材料科学基础_第五章 材料的形变和再结晶

1、第五章材料的变形与再结晶，李怀勇聊城大学材料科学与工程学院，2、内容预报，为什么要认识和把握材料的变形与再结晶规律？ 材料在加工制造和应用过程中受外力作用材料受力变形：弹性变形、塑性变形、破坏材料变形后材料组织结构(性能)变化本章的主要研究内容：一、材料变形规律和微观机理二、变形材料恢复、再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律。 3、本章章节结构、5.1弹性和粘弹性5.2结晶的塑性变形5.3回复和再结晶5.4热变形和动态回复、再结晶5.5陶瓷材料的变形特征5.6高分子化合物的塑性变形4、材料试验机的示意图-拉伸、位移载荷、5.0材料力学性能试验、1 .拉伸试验装置、5、2 .应力-应变曲线、6、 5.1弹性和粘弹性，弹性-去除外力后变形能完全恢复的性质的线性(遵循钩定律)和非线性，7，7，5.1.1弹性变形的特征和弹性模量，1，特征： (1)理想的弹性变形是可逆的。 (2)实际材料在弹性变形范围内，对于钩法则：8、2、弹性模量(广义钩法则):结晶各向异性、各向异性模量不同的9、广义钩法则：刚性矩阵、10、柔性矩阵、11、均质各向异性弹性体最为一般的情况其中21个独立： Cij=Cji，Sij=Sji，由于晶体也具有对称性，因此在某些方向上原子排列相同，因此系数进一步增加的立方晶系中有3个独立的弹性系数；六方晶系，有5个独立弹性系数的正交晶系中有9个独立的弹性系数；12 2、弹性模量的研究： (1)弹性模量表示原子离开平衡位置的难易度，也表示原子间的相互作用。 (2)对于结晶，也反映了不同方向的原子(离子)排列的密度。 (参照表5.2 ) (3)材料，特别是复合材料会因组织结构的各向异性而导致不同的方向弹性模量的差异，13、原子、离子间的相互作用力：平衡位置r0、系统的能量最低也会因外力而偏离平衡位置、发生变形、产生引力或排斥力、能量上升时没有外力时， 原子恢复到平衡位置，变形完全消失，能量下降，5.1.2弹性变形本质，14 5.1.3弹性不完整性，理想弹性体：理想弹性体不存在，加载线与卸载线不重叠，应变比应力变化延迟等弹性不完整性可能发生。 包括申格效应、弹力后效应、弹力滞后和循环韧性等。15、一、包申格效果是预先施加负荷产生少量塑性变形(小于4% )后，同方向施加负荷时e上升，反方向施加负荷时e下降。 16、2、有弹性的效果加载或卸载时应变的缓和过程现象。 在弹性极限e范围内，应变滞后于施加应力，与时间有关的现象称为弹性后效应或滞后，17、3，弹性滞后应变滞后于应力。 -曲线上的加载线和卸载线不是直线，形成闭环表示加载时材料消耗的应变功大于卸载时材料释放的应变功，多馀的部分在材料内部消耗，称为内部消耗，其大小为弹性滞后环面积的测量功，18，5.1.4粘弹性(高分子材料)，1，粘弹性：一些非晶或多晶体可以较小的应力同时表现粘性和弹性。 2、粘性流动是指非晶质固体和液体在外力作用下产生形状不确定的流变，在外力消除后，变形不能恢复。 19、3、粘弹性是高分子材料重要的力学状态主链的内旋，在外力方向延伸的分子链间发生相对滑移，产生粘性变形。 4、粘弹性特点：应变滞后于应力。应力-应变环，存在内部损耗，Maxwell在应力缓和、Voigt蠕变恢复、弹性后效应和弹性记忆、20、5.2、晶体塑性变形、超过弹性极限后开始屈服，塑性变形多晶材料中的变形行为也与各自的小晶材料变形有关，21、5.2.1单晶塑性变形，常温和低温下高温下应变的方式：扩散、蠕变等1，滑动应力达到一定大小时，结晶中一定方向的层间产生的相对滑动、大量的层间滑动的累积会发生宏观塑性变形。22、单晶锌变形后产生的滑移带、23、(1)滑移线和滑移带、24、滑移仅集中发生在一部分晶面上，滑移带和滑移线之间的晶体层没有变形，只是相互相对位移，25、(2)滑移系塑性变形时一个滑动面和这个面上的一个滑动方向统称为滑动系。 不同晶体结构，滑动面和滑动方向不同。 即使是相同的晶体结构，滑动面和滑动方向也不同。 26、思考：滑动面与滑动方向原子配置密度具有什么特征1、面与面的结合力2、密排面与密排方向27、面心立方晶体中的滑动、111滑动面、滑动方向28、体心立方晶体中的110滑动面、112滑动面、123滑动面、滑动方向29、滑动面原子密度大-面间隔大-晶格电阻最小，沿这些面滑动的滑移方向原子密度最大的方向，是因为最紧密排列方向的原子间距最短，位置偏移b最小。 体心立方滑动面有三组，因为没有特别突出的密排面。 六方密排、滑动方向一般，但滑动面除0001外还与轴比(c/a )有关，c/a70% )的冷变形金属可以通过1h退火达到与再结晶(95% )对应的温度。 136、再结晶温度一个物理常数随材质变化的变形程度、晶粒大小等影响因素不是从推进力理解的，还有另一种说法，即贮藏，贮藏T，gt不加，稳定值(0.35-0.4Tm )，每t临界变形量具有原始晶粒大小，储存变形阻力，储存T的大小晶界数、形核区域、T、137、c、微量溶质原子溶质原子越多，t原因：钉扎晶界和位错不同的溶质原子对t的影响程度越不同，原子和位错的相互作用强弱及其扩散系数有关。 d，第二相粒子具有二重性。 变形过程中，第二相阻碍位错，引起位错堵塞，贮藏增加，T。 再结晶过程中位错的位错和移动受阻，再结晶受阻，T粒子的大小和间距大，在第二相粒子的表面容易再结晶，后者的影响是次要的，T。 相反，存在T、138、e、再结晶退火工艺参数的加热速度、加热温度和保温时间等退火工艺参数的加热速度、时间恢复，存储、T加热速度过快时，再结晶将来不及，T、T不会无限减少。 139、4、再结晶后晶粒尺寸的再结晶完成后，无变形的晶粒取代无变形的晶粒，晶粒尺寸对材料性能有重要影响，因此调整再结晶退火参数，控制再结晶的晶粒尺寸。 根据J-M式：140，影响因素(共计4个)变化度变化量、存储、不再结晶. 变形量小，局部区域贮藏满足形核条件，形成少量核生长，最终晶粒粗大。 临界变形度：对应再结晶后得到的特别粗大晶粒的变形程度。变形量大于临界变形量时，变形度越大，晶粒越微细化。从能量和驱动力两方面来说，141、右图中临界变形度位置的峰左晶粒生长变化原因、峰左晶粒生长变化原因变形不均匀，存在体积弹性应变能，引起某一原始晶粒边界迁移、晶粒生长的结果，不是重结晶核。 142、退火温度的影响退火温度对再结晶后晶粒尺寸的影响较弱，但对晶粒生长阶段的影响明显。 143，5.3.4，晶粒长大，重结晶完成，得到无畸变晶粒。 持续加热和保温，晶粒生长。 引起性能的变化。 晶粒生长的驱动力来源于总界面能的降低。 144、晶粒生长中，正常晶粒生长：同时异常晶粒生长：少数正常生长和影响因素个别晶粒：晶界曲率晶界移动(朝向曲率中心的方向)、边数为6以上的晶粒、晶界几乎凹陷生长。 边数不足6的晶粒，晶界几乎凸起，缩小。 与烧结理论一样，145，晶界移动的平均速度为、146，当晶界移动受到阻碍时，t的指数项总是小于1/2。 147、影响粒子生长的要素a、温度T、线求出活化能，148、b、分散相粒子为什么会在粒界产生钉刺、表面能、电阻、149、粒界力学解析和粒子接触部位、粒界垂直于粒子表面运动方向、表面张力作用于球的力： 作用力和反作用力：粒子在晶界最大的作用力为rb、150，晶界遇到第二相粒子，受到阻力，驱动力和阻力相等时，界面运动停止，正常生长停止。 粒子停止生长的极限大小。 r不变化时，rR、151、c、晶粒间方位差在方位差小或有双晶方位时，晶界能和扩散系数小则晶界移动速度小. 相反，移动速度快的d，杂质和微量合金元素Cottrell的气团位置错误的钉刺。 但是，因为对具有某种特殊方位差的晶界移动速度的影响小，晶界结构中的晶格匹配性高，不利于杂质原子的吸附。 152、异常晶体生长正常生长的过程被分散相、织构或表面热蚀刻槽等强烈阻碍。 如果没有上述阻碍，则少数特殊晶界急速移动，各个晶粒急速生长，如果超过周围的晶粒，则晶界总是向外侧凹陷，结果晶粒变大直至接触。 即二次再结晶。 驱动力也是由于界面能的降低，153、5.3.5再结晶退火后的组织、1、再结晶退火后的晶粒大小主要取决于变形度和退火温度。 静态再结晶图。 其中两个粗大的晶粒区。 154、2、再结晶织构：通常，具有变形织构金属再结晶后的新晶粒还具有优先取向时： (1)不变； (2)变化(3)消失。 理论：定向生长和定向核，155，3，退火双晶面心立方金属和合金，如铜和铜合金，镍和镍合金和奥氏体不锈钢等冷变形后，经过再结晶退火，其晶粒中出现退火双晶。 3种形式： a为晶界交角，b为贯通晶粒的完全退火双晶，c为一端在晶体内终止的不完全退火双晶。 156、位错能低时容易退火形成孪晶、157、5.4、高分子化合物塑性变形、1、总变形=弹性部分塑性部分e :键的内旋、链段的可恢复运动v :分子链间的滑动2、变形的容易度、单位Pa.s、158、