材料科学基础(上海交大)_第5章_ppt课件

材料与化学化工学院材料与化学化工学院第 5章 材料的形变和再结晶5.0 概述5.1 弹 性和粘 弹 性5.2 晶体的塑性 变 形5.3 回复和再 结 晶5.4 热变 形与 动态 回复、再 结 晶5.5 陶瓷材料 变 形的特点5.6 高聚物的 变 形特点重点与难点 弹 性 变 形的特点和虎克定律； 弹 性的不完整性和粘 弹 性； 比 较 塑性 变 形两种基本形式：滑移与 孪 生的异同点； 滑移的 临 界分切 应 力； 滑移的位 错 机制； 多晶体塑性 变 形的特点； 细 晶 强 化与 Hall-Petch公式； 屈服现象与应变时效； 弥散强化； 加工硬化； 形变织构与残余应力； 回复动力学与回复机制； 再结晶形核机制； 再结晶动力学； 再结晶温度及其影响因素； 影响再结晶晶粒大小的因素； 晶粒的正常长大及其影响因素； 一次与二次再结晶以及静态再结晶的区别； 无机非金属材料塑性变形的特点； 高聚物塑性变形的特点。图 5.1 低碳 钢 在 单 向拉伸 时 的 应 力一 应变 曲 线5.1 弹 性和粘 弹 性弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形，可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。 5.1.1 弹 性 变 形的本 质原子处于平衡位置时，其原子间距为 r0，位能 U处于最低位置，相互作用力为零，这是最稳定的状态。当原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力 (图5.2)。这样，外力去除后，原子都会恢复其原来的平衡位置，所产生的变形便完全消失，这就是弹性变形。 图 5.2(a)体系能量与原子间距的关系 (b)原子间作用力和距离的关系5.1.2 弹 性 变 形的特征和 弹 性模量弹性变形的主要特征是： (1) 理想的 弹 性 变 形是可逆 变 形，加 载时变 形，卸 载时变 形消失并恢复原状。 (2) 金属、陶瓷和部分高分子材料不 论是加 载 或卸 载时 ，只要在 弹 性 变 形范 围 内，其 应 力与 应变 之 间 都保持 单值线 性函数关系，即服从虎克（ Hooke）定律： 式中， s， t 分 别为 正 应 力和切 应 力； e， g分 别为 正 应变 和切 应变 ； E， G分 别为弹 性模量（ 杨 氏模量）和切 变 模量。 在正应力下 , s = Ee ； 在切应力下 , t =Gg ； 弹性模量与切变弹性模量之间的关系为： 式中， v为 材料泊松比，表示 侧 向收 缩 能力。一般金属材料的泊松比在 0.250.35之 间 ，高分子材料 则 相 对较 大些。 弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。金刚石一类的共价键晶体由于其原子间结合力很大，故其弹性模量很高；金属和离子晶体的则相对较低；而分子键的固体如塑料、橡胶等的键合力更弱，故其弹性模量更低，通常比金属材料的低几个数量级。 (3) 弹 性 变 形量随材料的不同而异 多数金属材料 仅 在低于比例极限 sp的 应 力范 围 内符合虎克定律， 弹 性 变 形量一般不超过 0.5% ；而橡胶 类 高分子材料的高 弹 形 变 量则 可高达 1000% ，但 这 种 变 形是非 线 性的。 5.1.3 弹 性的不完整性 多数工程上应用的材料为多晶体甚至为非晶态或者是两者皆有的物质，其内部存在各种类型的缺陷，弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象，称之为弹性的不完整性。 弹性不完整性的现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。 1包申格效 应 材料 经预 先加 载产 生少量塑性 变 形（小于4），而后同向加 载则 se升高，反向加 载则 se下降。此 现 象称之 为 包申格效 应 。它是多晶体金属材料的普遍 现 象。 2 弹 性后效 一些实际晶体，在加载或卸载时，应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程来完成其变化的（ 图 5.3）。这种在弹性极限 se范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性。 图 5.3 恒 应 力下的 应 力 驰 豫弹性滞后表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称之为内耗，其大小即用弹性滞后环面积度量。3. 弹 性滞后由于应变落后于应力，在 se 曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称之为弹性滞后。 5.1.4 粘 弹 性 变形形式除了弹性变形、塑性变形外还有一种粘性流动。所谓粘性流动是指非晶态固体和液体在很小外力作用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外力去除后，形变不能回复。 纯粘性流动服从牛顿粘性流动定律：式中 为应 力； 为应变 速率； 称 为粘度系数，反映了流体的内摩擦力，即流体流 动 的 难 易程度，其 单 位 为 Pas。 一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，这就是粘弹性现象。 粘弹性变形的特点是应变落后于应力。当加上周期应力时，应力 应变曲线就成一回线，所包含的面积即为应力循环一周所损耗的能量，即内耗。 5.2 晶体的塑性 变 形应力超过弹性极限，材料发生塑性变形，即产生不可逆的永久变形。5.2.1 单 晶体的塑性 变 形 在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行的，此外，尚有孪生和扭折等方式。 1滑移 a滑移 线 与滑移 带 当 应 力超 过 晶体的 弹性极限后，晶体中就会 产 生 层 片之 间 的相 对滑移，大量的 层 片 间 滑 动 的累 积 就构成晶体的宏 观 塑性 变 形，金属 单 晶体拉伸如 图 5.4。 对滑移线的观察也表明了晶体塑性变形的不均匀性，滑移只是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已（ 图 5.5）。 图 5.4 金属单晶体拉伸后的实物照片图 5.5 滑移带形成示意图塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为 “滑移面 ”和 “滑移方向 ”。晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同。 通常，滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。 这 是因 为原子密度最大的晶面其面 间 距最大，点 阵 阻力最小，因而容易沿着 这 些面 发 生滑移；至于滑移方向 为 原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子 间 距最短，即位 错 b最小。 b滑移系 在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向便愈多，滑移容易进行，它的塑性便愈好。据此， 面心立方晶体的滑移系共有 11143=12个； 体心立方晶体可同 时 沿 110112123晶面滑移； 密排六方晶体的滑移系 仅 有 (0001)1 3=3个。由于滑移系数目太少， hcp多晶体的塑性不如 fcc或 bcc的好 。 面心立方，体心立方和密排六方精 选实 例的滑移面和滑移方向 见 下 表 5.1：c滑移的临界分切应力 晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。 滑移的临界分切应力是一个真实反映单晶体受力起始屈服的物理量。其数值与晶体的类型、纯度，以及温度等因素有关，还与该晶体的加工和处理状态、变形速度，以及滑移系类型等因素有关，常见金属发生滑移的切应力见 表 5.2。 例 5.1 设 为 滑移面法