§9-1材料的弹性变形

第九章材料的变形与再结晶材料的载荷-伸长曲线弹性变形均匀塑变非均匀塑变断裂材料在载荷作用下的力学行为：材料力学行为变形断裂弹性变形塑性变形非线弹性变形线弹性变形均匀塑性变形非均匀塑性变形{{{{1高碳钢2低合金结构钢3黄铜4陶瓷、玻璃5橡胶6工程塑料几种材料的载荷-伸长曲线§9-1材料的弹性变形一.基本概念弹性变形：物体在外力作用下产生了变形，当外力去除后能恢复原来形状的变形。普弹性金属材料、陶瓷材料、玻璃态高分子材料可逆性小变形量：0.1-1.0%高弹性高分子聚合物可逆性大变形量：5-10%热效应：伸长时放热，回缩时吸热。i+1i高分子链键角转动模型1-引力2-斥力3-合力双原子模型二.广义虎克定律及弹性模量单元体应力分量zxyzxyzzyyxxzxyzxyzzyyxxCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211广义虎克（HookeR.）定律：zxzxyzyzxyxyyxzzxzyyzyxxGGGEEE111111虎克定律工程应用形式E：宏观弹性模量，杨氏模量（YoungT.)G：切变弹性模量K=σ/（ΔV/V0）：压缩模量，体弹性模量GKEEKEG3191121312三.材料的滞弹性理想弹性：应力与应变没有时间效应。弹性不完整性：滞弹性：应变落后于应力。内耗：应力循环一周所消耗的能量，即应力-应变回线所包围的面积。应变与时间的关系应力-应变回线应变应力§9-2单晶体的塑性变形塑性变形：在应力作用下，产生的永久变形。一.滑移系和临界分切应力定律Cu单晶变形后的滑移带滑移带示意图在载荷作用下，单晶体表面出现台阶——滑移台阶。滑移台阶={滑移带}={滑移线}={位错滑移}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；滑移是沿着滑移面上一定的晶向进行的，此晶向称为滑移方向；一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移面与滑移方向主要是最密排面和最密排方向，因为此时晶格阻力最小。载荷大时，也会在出现次密排面和次密排方向上。三种金属的滑移系（1）bcc滑移系滑移面——{110}、{112}、{123}滑移方向——111滑移系数量为：}123{}112{}110{4812411226X6（2）fcc滑移系滑移面——{111}滑移方向——110面心立方结构共有四个不同的{111}晶面，每个滑移面上有三个110晶向。滑移系数量：4×3=12（2）hcp滑移系a.当滑移面为{0001}时，滑移面只有一个，有三个晶向，故滑移系数目：1×3=3。b.当滑移面为时，晶体中滑移面共有3个，每个滑移面上一个晶向，故滑移系数目：3×1=3。c.当滑移面为斜面时，此时滑移面共有6个，每个滑移面上一个，故滑移系数目：6×1=6。hcp金属滑移系较少，通常塑性都不太好。0211}0110{02110211}1110{单晶体滑移系上的分切应力直接推动滑移的是在滑移系上的分切应力。图示一单晶体单向拉伸，滑移面法线方向与外力的夹角为φ，滑移方向和拉力轴的夹角为λ。滑移系上的分切应力为：coscoscoscosAFcoscos——取向因子，施密特（SchmidE.）因子施密特实验结果Φ=90°Φ=0°cosφcosλ取向因子越大，则分切应力越大。对于任一给定的φ值，取向因子最大值出现在λ=90º-φ，当φ=45º时，取向因子有最大值1/2，此时，得到最大分切应力。晶体开始塑性变形，即位错开始滑移，临界分切应力为：coscossc软取向：晶体中有些滑移系与外力的取向接近45º角时，滑移系上的分切应力接近最大，位错滑移需要较小的σ，处于易滑移的位向，称为“软取向”。通常是软取向的滑移系首先滑移。硬取向：晶体中有些滑移系与外力取向偏离45º很远，需要较大的σ值，位错才能滑移，称为“硬取向”。σσφ取向分类：二.滑移的位错机制1.位错滑移的启动力bWbaNPeGeG2121212晶格阻力派-纳力PeierlsR.-NabarroF.R.N.晶体中密排面（a大）和密排方向（b小）的晶格阻力最小，位错滑移所需启动力也最小。面心立方晶体位错宽度（W）最大，晶格阻力最小，易于滑移，屈服点低。体心立方晶体尽管滑移系很多，但位错宽度小，滑移阻力大，屈服点高，所以塑性变形能力不如面心立方晶体。密排六方晶体滑移系最少，所以，塑性变形能力最差。晶体滑移特点：bWbaNPeGeG21212122.单系滑移和多系滑移当某一滑移系上的位错受到的分切应力大于临界分切应力时，开始单系滑移。即：c滑移判据当两个以上滑移系上的位错受到的分切应力大于临界分切应力时，开始多系滑移。OPACB系滑移内位于系滑移系滑移系滑移1611140118001ABCOPOCOPOBOPOAOP如面心立方晶体：如果发生双滑移或多系滑移，会出现交叉形的滑移带。铝双滑移的交叉滑移带奥氏体钢的交叉滑移带3.交滑移（1）螺位错在某一滑移面运动受阻时，可以到另一滑移面继续滑移——交滑移。结果：晶体表面滑移线成折线。（2）扩展位错：一个全位错分解成两个不全位错，中间夹有层错。面心立方晶体中的扩展位错112612161012aaa层错能越高，扩展位错宽度越窄。如：Cu：d=2.2-7.0nmAg是Cu的2倍。Al是Cu的1/4。不锈钢中扩展位错的TEM像硅中扩展位错的HRTEM像扩展位错的交滑移：一个纯螺全位错可以交滑移，但分解为扩展位错后，不全位错离开层错所在晶面会引起严重错排，所以，扩展位错必须变回全位错才能交滑移。如：在面上柏氏矢量全位错分解：其中一段束集成全位错，再交滑移到面上，然后在该面上再分解成扩展位错：随着在两个滑移面交线上的两个结点沿交线向外延伸，可完成整个位错的交滑移。1111102/11126121161110211102/1111121611216111021扩展位错交滑移的第二种方式：扩展位错中柏氏矢量为的不全位错分解：其中的位错滑移面是，它就滑移到该面上，而的位错不能动，留在面上。当留在面上的位错滑移到面和面的相交线时，它和的位错反应：合成的位错的滑移面是面，结果完成了交滑移。1126/11216110031112611216/11111003/11112116/11111111111003/1121611003121161111扩展位错的两种方式交滑移都需要附加能量，需要外力或热激活，所以，扩展位错交滑移的难易决定于外力、温度和层错能。4.复滑移滑移时的晶体转动a.压缩b.拉伸晶体发生滑移塑性变形时，晶面发生转动和弯曲，转动的结果使滑移系向拉应力方向运动。随着滑移的进行，晶面发生转动而逐渐接近于拉伸轴，φ增大，λ减小。为了便于表示起见，假定晶体不动，而拉伸轴作相对转动。在极射赤面投影图上，拉伸轴从P点沿着虚线所表示的大圆转向滑移方向，但当拉伸轴到达OA线上的P’点时，共轭滑移系的分切应力达到与起始滑移系相同的数值，形成“双滑移”，两个滑移的转动可以部分抵消，使拉伸轴沿OA到达极点。011011111011111121面心立方拉伸轴的运动超越现象由于第二滑移系开动时必然与第一滑移系所造成的滑移线与滑移带交割，即前一滑移系的滑移对另一滑移系起潜在的强化作用，造成另一滑移系的起动比较困难，所以实际上第一滑移系将继续作用到穿过AC并达到P″，第二滑移系才开始动作，这种现象称为“超越”。所以，拉伸轴沿折线运动，形成复滑移。面心立方晶体滑移的超越现象三.滑移过程的次生现象扭折：当滑移受到约束或阻碍时,为适应外力作用而产生的一种不均匀变形方式。其出现是突然的。扭折原因：局部晶格绕某一轴旋转产生。扭折带：相对于原始晶体，取向发生不对称变化的晶体区域。现象：表面上滑移线呈S形。扭折带形成机理：晶体取向的突变是滑移受阻引起位错堆积，从未变形区到扭折带的过渡是由一系列同号刃型位错排列的结果。1.扭折带（KinkBand）单晶镉被压缩时的扭折扭折状态扭折示意图扭折带作用：协调变形：适应变形条件的约束，能引起应力松弛，使晶体不致断裂。促进变形：改变晶体取向，有可能处于软取向，促进滑移，进一步产生变形。伴随孪生可以形成协调扭折带。孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移；协调扭折带的形成允许试样适应试验条件的约束。伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带的示意图注意：扭折带的产生与晶体纯度、变形温度、晶体取向有关。2.形变带(DeformationBand)形变带：晶体相对原来晶体发生不均匀转动而形成。形变带取向转动不同于扭折带，不是突变，而是渐变，转动程度取决于变形量。形貌不同于滑移带，形状不规则，边界弯曲，并沿主变形方向延伸。由于晶界的阻碍易在一个晶内引起取向的不同，因此多晶材料形成形变带的倾向大。Al的形变带形变带的位错机制：平行滑移面内的异号刃型位错（EdgeDislocation)交互作用的结果(位错塞积)。形变带位错机制示意图孪生：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。四.孪生孪生是塑性变形的一种形式：晶体难以进行滑移。对称性低、滑移系少的晶体材料，如hcp金属：Zn、Cd、Mg等。孪生是在一定晶面（孪生面）沿一定方向（孪生方向）产生的。如：面心立方{111}112，体心立方是{112}111。面心立方晶体可以看成一系列平行的(111)面堆垛而成，孪生就是晶体中局部的几层(111)面沿[112]方向移动。最临近(111)面的移动距离是相等的，即均匀移动。0111.孪生的晶体学2.孪生的特点孪晶是晶体内部的一种均匀切变过程。在孪晶带中，每层原子面对于相邻原子面的移动量都相同，其移动量不是原子间距的整倍数（一般为分数），但它们在孪生后各自移动的距离和离孪生面的距离成正比。孪生带的晶格位向发生了变化，抗腐蚀性和光学反射性也也将有差异，抛光腐蚀后在显微镜下可见到孪晶组织。孪生变形在晶体表面可形成浮凸。孪生是在切应力作用下产生的，但产生孪生所需要的切应力比滑移要大10-100倍。孪生变形的速度很快，接近于声速，所以在应力-应变曲线上出现锯齿状。孪生变形会在周围得晶格中引起很大的畸变，因此所产生的塑性变形总量不大，一般不超过10%。孪生对变形的作用另一方面还表现在生成的孪生改变了晶体的位向而帮助滑移。铜单晶在4.2K的拉伸曲线应变形变孪晶：在形变过程中形成的孪晶组织，在金相形貌上一般呈现透镜片状，多数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶。退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织，一般孪晶界面平直，且孪晶片较厚。锌晶体中的形变孪晶和铜晶体中的退火孪晶组织孪晶的HRTEM形貌滑移孪生相同点1切应力；2沿一定的晶面、晶向进行；3不改变结构。不同点晶体位向不改变（对抛光面观察无重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）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。对塑变的贡献很大，总变形量大。有限，总变形量小。变形应力有一定的临界分切压力所需临界分切应力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