材料科学基础第6章.ppt

1 第六章塑性变形 本章介绍的内容 由简单到复杂 单晶体塑性变形 单相 多晶体塑性变形 合金塑性变形 塑性变形组织及性能 多相 机理 2 一工程应力应变曲线拉伸试验基本过程 将GB6397 86制作的标准试样 长试样l 10d和短试样l 5d 放在拉伸试验机上缓慢拉伸 试样在载荷P下缓慢伸长 直至断裂 得到工程应力 应变曲线 第一节金属的应力应变曲线 3 典型的应力应变 曲线 4 5 二真实应力应变曲线 真实应力应是瞬时载荷P与瞬时面积F之比真应变e应是瞬时伸长量除以瞬时长度 即 6 均匀塑性变形阶段的真应力 真应变曲线 称为流变曲线 n值越大 变形时的强化效果越明显 7 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 一滑移1滑移现象定义 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 8 特点 晶体结构类型并未改变 滑移的组织形态 光镜下 滑移带 无重现性 电境下 滑移线 显微组织特点 抛光后可能看不见 9 10 2滑移系滑移是沿着特定的晶面和晶向进行的 滑移面 密排面 滑移方向 密排方向 滑移系 一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系 11 每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系 滑移系的多少在一定程度上决定了金属塑性的好坏 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 12 在其他条件相同时 金属塑性的好坏不只取决于滑移系的多少 还与滑移面原子密排程度及滑移方向的数目等因素有关 13 3临界分切应力滑移是在切应力作用下发生的滑移发生的力学条件 14 当外加应力等于屈服强度时 宏观上 晶体出现塑性变形 微观上 晶体开始滑移 此时滑移方向上的分切应力达到临界值 称为临界分切应力 k 在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力 15 m称为取向因子 或称施密特因子 Schmid m与塑性变形 m越大 越有利于滑移 tk的特点 1 临界分切应力的大小主要取决于金属的本性 与外力无关 当条件一定时 各种晶体的临界分切应力各有其定值2 是一个组织敏感参数 材料的组织性能 临界切应力决定屈服强度 16 4滑移时晶体的转动1 位向和晶面的变化滑移过程中 滑移面和滑移方向的转动必然导致取向因子的改变 2 取向因子的变化几何硬化几何软化 17 5多滑移1 单滑移 只有一组滑移系处于最有利的取向 m最大 时 分切应力最大 便进行单系滑移 2 多滑移 在多个 2 滑移系上同时或交替进行的滑移 发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带 3 交滑移交滑移 晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移 18 多滑移 19 交滑移 20 交滑移和多滑移的区别 发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带 发生交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带 交滑移必须是纯螺型位错 因其滑移面不受限制 可以同时进行共向滑移 6滑移的位错机制 21 22 二孪生1孪生现象在切应力作用下 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 23 变形部分与未变形部分以孪晶面为准 构成镜面对称 形成孪晶 孪晶在显微镜下呈带状或透镜状 2孪生变形的特点1 孪生使一部分晶体发生了均匀的切变 而滑移是不均匀的 只集中在一些滑移面上进行 2 孪生后晶体变形部分与未变形部分成镜面对称关系 位向发生变化 24 5 由于孪生变形时 局部切变可达较大数量 所以在变形试样的抛光表面上可以看到浮凸 经重新抛光后 虽然表面浮凸可以去掉 但因已变形区的晶体位向不同 所以在偏光下或浸蚀后仍能看到孪晶 而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失 3 孪生比滑移的临界分切应力高 萌发于滑移受阻因其的局部应力集中区 4 孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多 孪生改变了晶体位向 25 第三节多晶体的塑性变形 多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生 一 晶粒取向的影响1变形过程 26 2晶粒之间变形的协调性 1 原因 各晶粒之间变形具有非同时性 2 要求 各晶粒之间变形相互协调 独立变形会导致晶体分裂 3 条件 独立滑移系3 5个 保证晶粒形状的自由变化 27 二 晶界的影响1多晶体变形的现象2晶粒大小与性能的关系晶粒越细 强度越高 塑性韧性越好 28 1 对强度的影响 细晶强化霍尔 配奇公式 HALL PETCH公式ss s0 kd 1 22 对塑性 韧性的影响 29 第四节合金的塑性变形 提高强度的另一方法是合金化 合金塑性变形的基本方式仍是滑移和孪生 但因组织 结构的变化 塑性变形各有特点 一 固溶体的塑性变形1固溶强化现象 30 2强化机制1 晶格畸变 阻碍位错运动 2 柯氏气团强化 31 二 屈服和应变时效1屈服现象吕德斯带吕德斯带扩展吕德斯带危害 因屈服延伸区的不均匀变形 吕德斯带 使工件表面粗糙不同 32 2应变时效原因 柯氏气团的存在 破坏和重新形成 低碳钢时效图 33 三多相合金的塑性变形单相合金的强化 加入第二相形成多相合金 第二相可通过相变热处理 沉淀强化 时效强化 或粉末冶金方法 弥散强化 获得多相合金根据第二相粒子的尺寸大小分类 多相合金 聚合型 弥散型 第二相的尺寸与基体晶粒尺寸属同一数量级 第二相很细小 且弥散分布于基体晶粒内 34 1聚合型两相合金的变形性能按下列方法估计1 两相都具有较好的塑性 合金的变形阻力决定于两相的体积分数 35 2 软基体 硬第二相合金的性能除与两相的相对含量有关外 在很大程度上取决于脆性相的形状和分布 第二相网状分布于晶界 二次渗碳体 易沿晶脆断 原因 因塑性相晶粒被脆性相包围分割 少量塑变即脆断 36 两相呈层片状分布 珠光体 特点 变形主要集中在基体相中 位错的移动被限制在很短的距离内 增加了继续变形的阻力 使其强度提高 片层间距越小 其强度越高第二相呈颗粒状分布 球状渗碳体 强度降低 塑性 韧性得到改善 37 二弥散型合金的塑性变形1不可变形微粒的强化作用位错绕过第二相粒子 粒子 位错环阻碍位错运动 位错克服第二粒子的阻碍作用 克服位错环对位错源的反向应力 继续变形时必须增大外应力 从而使流变应力迅速提高 38 2可变形微粒的强化作用当第二相偎可变形微粒时 位错将切过粒子使其与基体一起变形 39 第五节冷变形金属的组织与性能 一 对显微组织的影响1形成纤维组织塑性变形量很大时 各晶粒已不能分辨而成为一片如纤维状的条纹 称为纤维组织1 晶粒拉长 2 杂质呈细带状或链状分布 纤维组织具有明显的各向异性 纵向的强度和塑性高于横向 40 2形成大量亚结构 41 二变形织构1变形织构择优取向 塑性变形过程中晶粒的转动 使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致的现象变形织构 多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织 特征 各向异性 42 2类型丝织构 某一晶向趋于与拔丝方向平行 拉拔时形成 板织构 某晶面趋于平行于轧制面 某晶向趋于平行于主变形方向 轧制时形成 43 3对性能的影响不利 造成变形不均匀 制耳 有利 硅钢片织构可减少铁损 44 三 残余应力 约占变形功的10 储存能 塑性变形中还有约10 的变形功被保留于金属内部 1第一类残余应力 弹性应变 宏观内应力 由整个物体变形不均匀引起 作用 表面残留压应力 可显著提高其疲劳强度 45 2第二类残余应力微观内应力 由晶粒变形不均匀引起 作用 造成显微裂纹并导致工件的破坏3第三类残余应力 点阵畸变 由位错 空位等引起 80 90 作用 使金属处于热力学不稳定状态 是 回复和再结晶 的驱动力 46 四塑性变形对性能的影响1应变硬化 加工硬化 47 2加工硬化的作用对一些不能用热处理强化 固态下无相变 的材料重要强化手段 使塑性变形均匀 不致集中在某些局部区域而引起破裂 加工硬化还可以提高零件或构件在使用中的安全性 加工硬化使金属在冷加工过程中 变形抗力会不断增加 增加动力及设备消耗 48 3加工硬化曲线1 典型的单晶体加工硬化曲线 易滑移阶段特点 斜率很小 线性硬化阶段 特点 斜率几乎恒定且最大值 第 阶段 抛物线硬化阶段 49 50 2 解释 位错的运动易滑移阶段 应力低 少量的软取向滑移系开动位错受阻碍少 易运动 流变较大 线性硬化阶段 多滑移 位错间的交互作用导致位错交割 塞积等作用 阻碍位错运动 加工硬化率高 抛物线硬化阶段 应力极高 位错通过交滑移绕过障碍 异号位错抵消等 降低位错密度 加工硬化率下降 51 3 不同晶格类型的单晶体加工硬化曲线面心立方晶体为典型的三阶段加工硬化特征4 多晶体加工硬化曲线因其变形中晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求 其加工硬化曲线通常更陡 加工硬化速率更高 52 53 第六节聚合物的变形 聚合物的变形特点 强烈地依赖于T和t 表现为弹性材料和黏弹性流体性质一 热塑性聚合物的应力 应变曲线 54 A Y B Yieldingpoint屈服点 Pointofelasticlimit弹性极限点 Breakingpoint断裂点 Strainsoftening应变软化 plasticdeformation塑性形变 Strainhardening应变硬化 非晶态聚合物在玻璃态的应力 应变曲线 y O N D 55 应力 应变曲线的类型Typesofstress straincurve 软 硬 模量强 弱 屈服强度韧 脆 断裂能 56 聚合物具有黏弹性 其应力 应变行为受温度 应变速率的影响很大 57 应变速的额影响 58 二 冷拉 59 三 剪切带与银纹1剪切带聚合物的屈服塑性变形是以剪切滑移的方式进行的 滑移变形可局限于某一局部区域 形成剪切带 2银纹某些聚合物在玻璃态拉伸时 会出现肉眼可见的微细凹槽 类似于微小的裂纹 因其能反射光线而看上去银光闪闪 故称之为银纹 60 四 热固性塑料的变形热固性塑料 刚硬的三维网络结构 分子不易运动拉伸特点 表现出脆性金属或陶瓷一样的变形特性 压缩特点 在压应力下能发生大量的塑性变形 61 1前言陶瓷材料大都是脆性材料 对缺陷十分敏感 故其强度试验结果的分散性大 要使陶瓷材料作为结构材料在工程中获得应用 需要对其力学性能做更多的研究 并对其力学性能的试验结果做统计分析 第七节陶瓷材料的力学行为 62 除少数几个具有简单的晶体结构 如MgO KCl KBr等 在室温下稍具塑性以外 一般陶瓷的晶体结构复杂 室温下没有塑性 脆性材料 脆性材料的拉伸试验 测定其弹性模量和断裂强度 2陶瓷材料的弹性模量 63 表13 1典型陶瓷材料的弹性模量 64 气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响 式中E0为无孔隙时陶瓷材料的弹性模量 p为孔隙率 65 金属与陶瓷材料 e曲线的弹性部分