第八章-材料的形变

8 1材料的弹性变形 Elasticdeformationofmaterials 2弹性变形的特征 理想的弹性变形是可逆变形 加载时变形 卸载时变形消失 恢复原状 在弹性变形范围内 应力与应变之间服从虎克定律 Hooke slaw 正应力下 E 切应力下 G 1弹性变形的本质 弹性变形 elasticdeformation 外力去除后能够完全恢复的那部分变形 弹性变形是塑性变形的先行阶段 E 弹性模量 Young smodulus G 切变模量 shearmodulus 泊松比 Poisson sratio 弹性模量反应原子间的结合力 是组织结构的不敏感参数 弹性变形量随材料的不同而异 工程上 弹性模量是材料刚度的度量 表征材料抵抗弹性变形的能力 8 2单晶体的塑性变形 Plasticdeformationofsinglecrystalline 塑性变形 plasticdeformation 当应力超过弹性极限 材料发生的不可逆的永久变形 单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行 此外尚有孪生和扭折 1滑移 slip 1 滑移线与滑移带 sliplinesandslipbands 当应力超过弹性极限时 晶体中会产生层片之间的相对滑移 这些滑移的累计构成晶体的塑性变形 宏观上 材料的表面可见一条条细线 滑移线 微观上 可见一系列相互平行的更细的线 滑移线 一组滑移线构成滑移带 滑移只是集中在一些晶面上 2 滑移系 slipsystems 塑性变形时 滑移线与滑移带的排列不是任意的 材料的滑移只能沿一定的晶面或一定的晶向进行 这些晶面和晶向就称为滑移面和滑移方向 滑移面和滑移方向一般是原子排列的密排面和密排方向 因其面间距最大 点阵阻力小 每一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来构成一个滑移系一般 材料中的滑移系越多 滑移过程中可能采取的空间取向越多 滑移容易进行 塑性好 面心立方 fcc 111 43 12个 体心立方 bcc 110 62 112 121 123 241 48个 密排六方 hcp 0001 13 3个 其塑性比面心立方和体心立方差 3 滑移的临界分切应力 criticalresolvedshearstressofslip cos cos 称为取向因子或施密特因子 Schmidfactor 设圆柱形单晶体的截面积A 轴向拉力F 滑移面法线与轴向拉力F的夹角 滑移方向与外力的夹角 则外力在滑移面沿滑移方向的分切应力 当外力作用在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时 滑移系开始滑移 该分切应力称为滑移的临界分切应力 当 45 时 取向因子最大 可用最小的拉力开始滑移 crss为滑移的临界分切应力 它是一个反映单晶体受力起始屈服的物理量 4 滑移时晶面的转动 rotation 滑移过程中 晶体要发生转动 从而导致晶体的空间取向发生变化 压缩时 转到与应力轴垂直的方向 Tensile 拉伸时使滑移方向逐渐转到与应力轴平行的方向 Compressive 5 多滑移 multipleslip 对于有多组滑移系的晶体 滑移首先在取向最有利的滑移系中进行 随着变形时晶面的转动 另外的滑移系逐渐转到对滑移有利的取向 从而使滑移过程沿着两个或多个滑移系交替进行或同时进行 这种滑移过程称为多滑移 也称多系滑移 复滑移 例 fcc中 001 为拉伸轴 有多个滑移系具有相同的Schmid因子 可同时或交替动作 2孪生 twinning 2 孪生的特点 1 孪生 twinning 晶体在切应力作用下沿着一定的晶面 孪晶面 twinplane 和一定的晶向 孪晶方向 twindirection 在一个区域内发生均匀的切变 这样的切变并未使晶体的结构变化 但确使均匀切变区中的晶体取向发生变化 且变形与未变性区呈镜面对称 孪生变性是在切应力下发生 临界应力大于滑移所需的应力 孪生是一种均匀切变 孪晶的两部分晶体呈镜面对称 3扭折 kink 不常见 4 孪晶 twin 的形成 变形孪晶 机械孪晶 deformationtwins 生长孪晶 气相沉积 凝固等 退火孪晶 annealingtwins 可归属于生长孪晶 3 滑移与孪生的对比 主要发生在滑移和孪生都不能发生的地方 变形区域称为扭折带 扭折区的晶体取向发生不对称性的变化 4单晶体的应力 应变曲线 典型的单晶体的应力 应变曲线 1 易滑移阶段 通常只有一个滑移系进行滑移 2 线性硬化阶段 第二滑移系开动 滑移线交割 滑移障碍增加 3 抛物线阶段 一些障碍被越过 产生交滑移等 三种典型晶体结构的应力 应变曲线 塑性变形的三个阶段 软取向 bcc fcc有典型的三阶段 hcp只有两个阶段 8 3晶体滑移的位错机制 Plasticdeformationofsinglecrystalline d为晶面间距 W为位错宽度 b为柏氏矢量 2位错增殖机制 generationmechanism 1位错运动的阻力 派 纳力 Peierls Nabarroforce P Nforce 对简单立方结构 P N 2x10 4G 接近实测分切应力 弗兰克 瑞德源 Frank Readsource F R源 3位错的交割图 石 位错的反应 4交滑移的位错机制 crossslip 5刃型位错的攀移 climb 刃型位错的攀移即多余半原子面通过空位扩散而扩大或缩小正攀移图解 交滑移对材料的塑性影响大 交滑移容易的材料 塑性好 交滑移与材料的层错能有关 stackingfault 层错能低 交滑移困难 层错能高 交滑移容易 刃型位错只有一个滑动面 不产生交滑移 交滑移是螺型位错在不改变滑移方向的情况下转变滑移面的过程 它增加了滑移的灵活性 8 4多晶体的塑性变形 Plasticdeformationofpolycrystalline 1多晶体塑性变形的特点 1 多晶体结构的特点 存在晶界 相邻晶粒之间取向不同 2 塑性变形的特点 1 各相邻晶粒的变形相互协调和配合 每个晶粒不只是在取向最有利的单滑移系上滑移 而必须在几个滑移系上滑移 其中有些滑移系不一定取向最有利 多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑移系上滑移 多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互间的协调 体心立方和面心立方有较多的滑移系 多晶体有较好的塑性 密排六方滑移系少 晶粒间协调性差 塑性变形能力低 2 晶界对形变过程的阻碍作用 0 为一常数 大体等于单晶体的屈服强度 2 塑性变形的特点 con t 位错不能越过晶界进入相邻的晶粒 在晶界处塞积 晶界的作用与晶界的数量相关 而这直接取决于晶粒的大小 K 表征晶界对强度影响的程度 霍尔 佩奇公式 Hall Petchequation 多晶体的屈服强度与晶粒平均直径的关系 2多晶体的应力 应变曲线 抛物线 线性硬化 抛物线 第一阶段 变形有少数晶粒逐渐扩展到全部晶粒 第二阶段与第三阶段与单晶体类似 8 5合金的塑性变形 Plasticdeformationofalloys 1 合金塑性变形的基本过程仍然是滑移和孪生 2 合金的组织结构的复杂性决定了其塑性变形的特点 1 合金为单相合金时 固溶体 Cu Ni 2 合金为复相合金时 聚合型合金 第二相的尺寸与基体相相近 Pb Sn 1基本特点 分散分布型 dispersiondistribution 第二相非常细小且分散分布 Fe Fe3C Sn Ag3Sn 2固溶体的塑性变形 plasticdeformationofsolidsolution 1 固溶强化 solid solutionstrengthening 溶质原子的加入引起点阵畸变 增加了位错运动的阻力 增大了晶体滑移阻力 2 宏观表现固溶体的屈服强度高于纯溶剂的 3 影响固溶强化效果的因素 溶质浓度 溶质浓度增加 效果大 固溶体类型 间隙型大于置换型 溶质溶剂原子尺寸差 置换型 尺寸差越大 效果好 溶质溶剂原子价电子数差 置换型 差别越大 效果好 3复相合金的塑性变形 1 聚合型合金 1 两相都为塑性相 Pb Sn 等应变理论 a f1 1 f2 2 等应力理论 a f1 1 f2 2 2 两相中一个为塑性相 另一个为脆性相 合金变形的阻力不仅取决于两相的体积分数 而且还与形状 大小和分布有关 合金变形的阻力取决于两相的体积分数 可用机械混合法则 2 分散分布型 dispersiondistribution 位错切过粒子 粒子产生新的表面积 使总的表面积升高 产生新的割阶 产生应力场等 给位错的运动带来困难 弥散细小分布的第二相分布在基体相中时 会产生显著的强化作用 1 第二相粒子为可变形颗粒时位错将切过粒子使之随同基体一起变形 强化机理主要有 2 第二相不能变形 可变形颗粒增大 与基体非共格 位错绕过机制 奥罗万机制 Orowanmechanism Gb L L 粒子间距 G 切变模量 b 柏氏矢量 第二相越小 越均匀 硬度越高 强化效果越好 且不影响塑性 条件 第二相硬 脆 2 分散分布型 con t 强化机理 4铁 碳合金的举例 1 固溶强化 平衡固溶 C 0 0218 效果不大马氏体 过饱和固溶体 效果显著 马氏体强化 位错强化 2 第二相强化 片状渗碳体索氏体屈氏体弥散渗碳体回火索氏体回火屈氏体 3 细晶强化 亚微米钢亚结构 5低碳钢的屈服和应变时效 yieldingandstrainaging 1 低碳钢的屈服现象和吕德斯带 屈服现象 yielding 上下屈服点及屈服平台 吕德斯带 L dersband 应力超过屈服极限时 在试样表面产生一个与拉伸轴成45度的变形带 它与滑移带不同 是许多晶粒协调变形的结果 屈服现象的原因 1 柯氏气团 Cottrellatmosphere 位错钉扎 anchoringofdislocation 2 位错增殖 刚开始位错少 位错增殖快 到一定程度后流变应力降低 2 应变时效 strainaging 退火状态的试样拉伸超过屈服点卸载马上再加载 不发生屈服现象放置一段时间后再加载 屈服现象重新出现 机理 柯氏气团解释 Cottrellatmosphere 8 6塑性变形对材料组织与性能的影响 1显微组织的变化 晶粒沿形变方向被拉长 纤维状 夹杂物和第二相 塑性好的被拉长 塑性差的破裂 亚结构 sub structure 晶粒内部位错密度 dislocationdensity 增加 位错缠结 dislocationtangle 位错胞状亚结构 形变亚晶 deformationsubstructure 2形变织构 deformationtexture 2 成因 塑性变形中 随着变形程度的增加 各晶粒滑移方向向主变形方向转动 使多晶体的各晶粒最终在空间位向上呈现一定程度的一致现象 这种现象称为择优取向 preferredorientation 这种组织状态称为形变织构 deformationtexture 丝织构 fibertexture 某一晶向大致与拔丝方向一致 板织构 sheettexture 某一晶面与轧制面平行 某一晶向与轧制时的主变形方向一致 形变织构造成多晶体呈现各向异性 可以利用于磁性材料中 降低磁损 但也造成冷变形件的制耳 ears 1 形变织构 是多晶体材料 金属 由于形变而形成的各晶粒具有择优取向的组织 2性能的变化 加工硬化 workhardening strainhardening 金属 材料冷加工变形后 强度 硬度 显著提高 塑性下降的现象 是一种重要的金属强化方式 也称冷作硬化 coldworking 电阻率升高 抗腐蚀性下降