5材料的变形和在结晶1.ppt
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1、1,第五章 材料的变形和再结晶,2,第五章 材料的变形和再结晶,纳米铜的室温超塑性,3,卢柯院士在多年研究工作的基础上,利用传统电解 沉积技术,优化工艺参数,成功地制备出致密、高 纯度的块状纳米晶体Cu样品,晶粒尺寸为30nm, 纯度高于99.995%,密度可达普通纯Cu理论密度 的99.4%。在室温(仅为熔点的22%)下轧制该纳米 晶Cu样品,其延伸率可高达5100%,而没有产生 明显的加工硬化效应,并发现冷变形过程中晶粒尺 寸保持不变。初步分析表明,在纳米晶Cu的变形中 晶界运动起重要作用。这表明金属纳米材料具有与 普通多晶体材料完全不同的力学性能和加工行为。,4,金属变形概述,弹性变形塑
2、性变形断裂,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,5,晶体的弹性和材料的微观组织(或结构)关系不大,因而和成分、热处理的关系也不大,属于对结构不敏感的性能。 而晶体的塑性和强度(主要是屈服强度)则对微观组织(结构)十分敏感,属于对结构敏感的性能。,6,第一节 弹性和粘弹性,一、弹性变形的本质,弹性变形是指外力去除后能够完全恢复到的那部分变形。 弹性变形量一般很小,一般不超过0.5%1.0% 晶体内原子间的结合能和结合力是原子间距的函数。,7,二、弹性变形的特征和弹性模量,1、理想
3、的弹性变形是可逆的,加载时变形,卸载时变形消失并恢复原状。 2、不管是加载或卸载,在弹性范围内应力应变之间保持线性关系,即符合虎克定律。 =E =G 弹性模量是表征晶体原子间结合力强弱的物理量,代表原子离开平衡位置的难易程度。是属于对组织结构不敏感的参数量。 在工程上,弹性模量是刚度的度量。 3、弹性模量随材料的不同也不一样。,8,三、弹性的不完整性,完全(或完整)的弹性体变形只与载荷大小有关,而与加载方向和加载时间无关。 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。 实际上,金属弹性变形时,可能出现加载与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等有
4、区别于理想弹性变形特点的现象,称为弹性的不完整性。 弹性不完整性的现象包括:包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性。,9,1.包申格效应,现象:材料经过预先加载产生少量塑性变形(小于 4%),然后 同向加载则弹性极限e升高,反向e则下降。 如:下图为退火轧制黄铜在不同载荷条件下弹性极限的变化情况。 曲线A:初次拉伸曲线, e240Pa 曲线B:初次压缩曲线, e178Pa 曲线C:B再压缩曲线, e,e278Pa 曲线D:第二次拉伸曲线, e,e85Pa 可见:B、C为同向加载,e; C、D为反向加载,e。,B,C,10,2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
5、是通过一种弛豫过程来完成其变化的。这种在弹性极限e范围内,应变滞后于外加应力,并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性。 理想晶体 实际金属,11,3.弹性滞后 由于应变落后于应力,在-e 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。 弹性滞后表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载 时材料恢复所释放的变形功,多余的部分被材料内 部所消耗,称之为内耗,其大小即用弹性滞后环面 积度量。 实际应用的金属材料有的要求高内耗,有的要求低 内耗,如制作钟、乐器的材料,乐器低内耗,消振 能力低,声音好听;制作机座、汽轮机叶片的材 料,要求高内耗,以消除振动。,12,四、粘弹性,变形形式除了弹
6、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: 式中为应力; 为应变速率;称为粘度系数,反映了流体的内摩擦力,即流体流动的难易程度,其单位为Pas。 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,这就是粘弹性现象。 粘弹性变形的特点是应变落后于应力。当加上周期应力时,应力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。,13,第二节 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。 高温下:扩散变形和晶界
7、滑动和移动 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。,如果将抛光的单晶体金属棒试样拉伸,产生变形后,可看到金属表面的一条一条的细线,称为划移线。,14,15,在高倍显微镜下观察,划移带不是一条单线,而是由一系列相互平行的滑移线组成。 滑移变形是不均匀的,常集中在一部分晶面上,而处于各滑移带或滑移线之间的晶体没有产生滑移。 滑移带的发展过程,首先是出现细滑移线,后来才发展成带,而且,滑移线的数目随应变程度的增大而增多,它们之间的距离则在缩短。,16,17,2 滑移系,(1)滑移
8、要素: 滑移面: 晶体的滑移通常是沿着一定的晶面发生的,此组晶面称为滑移面; 滑移方向: 滑移是沿着滑移面上一定的晶向进行的,此晶向称为滑移方向。 滑移面与滑移方向大致是最密排面和最密排方向,因为此时派纳力最小。 b:柏氏矢量 G:切变模量 :泊松比 a:滑移面的面间距,18,(2)滑移系 滑移系:一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系。 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) 对于FCC晶体:滑移面为1114,滑移方向为3=12 对于BCC晶体:不具有突出的密集晶面,滑移系可能有 11062+11212 1+ 12324 1=48 密排六方晶体:(0001)1
9、11-203=3,19,(3)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)。,20,3 滑移的临界分切应力 能使晶体滑移的力是外力在滑移系上的分切应力。通常把给定滑移系上开始产生滑移所需分切应力称为临界分切应力。 假设对一个单晶圆柱体试样作拉伸试验滑移面的面积: A/cos F在滑移方向的分力为:F.cos 作用在此滑移面上的切应力: :在滑移面上沿滑移方向开始滑移的最小分切应力。 cscoscos,(施密特定律),21,称为取向因子,或称施密特因子(Schmid); F/A为拉伸时横截面上的正应力,在临界切应力刚
10、开始滑移时为起始屈服强度s。 取向因子越大,则分切应力越大。 对于任一给定的 值,取向因子的最大值出现在 =90- 时:,当 =45时( 也为45),取向因子有最大值1/2,此时,得到最大分切应力。,22,例题: 在面心立方晶胞001方向上施加一69MPa的应力,试求滑移系(111)-101上的分切应力.,=28.1MPa,解:此题主要是确定该滑移系对拉力轴的相对取向,见图。显然滑移方向和拉力轴的夹角=45,cos=0.707。滑移面的法线和拉力轴夹角为=54.76. 由施密特定律,23,(2)在拉伸时,可以粗略认为金属单晶体在外力作用下,滑移系一开动就相当于晶体开始屈服,此时,对应于临界分切
11、应力的外加应力就相当于屈服强度S。 单晶体的屈服强度随取向因子而改变 =45时, ,取向因子达到最大值,产生拉伸变形的屈服应力最小。 =90或0时, S =, 晶体不能沿该滑移面产生滑移。,24,25,(3) 硬取向:晶体中有些滑移系与外力取向偏离45很远,需要较大的s值才能滑移,称为硬取向。 软取向:晶体中有些滑移系与外力的取向接近45角,处于易滑移的位向,具有较小的s值,称为“软取向”。通常是软取向的滑移系首先滑移。,26,第二节 单晶体的塑性变形,4 滑移时晶体的转动 (1)位向和晶面的变化 拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向;,27,拉伸时晶体转动的力偶作用机制.,28,拉伸作
12、用在中间一层金属上下两面的作用力可分为两个分应力: A 分正应力(12) 垂直于滑移面,构成力偶,使晶块滑移面朝外力轴方向转动。 B 分切应力 当外力分解到滑移面上的最大分切应力与滑移方向不一致时,又可分解为平行于滑移方向和垂直于滑移方向的两个分力。前一分力是产生滑移的有效分切应力,后一分力将构成一对作用在晶块上下滑移面上的力偶,力图使滑移方向转至最大切应力方向。 拉伸时,在产生滑移的过程中,晶体的位向在不断改变,不仅滑移面在转动,而且滑移方向也改变位向。,29,2)几何硬化与几何软化 由上可以知道:晶体在滑移过程中会滑移面会发生转动,滑移方向也会发生改变,导致滑移面上的分切应力也发生变化。
13、几何硬化:如果晶体滑移面原来是处于其法线与外力轴夹角接近45的位向,经滑移和转动后,就会转到此夹角越来越远离45的位向,从而使滑移变得越来越困难。 几何软化:经滑移和转动后,一些原来角度远离45的晶面将转到接近45,使滑移变得容易进行。,压缩时,晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。,30,第二节 单晶体的塑性变形,5 多系滑移 (1)滑移的分类 单滑移:只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先开动时,形成单滑移。 多滑移:在多个(2)滑移系上同时或交替进行的滑移。 由于变形时晶体转动的结果,有两组或几组滑移面同时转到有利位向,使滑移可能在两组或更多的滑移面上同时或交替地进行,形成“双滑移”或“多滑移
14、”。,31,(2)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同时或交替进行的滑移。 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;,32,(4) 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。,33,6、滑移的位错机制 实际晶体滑移的临界切应力较理论值低103104,晶体的滑移不是刚性移动,是依靠位错的易动性来进行的。 位错在运动过程中要克服点阵阻力(派纳力) ,其模型为:,d:面间距;b:滑移方向的原子间距;:泊松比;W:位错的宽度。,1)位错宽度越宽,即点阵畸变区宽,位错周围附近的原子越接
15、近平衡位置,弹性畸变能低,位错移动时其它原子移动的距离小,产生阻力小。 2)d值大,位错强度小,阻力也小,一般沿面密度大的方向进行; 3)b值小,位错移动距离小,阻力也小。,34,以上阻力对位错的运动产生了阻碍,对晶体起到了强化作用。,位错运动时受到的阻力:,1)点阵阻力(派纳力):,2)位错与位错的交互作用产生的阻力;,3)位错的交割作用生产的阻力;,4)位错与其它晶体缺陷的作用产生的阻力 (如晶界、第二相颗粒等、点缺陷等);,35,第二节 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。,36,(2
16、)孪生的变形过程: 在切应力作用下,当晶体沿着(111)11-2方向发生变形时,会产生彼此相对移动距离为a11-2/6的均匀切变,如图。 可知,1)均匀切变发生在中部,由AB到GH中的每个(111)面都相对于其临近面沿11-2方向移动了大小为a11-2/6的距离。2)点阵类型没有发生变化,但均匀切变区中的晶体取向发生了变更,切变区与未切变区呈镜面对称关系。,37,几个概念:,孪生:上述变形的过程。 孪晶:变形与未变形的两部分晶体,合称. 孪晶界:均匀切变区与未切变区的分界面。 孪晶面:发生均匀切变的那组晶面 孪生方向:孪晶面的移动方向。,38,(3)孪生变形的特点,39,三、扭折,扭折是不均匀
17、塑性变形的一种形式,它是在滑移和孪生难以实现,或者在变形受到某种约束时才出现的。 晶体部位发生局部弯曲。在扭折带中,晶体位向有突变,有可能使该区域内的滑移系处于有利的位置,从而产生滑移。,40,第三节 多晶体的塑性变形,41,1 晶粒取向的影响 1)由于晶粒间的取向不同,各晶体受的应力不一样,不能同时都变形;2)由于晶粒间的取向差不同,变形从某个晶粒开始以后,不可能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒之中,但多晶体作为一个连续的整体,每个晶粒处于其它晶粒的包围之中,不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形,否则必将造成晶界开裂,为使每一晶粒与邻近晶粒产生协调变形,每个晶粒不只是在取向最有利的单滑移系上进
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