第章金属材料的变形与再结晶.ppt
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1、1,第9章 金属材料的变形与再结晶,材料科学基础,2,9.1 金属的应力应变曲线,P/A0=(应力) (l-l0)/l0=(应变) P作用在试样上的载荷 A0试样的原始界面面积 L0试样的原始标距长度 L试样变形后标距长度 =E或=G 为正应力,切应力; 为正应变,切应变 EG分别为正弹性模量和切弹性模量 弹性模量是表征材料中原子间结合力强弱的物理量,3,4,弹性变形:在应力低于弹性极限(e)时,和之间保持线性关系: =E 其特点是外力去除后,变形可以完全恢复。,退火低碳钢应力-应变曲线,5,弹塑变形:当外力大于e后,除了弹性变形外,开始发生均匀塑性变形。这时若去掉外力,弹性变形部分恢复,但留
2、下了永久变形,即塑性变形。,退火低碳钢应力-应变曲线,6,断裂:当外力达到b之后,试样开始发生不均匀塑性变形,产生缩颈,变形量迅速增大,最终发生断裂。,退火低碳钢应力-应变曲线,7,9.2 金属的塑性变形,9.2.1.1 滑移 (1)滑移线和滑移带 如果把经过抛光的单晶体试样进行塑性变形,则在显微镜下可以看到抛光表面上出现平行的黑线,称为滑移带(见下图);在电子显微镜下,滑移带是一组更细的线组成,这更细的线条称为滑移线。,在常温和低温下,单晶体的塑性变形主要是通过滑移的方式来进行的,此外,还有孪生和扭折,8,(2)滑移系,滑移总是沿着一定的晶面和该面上一定的晶向进行,这种晶面和晶向分别称为滑移
3、面和滑移方向;一个滑移面与其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。 一个滑移系就是滑移时的一种空间取向或一种可能性。因此,滑移系越多,金属变形能力越大,单晶体的滑移,9,(3)临界分切应力,设试棒横截面积为A; 轴向拉力为P; 滑移面法线与外力P之间的夹角为, 滑移方向与外力P之间的夹角为 P在滑移方向上切向分力P=Pcos 滑移面面积 故滑移系上的分切应力,10,Schmid用同种材料但不同取向的单晶试棒进行拉伸试验,发现尽管不同试棒的m值不同,但开始滑移时的分切应力都相同,等于某一确定值(k),即晶体开始滑移所需的分切应力 k就称为临界分切应力,它是一个材料常数。,11,(4)滑移时晶体的转动
4、,晶体借滑移发生塑性变形时,往往伴随着取向的改变,自由滑移变形,受夹具限制时的变形,晶体在拉伸时的转动,12,晶体在压缩时的晶面转动,13,(5)滑移的机理,实验证明,滑移是位错在切应力作用下运动的结果 滑移线是位错运动到晶体表面所产生的台阶。,晶体通过刃型位错移动造成滑移的示意图,14,9.2.1.2 孪生,所谓孪生变形,就是在切应力作用下,晶体的一部分沿一定晶面(孪晶面)和一定的晶向(孪生方向)相对于另一部分作均匀的切变所产生的变形。变形部分与未变形部分以孪晶面为准,构成镜面对称,这两部分晶体合称孪晶(双晶)。,(a)滑移,(b) 孪生,15,孪晶在显微镜下呈带状或透镜状,见下图:,锌中的
5、变形孪晶 200, 铁的变形孪晶(纽曼带),16,滑移和孪生的比较,17,18,9.2.2 多晶体的塑性变形,特点 (1)晶粒取向的影响(亦称取向差效应) 变形有先有后 各晶粒相对于外力轴的取向不同,位向有利的晶粒先变形,且不同晶粒变形量也不同。一般变形度达到20%,几乎所有晶粒都可参加变形。 各个晶粒的变形必须协调 对一个晶粒来讲不能自由地、均匀地滑移,它要受到相邻晶粒的牵制,故晶粒之间要互相配合、协调。如果协调不好,将会导致塑性下降(晶界处开裂)。 变形不均匀导致内应力不均匀,19,(2)晶界对滑移的阻滞效应 晶界上原子排列不规则,点阵畸变严重,且晶界两侧的晶粒取向不同,因此,滑移要从一个
6、晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的,即室温下晶界对滑移有阻滞效应,如下图所示,经拉伸后晶界处呈竹节状,20,(3)晶粒大小对变形抗力的影响 一般来说,晶界可使金属强化,也可使金属软化,这主要依赖于温度和变形速率。当温度低于 ,且变形速率较大时,晶粒细化会使金属强度升高;但当温度高于上述界限及变形速率很慢时,晶界增多反而使金属强度降低。故高温合金一般希望获得粗晶组织。 细晶强化在提高材料强度的同时,也改善材料的塑性和韧性,这是其他强化方法所不具备的。,21,9.2.3 合金的塑性变形 与强化,(1)单相合金的塑性变形 合金元素在金属基体中的存在形式有两种,一是形成固熔体;二是形成第二相,与基体
7、组成机械混合物。它们具有不同的变形特点。 固熔强化 由于异类原子(熔质原子)的存在,使合金塑性变形抗力大大提高,表现为强度、硬度增加,塑性、韧性下降,这种现象称为固熔强化。 固熔强化的实质是熔质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。即熔质原子与位错弹性交互作用的结果,22,固溶强化效果的影响因素 溶质原子的浓度:浓度越高,一般其强化效果越好 原子尺寸因素:溶质与溶剂原子尺寸相差越大,其强化效果越好,但通常原子尺寸相差较大时,溶质原子的溶解度降低 溶质原子的类型:间隙型溶质原子的强化效果好于置换型,特别是体心立方晶体中的间隙原子 相对价因素(电子因素):溶质原子与基体金属的价电子数目差越大,
8、固溶强化效果越显著,23,(2)多相合金的塑性变形 聚合型两相合金的变形 弥散型合金的变形 当第二相颗粒非常细小,弥散地分布在基体相中时,合金的变形抗力很大,强度将显著提高。通常,当第二相粒子的尺寸达到某一临界值时,强化作用最大;而尺寸过大或过小,合金的强度均有所下降。 如果第二相微粒是通过过饱和固熔体的时效处理而沉淀析出,则所产生的强化称为沉淀强化或时效强化;如果这种微粒是靠冶金方法外加的,则称为弥散强化。,24,第二相颗粒的强化机制有两种:位错绕过机制及位错切过机制,其主要示意图如下:,位错绕过第二相粒子示意图,25,位错切过粒子示意图,位错切过粒子示意图,颗粒为可变形,26,小结:合金强
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