材料科学基础7-塑性变形.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 材料的塑性变形,Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E,第六章 材料的塑性变形,纳米铜的室温超塑性,6.1 金属的应力-应变曲线,弹性变形塑性变形断裂,塑性指标：,延伸率：,=(l,k,-l,0,)/l,0,*100%,断面收缩率：,=(F,0,-F,k,/F,0,)*100%,6.1.1 工程应力-应变曲线,6.2 单晶体的塑性变形,常温下塑性变形的主要方式：,滑移,、,孪生,、,扭折。,一 滑移,1 滑移：在切应力作用下，晶体的一,部分相对于另一部分沿着一,定的晶面（,滑移面,）和晶向,（,滑移方向,）产生相对位移，,且不破坏晶体内部原子排列,规律性的塑变方式。,6.2 单晶体的塑性变形,一 滑移,光镜下：滑移带,（,无重现性,）。,2 滑移现象,电境下：滑移线。,3 滑移的晶体学,滑移面（密排面）,（1）几何要素,滑移方向（密排方向）,（2）滑移系,滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。,滑移系的个数:(滑移面个数）（每个面上所具有的滑移方向,的个数）,滑移系数目与材料塑性的关系,一般滑移系越多，塑性越好；,与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；,与同时开动滑移系数目有关（,c,）。,金属的塑性变形能力：,fcc bcc hcp,（,3,）滑移的临界分切应力（,c,）,c,取决于金属的本性，不受,，,的影响；,或,90,时，,s,；,c,s,cos,cos,s,的取值,，,45,时，,s,最小，晶体易滑移；,软取向：值大；,取向因子：,cos,cos,硬取向：值小。,5 多滑移,（1）滑移的分类,多滑移：在多个（2）滑移系上同时或交替进行的滑移。,双滑移：,单滑移：,（2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。,6 交滑移,（1）,交滑移,：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的,滑移。,（2）机制,螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑,移面的过程；,螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。,7 滑移的表面痕迹,单滑移：单一方向的滑移带；,多滑移：相互交叉的滑移带；,交滑移：波纹状的滑移带。,6.2 单晶体的塑性变形,二 孪生,（1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分,沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取,向的镜面对称关系。,孪生面 A1111,A2112,A31012,（2）孪生的晶体学 孪生方向 A1,A2,A3,孪晶区,二 孪生,（,3,）,孪生变形的特点,滑移,孪生,相同点,1 切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；3 不改变结构,。,不,同,点,晶体位向,不改变（对抛光面观察无重现性）,。,改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）,位移量,滑移方向上原子间距的整数倍，较大。,小于孪生方向上的原子间距，较小。,对塑变的贡献,很大，总变形量大。,有限，总变形量小。,变形应力,有一定的临界分切压力,所需临界分切应力远高于,滑移,变形条件,一般先发生滑移,滑移困难时发生,变形机制,全位错运动的结果,分位错运动的结果,6.3 多晶体的塑性变形,3 晶界对变形的阻碍作用,（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。,（2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。,（3）晶粒大小与性能的关系,a 晶粒越细，强度越高,(,细晶强化,：霍尔配奇公式),s,=,0,+kd,-1/2,原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。,（有尺寸限制）,晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中,导致的开裂机会减少，可承受更大的变,形量，表现出,高塑性,。,b 晶粒越细，塑韧性提高,细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易,萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂,过程中可吸收较多能量,表现,高韧性,。,（3）屈服和应变时效,现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。,在延伸阶段，试样的应变是不均匀的。开始变形时会在样品表面出现与拉伸轴呈45,交角的应变痕，称为,吕德斯(L,ders,)带,，应力同时下降到下屈服点。,预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或200加热后再加载出现屈服。,原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。,（4）固溶强化的影响因素,溶质原子含量越多，强化效果越好；,溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；,价电子数差越大，强化效果越好；,间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。,二 多相合金的塑性变形,1 结构：基体第二相。,2 性能,（1）两相性能接近：按强度分数相加计算。,（2）软基体硬第二相,第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；,a结构 两相呈层片状分布（珠光体）；,第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。,6.5,塑性变形对材料组织和性能的影响,一 对组织结构的影响,晶粒拉长;,1 形成纤维组织,杂质呈细带状或链状分布。,一 对组织结构的影响,2 形成形变织构,（1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优,取向的组织。,丝织构,：,某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）,（2）类型,板织构,：,某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平,行于主变形方向。（轧制时形成）,一 对组织结构的影响,2 形成形变织构,力学性能：利:深冲板材变形控制;弊：制耳,。,（3）对性能的影响,(,各向异性，变形能不同),物理性能:硅钢片100100织构可减少铁损。,形变织构使金属呈现各向异,性,，,在深冲零件时，易产生,“制耳”,现象，使零件边缘不,齐，厚薄不匀。,但织构可提,高硅钢片的导磁率。,二 对性能的影响,1 对力学性能的影响（加工硬化）,（1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。,二 对性能的影响,1 对力学性能的影响（加工硬化）,强化金属的重要途径；,利 提高材料使用安全性；,（2）利弊 材料加工成型的保证。,弊 变形阻力提高，动力消耗增大；,脆断危险性提高。,二 对性能的影响,2 对物理、化学性能的影响,导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；,结构缺陷增多，扩散加快；,化学活性提高，腐蚀加快。,三 残余应力（约占变形功的10）,第一类残余应力（,）：宏观内应力，由整个物,体变形不均匀引起。,1 分类 第二类残余应力（,）：微观内应力，由晶粒变,形不均匀引起。,第三类残余应力（,）：点阵畸变，由位错、空,位等引起。80-90%。,三,残余应力（约占变形功的,10,）,利：预应力处理，如汽车板簧的生产。,2,利弊,弊：引起变形、开裂,如黄铜弹壳的腐蚀开裂。,3,消除：去应力退火。,去应力退火（回复退火）：消除第一、第二类内应力，保持部分加工硬化。,再结晶退火：消除所有内应力，消除加工硬化。,第三类内应力是形变金属中的主要内应力，,也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应,力都使金属强度降低。,内应力的存在，,使,金属耐蚀性下降，引,起零件加工、淬火过,程中的变形和开裂。,因此，金属在塑性,变形后，通常要进行,退火,处理，以消除或,降低内应力。,晶界位错塞积所引起的应力集中,6.6 聚合物的变形,聚合物由大分子链构成，一般都具有柔性，变形时除了整个分子的相对运动外，还可以实现分子不同链段之间的相对运动。这种,运动强烈依赖于温度和时间，具有明显的松弛特性。,*三个应力指标：,L,：,比例极限,；,y,：,屈服强度,；,b,：,断裂强度,。,注意与金属材料相关参数的区别。,6.6.1 热塑性聚合物的变形,6.6.1.1 热塑性聚合物的应力-应变曲线,L,，,弹性变形,L,y,，,屈服软化,随后出现应力平台,应力,0,L,y,应变,b,b,y,L,/MPa,20,40,60,80,0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25,4,C,20,C,30,C,40,C,50,C,60,C,温度对有机玻璃拉伸应力-应变行为的影响,温度和应变速率的影响,由于聚合物具有,粘弹性,，应力-应变行为受温度、,应变速率,的影响很大。,一般的说，热塑性材料在玻璃化温度,T,g,以下,只发生,弹性变形,，而在T,g,以上产生,粘性流动,。,应变速率过大会使聚合物自身升温。对应力-应变行为的影响相当于改变温度。,6.6.1.2 屈服与冷拉：,聚合物与金属材料相比有以下特点：,1,模量和强度,比金属,低,得多，,伸长率,比金属,高,得多,；,2,聚合物屈服以后会出现,应变软化,；,3 聚合物的,屈服应力强烈依赖于温度和应变速率,。,聚合物塑性变形与金属区别。,0 应变,应力,如果试样在被拉断前卸载，或者被拉断而自动卸载，则大部分变形将保留下来，这种拉伸过程叫,冷拉,。,玻璃态聚合物冷拉后残留的变形被加热到玻璃化温度T,g,以上基本上能完全恢复,，这说明,玻璃态聚合物,冷拉变形是高弹性的，,这种在外力作用下被迫产生的高弹性称为,强迫高弹性,。原因是,原本被固定了的大分子链段在外力作用下发生了高度的取向运动,而形成大变形。,强迫高弹性成因示意图,结晶性高聚物的冷拉变形往往要升温到熔点T,m,以上才能恢复。这是因为,结晶性聚合物的冷拉过程伴随有晶粒的取向、破裂和再结晶等过程,。晶粒取向导致的硬化使缩颈能沿试样扩展而不断裂。,取向改变的晶粒在熔点T,m,以下是稳定的,。,聚合物冷拉缩颈过程的真应力-真应变曲线见图6-54。,冷拉变形,是制备高模量和高强度纤维的重要工艺,。,高聚物冷拉过程的真应力-真应变曲线,6.6.1.3,剪切带与银纹,：聚合物屈服时的塑性变形是以剪切滑移的方式进行的，,当滑移发生在一小范围内时则形成,剪切带,。图示为聚对苯二甲酸乙二脂试样中的剪切带，,带内的分子链取向高度平行,。,剪切带通常形成于,材料的缺陷或裂缝,等应力集中区域。,孪生和马氏体转变,也可形成剪切带。,某些玻璃态聚合物在拉伸时会,在表面产生与拉伸轴垂直的微细凹槽,，其成因是材料在张应力的作用下,局部屈服变形,，类似于缩颈过程。因它能反射光线而显得银光闪闪，故称,为,银纹,。,银纹不同于裂纹，裂纹的两个张开面之间是空的，而,银纹是由高度取向的纤维束和空穴组成,，仍有一定的强度。,/MPa,100,50,0 10 20,/10,-2,拉伸,压缩,环氧树脂在室温下拉伸和压缩时的应力-应变曲线,6.6.2 热固性塑料的变形,热固性塑料为三维网格结构，分子移动困难，,拉伸时显示出脆性,金属或陶瓷一样的变形特性，但在,压缩时,却可以发生大量的,塑性变形,。,环氧树脂为一种强交联聚合物，其T,g,为100,C,，在室温下呈刚硬的玻璃态，但在压缩时容易剪切屈服并出现应变软化。剪切屈服的过程是均匀的，试样不出现任何局部变形现象。,6.7 陶瓷材料的塑性变形,陶瓷的强度高、重量轻、耐高温、耐磨损、耐腐蚀，用途极广。但塑性和韧性都差，限制了其应用范围。,6.7.1 陶瓷晶体的塑,性变形：陶瓷晶体通,常为共价键或离子键,结构，在室温下一般,都没有塑性，弹性变,形阶段结束后立即发,生脆性断裂。,0,陶瓷,金属,与金属材料相比，陶瓷晶体有以下特点：,1,弹性模量比金属大得多,，常高出几倍。,2,陶瓷晶体的弹性模量不仅与键结构有关，而且与相结构及其分布，以及气孔率相关,，而金属材料的弹性模量对组织不敏感。,3 陶瓷的,抗压强度高于抗拉强度约一个数量级,，而金属的两者相当，这是由于,陶瓷中存在裂纹,的缘故。,4 陶瓷的实际断裂强度低于理论强度约13个数量级，其原因是,生产工艺缺陷导致的微裂纹,引起应力集中。,5 与金属材料相,比，陶瓷晶体具,有良好的高温抗,蠕变,性能，而且,在高温下也有一,定塑性。,f,0,低温高速、低速加载,高温高速加载,高温低速加载,蠕变 creep 固体材料在保持应力(小于弹性极限)不变的情况下，应变随时间缓慢增长的现象。金属、高分子材料和岩石等在一定条件下都具有蠕变性质。蠕 变材料的 瞬 时应力状态不仅与瞬 时变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程有关。瞬时响应后随时间发展的蠕变一般可分成 3个阶段：第一阶段是衰减蠕变，应变率（应变的时间变化率）随时间增加而逐渐减小；第二阶段是定常蠕变，应变率近似为常值；第三阶段是加速蠕变，应变率随时间逐渐增加，最后导致蠕变断裂。,同一材料在不同的应力水平或不同温度下，可处在不同的蠕变阶段。通常温度升高或应力增大会使蠕变加快。不同材料的蠕变微观机制不同。引起多晶体材料蠕变的原因是原子晶间位错引起的点阵滑移以及晶界扩散等；而聚合物的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。研究材料的蠕变性质对安全而经济地设计结构和机械零件具有重要意义。,6.7.2 非晶体陶瓷的变形：玻璃的变形表现为各向同性的,黏滞性流动,。分子链等原子团在应力作用下相对运动引起变形，原子团之间的相互作用表现为变形阻力，或叫,流阻力,。,流阻力与玻璃的黏度,有关，而,与温度相关：,=,0,exp(Q,/RT)(7-12),式中Q,为粘滞变形激活能；,0,为常数。,Q,前加“”是强调随温度上升，,总是减小的。温度和成分对玻,璃黏度的影响见,图示。改变玻璃,组分，如,加入,Na,2,O等变质剂可,以打破SiO,2,的网,络结构,，使原子,团容易运动，能,降低玻璃的黏度。,1400 1000 600,C,10,4,10,8,10,12,(Pa.s),2 4 6 8 10(10,4,K,-1,),熔融石英,w,SiO2,=0.96,钠钙玻璃,硼硅酸盐,铅玻璃,玻璃的韧化：将玻璃加热到退火温度，然后快冷，当玻璃表面收缩变硬而内部仍然可流动时，将玻璃小幅度变形使表面拉应力松弛；当玻璃内部完全冷却而收缩时，会在表层产生残余压应力。,残余压应力使表面微裂纹不易萌生和扩展,，玻璃便不易破裂了。,