塑性理论金属塑性变形的物理基础概要PPT课件

1、2.1 2.1 金属的晶体结构 一切固态物质按其原子（或分子）的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体。 晶体和非晶体: 所谓晶体，系原子（或分子）在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体，而非晶体就不具备这一特点，这是两者的根本区别。所有固态金属和合金都是晶体。第1页/共27页金属原子间的结合形式： 金属内原子间的作用力： 图21金属键的模型 图22双原子作用模型第2页/共27页金属内原子间的作用力： 金属内原子都处在异号电荷的吸引力和同号电荷的排斥力的作用下。一种是相互吸引作用，它来自金属正离子与周围电子气之间的静电吸引力，它促使原子彼此接近；另一种是相互排斥作用，它来自正离子与正离子之间和电

2、子与电子之间的静电排斥力，它促使原子彼此离开。 当原子间距离过大时，吸引力大于排斥力，原子互相吸引，自动靠近；当原子间距离过近时，排斥力大于吸引力，原子便互相排斥，自动离开。当原子间时，吸引力和排斥力恰好相等，原子既不会自动靠近，也不会自动离开，恰好处于平衡位置。 第3页/共27页几个概念： 晶体 : 原子按一定的几何规律在空间作周期性排列 . 晶格 : 通过直线把晶体内各原子中心联结起来，构成一空间格子，即假想处于平衡状态的各原子都位于该空间格子的各结点上。这种描述原子排列形式的空间格子，简称晶格。图 晶格第4页/共27页 晶胞： 晶格中能反映晶格特征的最基本的几何单元，称为晶胞。晶胞的各边

3、尺寸a、b、c，即原子间距离，称为晶格常数（或点阵常数）。单位为埃（ 厘米）。n 各种晶体的主要差别，就在于晶格形式和晶格常数的不同。8101 ,AA第5页/共27页 晶面 ：晶体中，由原子组成的平面 晶向 ：晶体中，由原子组成的直线第6页/共27页22 三种常见的晶格 如上述，晶格是由一些最基本的几何单元晶胞堆砌而成。工业上使用的几十种金属中，最常见的金属晶格结构有下面三种： 面心立方 : Al Ni Cu -Fe 体心立方 : Cr V Mo W -Fe -Ti 密排六方 : Zn Mg Be -Ti等第7页/共27页 面心立方 : Al Ni Cu -Fe 第8页/共27页 体心立方 :

4、 Cr V Mo W -Fe -Ti 第9页/共27页 密排六方 : Zn Mg Be -Ti等c/a=1.57-1.64 第10页/共27页23 实际金属的晶体结构： 晶体分为单晶体和多晶体： 单晶体：单晶体是一块以原子或原子团为单位沿着空间的前后、左右、上下三个方向整整齐齐地堆垛成的固体。（可以在实验室生成） 晶 粒：由许多位向基本一致的晶胞组成，类似单晶体，称为晶粒或小晶体。（晶粒在显微镜下可以看到） 多晶体：多晶体则是由许多取向不同的晶粒组成的一块固体，多晶体中的每一个晶粒内部都有严格的周期性，但是晶粒之间没有周期性的联系。 晶界 :就是相邻晶粒的边界,它是两个位向不同晶粒之间的过渡区

5、. 第11页/共27页 金属的结构： 工业用金属是在凝固时产生大量的结晶核心，然后晶核长大，完成的结晶过程，它们由许多尺寸很小、位向不同的小晶体或晶粒组成，是多晶体。第12页/共27页晶体由于内在结构不同而表现出： 单晶体的各向异性： 由于单晶体在于不同的晶面晶向上，原子排列不同，原子的密度和原子间的结合力大小不同，因而引起机械、物理、化学性能的差异。 多晶体的各向同性： 由于多晶体是由许多不同位向的晶粒组成，晶粒的各向异性被互相抵消，因而多晶体一般不显示方向性，称之为各向同性。第13页/共27页实际金属晶体中存在的各种缺陷： 在实际金属的晶体中，原子并非固定不动，而是以晶格结点平衡位置为中心

6、不停地作热振动，原子的规则排列由于种种原因受到干扰和破坏，存在着一系列的缺陷。常见的缺陷：点缺陷：包括空位、间隙原子、异质原子。第14页/共27页 刃型位错 线缺陷： ：长度范围内存在晶体的微观缺陷。 螺型位错 第15页/共27页 混合型位错（螺型+刃型 ）Dislocation lineFig. 1.48: A mixed dislocation.From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002)http:/Materials.Usask.Ca

7、第16页/共27页面缺陷：晶体的面缺陷包括晶体外表面和内表面的缺陷。 晶体的面缺陷包括晶体外表面和内表面的缺陷: 晶体外表面原子缺陷 所处的环境与晶体内部的原子不同，原子只有一侧被内层原子包围，另一例则暴露在其他介质中。因此，表面原子所受的作用力不是均匀对称的，它们就会偏离平衡位置，处于能量较高的畸变状态。 晶体内表面的缺陷 主要有晶界、亚晶界等。晶界对金属的机械、物理及化学性能以及晶体内部的转变都有重要的影响。Strained bondBroken bond(dangling bond)Grain boundaryVoid, vacancySelf-interstitial type ato

8、mForeign impurityFig. 1.51: The grain boundaries have broken bonds, voids, vacancies,strained bonds and interstitial type atoms. The structure of the grainboundary is disordered and the atoms in the grain boundaries have higherenergies than those within the grains.From Principles of Electronic Mater

9、ials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002)http:/Materials.Usask.Ca第17页/共27页2.2.4 4 单晶体的弹性变形和塑性变形 弹、塑性变形： 物体在外力的作用下，会发生形状和尺寸的改变，称为变形。外力除去后能恢复原状的变形，称为弹性变形；外力除去后不能恢复原状的变形，称为塑性变形。 弹塑性物质：金属和合金在外力的作用下既能产生弹性变形，也能产生塑性变形。 单晶体发生弹性变形的原因： 当晶体在拉应力的作用下，使原子离开了原来的平衡位置，原子间距离增大，产生了拉伸变形。这时由于原子间距

10、离增大，原子间的排斥力便减小，原子间的吸引力必将增大，超过排斥力的吸引力和拉应力平衡。外力除去，新的平衡消失，原子便回到原来的平衡位置，晶体恢复原状。同样，晶体在压应力的作用下，原子间距离缩短，排斥力大于吸引力，与压力建立新的平衡。外力除去，原子便回到原来的平衡位置，晶体恢复原状。晶体的弹性变形 第18页/共27页单晶体发生塑性变形的原因是： 当晶体在剪应力作用下，剪应力达到一定值时，晶体便由弹性变形（剪切变形）过渡到塑性变形。由于这时原子移动了原子间距离的倍数，移到了新的平衡位置，原子又处于稳定状态，即使外力除去，也不可能使晶体恢复原状了。 a一变形前 b一弹性变形 c一塑性变形 图 晶体的

11、塑性变形第19页/共27页单晶体塑性变形的主要两种方式： 方式一：滑移 晶体一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对另一部分发生相对移动和切变。产生宏观的塑性变形。滑 移 面：原子排列密度最大的晶面。 滑移方向：原子排列密度最大的方向。 滑 移 系: 一种滑移面及其上的一个滑移方向构成第20页/共27页 滑移系：每一个滑移面和该面上的一个滑移方向合起来构成一个滑移系。每一个滑移系表示金属晶体在进行滑移时可能采取的一个空间取向，在其他条件相同时，滑移系愈多，金属的塑性愈好。这是因为滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向便愈多，滑移容易进行，因此这种金属的塑性愈好。n一般说来，面心立方和体

12、心立方金属的滑移系较多，因此比密排六方金属的塑性好。但金属塑性的好坏，不仅取决于滑移系的多少，还与滑移面上原子密排程度和滑移方向的数目等有关。如aFe，虽然滑移系相同，但滑移方向没有面心立方晶体多，原子密排的程度也较面心立方晶体低，所以其塑性比面心立方晶体的金属的Cu、Al、Ag等低。 第21页/共27页方式二：孪晶或双晶 单晶体塑性变形的另一种形式是李生。孪生是以晶体中一定的晶面（称为孪晶面）沿着一定的晶向（孪生方向）移动而发生的。第22页/共27页2.2.5 5 多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形的特点： 不同位向晶粒的相互协调性 在多晶体中，由于各个晶粒的取向不同，在一定外力作时下的受力

13、情况使各不相同，处于有利位向的晶粒首先开始滑移，处于不利位向的晶粒的滑移则开始较晚。先滑移的晶粒必然会受到周围晶粒的约束和限制，因而一方面使得处于有利取向晶粒的变形阻力增大，另一方面要求每个晶粒的变形必须与周围的晶粒相互协调和配合。 晶界对变形过程的阻碍作用 在多晶体中，滑移线和孪晶带大多中止于晶界处，这表明晶界对变形过程有着明显的阻碍作用。这种阻碍作用以及晶界本身的结构都与指邻晶粒的取向差有着密切的关系。在总变形量相同时，晶界的变形要比晶粒内部的变形小。 变形的不均匀性 在多晶体中，由于各个晶粒的空间位向不同，同一晶粒各个部位所受外界环环境的制约也不相同。这就使得各个晶粒或晶粒各部分的变形量和发展方例不同，因此多晶体的变形是不均匀的。第23页/共27页2.2.6 6 塑性变形对金属组织和性能的影响 1、纤维组织：、纤维组织：多晶体经变形后，各晶粒沿变形方向伸厂，当变形程度很大时，多晶体晶粒显著地沿同一方向拉长呈纤维状，这种晶粒组织称为纤维组织。图 金属变形前后的晶粒形状第24页/共27页2 2、变形 织构 多晶体各晶粒的滑移也有向外力方向转动的趋势。这样，在变形程