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第八章材料的变形与断裂 第一节金属变形概述 应力应变曲线 第二节金属的弹性变形 第三节滑移与孪晶变形塑性变形的主要方式 滑移 孪生 扭折 一滑移观察1滑移 在切应力作用下 晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面 滑移面 和晶向 滑移方向 产生相对位移 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式 滑移变形具有以下特点 1 滑移在切应力作用下产生 2 滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生 3 滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍 光镜下 滑移带 2滑移的表象学电境下 滑移线 二 滑移机制位错宽度越窄 界面能越小 但弹性畸变能很高 反之位错宽度增加 将集中的弹性畸变能分摊到较宽区域内的各个原子面上 使每个原子列偏离其平衡位置较小 这样单位体积的弹性畸变能减小了 1 p n的大小 主要取决于位错宽度w 位错宽度越小 p n越大 材料就难以变形 相应的屈服强度也越大 2 位错宽度 也就是 p n 主要决定于结合键的本性和晶体结构 对于方向性很强的共价键 其键角和键长度都很难改变 位错宽度很窄w b 故 p n很高 因而其宏观表现是屈服强度很高但很脆 而金属键因为没有方向性 位错有较大的宽度 其w 6b 其 p n是很低的 3 位错在不同的晶面和晶向上运动 位错宽度是不一样的 只有b最小 a最大时 位错宽度才最大 p n最小位错只有沿着原子排列最紧密的面及原子密排方向上运动 p n才最小 4 fcc hcp的 p n最低 bcc的 p n随温度降低而升高 三 滑移面和滑移方向滑移面 密排面 1 几何要素滑移方向 密排方向 2 滑移系滑移系 一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合 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 任意一个 hkl 晶面族中 所有的晶面数可通过下式算出 m是指数中0的个数 n是相同指数的个数 1 2 滑移系滑移系数目与材料塑性的关系一般滑移系越多 塑性越好 与滑移面密排程度和滑移方向个数有关 与同时开动滑移系数目有关 k 四孪晶变形 1 孪生 在切应力作用下 晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系 孪生面bcc 112 fcc 111 hcp 1012 2 孪生的晶体学孪生方向bcc fcc hcp孪晶区 肖克莱不全位错的柏氏矢量 实质上就是一个肖克莱不全位错的移动 3 孪生变形的特点 第四节单晶体的塑性变形一施密特定律 k取决于金属的本性 不受 的影响 或 90 时 s s的取值 45 时 s最小 晶体易滑移 软取向 值大 取向因子 cos cos 硬取向 值小 滑移时晶体的转动 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 二单滑移 多滑移和交滑移1 滑移的分类单滑移 双滑移 多滑移 在多个 2 滑移系上同时或交替进行的滑移 交滑移2 等效滑移系 各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系 交滑移 1 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 2 bcc 110 112 123 111 3 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 3 滑移的位错机制大量的理论和试验研究的结果证明 滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的 刃平面位错运动 3d刃型位错运动 3d螺型位错运动 4滑移的表面痕迹单滑移 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 第五节多晶体的塑性变形 一 晶界和晶体位向对塑性变形的影响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 第五节多晶体的塑性变形 3 晶界的影响 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 多晶体变形的特点 1 滑移的传递 必须激发相邻晶粒的位错源 2 变形抗力比单晶体大 变形更不均匀 3 形变时需要各晶粒协调变形 从而需要五个以上的滑移系 二 晶粒大小对材料强度与塑性的影响a晶粒越细 强度越高 细晶强化 霍尔 配奇公式 s 0 kd 1 2原因 晶粒越细 晶界越多 位错运动的阻力越大 有尺寸限制 晶粒越多 变形均匀性提高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 裂纹不易传播 在断裂过程中可吸收较多能量 表现高韧性 第七节合金的变形与强化 单相合金的变形与强化1固溶强化 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 2 固溶强化的影响因素溶质原子含量越多 强化效果越好 溶剂与溶质原子半径差越大 强化效果越好 溶质原子与基体金属价电子数差越大 强化效果越好 间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子 3 固溶强化的机制 溶质原子与位错的 化学交互作用电交互作用几何交互作用弹性交互作用 柯氏气团对位错的钉扎作用 2 屈服和应变时效材料开始出现塑性变形时外加应力突然下降的现象叫屈服现象 现象 上下屈服点 屈服平台吕德斯带 在发生屈服延伸阶段 试样的应变是不均匀的 在试样表面可观察到与纵轴约呈45 交角的应变痕迹 称为吕德斯 l ders 带 吕德斯带会造成拉伸和深冲过程中工件表面不平整 2 屈服和应变时效变形和时效的影响 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 原因 柯氏气团的存在 破坏和重新形成 二 第二相对合金变形的影响结构 基体 第二相 1 聚合型两相合金的变形2性能 1 两相性能接近 按强度分数相加计算 2 软基体 硬第二相第二相网状分布于晶界 二次渗碳体 a结构两相呈层片状分布 珠光体 第二相呈颗粒状分布 三次渗碳体 不可变形微粒的强化作用 位错绕过第二相粒子 粒子 位错环阻碍位错运动 弥散强化可变形微粒的强化作用位错切过第二相粒子 表面能 错排能 粒子阻碍位错运动 2 弥散型两相合金的塑性变形 第八节冷变形金属的组织与性能 一 显微组织的变化1形成纤维组织杂质呈细带状或链状分布 晶粒拉长 2 变形织构 1 形变织构 多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织 丝织构 某一晶向趋于与拔丝方向平行 拉拔时形成 2 类型板织构 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 2形成形变织构力学性能 利 深冲板材变形控制 弊 制耳 3 对性能的影响 各向异性 物理性能 硅钢片 100 100 织构可减少铁损 3形成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 4残留应力和点阵畸变 1 宏观内应力 是由于金属表层与心部变形不一致造成的 所以存在于表层与心部之间 2 微观内应力 是由于晶粒之间变形不均匀造成的 所以存在于晶粒与晶粒之间 3 点阵畸变 是由于晶体缺陷增加引起点阵畸变增大而造成的内应力 所以存在于晶体缺陷中 二塑性变形对性能的影响1对力学性能的影响 加工硬化 1 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 曲线明显可分为三个阶段 i 易滑移阶段 发生单滑移 位错移动和增殖所遇到的阻力很小 i很低 约为10 4g数量级 ii 线性硬化阶段 发生多系滑移 位错运动困难 ii远大于 i约为g 100 g 300 并接近于一常数 iii 抛物线硬化阶段 与位错的多滑移过程有关 iii随应变增加而降低 应力应变曲线变为抛物线 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 2对物理 化学性能的影响导电率 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 三陶瓷材料的塑性变形 1 陶瓷晶体的弹性模量比金属大得多 常高出几倍 这是由其原子键合特点决定的 共价键晶体的键具有方向性 使晶体具有较高的抗晶格畸变和阻碍位错运动的能力 使共价键陶瓷具有比金属高得多的硬度和弹性模量 离子键晶体的键方向性不明显 但滑移不仅要受到密排面和密排方向的限制 而且要受到静电作用力的限制 因此实际可移动滑移系较少 弹性模量也较高 2 陶瓷晶体的弹性模量 不仅与结合键有关 而且还与其相的种类 分布及气孔率有关 而金属材料的弹性模量是一个组织不敏感参数 3 陶瓷的压缩强度高于抗拉强度约一个数量级 而金属的抗拉强度和压缩强度一般相等 这是由于陶瓷中总是存在微裂纹 拉伸时当裂纹一达到临界尺寸就失稳扩展立即断裂 而压缩时裂纹或者闭合或者呈稳态缓慢扩展 使压缩强度提高 al2o3断裂强度 a 拉伸断裂应力280mpa b 压缩断裂应力2100mpa 4 陶瓷的理论强度和实际断裂强度相差1 3个数量级 引起陶瓷实际抗拉强度较低的原因是陶瓷中因工艺缺陷导致的微裂纹 在裂纹尖端引起很高的应力集中 裂纹尖端之最大应力可达到理论断裂强度或理论屈服强度 因陶瓷晶体中可动位错少 位错运动又困难 所以 一旦达到屈服强度就断裂了 因而使陶瓷晶体的抗拉强度远低于理论屈服强度 5 和金属材料相比 陶瓷晶体在高温下具有良好的抗蠕变性能 而且在高温下也具有一定塑性 如图所示 第十节冷变形金属的回复阶段 金属材料在冷变形加工以后 为了消除残余应力或恢复其某些性能 如提高塑性 韧性 降低硬度等 一般要对金属材料进行加热处理 而加工硬化虽然使塑性变形比较均匀 但却给进一步的冷成形加工 例如深冲 带来困难 所以常常需要将金属加热进行退火处理 以使其性能向塑性变形前的状态转化 对冷变形金属加热使原子扩散能力增加 金属将依次发生回复 再结晶和晶粒长大 一 回复阶段性能与组织的变化 1 回复阶段 大部分或全部消除第一类内应力 部分消除第二 三类内应力 2 显微组织仍为纤维状 无可见变化 3 强度 硬度略有下降 塑性略有提高 4 一回复动力学 示意图 1加工硬化残留率与退火温度和时间的关系ln x0 x c0texp q rt x0