第5章-材料的变形和再结晶1

曾荣昌,第五章材料的形变和再结晶Chapter5Deformationandre-crystallizationofmaterials,-弹性变形的本质,本章重点和难点,弹性变形的特点和胡克定律弹性的不完整性和黏弹性比较滑移和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公式屈服和应变时效弥散强化加工硬化,(11)形变织构与残余应力(12)回复动力学与回复机制(13)再结晶形核机制(14)再结晶动力学(15)再结晶温度及其影响因素(16)影响再结晶晶粒大小的因素(17)晶粒的正常长大及其影响因素(18)一次与二次再结晶，以及静态与动态再结晶的区别,重要概念,弹性变形弹性模量包申格效应弹性后效弹性滞后黏弹性塑性变形滑移滑移系交滑移双交滑移临界分切应力施密特因子软取向硬取向派-纳力孪生孪晶孪晶面扭折固溶强化屈服强度,应变时效加工硬化弥散强化形变织构丝织构板织构残余应力点阵畸变带状组织流线回复再结晶晶粒长大二次再结晶冷加工热加工动态再结晶储存能多边化再结晶温度弓出形核临界变形量再结晶织构退火孪晶,问题？,为什么铁匠打铁时要把铁放在火中烧红？为什么徒手可以把一根铁丝折断？美国“哥伦比亚号”航天飞机在在返回大气层时突然发生解体，原因是什么？美国“911”事故双子座大厦为什么会垮塌？（CollapseofTwinTowersandBuildingSeven）,本节主要内容,1、弹性和黏弹性弹性变形的本质弹性变形的特征和弹性模量弹性的不完整性黏弹性,导入,飞机汽车事故的原因“哥伦比亚空难”与材料失效金属的加工工艺与产品铝产品加工与变形,飞机汽车事故的原因,金属严重塑性变形、或疲劳断裂！,“哥伦比亚空难”与材料失效,在美国的航天史上发生过三起巨大灾难。1967年1月27日，阿波罗号飞船升空时爆炸，三名宇航员遇难；1986年1月28日，挑战者号航天飞机升空时爆炸，包括一名女教师在内的宇航员全部遇难。2003年2月1日，“哥伦比亚号”航天飞机在完成16天的太空研究任务后，在返回大气层时突然发生解体，机上7名宇航员全部遇难。,“哥伦比亚空难”与材料失效,“哥伦比亚号”空难发生后，由美国宇航局支持组成了由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组。调查组对飞机残骸进行了重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验，分析了航天飞机爆炸的原因。材料分析揭开了哥伦比亚空难之谜。,图片来源于网络,“哥伦比亚空难”与材料失效,左机翼隔热瓦受损是“哥伦比亚号”航天飞机解体的主要原因。如果隔热瓦松动、损坏或丢失，将改变航天飞机的空气动力学结构，进入大气层中遇到高温会引起铝合金机身变形，从而导致更大面积的隔热瓦脱落，使航天飞机的温度超过承受极限而导致破裂和爆炸。一个很大的热事件发生在靠近左机翼前缘的8号和9号面板之间，融熔渣沉积指出这里温度超过1649，能够冲蚀和吃掉金属支撑结构、隔热瓦和RCC面板材料。,“哥伦比亚空难”与材料失效,材料分析结果认为：“哥伦比亚号”航天飞机在升空时从外储存的燃料箱左侧双脚架处，掉下的一块隔热泡沫砸到左翼碳碳复合材料面板下半部附近，造成裂缝。在再入过程中高温热离子流穿过此处，使机翼铝合金、铁基合金、钛基合金结构熔化，导致航天飞机失控、机翼破坏和机体解体。,资料来源：中科院金属研究所李依依院士报告“哥伦比亚空难”与材料失效,金属的塑性加工工艺与国防及民用工业,Metalsareformedintofunctionalshapesusingawidevarietyofmetalformingoperationsunderbothcoldandhotconditions.在冷热条件下，人们采用多种金属加工方式使金属成型为功能性的形状。,汽车工业,Thebodypanels(车身)includingtheroof（顶）,trunklid（行李箱盖）,doors（车门）,andsidepanels（侧板）arestamped（冲压）fromsteelsandarethenspot-welded（电焊）together.,摩擦搅拌焊（Frictionstirwelding）,利用金属塑性变形原理，无需使用焊条和热源，英国科学家于1980s开发了摩擦搅拌焊新技术。,搅拌头,挤压塑性变形,热挤压,镁合金铸锭镁合金板材,Extrudedshapessuchaschannelsandstructuralshapesareproducedfromextrusioningots,androdandwirearemanufacturedfromwirebaringots.,锻造成型,Connectingrods,crankshafts,andcamsareforged(sometimescast)andarethenfinishground;,轧制,汽车用冷轧板Sheetsandplatesareproducedbyrollingsheetingotstoreducedthickness.,机械工业,Alltheseproductsthataremanufacturedbyhotandcoldworkingthemetalfromlargeingotsarecalledwroughtalloyproducts.,铝加工产品与塑形变形,准备送入挤压机的铝锭,铝板经过挤压机的出口,铝型材,铝加工建筑型材,材料的变形过程,材料受力发生变形:外力较小时，产生弹性变形；外力较大时，产生塑性变形；外力过大时，导致材料断裂。,断裂强度,抗拉强度,弹性极限,屈服强度,图5.1软钢之拉伸时的应力-应变曲线,材料经过塑性变形后，不仅外形、尺寸发生变化，而且其内部组织和性能也发生了变化。经过变形后的材料中重新加热时会发生回复和再结晶现象。研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解各种内外因素对变形的影响，研究冷变形材料中回复/再结晶过程中组织、结构和性能的变化具有重要的理论意义和实际意义。,镁合金AM50摩擦搅拌焊组织变化,R.-C.Zengetal./CorrosionScience51(2009)17381746,铸态组织再结晶组织,组织变化,力学性能的变化,拉伸对材料组织的影响,挤压Mg-Li-Ca合金拉伸前（a）、后（b）组织的变化,希望的田野,挤压后拉伸产生的一次孪晶二次孪晶,大量孪晶片,再结晶组织等轴晶粒,塑形变形对材料组织的影响,镁合金Mg-15Li-1.34Ca拉伸前后组织变化,变形前,变形后,Mg-9Li-1Ca挤压前后组织变化,变形前,变形后,2、变形过程在应力低于弹性极限e时，材料发生的变形为弹性变形(elasticdeformation)；应力在e到b之间将发生的变形为均匀塑性变形(plasticdeformation)；在b之后将发生颈缩；在K点发生断裂(fracture)。3、弹性变形变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变形消失。,4、塑性变形(plasticdeformation),定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。,塑性(plasticity)：指材料能发生塑性变形的量或能力.表征：伸长率(elongation)(%)断面减缩率(reductioninarea)(%)实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。,塑性变形过程屈服(yielding),1）屈服：材料开始发生塑性变形。2）屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿状的平台。这是部分材料所具有的特征。,3）屈服强度(yieldingstrength)：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗力，也称为屈服极限(yieldinglimit)，用s表示。表征：对具有屈服现象的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变的0.2%时的应力值表示。,塑性变形过程均匀变形（uniformdeformation）,均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力，材料的变形将不能继续下去。原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生了加工硬化（workhardening）。已经发生变形处的强度提高，进一步变形困难，即变形要在更大的应力作用下才能进行。下一步的变形发生在未变形或变形相对较小的位置，达到同样变形后，在更大的应力作用下发生变形。,塑性变形过程颈缩（necking）,1）颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域进行。2）特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降，工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真实应力依然在上升。,3）极限强度（limitstrength）：材料开始发生颈缩时对应的工程应力b，这时试样出现失稳，颈缩真实应力依然在上升，但能承受的总外力在下降。,塑性变形过程断裂（fracture）,1）断裂：变形量大至K点，试样发生断裂。2）实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，原子间的结合破坏而分离。,3）韧性断裂（ductilefracture）：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫“韧性断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。4）脆性断裂（brittlefracture）：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。,脆性断裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂”(intergranularfracture)，断口凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为“穿晶断裂”(transgranularfractrure)，断口比较平坦。,5.1弹性（elasticity）和滞弹性（anelasticity）,弹性变形是塑性变形的先行阶段，塑性变形中伴随着一定的弹性变形。弹性：一个物体在外力作用下改变其形状和大小，当外力卸除后物体又可回复到原始的形状和大小的特性。,5.1弹性（elasticity）和滞弹性（anelasticity）,5.1.1弹性变形的本质1、弹性变形：指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。2、物理本质：原子间结合力原子处于平衡位置原子间距为r0，位能U处于最低位置，相互作用力为零最稳定状态施加拉力r0引力原子受力偏离平衡位置施加压力r0斥力外力去除原子恢复平衡位置变形消失。,弹性变形的主要特征有3点：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，即服从虎克定律：,5.1.2弹性变形的特征和弹性模量（modulus）,在正应力下，=E，在切应力下，=G，分别为正应力和切应力；，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。弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：为材料泊松比，表示侧向收缩能力,在拉伸试验时系指材料横向收缩率与纵向伸长率的比值。金属值在0.25-0.35之间。,Cij弹性系数、刚度系数Sij弹性顺序、柔度系数,广义虎克定律：,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。结合力大弹性模量高；是组织结构不敏感参数；晶体材料弹性模量各向异性单晶体：沿原子最密排的晶向E最高；原子排列最疏的晶向E最低。多晶体：各向同性,弹性模量,多晶体的弹性模量介于单晶的最大值和最小值之间。,弹性模量是医用金属材料的重要考量指标。,医用金属材料为什么会产生应力遮蔽效应？尽管钛合金具有良好的生物相容性，但弹性模量太高，科学家们开发了一些低弹性模量的钛合金来满足人们的要求。,工程上，弹性模量是材料刚度（stiffness）的度量：刚度是施力与所产生