材料的變形和再結(jié)晶PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 材料的變形和再結(jié)晶材料的變形和再結(jié)晶PPT課件課件 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E 納米銅的室溫超塑性 第1頁/共69頁 NASAs Shuttle Remote Manipulator System: SRMS Courtesy of Getty Images第2頁/共69頁 第3頁/共69頁 （a）體系能量與原子間距的關(guān)系 （b）原子間作用力和距離的關(guān)系 第4頁/共69頁 Condon-Morse曲線 第5頁/共69頁 1 2 1 1 mn r nC r nC

2、 F 2 0 1 0 n rr r mnnC r F 3 0 1 n r mnnC E 第6頁/共69頁 2 1 E G 第7頁/共69頁 第8頁/共69頁 111213141516 212223242526 313233343536 414243444546 515253545556 616263646566 xx yy zz xyxy xzxz yzyz CCCCCC CCCCCC CCCCCC CCCCCC CCCCCC CCCCCC 111213141516 212223242526 313233343536 414243444546 515253545556 616263646566

3、 xx yy zz xyxy xzxz yzyz SSSSSS SSSSSS SSSSSS SSSSSS SSSSSS SSSSSS Cij為彈性系數(shù)，或剛度系數(shù) Sij為彈性順序，或柔度系數(shù) 由于對稱性的原因，Cij Cji 由于對稱性的原因，Sij Sji 晶體中的各向異性 第9頁/共69頁 第10頁/共69頁 F溫度升高，彈性后效速率和彈性后效以后的變形量都急劇增加。 F切應(yīng)力愈大，彈性后效愈強烈。 彈性后效與金屬中點缺陷的移動有關(guān)。 恒應(yīng)力下的應(yīng)變弛豫 第11頁/共69頁 第12頁/共69頁 彈性滯后（環(huán)）與循環(huán)韌性 第13頁/共69頁 d dt 第14頁/共69頁 00 expexp

4、 Ett t 滯彈性變形模型 （a）Maxwell模型；（b）Voigt-Kelvin模型 d tE dt 松弛系數(shù) （a） （b） 第15頁/共69頁 第16頁/共69頁 第17頁/共69頁 面心立方的滑移系 滑移方向，滑移面一般為111 面心立方結(jié)構(gòu)共有四個不同的111晶面，每個滑移面上有三個晶向，故共有43=12個滑移系。 第18頁/共69頁 移方向恒為列產(chǎn)品 ，滑移面為（0001）或棱柱面 、棱錐面 02110110 1110 密排六方的滑移系 第19頁/共69頁 hcp滑移系 a.當(dāng)滑移面為（0001）時，晶體中滑移面只有一個，此面上有三個 晶向，故滑移系數(shù)目為13=3個。 b.當(dāng)滑

5、移面為 時，晶體中滑移面共有3個，每個滑移面上一個 晶向，故滑移系數(shù)目為31=3個。 c.當(dāng)滑移面為斜面 時，此時滑移面共有6個，每個滑移面上一個 ，故滑移系數(shù)目為61=6個。 F 由于hcp金屬滑移系數(shù)目較少，密排六方金屬的塑性通常都不太好。 1120 1010 1120 1120 1011 第20頁/共69頁 （3）bcc 滑移方向為，可能出現(xiàn)的滑移面有110、112、123如果三組滑移面都能啟動，則潛在的滑移系數(shù)目為： （個） 123112110 4812411226 11062+112121+123241=48 第21頁/共69頁 F典型材料的滑移系統(tǒng) 晶體結(jié)構(gòu)材料滑移面滑移方向 面心

6、立方Al、Cu、Ni111 體心立方 -Fe 110 112 123 Mo、Nb、Ta110 密排六方 Be、Co、Mg、Zn、 Cd 0001 Ti 、Zr1010 金剛石型 立方結(jié)構(gòu) C、Ge、Si111 熒石結(jié)構(gòu) CaF2 、UO2 、 TbO2 001 金剛石結(jié)構(gòu)TiO2101 尖晶石結(jié)構(gòu)MgAl2O4111 1120 1120 第22頁/共69頁 cos cos F A 第23頁/共69頁 第24頁/共69頁 （1）位向和晶面的變化 拉伸時,滑移面和滑移方向趨于 平行于力軸方向; 壓縮時，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。 幾何硬化：，遠離45，滑移變得困難； 幾何軟化；，接近45，滑移變

7、得容易。 （2）取向因子的變化 第25頁/共69頁 1.滑移的分類 多滑移：在多個（2）滑移系上同時 或交替進行的滑移。 雙滑移： 單滑移： 2.等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾角分別相等的一組滑移系。 5、多系滑移 由臨界分切應(yīng)力定律可知，當(dāng)對一個晶體施加外力時，可能會有兩個以上的滑稱系上的分切應(yīng)力同時滿足的條件，而使各自滑移面上的位錯同時啟動，這種現(xiàn)象稱為多系滑移。 滑移方向 滑移系 滑移面 鏡像法則： 在標(biāo)準(zhǔn)投影圖中標(biāo)出加載力F的方向； 該點將落入由投影軸-某滑移面-某滑移 方向投影點所構(gòu)成的三角形內(nèi)，則與與 該滑移面相對的滑移面和與該滑移方向 相對的滑移方向就構(gòu)成滑移系。

8、 第26頁/共69頁 機制 螺位錯的交滑移：螺位錯從一個滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面的過程； 螺位錯的雙交滑移：交滑移后的螺位錯再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過程。 第27頁/共69頁 第28頁/共69頁 3 滑移的位錯機制 位錯的扭折運動 22 exp 11 22 exp 1 P N Gd b GW b 第29頁/共69頁 第30頁/共69頁 第31頁/共69頁 面心立方晶體孿晶變形示意圖 孿生的位錯極軸機制 第32頁/共69頁 滑移滑移 孿生孿生 相同點相同點1 1 切變；切變；2 2 沿一定的晶面、晶向進行；沿一定的晶面、晶向進行；3 3 不改變結(jié)構(gòu)不改變結(jié)構(gòu)。 不不 同同 點點 晶體位向晶體位

9、向不改變（對拋光面觀察不改變（對拋光面觀察 無重現(xiàn)性）無重現(xiàn)性）。 改變，形成鏡面對稱關(guān)系（對改變，形成鏡面對稱關(guān)系（對 拋光面觀察有重現(xiàn)性）拋光面觀察有重現(xiàn)性） 位移量位移量 滑移方向上原子間距的滑移方向上原子間距的 整數(shù)倍，較大。整數(shù)倍，較大。 小于孿生方向上的原子間距小于孿生方向上的原子間距 ，較小。，較小。 對塑變的貢獻對塑變的貢獻很大，總變形量大。很大，總變形量大。有限，總變形量小。有限，總變形量小。 變形應(yīng)力變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應(yīng)力遠高于所需臨界分切應(yīng)力遠高于 滑移滑移 變形條件變形條件一般先發(fā)生滑移一般先發(fā)生滑移滑移困難時發(fā)生滑移困難時發(fā)生

10、 變形機制變形機制全位錯運動的結(jié)果全位錯運動的結(jié)果分位錯運動的結(jié)果分位錯運動的結(jié)果 第33頁/共69頁 孿生的特點 孿生時一部分晶體發(fā)生了均勻的切變，但切變前后晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，而滑移變形是集中在一些滑移面上進行。 孿生變形后，晶體已變形部分與未變形呈鏡面對稱，而滑移變形后晶體各部分的相對位向不發(fā)生切變 第34頁/共69頁 鋅中的變形孿晶 第35頁/共69頁 2孿生的特點 （1） 孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切變，切變時原子移動的距離是孿生方向原子間距的分?jǐn)?shù)倍；孿生是部分位錯運動的結(jié)果；孿晶面兩側(cè)晶體的位向不同，呈鏡面對稱；孿生是一種均勻的切變；孿晶浸蝕后有明顯的襯度，經(jīng)拋光

11、與浸蝕后仍能重現(xiàn)。 （2）孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長大所需的應(yīng)力較 小，其拉伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核心大多是在晶體局部高應(yīng)力區(qū)形成。變形孿晶一般呈片狀。變形孿晶經(jīng)常以爆發(fā)方式形成，生成速率較快。 第36頁/共69頁 孿生小結(jié) 1.孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切變，切變時原子移動的距離是孿生方向原子間距的分?jǐn)?shù)倍；孿生是部分位錯運動的結(jié)果；孿晶面兩側(cè)晶體的位向不同，呈鏡面對稱；孿生是一種均勻的切變；孿晶浸蝕后有明顯的襯度，經(jīng)拋光與浸蝕后仍能重現(xiàn)。 2.孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長大所需的應(yīng)力較小，其拉伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核心大多是在晶體局部高應(yīng)力區(qū)形成。變形孿晶

12、一般呈片狀。變形孿晶經(jīng)常以爆發(fā)方式形成，生成速率較快。 3. 形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形），面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。 4.孿生本身對金屬塑性變形的貢獻不大，但形成的孿晶改變了晶體的位向，使新的滑移系開動，間接對塑性變形有貢獻。 第37頁/共69頁 單晶鎘被壓縮時的扭折 第38頁/共69頁 第39頁/共69頁 經(jīng)拉伸后晶界處呈竹節(jié)狀 位錯在相鄰晶粒中的作用示意圖 Gb Lk n 0 在變形過程中位錯難以通過晶界被堵塞在晶界附近。這種在晶界附近產(chǎn)生的位錯塞積群會對晶內(nèi)的位錯源產(chǎn)生一反作用力。此反作用力隨位錯塞積的數(shù)目n而增大： 式中，0為作用于滑移面上

13、外加分切應(yīng)力；L為位錯源至晶界之距離；k為系數(shù)，螺位錯k=1，刃位錯k=1-。當(dāng)它增大到某一數(shù)值時，可使位錯源停止開動。使晶體顯著強化。 第40頁/共69頁 2 1 0 Kd s 外加應(yīng)力必須大至足以激發(fā)大量晶粒中的位錯源動作，產(chǎn)生滑移，才能覺察到宏觀的塑性變形。 由于晶界數(shù)量直接決定于晶粒的大小，因此，晶界對多晶體起始塑變抗力的影響可通過晶粒大小直接體現(xiàn)。實踐證明，多晶體的強度隨其晶粒細化而提高。多晶體的屈服強度s與晶粒平均直徑d的關(guān)系可用著名的霍爾佩奇（Hall-Petch）公式表示： 式中，0反映晶內(nèi)對變形的阻力，相當(dāng)于極大單晶的屈服強度；K反映晶界對變形的影響系數(shù)，與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。 進

14、一步實驗證明，霍爾佩奇公式適用性甚廣。因此，一般在室溫使用的結(jié)構(gòu)材料都希望獲得細小而均勻的晶粒。因為細晶粒不僅使材料具有較高的強度、硬度，而且也使它具有良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學(xué)性能。 第41頁/共69頁 等溫強度示意圖 當(dāng)變形溫度高于0.5Tm（熔點）以上時，由于原子活動能力的增大，以及原子沿晶界的擴散速率加快，使高溫下的晶界具有一定的粘滯性特點，它對變形的阻力大為減弱，即使施加很小的應(yīng)力，只要作用時間足夠長，也會發(fā)生晶粒沿晶界的相對滑動，成為多晶體在高溫時一種重要的變形方式。此外，在高溫時，多晶體特別是細晶粒的多晶體還可能出現(xiàn)另一種稱為擴散性蠕變的變形機制，這個過程與空位的擴散

15、有關(guān)。 在多晶體材料中往往存在一“等強溫度TE”，低于TE時，晶界強度高于晶粒內(nèi)部的；高于TE時則得到相反的結(jié)果 第42頁/共69頁 第43頁/共69頁 鋁溶有鎂后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 溶質(zhì)原子的加入不僅提高了整個應(yīng)力一應(yīng)變曲線的水平，而且使合金的加工硬化速率增大。 第44頁/共69頁 低碳鋼退火態(tài)的工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線及屈服現(xiàn)象 第45頁/共69頁 低碳鋼的拉伸試驗 a-預(yù)塑性變形 b-去載后立即再行加載 c-去載后放置一段時間或在200加熱后再加載 第46頁/共69頁 第47頁/共69頁 第48頁/共69頁 位錯繞過第二相粒子的示意圖 （1）不可變形粒子的強化作用。 當(dāng)運動位錯與其相遇時，將受到

16、粒子阻擋，使位錯線繞著它發(fā)生彎曲。隨著外加應(yīng)力的增大，位錯線受阻部分的彎曲更劇，以致圍繞著粒子的位錯線在左右兩邊相遇，于是正負位錯彼此抵消，形成包圍著粒子的位錯環(huán)留下，而位錯線的其余部分則越過粒子繼續(xù)移動。顯然，位錯按這種方式移動時受到的阻力是很大的，而且每個留下的位錯環(huán)要作用于位錯源一反向應(yīng)力，故繼續(xù)變形時必須增大應(yīng)力以克服此反向應(yīng)力，使流變應(yīng)力迅速提高。 根據(jù)位錯理論，迫使位錯線彎曲到曲率半徑為R時所需切應(yīng)力為 R Gb 2 第49頁/共69頁 此時由于R=/2，所以位錯線彎曲到該狀態(tài)所需切應(yīng)力為 上述位錯繞過障礙物的機制是由奧羅萬（EOrowan）首先提出的，故通常稱為奧羅萬機制，它已被

17、實驗所證實。 （2）可變形微粒的強化作用。 當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ訛榭勺冃挝⒘r，位錯將切過粒子使之隨同基體一起變形。在這種情況下，強化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)，以及與基體的聯(lián)系，其強化機制甚為復(fù)雜，且因合金而異。 Gb 第50頁/共69頁 典型的面心立方、體心立方和密排六方金屬單晶體的應(yīng)力應(yīng)變曲線 單晶與多晶的應(yīng)力應(yīng)變曲線比較（室溫） （a）Al （b）Cu 第51頁/共69頁 d d d d 或 第52頁/共69頁 單晶體的切應(yīng)力一應(yīng)變曲線，顯示塑性變形的三個階段 第53頁/共69頁 1顯微組織的變化 經(jīng)塑性變形后，金屬材料的顯微組織發(fā)生明顯的改變。除了每個晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量的滑移帶或?qū)\晶帶外，隨

18、著變形度的增加，原來的等軸晶粒將逐漸沿其變形方向伸長。當(dāng)變形量很大時，晶粒變得模糊不清，晶粒已難以分辨而呈現(xiàn)出一片如纖維狀的條紋，稱為纖維組織。纖維的分布方向即是材料流變伸展的方向。 2亞結(jié)構(gòu)的變化 晶體的塑性變形是借助位錯在應(yīng)力作用下運動和不斷增殖。隨著變形度的增大，晶體中的位錯密度迅速提高，經(jīng)嚴(yán)重冷變形后，位錯密度可從原先退火態(tài)的106107cm-2增至10111012cm-2。 經(jīng)一定量的塑性變形后，晶體中的位錯線通過運動與交互作用，開始呈現(xiàn)紛亂的不均勻分布，并形成位錯纏結(jié)。進一步增加變形度時，大量位錯發(fā)生聚集，并由纏結(jié)的位錯組成胞狀亞結(jié)構(gòu)。此時，變形晶粒是由許多這種胞狀亞結(jié)構(gòu)組成，各胞之間存在微小的位向差。隨著變形度的增大，變形胞的數(shù)量增多、尺寸減小。如果經(jīng)強烈