第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形

1、第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 預(yù)備知識：極 圖 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 第八章第八章材料的形變材料的形變 (Chapter 8 Deformation of Materials ) 典型材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (stress-strain curve) 材料的變形主要分為彈性變形和塑性變形 彈性極限e ：應(yīng)力應(yīng)變成線性關(guān)系的極限應(yīng)力 屈服極限s ：開始發(fā)生明顯塑性變形的應(yīng)力 抗拉強度b ： 斷裂前能夠承受的最大應(yīng)力 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 8.1 材料的彈性變形（Elastic deformation of materials） 2 彈性變形的特征 理想的彈

2、性變形是可逆變形， 加載時變形，卸載時變形消失、恢復(fù)原狀； 在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之間 服從虎克定律（Hookes law） 正應(yīng)力下： = E )1 (2 E G 切應(yīng)力下： = G 1 彈性變形的本質(zhì) 彈性變形(elastic deformation)：外力去除后能夠 完全恢復(fù)的那部分變形； E ：正彈性模量(Youngs modulus) G ：切變模量(shear modulus) ：泊松比(Poissons ratio) 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 彈性模量反應(yīng)原子間的結(jié)合力，是組織結(jié)構(gòu)的不敏感參數(shù) 工程上，彈性模量是材料剛度的度量，表征材料抵抗彈性變形的能力 第4章材料科學(xué)基

3、礎(chǔ)李見變形 8.2 單晶體的塑性變形（Plastic deformation of single crystalline） 塑性變形(plastic deformation)：當(dāng)應(yīng)力超過 屈服應(yīng)力，材料發(fā)生的不可逆的永久變形 單晶體的塑性變形主要 通過滑移方式進行，此 外尚有孿生和扭折 屈服強度與條件屈服強度 塑性變形方式：塑性變形方式： 滑移滑移，孿生，扭折 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 1 滑移（slip) 1）滑移線與滑移帶(slip lines and slip bands) 當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限時，晶體中會產(chǎn)生 層片之間的相對滑移，這些滑移的累計 構(gòu)成晶體的塑性變形 宏觀上，材料的表面可

4、見一條條細(xì)線（滑移帶） 微觀上，可見一系列相互平行的更細(xì)的線-滑移線； 一組滑移線構(gòu)成滑移帶； 滑移只是集中在某些晶面上 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 2 2）滑移系）滑移系(slip systems) 塑性變形時，材料的滑移只能沿一定的晶面或一定的晶向進行， 這些晶面和晶向就稱為滑移面和滑移方向 滑移面和滑移方向一般是原子排列的密排面和密排方向， 因其面間距最大，點陣阻力小。 滑移方向是原子密排方向，此方向上原子間距小，位錯柏氏矢量小 每一個滑移面和此面上的一個滑移方向合起來構(gòu)成一個滑移系 一般，材料中的滑移系越多，滑移過程中可能采取的空間取向越多， 滑移容易進行，塑性好。 面心立方(fcc)

5、：11143 = 12個 體心立方(bcc)：11062 +112121 +123241 = 48個 體心立方晶體的滑移面不確定 密排六方(hcp)：（0001）1 3 = 3個， 其塑性比面心立方和體心立方差 0211 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 3）滑移的臨界分切應(yīng)力 (critical resolved shear stress of slip) coscos coscos cos/ cos A F A F coscos稱為取向因子 或施密特因子（Schmid factor） 引起滑移的應(yīng)力為滑移面上的且應(yīng)力 單向拉伸條件下，外力在滑移面沿滑移方向的分切應(yīng)力： 當(dāng)=45時，取向因子最大，

6、 可用最小的拉力開始滑移 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 上式稱為上式稱為SchmidSchmid定律定律 crss crss是一個反映單晶體受力起始屈服的物理量 是一個反映單晶體受力起始屈服的物理量 是材料本身的特性（原子間結(jié)合力、晶面間距），與晶體取向和受力狀況無關(guān)。是材料本身的特性（原子間結(jié)合力、晶面間距），與晶體取向和受力狀況無關(guān)。 屈服應(yīng)力是與晶體取向和受力狀態(tài)有關(guān)的量屈服應(yīng)力是與晶體取向和受力狀態(tài)有關(guān)的量 coscos crss s 當(dāng)外力作用在某一滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到一定臨界值時，滑移系開 始滑移，該分切應(yīng)力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 4）滑移時

7、晶面的轉(zhuǎn)動(rotation) 滑移過程中，晶體要發(fā)生轉(zhuǎn)動，從 而導(dǎo)致晶體的空間取向發(fā)生變化。 壓縮時，轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸垂直的方向 Tensile 拉伸時使滑移方向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸 平行的方向 Compressive 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 影像規(guī)則 雙滑移 滑移面轉(zhuǎn)動 滑移方向旋轉(zhuǎn) 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 5）多滑移(multiple slip) 對于有多組滑移系的晶體，滑移首先在取向最有利的滑移系中進行， 隨著變形時晶面的轉(zhuǎn)動，另外的滑移系逐漸轉(zhuǎn)到對滑移有利的取向， 從而使滑移過程沿著兩個或多個滑移系交替進行或同時進行， 這種滑移過程稱為多滑移，也稱多系滑移、復(fù)滑移 例：fcc中001

8、為拉伸軸，有多個滑移系具有相同的Schmid因子， 可同時或交替動作。 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 2 孿生(twinning) 2）孿生的特點 1）孿生(twinning)： 晶體在切應(yīng)力作用下沿著一定的晶面 (孿晶面, twin plane) 和一定的晶向 (孿晶方向, twin direction)，在一個區(qū) 域內(nèi)發(fā)生均勻的切變； 這樣的切變并未使晶體的結(jié)構(gòu)變化， 但確使均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生 變化，且變形與未變性區(qū)呈鏡面對稱 孿生變性是在切應(yīng)力下發(fā)生， 臨界應(yīng)力大于滑移所需的應(yīng)力； 孿生是一種均勻切變； 孿晶的兩部分晶體呈鏡面對稱； 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 3 扭折(kink,

9、 不常見) 4) 孿晶(twin)的形成 變形孿晶（機械孿晶, deformation twins） 生長孿晶：氣相沉積、凝固等 退火孿晶(annealing twins，可歸屬于生長孿晶 3) 滑移與孿生的對比 主要發(fā)生在滑移和孿生都不能發(fā)生的情況 下發(fā)生，如 HCP（0001）面平行力作用下 發(fā)生扭折 變形區(qū)域稱為扭折帶， 扭折區(qū)的晶體取向 發(fā)生不對稱性的變化 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 4 加工硬化-單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 典型的單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 1) 易滑移階段： 通常只有一個滑移系進行滑移 2) 線性硬化階段： 第二滑移系開動，滑移線交割， 滑移障礙增加 3) 拋物線階段： 一

10、些障礙被越過，產(chǎn)生交滑移， 發(fā)生動態(tài)回復(fù)等 三種典型晶體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 塑性變形的三個階段 bcc、fcc有典型的三階段， hcp只有兩個階段 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 8.3 晶體滑移的位錯機制 2 exp2 )1 ( 2 exp2 b W G b d G NP d為晶面間距、 W為位錯寬度、 b為柏氏矢量 2 2 滑移引起位錯增殖滑移引起位錯增殖 1 1 位錯運動的阻力：位錯運動的阻力： 派派納力（晶格摩擦力納力（晶格摩擦力 對簡單立方結(jié)構(gòu)： P-N =2x10-4 G， 接近實測分切應(yīng)力 弗蘭克弗蘭克瑞德源瑞德源 （Frank-Read source, F-RFrank-Read

11、 source, F-R源）源） 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 4 交滑移的位錯機制(cross slip) 5 刃型位錯的攀移(climb) 刃型位錯的攀移即多余半原子面通過 空位擴散而擴大或縮小 正攀移圖解 交滑移對材料的塑性影響大，交滑移容易的 材料，塑性好。 交滑移與材料的層錯能有關(guān) 層錯能低，交滑移困難， 層錯能高，交滑移容易 刃型位錯只有一個滑動面，不產(chǎn)生交滑移 交滑移是螺型位錯在不改變滑移方向的情況下 轉(zhuǎn)變滑移面的過程，它增加了滑移的靈活性 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 8.4 多晶體的塑性變形（Plastic deformation of polycrystalline） 1 多晶

12、體塑性變形的特點 1) 多晶體結(jié)構(gòu)的特點： 存在晶界、 相鄰晶粒之間取向不同 2) 塑性變形的特點： (1) 各相鄰晶粒的變形相互協(xié)調(diào)和配合 每個晶粒不只是在取向最有利的單滑移系上滑移， 而必須在幾個滑移系上滑移，其中有些滑移系不 一定取向最有利 多晶體塑性變形時要求每個晶粒至少能在5個獨立 的滑移系上滑移，多晶體的塑性變形是通過各晶 粒的多系滑移來保證相互間的協(xié)調(diào)。 體心立方和面心立方有較多的滑移系，多晶體有較好的塑性， 密排六方滑移系少，晶粒間協(xié)調(diào)性差，塑性變形能力低 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 (2) 晶界對形變過程的阻礙作用 0：為一常數(shù)，大體等于單晶體的 屈服度， d: 晶粒直徑 位

13、錯不能越過晶界進入相鄰的晶 粒，在晶界處塞積 晶界的作用與晶界的數(shù)量相關(guān)， 而這直接取決于晶粒的大小 K：表征晶界對強度影響的程度 霍爾佩奇公式 （Hall-Petch equation） 多晶體的屈服強度與晶粒平均 直徑的關(guān)系： 2/1 0 Kd s 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 8.5 合金的塑性變形（Plastic deformation of alloys） 1) 合金塑性變形的基本過程仍然是滑移和孿生 2) 合金的組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其塑性變形 的特點 (1) 合金為單相合金時， 固溶體，Cu-Ni (2) 合金為復(fù)相合金時 聚合型合金： 第二相的尺寸與基體相相近， Pb-Sn 1

14、基本特點 分散分布型 (dispersion distribution)： 第二相非常細(xì)小且分散分布， Fe-Fe3C、Sn-Ag3Sn 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 2 固溶體的塑性變形(plastic deformation of solid solution) 1) 固溶強化(solid-solution strengthening)： 溶質(zhì)原子的加入引起點陣畸變，增加了位錯運動的阻力， 增大了晶體滑移阻力 2) 宏觀表現(xiàn)固溶體的屈服強度高于純?nèi)軇┑?3) 影響固溶強化效果的因素 溶質(zhì)濃度： 溶質(zhì)濃度增加，效果大 固溶體類型： 間隙型大于置換型 溶質(zhì)溶劑原子尺寸差（置換型）： 尺寸差越大，

15、效果好 溶質(zhì)溶劑彈性模量差 溶質(zhì)溶劑原子價電子數(shù)差（置換型）： 差別越大，效果好 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 3 復(fù)相合金的塑性變形 1）聚合型合金 （1）兩相都為塑性相， 晶粒大小相當(dāng)Pb-Sn 等應(yīng)變理論：a = f11 + f22 等應(yīng)力理論：a = f11 + f22 （2）兩相中一個為塑性相，另一個為脆性相 合金變形的阻力不僅取決于兩相的體積分?jǐn)?shù)， 而且還與形狀、大小和分布有關(guān) 合金變形的阻力取決于兩相的 體積分?jǐn)?shù)，可用機械混合法則 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 2）分散分布型(dispersion distribution) 位錯切過粒子，粒子產(chǎn)生新的表面積，使總的表面積升高； 產(chǎn)生

16、新的割階，產(chǎn)生應(yīng)力場等，給位錯的運動帶來困難； 彌散細(xì)小分布的第二相分布在基體相中時，會產(chǎn)生顯著的強化作用 （1）第二相粒子為可變形顆粒時 位錯將切過粒子使之隨同基體一起變形 * 強化機理主要有： 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 （2）第二相不能變形 可變形顆粒增大，與基體非共格 位錯繞過機制（奧羅萬機制，Orowan mechanism） L：粒子間距（面對面間距）；G：切變模量；b：柏氏矢量 相圖體積分?jǐn)?shù)下，第二相越小，L越小，強化效果越好彌散強化 條件： 第二相硬、脆， 2）分散分布型(cont) * 強化機理： L Gb O 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 5 低碳鋼的屈服和應(yīng)變時效 (yie

17、lding and strain aging) 1) 低碳鋼的屈服現(xiàn)象和呂德斯帶 屈服現(xiàn)象(yielding)： 上下屈服點及屈服平臺 呂德斯帶（Lders band）： 應(yīng)力超過屈服極限時，在試樣 表面產(chǎn)生一個與拉伸軸成45度 的變形帶。它與滑移帶不同， 是許多晶粒協(xié)調(diào)變形的結(jié)果。 屈服現(xiàn)象的原因： (1) 柯氏氣團（Cottrell atmosphere）： (anchoring of dislocation) (2) 位錯增殖：剛開始位錯少，位錯增殖快， 到一定程度后流變應(yīng)力降低 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 2) 2) 應(yīng)變時效應(yīng)變時效 退火狀態(tài)的試樣拉伸超過屈服 點卸載馬上再加載，不發(fā)

18、生屈 服現(xiàn)象放置一段時間后再加載， 屈服現(xiàn)象重新出現(xiàn) 機理：柯氏氣團解釋 (Cottrell atmosphere) m m vbv, 開始時位錯密度低，需要較 高應(yīng)力才能保持變形速率 （夾頭移動速度。 塑性變形開始后位錯迅速增 殖，維持相同變形速度的應(yīng) 力降低 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 8.6 塑性變形對材料組織與性能的影響 1 顯微組織的變化 晶粒沿形變方向被拉長 纖維狀 夾雜物和第二相： 塑性好的被拉長， 塑性差的破裂 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 亞結(jié)構(gòu)(sub-structure)： 晶粒內(nèi)部位錯密度(dislocation density)增加， 位錯纏結(jié)(dislocation tangle)， 位錯胞狀亞結(jié)構(gòu) 形變亞晶 (deformation substructure) 第4章材料科學(xué)基礎(chǔ)李見變形 2 形變織構(gòu)(deformation texture) 2) 成因：塑性變形中，隨著變形程度的增加， 各晶粒滑移方向向主變形方向轉(zhuǎn)動，使多 晶體的各晶粒最終在空間位向上呈現(xiàn)一定 程度的一致現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向 (preferred orientation)，這種組織狀態(tài) 稱為形變織構(gòu)(deformation texture)