《晶體的塑性變形》課件

晶體的塑性變形晶體材料在受到外力作用時(shí)發(fā)生的永久性變形，其本質(zhì)是晶體內(nèi)部原子排列發(fā)生變化。課程導(dǎo)入引言晶體材料廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。了解晶體塑性變形機(jī)理至關(guān)重要。課程目標(biāo)本課程旨在介紹晶體塑性變形的基本概念和理論，并分析其影響因素和控制方法。晶體塑性變形的概念定義晶體塑性變形是指晶體在外部力的作用下，發(fā)生永久性形變的現(xiàn)象。特點(diǎn)塑性變形是不可逆的，即卸載后，晶體不會(huì)恢復(fù)到原始狀態(tài)。機(jī)制晶體塑性變形通常是通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。晶體塑性變形的重要性材料性能晶體塑性變形直接影響材料的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、韌性、延展性等。加工工藝塑性變形是金屬加工的重要手段，例如冷軋、拉伸、彎曲等工藝。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了解晶體塑性變形規(guī)律，可以更合理地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，防止材料在使用過(guò)程中發(fā)生失效。晶體塑性變形的特點(diǎn)晶體塑性變形是一種不可逆的變形，即材料在去除外力后不會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形狀。這是由于晶體內(nèi)部的原子排列發(fā)生了永久性改變。塑性變形主要通過(guò)晶體內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，位錯(cuò)是晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷，它的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致晶體的變形。塑性變形過(guò)程中，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)出非線(xiàn)性特征，并且存在屈服強(qiáng)度和強(qiáng)化現(xiàn)象。晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、位錯(cuò)密度等因素都會(huì)影響材料的塑性變形行為。位錯(cuò)的概念晶體缺陷晶體中的一種線(xiàn)缺陷，會(huì)影響材料的性能。原子排列晶體中原子排列的局部缺陷，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)。材料塑性變形位錯(cuò)是材料發(fā)生塑性變形的主要原因，在晶體材料中滑移過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。種類(lèi)繁多位錯(cuò)有很多種類(lèi)型，常見(jiàn)的有刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)。位錯(cuò)的分類(lèi)刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)的柏氏矢量平行于位錯(cuò)線(xiàn)，可看作是晶體中插入一個(gè)額外的半原子平面所產(chǎn)生的缺陷。螺旋位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)的柏氏矢量垂直于位錯(cuò)線(xiàn)，可看作是晶體中一個(gè)原子平面錯(cuò)位所產(chǎn)生的缺陷?；旌衔诲e(cuò)混合位錯(cuò)既包含刃型位錯(cuò)的特征，也包含螺旋位錯(cuò)的特征，其柏氏矢量與位錯(cuò)線(xiàn)呈一定角度。滑移系1滑移面晶體結(jié)構(gòu)中原子排列最密的晶面2滑移方向滑移面內(nèi)原子排列最密的晶向3滑移系滑移面和滑移方向的組合滑移系是塑性變形的基本單位。不同晶體結(jié)構(gòu)擁有不同數(shù)量的滑移系?；葡档臄?shù)量和方向直接影響材料的塑性變形能力?；葡档倪x擇晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)決定了滑移系的數(shù)目和方向。例如，面心立方結(jié)構(gòu)有12個(gè)滑移系，體心立方結(jié)構(gòu)有48個(gè)滑移系。外力方向外力方向決定了滑移系的選擇。外力方向與滑移系方向越接近，滑移系越容易被激活。溫度溫度會(huì)影響位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而影響滑移系的激活。溫度越高，滑移系更容易被激活。應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)也決定了滑移系的激活，例如，單軸拉伸狀態(tài)下，滑移系的選擇主要取決于拉伸方向和晶體結(jié)構(gòu)。上交滑移定義上交滑移是位錯(cuò)在不同滑移面上運(yùn)動(dòng)，并最終匯聚到一個(gè)新的滑移面上的現(xiàn)象。上交滑移通常發(fā)生在位錯(cuò)遇到障礙物后，例如晶界或其他位錯(cuò)。過(guò)程當(dāng)位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)遇到障礙物，例如晶界或其他位錯(cuò)。位錯(cuò)會(huì)嘗試在障礙物周?chē)\(yùn)動(dòng)，通過(guò)爬升或交叉滑移。孿晶變形1晶體結(jié)構(gòu)孿晶變形發(fā)生在金屬材料內(nèi)部。原子以鏡像對(duì)稱(chēng)的方式重新排列，形成新的晶體結(jié)構(gòu)。2晶體方向?qū)\晶界是兩種晶體結(jié)構(gòu)之間的界面。晶體方向發(fā)生改變，產(chǎn)生新的晶體方向。3形變機(jī)制孿晶變形是一種重要的塑性變形機(jī)制，主要發(fā)生在低溫或高應(yīng)變率條件下。4影響因素孿晶變形受材料性質(zhì)、溫度、應(yīng)變速率等因素影響。交叉滑移位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)，改變方向。晶體結(jié)構(gòu)交叉滑移改變位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)路徑，降低晶體內(nèi)部應(yīng)力。塑性變形交叉滑移是塑性變形的重要機(jī)制，影響材料強(qiáng)度和韌性。位錯(cuò)堆積位錯(cuò)堆積當(dāng)多個(gè)位錯(cuò)在同一滑移面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們會(huì)相互排斥并堆積在一起。堆積位錯(cuò)堆積的位錯(cuò)形成一個(gè)新的位錯(cuò)，稱(chēng)為堆積位錯(cuò)。影響塑性變形位錯(cuò)堆積會(huì)影響材料的塑性變形行為，例如提高屈服強(qiáng)度和硬度。疏位錯(cuò)與密位錯(cuò)疏位錯(cuò)疏位錯(cuò)是晶體結(jié)構(gòu)中缺少一個(gè)原子或多個(gè)原子，形成一個(gè)空位。疏位錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度下降，但也能提高材料的延展性。密位錯(cuò)密位錯(cuò)是晶體結(jié)構(gòu)中多了一個(gè)原子或多個(gè)原子，形成一個(gè)間隙原子。密位錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度提高，但也能降低材料的延展性。晶界與晶界移動(dòng)1晶界晶界是指相鄰晶粒之間的界面，是晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的區(qū)域。2晶界移動(dòng)晶界移動(dòng)是指晶界在應(yīng)力或溫度作用下發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象。3影響因素晶界移動(dòng)受晶體結(jié)構(gòu)、溫度、應(yīng)力、雜質(zhì)等因素影響。4重要性晶界移動(dòng)對(duì)材料的力學(xué)性能、熱力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)有重要影響。應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系材料恢復(fù)原狀屈服階段應(yīng)力保持恒定材料發(fā)生永久變形強(qiáng)化階段應(yīng)力不斷增加材料硬度增強(qiáng)頸縮階段應(yīng)力下降材料斷裂加工硬化晶體結(jié)構(gòu)變化加工硬化使金屬發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生位錯(cuò)。強(qiáng)度提升位錯(cuò)相互作用，阻礙進(jìn)一步變形，提高金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。延展性降低加工硬化降低金屬的延展性，使其更脆，易碎裂。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒生長(zhǎng)新晶粒生長(zhǎng)并取代原始晶粒。材料性能提高材料強(qiáng)度和韌性。熱力學(xué)高能態(tài)的變形晶粒向低能態(tài)的再結(jié)晶晶粒轉(zhuǎn)變。動(dòng)態(tài)回復(fù)能量降低動(dòng)態(tài)回復(fù)是金屬材料在塑性變形過(guò)程中，由于熱能的作用，位錯(cuò)密度降低。晶體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)回復(fù)改變了金屬的晶體結(jié)構(gòu)，改變了材料的性質(zhì)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程中，位錯(cuò)可以重新排列，降低位錯(cuò)密度，提高材料的強(qiáng)度和延展性。恢復(fù)過(guò)程晶體塑性變形后，在一定溫度下會(huì)發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致性能恢復(fù)的過(guò)程。恢復(fù)過(guò)程與再結(jié)晶過(guò)程相互競(jìng)爭(zhēng)，影響材料的最終性能。1應(yīng)力釋放位錯(cuò)相互作用力減弱2位錯(cuò)重排位錯(cuò)排列更穩(wěn)定3晶粒尺寸變化細(xì)晶粒尺寸增大恢復(fù)過(guò)程通常發(fā)生在再結(jié)晶溫度以下，可以提高材料的強(qiáng)度和延展性，有利于改善材料的性能。再結(jié)晶過(guò)程1成核在冷加工后的金屬中，高能量的晶界、位錯(cuò)等缺陷會(huì)形成新的晶核。2長(zhǎng)大新的晶核會(huì)吸收周?chē)男【Я＃饾u長(zhǎng)大，最終形成新的晶粒。3長(zhǎng)大新的晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大，直到它們彼此接觸，最終形成新的晶粒結(jié)構(gòu)。靜態(tài)再結(jié)晶定義靜態(tài)再結(jié)晶是指在恒定溫度下，金屬材料經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，在應(yīng)力作用下發(fā)生的一種新的晶粒生長(zhǎng)過(guò)程。該過(guò)程通常發(fā)生在冷變形后的金屬材料中，使材料恢復(fù)塑性變形前的狀態(tài)。過(guò)程靜態(tài)再結(jié)晶過(guò)程涉及三個(gè)階段：形核、長(zhǎng)大、晶粒長(zhǎng)大。在形核階段，新的晶粒從變形晶粒內(nèi)部或晶界處開(kāi)始形成。在長(zhǎng)大階段，新的晶粒不斷長(zhǎng)大，最終形成新的晶粒結(jié)構(gòu)。應(yīng)用靜態(tài)再結(jié)晶在金屬材料加工中具有重要的應(yīng)用，例如：提高材料的塑性、韌性、抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕性等。同時(shí)，通過(guò)控制靜態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)材料的微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高其性能。細(xì)化過(guò)程晶粒尺寸細(xì)化過(guò)程旨在減少晶粒尺寸。晶粒尺寸的減小通常會(huì)提高材料的強(qiáng)度、硬度和韌性。晶粒形貌細(xì)化過(guò)程會(huì)改變晶粒的形貌，使其更加均勻分布，減少晶粒之間的差異。晶界數(shù)量晶粒尺寸的減小會(huì)導(dǎo)致晶界數(shù)量的增加，從而提高材料的強(qiáng)度和抗蠕變性能。再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度是影響金屬材料再結(jié)晶過(guò)程的關(guān)鍵因素。一般來(lái)說(shuō)，再結(jié)晶溫度越高，再結(jié)晶速度越快，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，影響材料的強(qiáng)度和韌性。因此，需要根據(jù)材料的具體情況，選擇合適的再結(jié)晶溫度，以達(dá)到最佳的性能。細(xì)晶粒的穩(wěn)定性11.阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加材料強(qiáng)度。22.抑制晶粒長(zhǎng)大細(xì)晶粒材料不易長(zhǎng)大，保持高強(qiáng)度。33.增強(qiáng)抗蠕變性能細(xì)晶粒材料抵抗高溫蠕變的能力更強(qiáng)。44.提高斷裂韌性細(xì)晶粒材料不易開(kāi)裂，具有更好的韌性。影響再結(jié)晶的因素溫度再結(jié)晶溫度是影響再結(jié)晶的重要因素之一，溫度越高，再結(jié)晶速度越快。形變程度形變程度越大，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大，再結(jié)晶速度越快。時(shí)間再結(jié)晶是一個(gè)時(shí)間依賴(lài)的過(guò)程，時(shí)間越長(zhǎng)，再結(jié)晶程度越高。晶粒大小晶粒尺寸對(duì)再結(jié)晶過(guò)程的影響很大，晶粒尺寸越小，再結(jié)晶速度越快。塑性變形的控制微觀結(jié)構(gòu)控制通過(guò)改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如晶粒尺寸、相分布等，可以有效地控制塑性變形行為。加工工藝控制塑性變形過(guò)程中的加工參數(shù)，例如溫度、應(yīng)變速率、加工方向等，對(duì)塑性變形行為有顯著影響。熱處理控制熱處理可以改變材料的相變過(guò)程，從而影響材料的強(qiáng)度、韌性和塑性等機(jī)械性能。結(jié)構(gòu)演化與性能優(yōu)化晶粒尺寸晶粒尺寸控制是影響金屬材料性能的關(guān)鍵因素。細(xì)化晶?？梢蕴岣卟牧系膹?qiáng)度、硬度、耐磨性、抗腐蝕性等性能。位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度也是影響材料性能的重要因素，增加位錯(cuò)密度可以提高材料的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)會(huì)降低材料的塑性和韌性。實(shí)例分析金屬材料的塑性變形