材料的塑性变形教学课件PPT.ppt

1,6 材料的塑性变形,第一节 金属的应力-应变曲线,第二节 单晶体的塑性变形,第三节 多晶体的塑性变形,第四节 合金的塑性变形,第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响,2,纳米铜的室温超塑性,6 材料的塑性变形,材料的力学性能实质上是根据材料在外力作用下所表现的变形行为来评定的。,强度-抵抗变形和断裂的能力。 塑性-材料断裂前塑性变形的能力。,决定工件的加工性能 又是零件的重要使用性能,6.1 金属的应力应变曲线 6.1.1 工程应力应变曲线,图 工程应力应变示意图,式中： p作用在试样上的载荷； a0试样的原始横截面积； l0试样的原始标距部分长度； l试样变形后标距部分长度。,应力和应变的计算中没有考虑变形后试样截面积与长度的变化，故工程应力应变曲线与载荷变形曲线的形状是一致的。,4,6.1.1 工程应力应变曲线,弹性变形塑性变形断裂,6.1.2 真应力真应变曲线,图 真应力应变曲线,为了得出真实的变形特性，应当按真应力和真应变来进行分析。,式中： p作用在试样上的载荷； a试样的实际横截面积。,6,6.2 单晶体的塑性变形,弹性变形与塑性变形 常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。,6.2.1 滑移,(1)滑移现象,光镜观察到许多相互平行线-滑移带（无重现性）。 电境观察到滑移带中还有更细的相互平行线-滑移线。,将抛光的单晶体试样进行适当塑性变形,图 滑移带形成示意图,7,几何要素,6.2.1 滑移 (2) 滑移系,滑移系 = 滑移面 + 滑移方向(滑移面上)。 滑移系的个数 = 滑移面个数每个面上所具有的滑移方向的个数,滑移方向（密排方向）,滑移面 （密排面）,图 面心立方晶体中的滑移系,8,fcc: 111 ，n12个。,2)bcc 低温时多为: 112 ， n12个; 中温时多为: 110 ， n12个; 高温时多为: 123 ， n24个。,3)hcp: 当c/a接近或大于1.633时， 0001 ， n3个 当c/a小于1.633时， 1010 ， n3个 1011 ， n6个,6.2.1 滑移 (2) 滑移系,9,6.2.1 滑移 (3)临界分切应力,设: f-轴向拉伸载荷，a-横截面积， -滑移面法线与中心轴线夹角，-滑移方向与外力f夹角，滑移方向上的分切应力为：,当上式中的分切应力达到临界值时，晶面间的滑移开始，这时f/a应当等于s，即：,s-临界分切应力,或90时，s ；,10,6.2.1 滑移,sscoscos,c取决于金属的本性，不受，的影响；,s的取值,，45时，s最小，晶体易滑移；,取向因子：coscos,软取向：值大；,硬取向：值小。,(3)临界分切应力,1）位向和晶面的变化 拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向; 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。 几何硬化：，远离45，滑移变得困难； 2）取向因子的变化 几何软化；，接近45，滑移变得容易。,11,6.2.1 滑移 (4) 滑移时晶体的转动,12,6.2.1 滑移,1）多（双）滑移 -在多（两）个滑移系上同时或交替进行的滑移。,(5) 多滑移与交滑移,现象：形成两组或多组交叉滑移线。 特点：滑移变形抗力提高。比单滑移困难。,2）交滑移 -晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。,机制： 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程； 螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。,13,6.2.1 滑移,单滑移 -单一方向的滑移带； 多滑移 -相互交叉的滑移带； 交滑移 -波纹状的滑移带。,（6）滑移的表面痕迹,6.2.1 滑移,（7）滑移的位错机制,晶体的滑移是借助于位错在滑移面上的运动来逐步进行的。位错就是已滑移区和未滑移区间的界线。,以刃型位错为例：,螺型位错的运动同样能导致晶体滑移。,6.2.1 滑移,（7）滑移的位错机制,宏观上标志晶体滑移进行的临界分切应力应当与微观上克服位错运动阻力的外力相等。对纯金属而言，位错运动的阻力主要包含以下几方面：,位错运动的阻力首先来自于点阵阻力，派尔斯（peierls）和纳巴罗（nabarro）首先估算了这个力，所以又称为派纳力（p-n力），它相当于简单立方晶体中刃型位错运动所需要的临界分切应力：,式中：d为滑移面的面间距，b为滑移方向上的点阵间距，为泊松比。,除了上述点阵阻力外，位错运动还会受到一些阻力： 与其它位错的交互作用阻力； 位错交割后形成的割阶与扭折； 位错与一些缺陷发生交互作用。,采用上式，我们可以简单推算晶体的切变强度，对于简单立方结构，存在d = b，对金属，取 =0.3，可得p-n3.610-4g，比刚性模型理论计算值（约g/30）小得多，接近临界分切应力实验值。,6.2.2 孪生,晶体塑性变形的另一种常见方式。 指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分发生均匀切变的过程。,体心立方和面心立方晶体，变形温度很低，形变速度极快，以及其它原因使滑移难以进行，都可能出现。,以孪生方式塑变,密排六方结构的晶体，如锌、镁、镉等-滑移系较少。,a. 变形前 b. 滑移 c. 孪生 图 晶体滑移和孪生变形后的结构与外形变化示意图,假设晶体内局部地区(面ah与gn之间)的若干层(111)面间沿112方向产生一个切动距离a/6112的均匀切变，即可得到如图所示情况。,6.2.2 孪生,以面心立方为例， 说明孪生的具体过程：,(a)孪晶面与孪生方向 (b)孪生变形时晶面移动情况 图 面心立方晶体孪生变形示意图,b=a/6112,18,6.2.2 孪生,孪生的晶体学,图 锌晶体中的形变孪晶,孪生方向 a1,a2,a3,孪生面 a1111,a2112,a31012,6.2.2 孪生,孪生变形的特点,6.2.3 晶体的扭折,扭折现象-当受力的晶体处于不能进行滑移或孪生的某种取向时，它可能通过不均匀的局部塑性变形来适应所作用的外力。(图1）,扭折带有时也伴随着孪生而发生。 孪生变形时，在有约束的情况下，在靠近孪晶区域的应变更大(图2a所示)。 为了适应其约束条件，往往形成扭折带以实现过渡，如图2b所示。,图1 晶体的扭折示意图 图2 伴随着孪生的扭折现象,21,6.3 多晶体的塑性变形,多晶的塑性变形抗力都较单晶高，尤其对密排六方的金属更显著。,原因：多晶体一般是由许多不同位向的晶粒所构成的，每个晶粒在变形时要受到晶界和相邻晶粒的约束，变形时，既要克服晶界的阻碍，又要与周围晶粒发生相适应的变形，以保持晶粒间的结合及体积上的连续性。,图 锌的单晶体与多晶体的应力应变曲线,22,6.3 多晶体的塑性变形,（1）晶粒之间变形的传播 位错在晶界塞积 应力集中 相邻晶粒位错源开动 相邻晶粒变形 塑变 （2）晶粒之间变形的协调性 1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。 2）要求：各晶粒之间变形相互协调（独立变形会导致晶体分裂） 3）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）,（3）晶界对变形的阻碍作用 1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。 2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。,6.3 多晶体的塑性变形,对只有两个晶粒的双晶试样拉伸结果表明，室温下拉伸变形后，呈 现竹节状，如图1所示。 晶界处的晶体部分变形较小，而晶内变形量则大得多，整个晶粒的 变形不均匀。 导致晶体产生变形的位错滑移在晶界处受阻，如图2所示。,图1 双晶拉伸,图2 位错塞积,24,6.3 多晶体的塑性变形,3）晶粒大小与性能的关系 （a）晶粒越细，强度越高(细晶强化：霍尔配奇公式) s=0+kd-1/2 （hall-patch） 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。,晶粒越多，变形分散在更多的晶粒内进行，且每个晶粒中塞积的位错少，由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。,（b）晶粒越细，塑韧性提高,细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹扩展曲折，在断裂过程中可吸收较多能量,表现高韧性。,6.4 合金的塑性变形 6.4.1固溶体的塑性变形,1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑 性、韧性下降的现象。,图 铜镍合金相图及其固溶体性能与成分的关系,溶质原子与位错发生弹性交互作用-柯氏气团钉扎,2）强化机制,静电交互作用-电离程度不同的溶质离子与位错区发生短程 的静电交互作用，溶质离子或富集于拉伸区 或富集在压缩区均产生固溶强化。,化学交互作用（suzuki）-成分的偏聚导致位错运动受阻。,（1）固溶强化,26,（2）屈服和应变时效 1）现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。 2）预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后 放置一段时间或200加热后再加载出现屈服,且强度会有所提高。 3）原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。,6.4 合金的塑性变形 6.4.1固溶体的塑性变形,图 低碳钢的屈服现象,在屈服过程中，试样的应力集中处开始塑性变形，这时能在试样表面观察到与拉伸轴成45的应变痕迹，称为吕德斯（lders）带,27,6.4.1固溶体的塑性变形,（3）固溶强化的影响因素 不同溶质原子引起的固溶强化效果是不同的，其影响因素很多，主要有以下几个方面： 溶质原子的浓度-浓度越高，一般其强化效果也越好，但并不 是线性关系，低浓度时显著； 原子尺寸因素-溶质与溶剂原子尺寸相差越大，其强化作用越 好,但通常原子尺寸相差较大时，溶质原子的溶 解度也很低； 溶质原子类型-间隙型溶质原子的强化效果好于置换型，特别 是体心立方晶体中的间隙原子； 相对价因素（电子因素）-溶质原子与基体金属的价电子数相 差越大，固溶强化效果越显著。,6.4.2 多相合金的塑性变形,常按第二相的尺度大小将其分为两大类： 聚合型:第二相尺寸与基体相尺度属同一数量级，如图1所示； 弥散型:第二相尺寸非常细小，并且弥散分布于基体相中，如图2所示。,图1 聚合型合金组织al青铜 图2 弥散型第二相合金组织铁黄铜,塑性变形取决于：,基体相性质 第二相的性质、形状、大小、数量和分布等 在塑性变形中往往起着决定性作用,6.4.2 多相合金的塑性变形,（1）聚合型两相合金的塑性变形,对聚合型两相合金而言，如果两个相都具有塑性，则合金变形阻力决定于两相的体积分数。,m = f11 + f22,上式f1、f2分别为两个相的体积分数，1、2分别为两个相在此应变时的流变应力；1、2分别为两个相在此应力时的应变。,m = f11 + f22,由上两式可见，只有第二相为较强的相时，合金才能强化。,第二相为硬脆相时，合金的性能取决于,相的相对量,硬脆相的形状、尺寸和分布,很大程度取决,30,6.4.2 多相合金的塑性变形,第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）； 两相呈层片状分布（片状珠光体）； 第二相呈颗粒状分布（球状珠光体）。,以碳钢为例，其组织就是以渗碳体（fe3c，硬脆相）分布在铁素体中构成的，渗碳体的存在方式将显著影响碳钢的力学性能。,位错绕过第二相粒子过程示意图,6.4.2 多相合金的塑性变形,（2）弥散分布型合金的塑性变形,沉淀强化（时效强化）：第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处理沉淀析出所引起合金强度提高的现象。,弥散强化：微粒是借粉末冶金方法外加的，所产生的合金强化现象。,1）位错绕过机制（第二相为不可变形颗粒）,位错弯曲至半径r时所需切应力为：,r为颗粒间距一半时，切应力最小：,可见，不可变形颗粒的强化与颗粒间距成反比，颗粒越多、越细，则强化效果越好。 -奥罗万（orowan）机制,位错移动阻力：,粒子周围的位错环对位错的反向作用力,粒子的阻碍作用（弯曲需要额外作功）,2）位错切过机制（第二相为可变形颗粒）,6.4.2 多相合金的塑性变形,（2）弥散分布型合金的塑性变形,图 位错切过颗粒机制,位错切过第二相粒子，产生附加阻力，这种阻力主要来源于：,（1）第二相颗粒切变时，切变平面上产生的原子错配能； （2）颗粒切变后在其表面产生台阶，增加了颗粒与基体之间的新界面； （3）破坏了一部分颗粒与基体之间的原来可能存在的共格或半共格的结合状态； （4）颗粒物质的切变模量如果高于基体，位错切过时将遇到较大阻力； （5）如果颗粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从而导致有序强化； （6）当第二相颗粒与基体之间比容不同时，那么在第二相形成过程中会产生交互 作用，并形成对位错运动的阻力，等等。,6.5 冷变形金属的组织与性能 6.5.1 显微组织的变化,金属材料随着变形量的逐步增加，各晶粒中除了出现大量的滑移带、孪晶带以外，其晶粒形状也会发生变化： 原来的等轴晶粒沿变形方向被拉长，当变形量很大时，晶粒变成纤维状。,（1）晶粒形态的改变,30%压缩率（3000） 50%压缩率（3000） 99%压缩率（3000）,图 铜经不同程度冷轧后的光学显微组织,6.5 冷变形金属的组织与性能 6.5.1 显微组织的变化,（2）亚结构的变化,当形变量较小时，形成位错缠结结构； 当变形量继续增加时，大量位错发生聚集，形成胞状亚结构，胞壁由位 错构成，胞内位错密度较低，相邻胞间存在微小取向差。,位错胞 变形量 位错缠结 位错胞 （大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。）,在塑性变形中，晶粒内部各区域开动的滑移系，旋转的方向以及变形程度不同，晶粒被分割成许多位向不同的小晶块-形变亚结构或胞状亚结构。,2）类型,35,1）变形织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。,6.5 冷变形金属的组织与性能 6.5.2 变形织构,板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于 主变形方向。（轧制时形成）,丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）,丝织构,板织构,形变织构的出现会使得材料呈现一定程度的各向异性，这对材料的加工和使用都会带来一定的影响。 如加工过程中的“制耳”现象就是我们所不希望出现的；而变压器用硅钢片的(100)001织构由于其处于最易磁化方向，则是我们所希望的。,6.5 冷变形金属的组织与性能 6.5.3 残留应力和点阵畸变,第一类内应力，又称宏观残余应力，由于在塑性变形时，工件各部分之间的变形不均匀性所产生。 一般是不利的，应予以防止或消除。 第二类内应力，又称微观残余应力，由于在塑性变形时，各晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性而产生的。 该应力的存在有时造成显微裂纹并进而导致工件开裂。 第三类内应力，又称点阵畸变，作用范围点阵尺度，由于在塑性变形时，位错、空位等晶体缺陷大大增加，使点阵中的部分原子偏离了平衡位置所造成的。 点阵畸变提高了变形金属的能量，使之处于热力学不稳定状态，具有转向稳定状态趋势，是“回复和再结晶”的驱动力。,对金属进行塑性变形做的功，大部分以热量的形式散发，只有不到10%被保留在金属内部，即塑性变形的储存能。在材料中以残余应力的方式表现出来。,（1）残余应力分为三类：,6.5 冷变形金属的组织与性能 6.5.3 残留应力和点阵畸变,利：预应力处理，如汽车板簧的生产。 1） 利弊 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。 2） 消除：去应力退火。,（2）残余应力消除（残余应力约占变形功的10）,6.5 冷变形金属的组织与性能 6.5.4 塑性变形对性能的影响,(1) 应变硬化（加工硬化）,加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。-金属材料的一项重要特性,图 冷轧对铜及钢性能的影响,6.5 冷变形金属的组织与性能 6.5.4 塑性变形对性能的影响,金属的加工硬化特性可以从其应力应变曲线上反映出来。图中是单晶体的应力应变曲线，图中该曲线的斜率：,图 单晶体应力应变曲线上的三个阶段,-硬化率（系数）,根据变化，可将塑性变形分为三个阶段：,第i阶段（易滑移阶段）：当c 时，开始进入变形的初始阶段，此时加工硬化速率很小；一般为10-4g左右。-通常只进行单滑移。 第ii阶段（线性硬化阶段）：应力与应变呈线性变化；硬化系数急剧增大，约为310-2g，接近常数。-晶体进行多滑移，各系相互交割，应力急剧增大。 第iii阶段（抛物线硬化阶段）：加工硬化速率随应变的增加而不断下降，应力与应变呈抛物线变化。-通过交滑移克服了第二阶段形成的滑移障碍，使得变形易于进行，应力增长缓慢。,6.5 冷变形金属的组织与性能 6.5.4 塑性变形对性能的影响,由图可见： 面心立方晶体显示了典型的应力应变曲线持征； 密排六方晶体由于只沿一组相平行的滑移面作单系滑移，位错的交截作用很弱，故第1阶段很长，以至第ii阶段还未充分发展时试样就断裂了。 体心立方纯金属铌的应力应变曲线类似于面心立方纯金属铜的曲线。,各种晶体由于其结构类型、取向、杂质含量以及试验温度等因素的影响，实际曲线有所改变。,图 三种常见结构单晶体的应力应变曲线,41,强化金属的重要途径； 利 提高材料使用安全性； （2）利弊 材料加工成型的保证。 弊 变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高。,6.5 冷变形金属的组织与性能 6.5.4 塑性变形对性能的影响,（3）其它物理、化学性能的变化,导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。,6.6 聚合物的变形,1)热塑性塑料 -加热时变软以至流动，冷却变硬，这种过程是可逆的，可以反复进行。 -热塑性塑料中树脂分子链都是线型或带支链的结构，分子链之间无化学键产生，加热时软化流动冷却变硬的过程是物理变化。 -聚乙烯、聚丙烯、等其它聚烯基及其共聚物、聚讽等都是热塑性塑料。 2)热固性塑料 -第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了。正是借助这种特性进行成型加工，利用第一次加热时的塑化流动，在压力下充满型腔，进而固化成为确定形状和尺寸的制品。 -热固性塑料树脂固化前是线型或带支链的，固化后分子链之间形成化学键，成为三度的网状结构，不仅不能再熔触，在溶剂中也不能溶解。 -酚醛、服醛、三聚氰胺甲醛、环氧、不饱和聚酯、有机硅等塑料，都是热固性塑料。 -主要用于隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等在恶劣环境中使用的塑料，大部分是热固性塑料，最常用的应该是炒锅锅把手和高低压电器。,6.6 聚合物的变形,特点： 当l时，链段发生可恢复的运动，产生可恢复变形，同时应力-应变曲线偏离线性关系； 当y时，聚合物屈服，同时出现软化，即应力随应变的增加而减小，随后出现应力平台，即应力不变而应变持续增加，最后出现应变强化导致材料断裂。 聚合物的应力-应变行为受温度、应变速率的影响很大。,(1)热塑性聚合物的变形,1）热塑性聚合物的应力-应变曲线,l比例极限,y屈服强度,b断裂强度,聚合物的变形行为与其结构特点有关：聚合物由大分子链构成，大分子链一般都具有柔性，除了整个分子的相对运动外，还可实现分子不同链段之间的相对运动。分子的运动依赖于温度和时间，具有明显的松弛特性。,6.6 聚合物的变形,屈服特点： 聚合物的屈服应变和断裂伸长比金属高得多； 屈服后出现应变软化； 其屈服应力强烈地依赖于温度和应变速率。 冷拉： 试样在拉断前卸载，或试样因被拉断而自动卸载，拉伸中产生的大量变形除少量可恢复外，大部分变形将保留下来的拉伸过程。 聚合物的冷拉变形是目前制备高模量和高强度纤维的重要工艺。,2）屈服与冷拉,a点是屈服点，a点前是弹性区域；a点后，材料呈现塑性行为；到达a点时，试样截面突然变得不均匀，出现“细颈”。 a点以后，载荷增加不多或几乎不增加，试样应变却大幅度增加。其中ab段应变增加、应力反而下降，称作“应变软化”； 由b到c点就是高聚物特有的颈缩阶段，“细颈”沿样品扩展；c点以后，应力急剧增加，试样才能产生一定的应变，称作“取向硬化”，这一阶段，成颈后的试样被均匀拉伸，直至d点材料发生断裂。相应于d点的应力称为断裂强度b。 材料的杨氏模量e是应力应变曲线起始部分的斜率。,玻璃态高聚物在脆化温度tb与玻璃化温度tg之间和结晶性聚合物在脆化温度tb与熔融温度tm之间典型的拉伸应力应变取向以及试样形状的变化过程如图所示。,6.6 聚合物的变形,由于聚合物材料的品种繁多，它们在室温和通常拉伸速度下的应力应变曲线呈现出复杂的情况。按照拉伸过程中屈服点的表现、伸长率的大小以及断裂情况，大致可分为五种类型，即：硬而脆；硬而强；强而韧；软而韧；软而弱。见图示。,图 聚合物的五种类型应力应变曲线,韧性聚合物单向拉伸至屈服点时，常可看到试样上出现与拉伸方向成大约45角的剪切滑移变形带（简称剪切带），见图所示。说明该种材料的屈服过程，剪切应力分量起着重要作用。,6.6 聚合物的变形,3）剪切带与银纹,在剪切带中存在较大的剪切应变，其值在1.02.2之间，并且有明显的双折射现象。 表明分子链是高度取向的，但取向方向不是外力方向，也不是剪切力分量最大的方向，而是接近于外力和剪切力合力的方向。,剪切带,图 pc试样“细颈”开始时剪切带形成的显微图（箭头表示施加的张应力的方向）,6.6 聚