材料科学基础第六章1_ppt课件

第六章 塑性变形 机械零件在加工或使用时都会发生变形，材料对变形的承受能力直接关系到零件的使用寿命。 本章 主要讨论金属材料的变形方式和塑性变形机制 ，简单介绍陶瓷和高分子材料的变形特点。 6.1 金属的应力 -应变曲线 6.1.1 工程应力 -应变曲线 (以低碳钢为例 ) 1 当应力低于 e时，应力与应变成正比：=E E称为 弹性模量弹性模量 ， 表示材料的刚性。 此应力范围内撤 去应力则变形完 全消失，称为弹 性变形。 e称为 弹性极限弹性极限 (elastic limit) 。 2 应力超过 e时发生塑性变形，应力去除后变形部分恢复。 开始发生塑性变形的最小应力叫 屈服极限屈服极限 (surrender limit) s。对于无明显屈服极限的材料， 规定 以 产生0.2%残余变形的应力作为屈服极限，以 0.2表示 。 3 外力超过 s(0.2)后，材料发生明显而均匀的塑性变形，要增大应变必须提高应力。这种 随变形增大，变形抗力也增大的现象叫 加工硬化加工硬化 (strain hardening)或 应变硬化应变硬化 。 应力达到 b后，材料均匀变形结束， b叫材料的抗拉强度抗拉强度 (tensile strength )，是材料极限承载能力的标志。 4 应力达到 b时，材料开始发生 不均匀变形 ，形成 颈缩颈缩 。应力随之迅速下降，达到 k时材料短裂。 k叫 条件断裂强度条件断裂强度 (rupture strength ) 。 断裂后 的试样 残余变形量 l=(lk-l0)与原始长度 l0的百分比 称为 延伸率延伸率 (percentage of elongtation ) ： =(lk-l0)/l0100% (6-1) 试样的 原始截面积 F0和 断裂时 的截面积 Fk之差与 F0的百分比 称为 断面收缩率断面收缩率(percentage of area reduction )：=(F0-Fk)/F0100% (6-2) 和 都是材料的塑性指标，表示金属的塑性变形能力。 图 6-2为真应力 -真应变曲线。 与工程应力 -应变曲线的区别是：试样产生颈缩以后， 尽管外加载荷已经下降，但真应力仍在升高 (截面收缩速率大于载荷下降速率 )，直到 Sk，试样断裂。 Sk称材料的 断裂强度断裂强度 ( rupture strength)。 一般把 均匀塑性变形阶段的真应力 -真应变曲线称为 流变曲线流变曲线 (flow curve)，其关系为： S=ken (6-6) n称为 形变强化指数 。 密排六方的 n较小，体心立方，特别是面心立方的 n较大 。 6.2 单晶体的塑性变形 材料通常是多晶体，多晶体变形与每个晶粒的变形密切相关。 单晶体常温塑性变形的主要方式有滑移和孪生两种 。 6.2.1 滑移 6.2.1.1 滑移现象：将 一块单晶体进行一定 的塑性变形后，原来 抛光的表面会出显许 多平行的线条。 这些平行线条称为 滑移带滑移带 。 每一条滑移带都是由许多聚集在一起的相互平行的滑移线组成 ，每一条滑移线都对应一个小台阶。台 阶间距大约 为几十纳米， 高度约为几 百纳米。 X射线衍射分析发现： 1 变形晶体的结构类型并未改变，滑移线两侧的晶向也没变。即 晶体的滑移是晶面间的平移滑动 ，滑动结果在表面留下滑移台阶。 2 滑移的分布不均匀 ，只集中于某些晶面，而 相邻两条滑移线之间的晶体没有滑移 。 *由于四轴晶系中 ai组合的不独立性，任意两个 a基矢的合成矢量都是剩余基矢的负数，如 : a2+a3=-a1, 如果要用晶向指数表示 a1方向 ,就必须选择 a1的模长使其合成矢量不为 0 (通常选 1), 于是有 : a1: 2110; 其余类推。 结论： 1 滑移面总是晶体的密排面，滑移方向也总是晶体的密排方向 。这是因为密排面之间的面间距大，滑移阻力 (派纳力派纳力 )小；密排方向原子密度大，移动距离短。 2 每一种晶格类型都具有特定的滑移系 。面心立方金属为 12个： 111；密排六方金属有 3个： (0001)；体心立方没有明显密排面，可能的滑移系 48个：110,112,123. *派纳力派纳力 ： Peierls-Nabarro力，位错滑移临界切应力。 P=2G/(1-)exp-2a/(1-)b 式中： b为柏氏矢量； G为切变模量； 为泊松比； a为滑移面间距。 从此式可以看出： 面间距 a越大派纳力越小；柏氏矢量 b越小派纳力越小。 滑移系在一定程度上决定了金属塑性的好坏 。如面心立方和体心立方金属的塑性好于密排六方金属。但 在相同条件下，金属塑性好坏还取决于滑移面原子密排程度及滑移方向的数目等因素 。如 -Fe有 48个滑移系，但滑移方向只有两个 (不区别正反 )，比面心立方 (3个 )少，而且滑移面的密排程度也较低，所以其塑性要比铝，铜等面心立方金属差。 6.2.1.3 临界分切应力：滑移在切应力作用下发生。 晶体中某滑移系是否滑动，取决于该方向上的分切应力是否达到临界值 。 有一截面积为 A的圆柱形单晶，受轴向拉力 P的作用。拉伸轴与滑移面法向 ON的 夹角为 ，与滑移方向 OT的 夹角为 。则 P在滑移方向的 分力为 Pcos，而滑移面的 面积为 A/cos， P在滑移方 向的分切应力： =(Pcos)/(A/cos) =Pcoscos/A=0coscos。 当外力 P一定时，作用在滑移系上的分切应力与晶体受力的位向有关。 当 0=s(屈服极限 )时，晶体开始滑移，此时滑移方向的分切应力称为 临界分切应力临界分切应力 k ： k=scoscos 令： m=coscos，则： k=sm 或： s=k/m (6-7) m称为取向因子或 斯密特斯密特 (Schmid)因子因子 。m越大，分切应力越大，越有利于滑移。 当滑移面法线、滑移方向和外力轴处于同一平面且 =45时， m=coscos(90-)=sin2/2=0.5。 此时 m值最大， s最小，最有利于滑移，称为 软取向软取向 ；外力与滑移面平行 (=90)或垂直 (=0)时 ,s，晶体不能滑移，此种取向称为 硬取向硬取向 。 m对屈服应力 s的影响在只有一组滑移面的密排六方晶体中尤为明显。 临界分切应力主要由材料自身晶体结构决定， 与外加作用无关 。对多晶材料而言，组织参数的作用非常敏感，纯度、温度、变形速度和加工及热处理状态都会产生极大影响。 6.2.1.4 滑移时晶体的转动：晶体被 拉伸而产生滑移时，由于 拉力共线 的影响，晶面位向会发生改变 , 结果使滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉力轴线 ；而 压缩时，晶面改变的 结果使滑 移面逐渐 趋于与压 力轴线垂 直 。 滑移面和滑移方向的改变必然导致斯密特因子 m的改变。 因滑移而使 m减小，导致滑移困难的现象叫几何硬化几何硬化 ； 因滑移而使 m增大，导致滑移容易的现象叫几何软化几何软化 。 6.2.1.5 多滑移和交滑移：在具有多组滑移系的晶体中，若 只有一组滑移系取向有利，该方向的分切应力达到临界分切应力时，便发生单系滑移，称为 单滑移单滑移 。 若 几组滑移系分切应力同时达到临界值，或者由于晶面改变使其他滑移系的分切应力也达到临界值，则滑移将在多组滑移系上同时或交替进行，称为 多滑移多滑移 。此时会在晶体表面出现几组交叉的滑移带。 面心立方金属的滑移系为 111， 4个 111面构成一个八面体。当拉力轴为 001时， (1) 对所有 111面，cos=02+02+12/(12+12+1202+02+12)=1/3 =54.7， (2) 角对 101， 101 011， 011也