数较大（子数较多，点阵常数较大（MgAlMgAl2 2O O4 4约约88，AlAl2 2O O3 3约约55）,形成位错形成位错的能量大，不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生的能量大，不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生塑性形变。塑性形变。本讲稿第二十七页，共三十五页4、塑性形变速率对屈服强度的影响、塑性形变速率对屈服强度的影响塑性变形速率塑性变形速
17、率 与与屈服强度的关系：屈服强度的关系：mm位错运动速率的位错运动速率的应力敏感性系数。应力敏感性系数。本讲稿第二十八页，共三十五页三三 影响金属材料屈服强度的因素影响金属材料屈服强度的因素1.1.晶体结构晶体结构晶格阻力：在理想晶体中，仅存在一个位错运动时晶格阻力：在理想晶体中，仅存在一个位错运动时所需克服的阻力所需克服的阻力位错间交互作用产生的阻力：位错间交互作用产生的阻力：本讲稿第二十九页，共三十五页2.2.晶界亚结构晶界亚结构3.3.溶质元素溶质元素4.4.第二相第二相5.5.温度温度6.6.应变速率与应力状态应变速率与应力状态晶界晶界晶粒大小：晶粒大小：原子直径不同原子直径不同溶质与
18、溶剂交互作用溶质与溶剂交互作用质点的性质质点的性质第二相分布第二相分布本讲稿第三十页，共三十五页四、超塑性四、超塑性概念：概念：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000%1000%）而不发）而不发生缩颈和断裂的现象，称为生缩颈和断裂的现象，称为超塑性超塑性。分类：分类：分为分为相变超塑性相变超塑性（变形过程中发生相变）和（变形过程中发生相变）和结构超塑性结构超塑性（稳（稳定结构）。定结构）。产生条件产生条件：（1 1）超细晶粒（微米量级，且为等轴晶）；）超细晶粒（微米量级，且为等轴晶）；（2 2）合适的变形条件（变形温度在）合适的变形条件（变形温度在
19、0.4T0.4Tm m、应变速率大于等于、应变速率大于等于1010-3-3s s-1-1）；）；（3 3）应变速率敏感指数较高，）应变速率敏感指数较高，0.3m10.3m1，当，当m0.3m0.3就不出现超塑就不出现超塑性。性。本讲稿第三十一页，共三十五页纳米铜的室温超塑性本讲稿第三十二页，共三十五页本讲稿第三十三页，共三十五页超塑性变形的特点：超塑性变形的特点：材料产生很大的应变，但应变前后晶粒基本上保持等材料产生很大的应变，但应变前后晶粒基本上保持等轴状态。轴状态。晶界滑动产生的应变晶界滑动产生的应变 g g在总应变在总应变 t t中所占比例一般在中所占比例一般在50%-50%-70%70%之间。之间。晶界滑动在超塑性变形中起了主要作用，也需要与之晶界滑动在超塑性变形中起了主要作用，也需要与之协调的晶界迁移和晶内位错运动的配合。协调的晶界迁移和晶内位错运动的配合。本讲稿第三十四页，共三十五页Backdrops:-These are full sized backdrops,just scale them up!-Can be Copy-Pasted out of Templates for use anywhere!本讲稿第三十五页，共三十五页