第5章 材料的形变和再结晶一.ppt

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1、第5章 材料的形变和再结晶 材料受力材料受力F弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形断裂断裂研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解各研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解各种内外因素对变形的影响，以及研究讨论冷变形种内外因素对变形的影响，以及研究讨论冷变形材料在回复再结晶过程中组织、结构和性能的变材料在回复再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律，具有十分重要的理论和实际意义化规律，具有十分重要的理论和实际意义 5.1 弹性和粘弹性弹性和粘弹性 弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形5.1.1弹性变形的本质 rUOr00dUdr(a)rFO斜率S0r00吸引力排斥力(b)弹性变形弹性变形是指外力去除是指

2、外力去除后能够完全恢复的那部后能够完全恢复的那部分变形，可从原子间结分变形，可从原子间结合力的角度来了解它的合力的角度来了解它的物理本质物理本质 图（图（a）体系能量与原子）体系能量与原子间距的关系和（间距的关系和（b）原子）原子作用力和距离的关系作用力和距离的关系5.1.2弹性变形的特征和弹性模量 弹性变形的主要特征是：弹性变形的主要特征是：（1）理想的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（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（Hooke）定律：在正应力下，=E，在切应力下，=G，式中，

3、分别为正应力和切应力；，分别为正应变和切应变；E，G分别为弹性模量（杨氏模量）和切变模量Robert Hooke 1635 1703弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：式中，式中，v为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金属材料的泊松比在属材料的泊松比在0.250.35之间，高分子材料则相之间，高分子材料则相对较大些对较大些弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。金刚石一类表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。金刚石一类的共价键晶体由于其

4、原子间结合力很大，故其弹性模的共价键晶体由于其原子间结合力很大，故其弹性模量很高；金属和离子晶体的则相对较低；而分子键的量很高；金属和离子晶体的则相对较低；而分子键的固体如塑料、橡胶等的键合力更弱，故其弹性模量更固体如塑料、橡胶等的键合力更弱，故其弹性模量更低，通常比金属材料的低几个数量级。低，通常比金属材料的低几个数量级。（3）弹性变形量随材料的不同而异）弹性变形量随材料的不同而异 多数金属材料多数金属材料线性弹性变量不超过0.5%高分子材料高分子材料非线性高弹性变量最高可达1000%低于比例极限sp的应力范围内 符合虎克定律 一般 情况不符合虎克定律 5.1.3弹性的不完整性弹性的不完整性

5、多数工程上应用的材料为多晶体甚至为非晶态或者是两者皆有的物质，其内部存在各种类型的缺陷，弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象，称之为弹性的不完整性弹性的不完整性。弹性的弹性的不完整性不完整性包申格效应包申格效应 弹性后效弹性后效 弹性滞后弹性滞后 1包申格效应 材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4），而后同向加载则e升高，反向加载则 e下降。此现象称之为包申格效应。它是多晶体金属材料的普遍现象。2弹性后效一些实际晶体，在加载或卸载时，应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程来完成其变化的。这种在弹性极限se范围内，应变滞后于

6、外加应力，并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性 c应变adOcabanan00时间恒应力下的应变弛豫由于应变落后于应力，在-曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称之为弹性滞后弹性滞后 3.弹性滞后弹性滞后OOO(a)(b)(d)(c)弹性滞后(环)与循环韧性 (a)单向加载;(b)交变加载(慢);(c)交变加载(快);(d)交变加载塑性滞后5.1.4粘弹性 变形形式除了弹性变形、塑性变形外还有一种粘性流动。所谓粘性流动是指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的流变，并且在外力去除后，形变不能回复。纯粘性流动服从牛顿粘性流动定律：纯粘性流动服从牛顿粘性流动定律：ddt

7、式中 为应力，为应变速率，称为拈度系数，反映了流体的内摩擦力，即流体流动的难易程度，其单位是Pa s一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时可以一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，这就是同时表现出弹性和粘性，这就是粘弹性现象粘弹性现象 1.Maxwell 模型模型 对解释应力松弛特别有用对解释应力松弛特别有用E应力随时间的变化应力随时间的变化00()exp()exp()EtttE式中，称为松弛系数E2.Voight 模型模型可用来描述蠕变回复、弹性后效和弹性记忆等过程粘弹性变形的特点是应变落后于应力。当加上周期应粘弹性变形的特点是应变落后于应力。当加上周期

8、应力时，应力力时，应力应变曲线就成一回线，所包含的面积即应变曲线就成一回线，所包含的面积即为应力循环一周所损耗的能量，即内耗为应力循环一周所损耗的能量，即内耗()dtEdt5.2晶体的塑性变形晶体的塑性变形 5.2.1单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要主要滑移滑移孪生孪生扭折扭折高温情况高温情况扩散性变形扩散性变形晶界滑动和移动晶界滑动和移动1滑移滑移 a滑移线与滑移带滑移线与滑移带 当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片之间的相对滑移，大量的层片间滑动的累积就构成晶之间的相对滑移，大量的层片间滑动的累积就构成晶体的宏观塑性变形体的宏观塑

9、性变形 对滑移线的观察也表明了晶体塑性变形的不均匀性，滑移只是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已 滑移带形成示意图b滑移系滑移系 塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为些晶面和晶向分别称为“滑移面滑移面”和和“滑移方向滑移方向”。晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同 滑移面通常是滑移面通常是原子的密排面原子的密排面滑移方向通常是滑移方向通常是原子的密排方向原子的密排方向原子密度最大的晶面其面间距最原子密度最大的晶面其面间距最大，

10、点阵阻力最小，因而容易沿大，点阵阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移着这些面发生滑移 最密排方向上的原子间距最短，最密排方向上的原子间距最短，即位错即位错b最小最小 一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系滑移系 在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，滑移过程在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向便愈多，滑移容易进行，它的塑可能采取的空间取向便愈多，滑移容易进行，它的塑性便愈好性便愈好 面心立方晶体的滑移系共有11143=12个；体心立方晶体，可同时沿110112123晶面滑移，故滑移系共有11062+1121

11、21+123241=48个；而密好六方晶体的滑移系仅有(0001)13=3个。由于滑移系数目太少，hcp多晶体的塑性不如fcc或bcc的好。c滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力 晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力分切应力 滑移的临界分切应力是一个真实反映单晶体受力起始屈服滑移

12、的临界分切应力是一个真实反映单晶体受力起始屈服的物理量。其数值与晶体的类型、纯度，以及温度等因素的物理量。其数值与晶体的类型、纯度，以及温度等因素有关，还与该晶体的加工和处理状态、变形速度，以及滑有关，还与该晶体的加工和处理状态、变形速度，以及滑移系类型等因素有关移系类型等因素有关 cos cosFAcosA法线滑移方向FFA计算分切应力的示意图计算分切应力的示意图F在滑移方向的分力为在滑移方向的分力为cosF滑移面的面积为滑移面的面积为/cosA外力对滑移面的分切应力为外力对滑移面的分切应力为cos cosFAcos cos为取向因子为取向因子451当，取向因子有最大值2F/A 为宏观上的起

13、始屈服强度为宏观上的起始屈服强度(s)0121084260.10.10.30.30.5900cos cos镁晶体拉伸的屈服应力与晶体 取向的关系当当9090或或9090时时s均均为无限大为无限大这说明当滑移面与外力方向这说明当滑移面与外力方向平行，或垂直时不可能产生平行，或垂直时不可能产生滑移滑移当当45时，时，s最小，即最小，即产生滑移需要的分切应力产生滑移需要的分切应力通常称取向因子大的为软取通常称取向因子大的为软取向，取向因子小的为硬取向向，取向因子小的为硬取向屈服应力屈服应力(s)d滑移时晶面的转动滑移时晶面的转动 单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着单晶体滑移时，除滑移面

14、发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动，对于只有一组滑移面的晶面的转动，对于只有一组滑移面的hcp，这种现象尤，这种现象尤为明显为明显 FFFF拉伸实验时单晶发生滑移拉伸实验时单晶发生滑移与转动示意图与转动示意图由于拉伸夹头不能做由于拉伸夹头不能做横向动作，单晶体的横向动作，单晶体的取向必须进行相应的取向必须进行相应的转动，滑移面区域平转动，滑移面区域平行轴向行轴向12121122单晶拉伸时晶体转动的力偶作用右图为单晶发生转动的力偶作用机制右图为单晶发生转动的力偶作用机制a中，在力偶作用下滑移面将产生转动并逐渐趋于与轴中，在力偶作用下滑移面将产生转动并逐渐趋于与轴向平行向平行ab有有效效分分切切

15、应应力力使滑移使滑移方向转方向转至最大至最大分切应分切应力方向力方向 晶体受压时的晶面转动晶体受压时的晶面转动(a)压缩前压缩前 (b)压缩后压缩后晶体受压变形时也要发生晶面转动，但转动的结果是使滑晶体受压变形时也要发生晶面转动，但转动的结果是使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直移面逐渐趋于与压力轴线相垂直晶体在滑移时滑移面，晶体在滑移时滑移面，滑移方向都是改变的。滑移方向都是改变的。导致滑移面上的分切应导致滑移面上的分切应力也随之变化力也随之变化由于由于4545时分切应时分切应力最大，滑移转动后力最大，滑移转动后趋近趋近4545；若；若远离远离4545，则分切应力逐渐，则分切应力逐渐减小而使滑移

16、系的进一减小而使滑移系的进一步滑移趋于困难。步滑移趋于困难。e多系滑移多系滑移 对于具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移系（其分对于具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切应力最大）中进行，但由于变形时晶面转动的结果，另一组滑移面切应力最大）中进行，但由于变形时晶面转动的结果，另一组滑移面上的分切应力也可能逐渐增加到足以发生滑移的临界值以上，于是晶上的分切应力也可能逐渐增加到足以发生滑移的临界值以上，于是晶体的滑移就可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行，从体的滑移就可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行，从而产生多系滑移而产生多系滑移 f滑移的位错机制滑移的位错机制 实际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算值低实际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算值低34个数量级，个数量级，表明晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性表明晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上运动来逐步地进行的整体位移，而是借助位错在滑移面上运动来逐步地进行的 晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发生