学生用材料科学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第第5 5章章 材料形变和再结晶材料形变和再结晶第1页a a点点：百百分分比比极极限限p p,它它是是应应力力与与应应 变变 成成 正正 百百 分分 比比 最最 大大 极极 限限。=E=E 即胡克定律。即胡克定律。e e点点：弹弹性性极极限限e e，aeae段段应应力力与与应应变变不不再再保保持持正正比比关关系系，但但在在外外力撤除后变形仍可完全消除。力撤除后变形仍可完全消除。s s点点：屈屈服服极极限限s s，在在屈屈服服阶阶段段应应力力不不变变而而应应变变不不停停增增加加，这这种种现现象叫屈服。象叫屈服。b b点点：强强度度极极限限b b，让让试试件件继继续续变变形形，必必须须继继续续加加载载，最最高高点点（b b点点）所对应应力。所对应应力。k k点点：应应力力到到达达强强度度极极限限后后，试试件件局局部部发发生生猛猛烈烈收收缩缩现现象象，称称为为颈颈缩。缩。ap主要强度指标主要强度指标低碳钢在单向拉伸时应力应变曲线第2页工程上含有主要意义强度指标工程上含有主要意义强度指标弹性极限弹性极限e e屈服极限（屈服强度）屈服极限（屈服强度）s s强度极限（抗拉强度）强度极限（抗拉强度）b b 材料在受力时总是先发生弹性变形，即弹性变形是塑性变形先行阶段，而且在塑性变形中还伴伴随一定弹性变形。第3页5.1 5.1 弹性变形弹性变形5.1.1 弹性变形本质定义：定义：外力去除后能够完全恢复那部分变形。外力去除后能够完全恢复那部分变形。从原子间结协力角度来了解它物理本质。当原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。这么，外力去除后，原子都会恢复其原始位置。弹性变形第4页5.1.2 弹性变形特征和弹性模量普弹性普弹性（应变都是瞬时到达其平衡值）（应变都是瞬时到达其平衡值）晶体发生弹性变形时应力与应变成线性关系，去掉外力，应变完全消失，晶体恢复到未变形状态。弹性变形阶段应力与应变服从虎克定律。正应力正应变杨氏模量(弹性模量）第5页弹性变形主要特征是：(1)1)理想弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并理想弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。恢复原状。(2)(2)金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或卸载时，只要在金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或卸载时，只要在弹性变形范围内，其应力与应变之间都保持单值线性函数关系，弹性变形范围内，其应力与应变之间都保持单值线性函数关系，即服从虎克（即服从虎克（HookeHooke）定律。）定律。(3)(3)弹性变形量随材料不一样而异。弹性变形量随材料不一样而异。工程上，弹性模量是材料刚度度量。在外力相同情况下，材料E越大，刚度越大，材料发生弹性变形量就越小。第6页 滞弹性滞弹性滞弹性滞弹性（考虑时间作用，应变滞后应力）（考虑时间作用，应变滞后应力）（考虑时间作用，应变滞后应力）（考虑时间作用，应变滞后应力）一一些些实实际际晶晶体体，在在加加载载或或卸卸载载时时，应应变变不不是是瞬瞬时时到到达达其其平平衡衡值值，而而是是经经过过一一个个弛弛豫豫过过程程来来完完成成其其改改变变。这这种种在在弹弹性性极极限限 e e范范围围内内，应应变变滞滞后后于于外外加加应应力力，并并和和时时间间相相关关现现象象称称为为滞滞弹弹性性或或弹性后效。弹性后效。第7页 黏弹性黏性流动：非晶态固体和液体在很小外力作用下便会发生没有确定形状流变，而且在外力去除后，形变不能回复。所谓黏弹性，是指材料不但含有弹性材料普通特征，同时还含有黏性流体一些特征。理想弹性固体服从虎克定律，即应力正比于应变；而理想黏性流体服从牛顿定律，即应力正比于应变速率。这是两种极端情况，实际材料行为往往偏离这两个定律。在外力作用下，材料应力能够同时依赖于应变和应变速率，也就是兼有固体弹性和液态粘性二者特征所以称作材料黏弹性。黏弹性变形含有弹性变形和黏性变形两方面特征。黏弹性变形含有弹性变形和黏性变形两方面特征。黏弹性是高分子主要力学特征之一。黏弹性是高分子主要力学特征之一。第8页5.2 5.2 晶体塑性变形晶体塑性变形 塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形：材料在外力作用下发生永久变形而不被破坏能力。：材料在外力作用下发生永久变形而不被破坏能力。：材料在外力作用下发生永久变形而不被破坏能力。：材料在外力作用下发生永久变形而不被破坏能力。5.2.1 单晶体塑性变形金属塑性变形主要经过滑移方式进行，另外还有孪生与扭折。a.a.滑移线与滑移带滑移线与滑移带将表面经磨制抛光金属试样进行适当塑性变形，然后作显微观察。在抛光表面出现许多显著滑移变形痕迹，称为滑移带滑移带。若用电子显微镜观察，发觉每条滑移带均由许多聚集在一起相互平行滑移线所组成。滑移线实际上是晶体表面产生一个个滑移台阶造成。第9页滑移时，滑移面与滑移方向并不是任意。滑移面应是面间距最大密排面，滑移方向是原子最密排 方向，此时滑移阻力最小。b.b.滑移系滑移系一个滑移面和此面上一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构滑移面滑移面滑移面滑移面滑移方滑移方滑移方滑移方向向向向滑移系数滑移系数滑移系数滑移系数目目目目面心立方面心立方面心立方面心立方1111111111114343434312121212体心立方体心立方体心立方体心立方110110110110 112 123 112 123 112 123 112 1236262626212121212密排六方密排六方密排六方密排六方六方底面六方底面六方底面六方底面底面对底面对底面对底面对角线角线角线角线131313133 3 3 3结论：结论：结论：结论：滑移面普通总是密排面，滑移方向普通总是密排方向。滑移面普通总是密排面，滑移方向普通总是密排方向。滑移面普通总是密排面，滑移方向普通总是密排方向。滑移面普通总是密排面，滑移方向普通总是密排方向。每种晶体类型金属都含有特定滑移系。每种晶体类型金属都含有特定滑移系。每种晶体类型金属都含有特定滑移系。每种晶体类型金属都含有特定滑移系。滑移系数目越多，晶体塑性越好。滑移系数目越多，晶体塑性越好。滑移系数目越多，晶体塑性越好。滑移系数目越多，晶体塑性越好。第10页体心立方结构缺乏密排程度足够高密排面，故滑移面不太稳定，通常低温为112、中温为110，高温时为123，滑移方向很稳定总是111。112晶面族共包含12组不一样方位晶面，每晶面上都有一个111方向。123共有24组不一样方位晶面每晶面也有一个111方向。加上12个110 111滑移系，体心立方共有48个滑移系。体心立方金属滑移系较多，故比密排六方结构金属塑性好。但其滑移面原子密排程度不如面心立方，滑移方向数目也少于面心立方，故体心立方金属不如面心立方金属塑性好。第11页c.c.滑移临界分切应力滑移临界分切应力该分切应力称为滑移该分切应力称为滑移临界分切应力临界分切应力。当晶体受到外力作用时，不论外力方向、大小和作用方式怎样，均可将其分解成垂直某一晶面正应力与沿此晶面切应力。只有外力引发作用于滑移面上、沿滑移方向分切应力到达某一临界值时，滑移过程才能开始。第12页F在滑移方向上切向分力 F=Fcos滑移面面积横截面上正应力取向因子临界分切应力临界分切应力分切应力分切应力圆柱形单晶体圆柱形单晶体第13页当取向因子到达最大值(0.5)s最小，即用最小拉应力就能到达k。取向因子大为取向因子大为软取向软取向，取向因子小为取向因子小为硬取向硬取向。当90度或当90度时，s均为无限大，这就是说，当滑移面与外力方向平行，或者是滑移方向与外力方向垂直情况下不可能产生滑移。第14页d.d.滑移时晶面转动滑移时晶面转动单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往作伴伴随晶面转功，对于只有一组滑移面密排六方结构，这种现象尤为显著。拉伸时，滑移面趋于与轴向平行；压缩时，滑移面趋于与轴向垂直。第15页e.e.多系滑移多系滑移变形时晶面转动变形时晶面转动滑移首先在取向最有利滑移系滑移首先在取向最有利滑移系（其分切应力最大）中进行（其分切应力最大）中进行另另一一组组滑滑移移面面上上分分切切应应力力也也可可能能逐逐步步增增加加到到足足以以发发生滑移临界值以上生滑移临界值以上晶体滑移就可能在两组或更多晶体滑移就可能在两组或更多滑移面上同时进行或交替地进行滑移面上同时进行或交替地进行多系滑移多系滑移含有多组滑移系晶体不一样滑移系位错相互交截而给位错继续运动带来困难 强化机制第16页对于含有较多滑移系晶体而言，除多系滑移外，还常可发觉交滑移现象，即两个或多个滑移面沿着某个共同滑移方向同时或交替滑移。交滑移实质是螺位错在不改变滑移方向前提下，从一个滑移面转到相交接另一个滑移面过程，可见交滑移能够使滑移有更大灵活性。第17页金属单晶体经典应力一应变曲线金属单晶体经典应力一应变曲线 （也称加工硬化曲线）（也称加工硬化曲线）I I阶段阶段易滑移阶段易滑移阶段 阶段阶段线性硬化阶段线性硬化阶段 阶段阶段抛物线型硬化阶段抛物线型硬化阶段 当当 到达晶体到达晶体 后，应力增加不多，便能产生相当大变形。此段靠后，应力增加不多，便能产生相当大变形。此段靠近于直线，加工硬化率（斜率）低。近于直线，加工硬化率（斜率）低。伴伴随随应应变变量量增增加加，应应力力线线性性增增加加，此此段段也也呈呈直直线线，且且斜斜率率较较大大，加工硬化十分显著加工硬化十分显著 。随随应应变变增增加加，应应力力上上升升迟迟缓缓，呈呈抛物线型，加工硬化率逐步下降。抛物线型，加工硬化率逐步下降。第18页多晶体是由许多取向不一样小单晶体（晶粒）组成，晶粒与晶粒之间过渡区域即为晶界。5.2.2 多晶体塑性变形晶界在多晶体塑性变形中四个作用：1、协调作用2、障碍作用（低温或室温下）3、促进作用（高温下）4、起裂作用第19页多晶体塑性变形特征多晶材料形变基本过程与单晶相同，但复杂得多。其复杂性源自晶界以及邻接晶粒限制作用。换言之，外加应力是经过周围晶粒传输到个别晶粒，同时一个晶粒形变必定包括到各邻接晶粒形变，多晶材料强多晶材料强度显然应高于单晶度显然应高于单晶。由此也可推断，细化晶粒必能提升材料强度与硬度。第20页1 1晶粒取向影响晶粒取向影响 多晶体塑性变形时要求每个晶粒最少能在多晶体塑性变形时要求每个晶粒最少能在5 5个独立滑移个独立滑移系上进行滑移。系上进行滑移。处于有利位向晶粒首先发生滑移，处于不处于有利位向晶粒首先发生滑移，处于不利方位晶粒却还未开始滑移。利方位晶粒却还未开始滑移。多晶体中各晶粒之间变形要相互协调与配合多晶体中各晶粒之间变形要相互协调与配合 。第21页施施于于任任何何给给定定晶晶粒粒载载荷荷对对于于每每一一可可能能滑滑移移系系都都可可分分解解成成切切应应力力和和正正应应力力。当当切切应应力力超超出出材材料料临临界界切切应应力力时时，就就会会造造成成位位错错产产生生与与运运动动从从而而产产生生材材料塑性变形。料塑性变形。材材料料变变形形时时，正正正正应应应应力力力力分分分分量量量量会会会会造造造造成成成成每每每每个个个个晶晶晶晶粒粒粒粒都都都都在在在在转转转转动动动动，使使运运行行中中滑滑移移方方向向愈愈趋趋近近拉拉力力方方向向。多多晶晶体体变形是各晶粒联合变形总结果。变形是各晶粒联合变形总结果。多多晶晶体体变变形形包包括括沿沿滑滑移移面面和和沿沿晶晶界界两两种种运运动动，这这就就更更增增加加了了复复杂杂性性，因因为为滑滑移移可可能能改改变变着着晶晶界界方方向。向。第22页为协调已发生塑变晶粒形状改变，四面晶粒必须是多系滑移。这么有越来越多晶粒分批滑移，造成宏观塑变效果。面心立方与体心立方滑移系多，各晶粒变形协调性好，所以塑性好。密排六方滑移系少，协调性差，塑性也差。第23页室温变形时，因为晶界附近滑移受阻，使晶粒内室温变形时，因为晶界附近滑移受阻，使晶粒内部和晶界变形量不一样，所以整个晶粒变形是不部和晶界变形量不一样，所以整个晶粒变形是不均匀。图为两个晶粒变形后呈竹节状说明室温均匀。图为两个晶粒变形后呈竹节状说明室温变形时晶界含有显著强化作用。变形时晶界含有显著强化作用。晶粒竹节状晶粒竹节状2 2晶界影响晶界影响 第24页位错塞积位错塞积 在外加应力作用下，只有处于有利位向晶粒中那些在外加应力作用下，只有处于有利位向晶粒中那些取向因子最取向因子最取向因子最取向因子最大滑移系才能首先开动大滑移系才能首先开动大滑移系才能首先开动大滑移系才能首先开动。周围位向不利晶粒各滑移系上分切应。周围位向不利晶粒各滑移系上分切应力还未到达临界值，所以还没发生塑变处于弹性变形状态。力还未到达临界值，所以还没发生塑变处于弹性变形状态。当有晶粒塑变时，就意味着其滑移面上位错源将不停产生位错，当有晶粒塑变时，就意味着其滑移面上位错源将不停产生位错，大量位错将沿滑移面源源不停运动，但因为四面晶粒位向不一大量位错将沿滑移面源源不停运动，但因为四面晶粒位向不一样，滑移系位向也不一样，样，滑移系位向也不一样，运动着位错不能越过晶界运动着位错不能越过晶界运动着位错不能越过晶界运动着位错不能越过晶界，于是晶，于是晶界处将形成位错平面塞积群。界处将形成位错平面塞积群。晶界附近产生位错塞积群会对晶内位错源产生一反作用力，此晶界附近产生位错塞积群会对晶内位错源产生一反作用力，此反作用力随位错塞积群数目增多而增大。反作用力随位错塞积群数目增多而增大。随外载荷增加，应力集中和外加应力迭加使相邻晶粒某滑随外载荷增加，应力集中和外加应力迭加使相邻晶粒某滑移系上分切应力到达临界值，于是该滑移系起动，开始塑移系上分切应力到达临界值，于是该滑移系起动，开始塑性变形。性变形。第25页晶粒大小对塑性变形影响晶粒越细，单位体积所包含晶界越多，其强化效果越好。这种用细化晶粒提升金属强度方法叫细晶强化。屈服强度与晶粒直径有以下关系：霍尔佩奇（Hall-Petch）公式 s s 是多晶体屈服强度；是多晶体屈服强度；0 0 相当于极大单晶屈服强度；相当于极大单晶屈服强度；K K 是晶界对变形影响系数；是晶界对变形影响系数；d d 是晶粒平均直径。是晶粒平均直径。多晶体强度随其晶粒细化而提升。第26页Cu单晶与多晶曲线比较单晶与多晶曲线比较拉应力拉应力伸长伸长 多多晶晶体体应应力力一一应应变变曲曲线线不不会会出出现现单单晶晶曲曲线线第第I I阶阶段段，而而且且其其硬硬化化曲曲线线通通常常更更陡陡，细细晶晶粒粒多多晶晶体体在在变变形形开开始始阶阶段段尤尤为为显著。显著。Al单晶与多晶曲线比较单晶与多晶曲线比较3.多晶体应力一应变曲线多晶体应力一应变曲线塑性变形过程中塑性变形过程中位错密度增加及其所产生钉扎作用位错密度增加及其所产生钉扎作用是造成加工硬化决定是造成加工硬化决定性原因。性原因。第27页5.6 高聚物变形特点高聚物变形特点高分子材料受力时，它也显示出弹性和塑性变形行为，其总应变为 弹弹性性变变形形e由两种机制组成，即链内部键拉伸和畸变，以及整个链段可回复运动。塑性变形塑性变形v是靠黏性流动而不是靠滑移产生。第28页聚合物产生塑性变形难易程度与该材料粘度聚合物产生塑性变形难易程度与该材料粘度相关。黏度是流体抗拒流动程度，是流体分相关。黏度是流体抗拒流动程度，是流体分子间相互吸收而产生妨碍分子间相对运动能子间相互吸收而产生妨碍分子间相对运动能力量度，即流体流动内部阻力。物质在外力力量度，即流体流动内部阻力。物质在外力作用下，液层发生位移，分子间产生摩擦，作用下，液层发生位移，分子间产生摩擦，对摩擦所表现抵抗性称为绝对黏度，简称黏对摩擦所表现抵抗性称为绝对黏度，简称黏度。度。黏度高，黏性变形小。黏度高，黏性变形小。高聚物力学行为强烈依赖于温度及外力作用高聚物力学行为强烈依赖于温度及外力作用时间。时间。第29页应力-应变试验 不一样高分子含有不一样应力不一样高分子含有不一样应力-应变曲线（非晶态和晶态）。应变曲线（非晶态和晶态）。非非晶晶态态高高聚聚物物经经典典应应力力一一应应变变曲曲线线如如图图所所表表示示。曲曲线线A A是是脆脆性性高高分分子子应应力力一一应应变变特特征征，它它在在材材料料出出现现屈屈服服之之前前发发生生断断裂裂，是是脆脆性性断断裂裂。在在这这种种情情况况下下，材材料料断断裂裂前前只只发发生生很很小小变变形形。曲曲线线B B是是玻玻璃璃态态聚聚合合物物应应力力一一应应变变行行为为，它它在在开开始始时时是是弹弹性性形形变变，然然后后出出现现了了一一个个转转折折点点，即即屈屈服服点点，最最终终进进入入塑塑性性变变形形区区域域，材材料料展展现现塑塑性性行行为为。此此时时若若除除去去应应力力，材材料料不不再再恢恢复复原原样样，而而留留有有永久变形；曲线永久变形；曲线C C是弹性体应力一应变曲线。是弹性体应力一应变曲线。高高聚聚物物材材料料品品种种多多样样，依依据据拉拉伸伸行行为为可可分分为为5 5种种类类型型：软软而而弱弱，硬而脆，强而硬，软而韧，硬而韧。硬而脆，强而硬，软而韧，硬而韧。第30页脆性断裂与韧性断裂判断标准1、应力-应变曲线2、试样断裂面形貌3、冲击强度同一高聚物材料表现为脆性或韧性与试验条件或所处环境相关，温度和应变速率是主要影响原因。（低温脆性高温韧性；拉伸速度提升，韧性下降等）第31页高聚物断裂时微观结构破坏过程高聚物断裂时微观结构破坏过程a化学键破坏b分子链滑脱c范德华力或氢键破坏银纹现象银纹现象高分子材料表面或内部出现裂纹时，裂纹总是垂直于应力方向，因为裂纹区折射率低于高聚物本体，在裂纹和本体高聚物之间界面上有全反射现象，裂纹看上去呈银色光亮条纹，所以形象地称之为“银纹”。银纹是高分子材料特有现象。裂纹或银纹在较大外力作用下会深入发展成裂缝，最终使材料发生断裂而破坏。第32页5.6.2晶态高聚物很很多多高高分分子子材材料料在在塑塑性性变变形形时时往往往往会会出出现现均均匀匀形形变变不不稳稳定定性性。在在试试样样某某个个部部位位应应变变比比试试样样整整体体应应变变增增加加得得愈愈加加快快速速，使使原原来来均均匀匀形形变变变变成成了了不不均均匀匀形形变变，展展现现出出各各种种塑塑性性不不稳稳定定性性，最最常常见见和和最最主主要要是是拉拉伸伸试试验中细颈形成。验中细颈形成。图图示示为为经经典典结结晶晶高高分分子子在在单单向向拉拉伸伸时时应应力力-应应变变曲曲线。线。第33页 结结晶晶高高分分子子应应力力-应应变变曲曲线线比比玻玻璃璃态态高高聚聚物物拉拉伸伸曲曲线线含含有有更更显显著著转转折折，整整个个曲曲线线可可分分为为三三段。段。第第一一段段应应力力随随应应变变线线性性地地增增加加，试试样样被被均均匀匀地地拉拉长长，仲仲长长率率可可达百分之几到百分之十几。达百分之几到百分之十几。过过了了屈屈服服点点后后，开开始始进进入入第第二二阶阶段段，试试样样截截面面突突然然变变得得不不均均匀匀，出出现现一一个个或或几几个个细细颈颈。在在第第二二阶阶段段，细细颈颈与与非非细细颈颈部部分分截截面面积积分分别别维维持持不不变变而而细细颈颈部部分分不不停停扩扩展展，非非细细颈颈部部分分逐逐步步缩缩短短，直直至至整整个个试试样样完完全全变变细为止。细为止。第第三三阶阶段段是是应应力力随随应应变变增增加加而而增大直到断裂点。增大直到断裂点。abcd第34页当结晶高分子受拉发生形变时，晶体之间非晶部分首先发生形变。所以在施加张力条件下，观察片晶和片晶间无定形区域相互作用，能很好地解释塑性变形机理。这个过程分以下几个步骤。第35页end第36页