华南师范大学材料科学与工程教程第八章-材料的变形与断裂(一)资料PPT课件

.,1,1,第八章材料的变形与断裂（一）,.,2,2,各种材料的变形特性可有很大不同金属材料有良好的塑性变形能力，也有较高的强度，常被加工成各种形状的产品零件陶瓷材料有高的高温强度、耐磨性能、抗腐蚀性能，但脆性大，难加工成型高分子材料Tg以下是脆性的，Tg以上可加工成型，但强度很低各种材料力学性能差别主要取决于结合键和晶体或非晶体结构,概述,.,3,3,一、金属变形概述,1、从两方面研究金属的变形和断裂：研究生产制造过程中，各种冷热加工工艺（轧制、锻造、挤压、拉拔等）对金属材料的加工成形和变形后性能的影响；研究制成的零部件在实际使用中可能会出现的过量变形和断裂。,2、材料的强度就是指对变形和断裂的抗力通常用应力应变曲线来表示金属材料的变形和断裂特性金属材料除了像铸铁、淬火高碳钢等少数脆性材料外，都有弹性变形、塑性变形、最后断裂等三个阶段,.,4,4,图中，s表示开始塑性变形的应力，称为屈服强度，工程上以去除外力后发生0.1%0.2%残留变形时的应力为标准，该点以下为弹性变形部分，s点以上为塑性变形，随变形程度增大，变形的抗力也增大，要继续变形就要增加外力，此称为加工硬化。b在曲线的最高点，表示材料的拉伸强度。,在b以下时，材料只发生均匀伸长，到了b点，材料局部地方截面开始变细颈缩，也称失稳。再继续拉伸，颈缩处越来越细，最后不能承受重力，迅速断裂。,.,5,5,二、金属的弹性变形,1、主要特点：变形可逆，去除外力后变形消失服从虎克定律，应力应变呈线性关系,正应力下：E，切应力下:E为杨氏模量,为应变G为切变模量，为切应变,泊松比（），在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值！,.,6,6,2、弹性模量（E、G）,是原子间结合力的反映和量度,在外力作用下发生弹性变形，内部原子间距离偏离平衡位置；,在没有外力时，晶体内原子间的结合能和结合力可以预测,弹性变形的难易程度取决于作用力原子间距离曲线的斜率S0,由于金属材料的弹性变形很小（0.1%），原子间距离只能在r0附近变化，可把S0看成是常数，则弹性变形所需的外力,F=S0（rr0）=S0/r0，E=S0/r0这就是虎克定律和弹性模量的微观解释,.,7,7,弹性模量是原子间结合力强弱的反映，是一个对组织不敏感的性能指标，加入少量合金元素和热处理对弹性模量影响不大例如碳钢、铸钢和各种合金钢的弹性模量都差别不大，（E200GPa）但它们的屈服强度和抗拉强度可以相差很大弹性模量在工程技术上表示材料的刚度，有些零件或工程构件主要是按刚度要求设计的，刚度条件满足，强度一般情况下也是满足的在相同外力作用下，刚度大的材料发生弹性变形量就小如铁的弹性模量是铝的三倍，则铁的弹性变形只有铝的三分之一,E=S0/r0,.,8,8,三、滑移与孪晶变形,金属在应力超过屈服强度时，就要发生塑性变形两种主要的塑性变形形式：滑移和孪晶变形,1、滑移观察,在预先经过抛光的纯铝或纯铁试样，经适当变形之后，在光学显微镜下观察可看到试样表面有许多平行的或几组交叉的细线滑移带，是相对滑移的晶体层与试样表面的交线如用电子显微镜观察，可看到光镜下的一条黑线是由更多的一组平行线构成滑移线试样内的滑移带不是均匀分布的，滑移线构成的滑移台阶高约100nm滑移是晶体内位错运动的结果，当一个位错沿着一定的平面运动，移出晶体表面时所形成的台阶大小是一个柏氏矢量（取b0.25nm），从滑移台阶的高度可粗略估计约有400个位错移出了晶体表面。,.,9,9,2、滑移机制晶体中已滑移的部分与未滑移部分的分界是以位错作为表征，其分界是一个过渡区域位错的宽度,位错的宽度是两种能量平衡的结果,界面能小,位错宽度窄,弹性畸变能？,位错宽度增加？,位错宽度是影响位错运动的重要参数，宽度越大越容易运动！,.,10,10,图中所示，位错中心由A移到B时，若A和B对于位错两侧的原子列是对称的，位错不受力，即只要位错处于对称位置（位移为b或b/2时），位错不受力。若位错中心A不是移到B位置，而是移到了很小的距离，位错两侧不再保持是等距离和对称的，由于位错两侧原子列对位错的作用力不能抵消，于是位错运动时就产生了阻力。位错宽度大时，非对称性的影响较弱，位错运动较容易。,位错宽度大时位错运动所需克服的能垒小，位错宽度窄时，需克服的能垒大。位错宽度的界定：位错中心A处，离两端平衡位置为b/2，一直往两侧延伸到原子列偏离原平衡位置的位移为b/4时，位错两侧的宽度以W表示，即为位错宽度。,.,11,11,理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所需克服的阻力派纳力（PN）PN的大小主要取决于位错宽度W，W越小，PN就越大，材料就难变形，相应的屈服强度也越大,位错宽度（也就是派纳力）主要取决于结合键的本质和晶体结构：,对于方向性很强的共价键，键角键长都很难改变，位错宽度很窄Wb，派纳力很大，宏观上屈服强度很大但很脆；对于没有方向性金属键，位错宽度较大，如面心立方金属Cu，其W6b，而其派纳力是很低位错在不同的晶面和晶向上运动，其位错宽度不同。位错只有沿着原子排列最紧密方向上运动，派纳力才最小，金属中的滑移面和滑移方向都是原子排列最紧密的面和方向。,位错运动的推动力,.,12,12,在金属中面心立方金属和沿基面（0001）滑移的密排六方金属，其派纳力最低；对不是沿基面滑移而是沿棱柱面（1010）或棱锥面（1011）滑移的密排六方金属，位错宽度较小，派纳力增大；,对于体心立方金属，派纳力稍大于面心立方，但更主要的是派纳力随温度的降低而急剧增高体心立方金属多数具有低温脆性的原因,.,13,13,3、滑移面和滑移方向,滑移面和滑移方向通常是原子排列最紧密的平面和方向，对不同的金属晶体结构，其滑移面和滑移方向自然也不相同。,对面心立方金属，原子排列最紧密的面是111，原子最密集的方向为，因此滑移面为111，共有四个；滑移方向，共有三个若分别列出则为：,滑移方向uvw是在滑移面hkl上的,也就是hu+lv+kw=0,.,14,14,对体心立方金属，原子排列最密集的平面和方向是110，110有6个，有2个，因此有12个滑移系（这只是最容易滑移的平面和方向）体心立方金属的滑移变形受合金元素、晶体位向。温度和应变速率的影响较大。也可观察到在112和123上进行滑移，方向还是111，即体心立方金属可能有48个滑移系,.,15,15,对密集六方金属，当c/a较大,等滑移面为（0001），滑移方向是，组合的结果只有三个滑移系；当c/a较小时在棱柱面原子排列的密度较基面上大，滑移面就变为1010，如Ti