材料科学基础 西交版第八章-2

1、材料与化工学院材料与化工学院一、施密特定律一、施密特定律二、单滑移、多滑移和交滑移二、单滑移、多滑移和交滑移8.4 8.4 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形一、施密特定律一、施密特定律F F在那个在那个滑移系滑移系上的上的分切应力分切应力存在一存在一临界值临界值. .一旦达到临界值一旦达到临界值( (最大最大) )，那个滑移系那个滑移系一般首先开始动作。一般首先开始动作。一、施密特定律一、施密特定律滑移面滑移面的面积的面积 S= A/cosS= A/cos外力在外力在滑移方向滑移方向S S上的上的分力分力为为 F= FF= Fcoscos 滑移方向滑移方向上的分切应力：上的分切应力： = F/

2、S= F/S = F = Fcos/(A/coscos/(A/cos) ) = F/A = F/A(coscos(coscos) ) = = coscoscoscos当当=s s时，时， 晶体产生屈服，塑性变形开始。晶体产生屈服，塑性变形开始。 c c = = s scoscoscoscos 此式即为滑移的此式即为滑移的临界分切应力定律临界分切应力定律。 coscoscoscos为取向为取向( (施密特施密特) )因子因子( () )FF()一、施密特定律一、施密特定律 c c = = s scoscoscoscos对一定的材料来说对一定的材料来说, , c c只与晶体结构、滑移系类型、形变只

3、与晶体结构、滑移系类型、形变温度等有关，而与取向因子无关。温度等有关，而与取向因子无关。施密特施密特(Schmid(Schmid，E E) )实验实验: :右图为右图为s s=c c /(cos /(coscoscos) ) 图中实线为计算值，图中实线为计算值， 实验测量值由实验测量值由“。”表示。表示。 s s与与二者乘积为二者乘积为常数常数，表明在一定条件下，表明在一定条件下， 临界分切应力确为临界分切应力确为常数常数。一、施密特定律一、施密特定律 c c = = s scoscoscoscos值越大，值越大，s s越小，越有利于滑移。越小，越有利于滑移。当滑移面法线方向、当滑移面法线方向

4、、滑移方向与外力轴三者共滑移方向与外力轴三者共处一个平面，处一个平面，则则=45=45时时，coscoscoscos=1/2=1/2，此取向最有利，此取向最有利于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所需的分切应力，称此需的分切应力，称此取向为软取向取向为软取向。当外力与滑移面平行或垂直时当外力与滑移面平行或垂直时（=90=90或或=0=0），则），则s s，晶体无法滑移，晶体无法滑移，称此称此取向为硬取向取向为硬取向。对对s s的影响在密排六方结构中最为明显。的影响在密排六方结构中最为明显。 也适用于面心立方金属也适用于面心立方金属. . 二、单滑移、多滑移

5、和交滑移二、单滑移、多滑移和交滑移1.1.单滑移单滑移只有一个滑移系统上的分切应力最大只有一个滑移系统上的分切应力最大并达到了临界分切应力并达到了临界分切应力, ,这时发生了这时发生了单滑移。单滑移。 一组平行的滑移线一组平行的滑移线2 2多系滑移多系滑移(1)(1)当两个以上的滑移系，当两个以上的滑移系， 其上的分切应力同时满足其上的分切应力同时满足c c的的条件，条件， 而使各自滑移面上的位错同时启动，而使各自滑移面上的位错同时启动， 这种现象称为多系滑移。这种现象称为多系滑移。(2)(2)分析：分析： 多滑移易形成割阶或扭折，多滑移易形成割阶或扭折， 使滑移困难。使滑移困难。二、单滑移、

6、多滑移和交滑移二、单滑移、多滑移和交滑移3 3交滑移交滑移 (1)(1)螺位错的滑移面有无限多个，螺位错的滑移面有无限多个， 在某一滑移面上的运动受阻时，在某一滑移面上的运动受阻时， 可以离开这个面，可以离开这个面， 沿另一个晶面继续滑移，沿另一个晶面继续滑移， 且滑移方向不变。且滑移方向不变。 (3)(3)其滑移线的特点是折线。其滑移线的特点是折线。二、单滑移、多滑移和交滑移二、单滑移、多滑移和交滑移一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响8.5 8.5 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形晶界对晶粒

7、变形具有晶界对晶粒变形具有阻碍阻碍作用。作用。晶体位向晶体位向在各晶粒变形过程中具有相互在各晶粒变形过程中具有相互制约和协调性制约和协调性。一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响Hall-PetchHall-Petch公式公式: :二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响晶粒越细，材料的强度越高。晶粒越细，材料的强度越高。8.6 8.6 纯金属的变形强化纯金属的变形强化( (自学自学) )位错的交割、反应、增殖位错的交割、反应、增殖8.7 8.7 合金的变形与强化合金的变形与强化补充补充合金分类：合金分类： 单相固溶体合金单相固溶体合金

8、 多相合金多相合金 合金的塑性变形：合金的塑性变形： 单相固溶体合金塑性变形单相固溶体合金塑性变形 多相合金塑性变形多相合金塑性变形8.7 8.7 合金的变形与强化合金的变形与强化一、一、单相合金的变形与强化单相合金的变形与强化二、低碳钢的屈服和应变时效（了解）二、低碳钢的屈服和应变时效（了解）三、三、第二相对合金变形的影响第二相对合金变形的影响一、单相合金的变形与强化一、单相合金的变形与强化合金在形成合金在形成单相固溶体单相固溶体后变形时的后变形时的临界切应力临界切应力都高于纯金属，这都高于纯金属，这叫做叫做固溶强化。固溶强化。单相固溶体单相固溶体分类：分类： 置换式固溶体置换式固溶体 间隙

9、式固溶体间隙式固溶体一、单相合金的变形与强化一、单相合金的变形与强化置换式固溶体置换式固溶体1 1、原子尺寸差别、原子尺寸差别( (或称或称错配错配) )； 相差大时强化作用大。相差大时强化作用大。 原子尺寸差别原子尺寸差别 引起的引起的晶格畸变晶格畸变 产生一产生一内应力场内应力场 位错位错运动运动受阻受阻。2 2、存在弹性模量不同。、存在弹性模量不同。 弹性模量弹性模量 使位错的运动要额外作功。使位错的运动要额外作功。一、单相合金的变形与强化一、单相合金的变形与强化间隙式间隙式固溶体（以固溶体（以-Fe-Fe为例）为例）造成不对称畸变造成不对称畸变碳原子不仅和刃型位错，碳原子不仅和刃型位错

10、，也和螺型位错有强烈的交互作用，也和螺型位错有强烈的交互作用，因而产生了很强的因而产生了很强的固溶固溶强化效果。强化效果。三、第二相对合金变形的影响三、第二相对合金变形的影响 对位错的运动来说，第二相有两种情况：对位错的运动来说，第二相有两种情况： （1 1）可变形，位错切过第二相；）可变形，位错切过第二相； 尺寸较小并与基体保持共格的粒子尺寸较小并与基体保持共格的粒子 （2 2）不可变形，位错绕过第二相；）不可变形，位错绕过第二相； 尺寸较大并与基体保持非共格的粒子尺寸较大并与基体保持非共格的粒子 =Gb=Gb/L/L8.8 8.8 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能塑性变形对材料

11、塑性变形对材料组织组织和和性能性能的影响，的影响， 主要表现在以下方面：主要表现在以下方面： 显微显微组织组织变化变化， 包括晶粒形状的变化包括晶粒形状的变化 、亚结构的变化、亚结构的变化、形变织构形变织构 性能的变化性能的变化 ， 包括包括加工硬化加工硬化、力学性能力学性能、物理性能、化学性能、物理性能、化学性能 8.8 8.8 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能 一、冷变形金属的一、冷变形金属的力学性能力学性能 二、冷变形金属的二、冷变形金属的组织组织三、形变织构三、形变织构四、残余应力四、残余应力8.8 8.8 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能加工硬化加工硬化( (

12、形变硬化形变硬化) ) ： 把金属经屈服后，把金属经屈服后， 欲继续变形，欲继续变形， 须增加应力的现象。须增加应力的现象。 其表现为：其表现为： 晶体强度显著提高，晶体强度显著提高， 塑性明显下降。塑性明显下降。8.8 8.8 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能流变曲线：流变曲线： 真应力真应力- -应变曲线上的应变曲线上的均匀塑性变形均匀塑性变形部分，部分， 称为称为流变曲线流变曲线。经验公式：经验公式： KKn n n n值表示材料加工硬化的强弱，值表示材料加工硬化的强弱， 也反映材料均匀塑性变形的能力。也反映材料均匀塑性变形的能力。二、冷变形金属的组织二、冷变形金属的组织1

13、1、从组织形貌上看，、从组织形貌上看，(1)(1)沿变形方向，沿变形方向， 晶粒被拉长，晶粒被拉长， 晶界拉长成纤维状；晶界拉长成纤维状； 硬质颗粒或夹杂团呈带状分硬质颗粒或夹杂团呈带状分布。布。(2) (2) 出现了性能的各向异性。出现了性能的各向异性。二、冷变形金属的组织二、冷变形金属的组织2 2、从显微结构看，、从显微结构看，(1)(1)增加了结构缺陷，增加了结构缺陷， 提高了位错密度提高了位错密度。(2)(2)位错的组态和分布发生变化。位错的组态和分布发生变化。 造成位错缠结，构成造成位错缠结，构成胞状结构胞状结构。 称为位错胞。称为位错胞。(3)(3)流变应力和位错胞：流变应力和位错

14、胞： f f0 0+Kd+Kd-1-1，(4)(4)在位错胞内部，在位错胞内部， 位错密度很低，位错密度很低， 大部分位错都缠结在位错胞壁。大部分位错都缠结在位错胞壁。三、形变织构三、形变织构1 1、转动：、转动： 塑性变形时，晶体必须发生转动。塑性变形时，晶体必须发生转动。2 2、形变织构：、形变织构： (1)(1)转动使每个晶粒的某一取向，转动使每个晶粒的某一取向， 都转动到力轴方向上来，此称都转动到力轴方向上来，此称择优取向择优取向。 (2)(2)择优取向的多晶体取向结构，称为择优取向的多晶体取向结构，称为织构织构。 (3)(3)当晶体中的塑性变形量较大时，形成当晶体中的塑性变形量较大时

15、，形成形变织构形变织构。3 3、形变织构形态：、形变织构形态： 依材料的加工方式不同，形变织构有两种形态：依材料的加工方式不同，形变织构有两种形态： (1)(1)其一为其一为丝织构丝织构， 即拉拔时，各晶粒中的某一方向都趋于平行拉拔方向；即拉拔时，各晶粒中的某一方向都趋于平行拉拔方向； 用与拉拔轴平行的晶向指数用与拉拔轴平行的晶向指数uvwuvw 来表示；来表示； (2)(2)另一种织构为轧制时形成的另一种织构为轧制时形成的板织构板织构 即在板材轧制时，即在板材轧制时， 各晶粒中的某一指数晶面均趋于平行轧制面，各晶粒中的某一指数晶面均趋于平行轧制面， 各晶粒中的某一指数晶向均趋于平行轧制方向，各晶粒中的某一指数晶向均趋于平行轧制方向， 用该晶面指数用该晶面指数(hkl(hkl) )和晶向指数和晶向指数uvwuvw 表示板织构。表示板织构。三、三、形变织构形变织构四、残余应力四、残余应力金属冷变形时，内于各部分金属冷变形时，内于各部分变