ch10材料的变形与回复再结晶1.ppt
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1、工程材料原理,第10章 固体材料的变形与回复再结晶,材料在外力作用下,当外力较小时将发生弹性变形,随着外力的逐步增大,进而会发生永久变形,直至最终断裂。在这个过程中,不仅其形状或尺寸发生了变化,其内部组织以及相关的性能也都会发生相应变化。 研究材料在塑性变形中的行为特点,分析其变形机理以及影响因素具有十分重要的理论和实际意义。,第一节 金属的弹性变形,弹性,图 弹性变形与塑性变形,10.1.1 弹性变形的本质,图 双原子模型,弹性的实质是原子作用势的不对称性。 可以用双原子模型来解释。,弹性变形的主要特点是: (1)可逆性 去掉外力,变形就消失。 (2)线性 应力和应变间满足直线关系。 (3)
2、弹性变形量小 一般说来,金属材料和陶瓷材料的弹性变形很小,高聚物材料的弹性变形可以比较大。,10.1.2 弹性变形的主要特点,10.1.3 弹性变形及其影响因素,弹性模量是材料结合强度的标志之一。主要的影响因素有: (1)结构 弹性模量与原子序数呈周期性变化趋势,与结合键的结合强度有关。 (2)温度的影响 T升高,热振动加剧,晶格势能发生变化,E下降。 (3)合金元素的影响 一般说来,E对结构不敏感。少量的合金元素不影响E,但大量的合金化,可使E发生显著变化。这是因为固溶体中溶质元素在周围晶体中引起畸变,从而使E下降。 变形的影响:一般冷加工,E下降, 但影响不大,第二节 金属的塑性变形,单晶
3、体的塑性变形: 虽然工程中应用的通常是多 晶,但多晶体的变形是和其 中各个晶粒变形相关的。因 此,单晶体的变形是金属变 形的基础。 单晶受力后,在它晶面上可以分解出平行于晶面和垂直于晶面的两个分量,前者称为切应力,后者称为正应力。 切应力产生塑性形变而正应力不产生塑性形变。,9.2.1 塑性变形机制,1. 滑移,1.滑移现象 如果对经过抛光的退火态工业纯铜多晶体试样施加适当的塑性变形,然后在金相显微镜下观察,就可以发现原抛光面呈现出很多相互平行的细线。,图 工业纯铜中的滑移线,在普通金相显微镜中发现的滑移线其实由多条平行的更细的线构成,现在称前者为滑移带,后者为滑移线。,图 滑移带形成示意图,
4、2.滑移系 晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方向进行,我们将其称为滑移面和滑移方向。 滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶面和晶向,这是由于最密排面的面间距最大,因而点阵阻力最小,容易发生滑移,而沿最密排方向上的点阵间距最小,从而使导致滑移的位错的柏氏矢量也最小。 每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系,滑移系表明了晶体滑移时的可能空间取向。,图 体心立方和面心立方晶体的滑移系,由于体心立方结构是一种非密排结构,因此其滑移面并不稳定,一般在低温时多为112,中温时多为110,而高温时多为123,不过其滑移方向很稳定,总为,因此其滑移系可能有12-48个。,图 b
5、cc晶体112 和123面的滑移系,滑移变形的特点: (1)滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行。,(2)滑移只能在切应力的作用下发生。 (3)滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍。,()滑移是晶体内部位错在切应力下作用的结果,10.2.3 滑移的机理,几种金属晶体的实验及理论临界分切应力,位错运动 Dislocation Motion,位错和塑性变形 Dislocations & plastic deformation,If dislocations dont move, deformation doesnt o
6、ccur!,Adapted from Fig. 7.1, Callister 7e.,Dislocation Motion,Dislocation moves along slip plane in slip direction perpendicular to dislocation line Slip direction same direction as Burgers vector,Edge dislocation,Screw dislocation,Adapted from Fig. 7.2, Callister 7e.,10.2.2.2 孪生,孪生,单晶体中如果滑移系由于某些情况而
7、不能开动,就会发生另一种重要的变形,这就是孪生。 在金相显微镜下一般呈带状,称为孪晶带。 晶体一部分相对另一部分发生切变,1.孪生的晶体学 (不要求) 孪晶是晶体内部的一种均匀切变过程。 面心立方 111面为孪生面,为孪生方向。fcc晶体是一系列平行的(111)面所构成(按ABCABC规律)。若晶体中局部的几层(111)面沿112方向均匀移动 。 均匀移动是指每一个(111)面的移动距离,这是相对于其最临近晶面而言。,(a)孪晶面与孪生方向 (b)孪生变形时晶面移动情况 图 面心立方晶体孪生变形示意图,2.孪生变形的特点 (1)孪生是在应力集中的局部区突然萌生,萌发于局部应力高度集中的地方。
8、(2)孪生所需的切应力比滑移所需的要大10100倍。 (3)孪生形核难,长大快,通常以猝发的方式形成并使应力-应变曲线上呈现锯齿状 。,图 铜单晶在4.2K的拉伸曲线,在一些晶体中,由于某些特殊原因,既不能进行滑移也不能进行孪生的晶体将通过其他方式进行塑性变形。 扭折是一种发生在晶体中的局部弯曲 。,3、晶体的扭折,图 晶体的扭折示意图,(一).滑移的临界分切应力 对滑移真正有贡献的是在滑移面上沿滑移方向上的分切应力,也只有当这个分切应力达到某一临界值后,滑移过程才能开始进行,这时的分切应力就称为临界分切应力。,10.2.2 单晶体的塑性变形,图 临界分析应力分析图,c称为临界分切应力,是一个
9、与材料本性以及试验温度、加载速度等相关的量,与加载方向等无关。,图 镁单晶屈服应力与晶体取向的关系,单滑移:只有一个滑移系上的分切应力最大并达到临界分切应力而进行滑移 多滑移: 由于很多晶系具有多组滑移系,决定滑移系能否开动的前提条件是其分切应力能否达到其临界值,当某组滑移系开动后,由于不断发生晶面的转动,结果可能使得另一组滑移系的分切应力逐渐增加,并最终达到其临界值,进而使得滑移过程能够沿两个以上滑移系同时或交替进行,这种滑移过程就称为称多滑移。 交滑移:螺型位错在两个相交的滑移面上运动,当螺位错在一个滑移面上运动受阻时,会转移到另一个滑移面上继续滑移。,(二)单滑移、多滑移和交滑移,(三)
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