FH2.1-塑变机理0

08:261《材料性能学》付华石家庄铁道大学08:262绪论第1章材料的弹性变形第2章材料的塑性变形第3章材料的断裂与断裂韧性第4章材料的扭转、弯曲、压缩性能第5章材料的硬度第6章材料的冲击韧性及低温脆性第7章材料的疲劳性能第8章材料的磨损第9章材料的高温力学性能第10章材料在环境介质作用下的腐蚀第11章材料的强韧化金属的塑性变形08:263第2章材料的塑性变形2.1.材料的塑性变形机理2.1.1金属与陶瓷晶体的塑性变形机理2.1.2陶瓷材料的塑性变形特点2.1.3高分子材料的塑性变形2.2冷变形金属的回复与再结晶2.2.1塑性变形对材料性能的影响2.2.2冷变形金属的回复与再结晶2.2.3材料的热加工与冷加工2.3塑性变形的力学性能指标08:264第2章材料的塑性变形2.1.材料的塑性变形机理2.1.1金属与陶瓷晶体的塑性变形机理一、单晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形（一）多晶体塑性变形的特点（二）冷变形金属的组织与结构2.1.2陶瓷材料的塑性变形特点一、结合键对位错运动的影响二、单晶陶瓷的塑性变形特点三、多晶陶瓷的塑性变形特点四、非晶体陶瓷的塑性变形2.1.3高分子材料的塑性变形机理一、线性非晶态高分子材料的塑性变形二、结晶态高聚物的塑性变形08:2652.1材料的塑性变形机理塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移（不可恢复）。2.1.1金属与陶瓷晶体的塑性变形机理常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。一、单晶体的塑性变形08:2661.滑移现象（一）滑移切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。2.1材料的塑性变形机理（动画）滑移的位错机制2.1材料的塑性变形机理08:268滑移带和滑移线只是晶格滑移结果的表象；重新抛光后可去除。光镜下：滑移带。电境下：滑移线。2.1材料的塑性变形机理08:269＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋产生滑移的条件：面间距大；滑移矢量（柏氏矢量）小；滑移面：密排面滑移方向：密排方向2.1材料的塑性变形机理2.滑移系滑移面：密排面滑移方向：密排方向一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系个数=滑移面数×每个面上的滑移方向数2.1材料的塑性变形机理08:2611fcc滑移系：滑移面一般为{111}，滑移方向110；4×3=12个滑移系fccbcchcp滑移面﹛111﹜4﹛110﹜6﹛0001﹜1滑移方向〈110〉3〈111〉2〈1120〉3Cu,Al,Ni,AuFe,W,Mo,08:2613Mg,Zn,Ti,Zr08:26143.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；滑移的临界分切应力fccbcchcp滑移面﹛111﹜4﹛110﹜6﹛0001﹜1滑移方向〈110〉3〈111〉2〈1120〉34.滑移的临界分切应力（c）（Schmid施密特定律）：外力在滑移方向上的分解。c：在滑移面上沿滑移方向开始滑移的最小分切应力。临界分切应力：c＝scoscos外力在滑移方向上的分解：屈服时，塑变开始：＝s取向因子：coscosSchmid因子08:2616coscos大时，=＝45时，分解得到的c值最大（或在较小的s下达到c），晶体易滑移：软取向。c＝scoscos或＝90时，=0：硬取向。2.1材料的塑性变形机理08:2617影响c的因素：晶体结构；滑移系类型；形变温度；滑移阻力；和取向因子无关。c取决于金属的本性，不受，的影响；c＝scoscos08:2618例：在面心立方晶胞[001]上施加100MPa的应力，求滑移系(111)上的分切应力。[011][011]解：首先确定该滑移系对应力轴的相对取向，如图2-5。滑移方向和应力轴的夹角λ=45º，cosλ=0.707。2.1材料的塑性变形机理由施密特定律：13φ=54.76ºcoscos11000.70740.83MPa所以，滑移系(111)[011]上的分切应力为40.8MPa。滑移面的法线[111]和应力轴[001]夹角φ有：08:26205.滑移时晶体的转动位向和晶面的变化：力偶σ1及σ2使滑移面向拉伸轴向转动（动画）2.1材料的塑性变形机理08:2621拉伸时，滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向;压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩转动08:2622取向因子变化：几何硬化：，远离45，滑移变得困难；几何软化：，接近45，滑移变得容易。2.1材料的塑性变形机理08:2623扭折:变形受到约束，不均匀塑变；扭折带晶体位向突变为有利位置，产生滑移。08:26246.单滑移、多滑移、交滑移和复滑移1）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。一个晶粒内只有一组平行的滑移线(带)。变形量很小的情况下发生。位错在滑移过程中不与其它位错交互作用，因此对材料的强化作用很弱。2.1材料的塑性变形机理08:26252）交滑移：（《材料科学基础》螺位错）螺位错的交滑移和双交滑移。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。2.1材料的塑性变形机理08:2626Al易交滑移，波纹状滑移带2.1材料的塑性变形机理08:26273）多滑移：在多个（2）滑移系上同时或交替进行的滑移。外力对多个滑移系的取向因子相同。多滑移比单滑移更困难。强化材料。奥氏体钢交叉滑移带08:2628主滑移系：ττc时，先启动的滑移系（一次滑移）。4）复滑移：（先后开动）共轭滑移系：随着滑移的进行，晶体取向变化，启动的另一个等同的滑移系。(第二滑移系)共轭滑移系开动时与主滑移系的滑移线交割，起动较困难；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。奥氏体钢交叉滑移带2.1材料的塑性变形机理08:2630（二）孪生在切应力作用下，晶体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，形成晶体取向的镜面对称关系。（动画）2.1材料的塑性变形机理08:263108:26321.孪生晶体学晶体的孪晶面和孪生方向与晶体结构类型有关。08:2633fcc中，每层（111）面都相对于其邻晶沿方向位移了21131d08:26342.孪生的特点孪生是一种均匀的切变；切变时原子移动距离是原子间距的分数倍；孪晶面两侧晶体的位向不同，呈镜面对称；孪晶经抛光与浸蚀后仍能重现。2.1材料的塑性变形机理08:2635孪晶常见于hcp和bcc晶体，fcc晶体中很难发生孪生。孪生本身对塑变的贡献不大，但孪晶改变了晶体的位向，使新滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。孪晶一般呈片状。Zn中的孪晶08:2636孪晶形核一般需要高应力。孪晶长大应力较小，常以爆发方式长大，拉伸曲线呈锯齿状。2.1材料的塑性变形机理滑移孪生相同点1均匀切变；2沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。不同点晶体位向不改变。改变，形成镜面对称关系位移量滑移方向上原子间距的整数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，较小。对塑变贡献很大，总变形量大。有限，总变形量小。变形应力一定的τcτc远高于滑移变形条件一般先发生滑移滑移困难时发生变形机制全位错运动的结果不全位错运动的结果2h08:2638多晶塑性形变受进晶粒和晶界的双重控制。二、多晶体的塑性变形2.1材料的塑性变形机理08:2639多晶体的塑性变形2.1材料的塑性变形机理位错在晶界塞积→应力集中→相邻晶粒位错源开动→相邻晶粒变形→塑变（动画）08:2640（一）多晶体金属塑性变形的特点1．各晶粒变形的不同时性和不均匀性。2．各晶粒变形的相互协调性。3．滑移的传递：激发相邻晶粒的位错源。2.1材料的塑性变形机理取向差效应：（动画）(二）晶界阻滞效应：（竹节效应动画）晶界对变形的阻碍作用：晶界原子排列不规则，分布有大量缺陷；滑移、孪生多终止于晶界，极少穿过。2.1材料的塑性变形机理晶界对变形的阻碍作用晶粒越细，强度σs，σb，σ-1越高。细晶强化：原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。(霍尔－配奇Hall-Petch公式)：08:26435.塑变后组织的变化塑性变形→→→→改变材料的外形和尺寸；→→→→内部组织；→→→→性能。在变形的同时，伴随着变性。2.1材料的塑性变形机理08:2644滑移带、孪晶带→→→随变形度的增加，等轴晶粒沿变形方向伸长,晶粒呈纤维状的条纹，称为纤维组织（带状组织：杂质呈细带状或链状分布）。1）纤维组织和带状组织16MnR容器钢板带状组织2.1材料的塑性变形机理08:2645黄铜纤维组织和带状组织08:26462）胞状组织（位错胞，亚结构）变形量增加→位错缠结→位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。）08:2647胞状组织（位错亚结构）严重冷变形后，位错密度可从退火态的106~107cm-2增至1011~1012cm-2。变形量越大，胞的数量增多，尺寸减小。2.1材料的塑性变形机理08:26483）形变织构定义：随形变增加，各晶粒的滑移面和滑移方向向主形变方向转动，晶粒取向大体一致，这个过程称为“择优取向”。择优取向后的晶体结构称为“织构”，由变形引起的织构称为形变织构。常见类型:丝织构板织构2.1材料的塑性变形机理08:2649A丝织构：在拉丝(拔)时形成，使各个晶粒的某一晶向uvw转向与拉伸方向平行；以uvw表示。2.1材料的塑性变形机理08:2650B板织构：轧制时，晶粒的某晶面{hkl}趋向于与轧制面平行，某晶向uvw趋向于与轧制方向平行；记为{hkl}uvw。2.1材料的塑性变形机理08:2651形变织构：各向异性晶粒拉长，未出现织构。晶粒拉长，出现织构。2.1材料的塑性变形机理C织构利弊：沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。08:2652织构利弊：织构使磁化性能得到改善。例2：硅钢片高斯织构（110）[001]立方织构（100）[001]硅钢片100织构可减少铁损。用有织构的板材冲制筒形零件时，由于在不同方向上塑性差别很大，边缘出现“制耳”。小结：晶体（金属）的塑变机理单晶体：滑移，孪生多晶体：非同时性、非均匀性；晶界阻碍滑移纤维组织、位错胞、织构2.1材料的塑性变形机理2.1.2陶瓷材料的塑性变形一、结合键对位错运动的影响一、单晶陶瓷的塑性二、多晶陶瓷的塑性三、非晶陶瓷的塑性2.1材料的塑性变形机理2.1.2陶瓷材料的塑性变形一、结合键对位错运动的影响♣金属：位错运动时不破坏金属键，固有特性是软的。♣共价键(共价晶体)：位错水平运动时，破坏键合，点阵阻力高。固有特性是硬的。共价键共价晶体金属2.1材料的塑性变形机理离子晶体：水平方向{100}滑移一半时，同号离子处于最近邻位置，静电斥力大，位错难以运动；沿45°{110}面和110方向滑移，静电斥力小，运动较容易------主滑移系。2.1材料的塑性变形机理08:2657离子晶体产生滑移的条件：面间距大；滑移矢量（柏氏矢量）小；每个面上是同一种电荷的原子，相对滑移面上的电荷相反。塑变难易程度：(难）共价晶体离子晶体金属（易）2.1材料的塑性变形机理一、单晶陶瓷的塑性仅少数MgO\KCl(fcc,NaCl型结构)在室温下有塑性。单晶可以弯曲不断裂，LiF单晶有上、下屈服点。20世纪50年代，AgCl离子晶体可冷轧变薄。2.1材料的塑性变形机理NaCl结构的离子晶体：低温时：滑移最容易在{110}面和110方向发生。----------主滑移系2.1材料的塑性变形机理次滑移系｛1