《材料科学基础》课件之第八章---08材料变形与断裂

第八章 材料变形与回复再结晶8.1 金属变形与断裂概述8.2 滑移与孪晶8.3 单晶体塑性变形8.4 多晶体塑性变形8.5 纯金属变形强化8.6 合金变形强化8.7 冷变形金属组织8.8 回复和再结晶8.9 金属热变形8.10 陶瓷和高分子材料变形18.1 金属变形与断裂概述力学性能是材料在外力作用下表现出的变形和断裂性能。材料在生产制造和实际使用过程中都会涉及这一问题。强度、硬度、塑性、冲击韧度、断裂韧性、耐磨性、粘弹性等等强度 ：材料抵抗因外力作用变形和断裂的能力静载强度 变载强度 高温强度2v静载强度bse31）弹性极限和刚度弹性极限（ e ） ： 外力作用下，材料不产生永久变形所能承受的最大应力值。刚度 ：材料在受力时抵抗弹性变形的能力（以弹性模量 E衡量 =E ）。 e e影响 E的主要因素 ：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力学指标。42） 屈服强度 ( s、 0.2):使材料开始塑性变形的最小应力值。3） 强度极限 ( b):材料受力产生最大均匀塑性变形时所能承受的最大应力值。屈强比 （ s/ b）： 屈强比高，材料强度利用 率高。屈强比低，材料使用可靠性高。 b se5v变载强度：疲劳强度（ -1） ：材料在交变应力反复作用下而不发生断裂的最应大力值。v高温强度：蠕变极限 ：在给定温度和时间内使材料产生一定变形的应力值。持久强度 ：在给定温度和时间内使材料产生断裂的应力值。循环次数 N应力 -1钢铁有色金属6塑性 ：材料在受力断裂前产生塑性变形的能力。 延伸率： = （ L-L0） /L0100% 断面收缩率： = （ A0-A） /A0100%LL0A0A非均匀塑性变形部分均匀塑性变形部分7硬度 ： 材料抵抗局部塑性变形的能力。硬度测试法：（ 1） 布氏硬度（ HB） ：特点：使用淬火钢球压头，测算压痕表面积，测量结果较准确，但压痕较大，不能测高硬度材料。测量原理布氏硬度计 适用于 未经淬火的 钢、铸铁 、 有色金属或质地轻软的轴承合金 。8（ 2） 洛氏硬度（ HRA、 HRB、 HRC） :特点：使用金刚石、淬火钢球压头，测量压痕深度，压痕小，可测高硬度材料。测量原理洛、维氏硬度计 HRB 轻金属，未淬火钢 HRC 较硬，淬硬钢制品 HRA 硬、薄试件 9（ 3）维氏硬度 （ HV）：特点：使用金刚石压头，测量载荷小，压痕浅，可测软、硬材料和薄片材料。 10冲击韧度（冲击韧性， k=Ak/A0 kJ/m2 ） ：材料受冲击载荷作用断裂时单位断口面积所消耗的冲击功。ak=冲击破坏所消耗的功 Ak/标准试样断口截面积 F (J/cm2）冲击韧性随温度降低而下降。存在冷脆转化温度。TkTk11断裂韧性 (K1c)： 材料抵抗裂纹扩展的能力。应力强度因子 K1=Ya 1/2应力场强度因子 临界值 ，称为材料的断裂韧性，用 KIC表示，它表明了材料有裂纹 存在时 抵抗脆性断裂 的能力。KIC是材料固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身成分、热处理及加工工艺有关 。断裂韧性是强度和韧性的综合体现。12 探测出裂纹形状和尺寸，根据 KIC， 制定零件工作是否安全KIK IC ， 失稳扩展。 已知内部裂纹 2a， 计算承受的最大应力。 已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸 13耐磨性 ：材料抵抗磨损的能力。材料摩擦学特性衡量参数：摩擦系数、磨损量提高耐磨性途径：减摩（用软材料润滑摩擦面）抗磨（使用硬材料抵抗磨损）14粘弹性 ：在外力作用下，材料产生的应变在时间上滞后于应力变化的现象。（ 1） 蠕变 ：产生的变形随时间缓慢增加的现象。原因：主要由高温下金属晶界滑移引起。施加恒定应力时间应变弹性应变随时间增加逐渐增大卸去恒定应力随应力变化的弹性应变15（ 2） 应力松弛 ：材料受力变形产生的应力随时 间逐渐衰减的现象。原因：材料在应力长期作用下发生缓慢塑性变形。时间应力 保持应变恒定16（ 3）弹性滞后与内耗 弹性滞后 :在弹性变形范围内，材料加载和卸载曲线不重合的现象。（对相同应力，卸载时的应变大于加载时） 内耗： 材料变形时消耗外力做功使之转化为热能的现象。原因：材料内部由于分子摩擦、原子扩散、位错运动等不可逆过程消耗能量。应变应力加载卸载178.2 滑移与孪晶大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面和晶向作相对的移动，即晶体塑性变形的 滑移机制。滑移过程， 晶体位向不发生变化 ，滑移晶面上下两部分的原子相对平移一个原子间距或若干个原子间距。18滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移，滑移带的发展过程， 首先是出现细滑移线，后来才发展成带 ，而且，滑移线的数目随应变程度的增大而增多，它们之间的距离则在缩短。滑移线和滑移带19滑移系：n 晶 体的滑移发生在一定的晶面和晶向，发生滑移的晶面和晶向称为 滑移面 和 滑移方向 。n 一个确定的滑移面与位于该滑移面上的一个滑移方向构成一个 滑移系 。n 滑移面和滑移方向通常是晶体中的 密排面和密排方向 .n 一个晶体的滑移系数目是晶体有效密排面数与每个面上的密排方向数目的乘积。n 晶体的滑移系愈多，滑移过程可能选择的空间取向就愈多，晶体的塑性就愈好。20FCC：n 滑移面： 111，共有四个有效滑移面n 滑移方向： 110，每个滑移面上有三个滑移方向n 滑移系数目： 4*3=12个BCCn 滑移面： 110、 112、 123等晶面上。通常在低温下为 112， 中温时为 110， 高温下为 123n 滑移方向总是 111晶向。n 总的滑移系数目： 6*2+12*1+24+1=48个 一般滑移系多塑性会好，但是还与杂质、加工硬化等有关，bcc的滑移方向少， 48个滑移系不能同时运动，且滑移面密排程度低，因此 fcc塑性更好。21HCP：n 滑移面与轴比 c/a有关。n 当 c/a大于或近似等于 1.633时，滑移面为 (0001)晶面，滑移系为 3个。n 当 c/a小于 1.633时，滑移面变为柱面（ 1-100）或棱锥面（ 1-101），滑移系分别为 3个和 6个。但滑移方向都是 。22孪生 是以晶体中一定的晶面（称为孪晶面）沿着一定的晶向（孪生方向）移动而发生的，已滑移部分和未滑移部分镜面对称。在切变区域内，与孪晶面平行的各层晶面的相对位移是一定的。 实质就是一个肖克莱不全位错的移动2324l孪晶对整个变形量的总体贡献不大，而且临界切应力很大。但是对 hcp结构很重要。l形成的孪晶改变了晶体的位向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献l体心立方金属滑移系多，但在一定特殊条件下也可发生孪晶。（纯铁 -196 或室温冲击或爆炸成型 ）l面心立方一般不会发生孪晶，但对于加工硬化或超低温的金属也有可能。bcc 112fcc 111hcp 1， 0， -1， 2 25268.3 单晶体塑性变形多个滑移系不是同时运动，而是分切应力最大的最先运动。滑移面法向和外力夹角滑移方向和外力夹角滑移面分力：滑移面面积：27Schmid取向因子 ： 对于某特定晶体， 临界切应力一定，屈服强度不同是由于取向因子不同造成的。m增 大，软取向，容易屈服m减小，硬取向，不易屈服当滑移面垂直或平行于拉伸轴时， m=0， 不滑移。28晶体的转动 ： 拉伸时，在产生滑移的过程中，晶体的位向