第8章变形与断裂(1)

SCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGXI`ANJIAOTONGUNIVERSITY1第八章材料的变形与断裂DEFORMATIONANDFRACTUREOFMATERIALS2主要内容金属变形概述金属的弹性变形滑移与孪生变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形纯金属的形变强化合金的变形与强化冷变形金属的组织与性能金属的断裂冷变形金属的回复和再结晶金属的热变形、蠕变及超塑性陶瓷晶体的变形高分子材料的变形3第一节金属变形概述INTRODUCTIONTODEFORMATIONOFMETALS金属典型的拉伸曲线金属拉伸变形的三个阶段弹性变形塑性变形断裂THEEND4一、金属典型拉伸曲线5退火纯铜的拉伸曲线二、金属变形的三个阶段S1.弹性变形阶段σs—屈服极限实际中很难找到弹性变形和塑性变形的准确分界，工程上常以去除应力后有0.001%、0.005%、0.1%、0.2%等残余塑性变形时对应的应力表示。63.断裂阶段K2.塑性变形阶段均匀变形bS颈缩局集变形bKb条件应力—应变曲线真应力—真应变曲线7第二节金属的弹性变形ELASTICDEFORMATIONOFMETALS弹性变形的主要特点弹性模量的物理意义弹性模量在工程上的应用THEEND8一、弹性变形的本质弹性变形外力去除后能够完全恢复的那部分变形可以从原子间结合力的角度了解其物理意义弹性变形是塑性变形的先行阶段，在塑性变形中还伴生着一定的弹性变形9体系能量(a)、原子间作用力(b)与原子间距离的关系—原子平衡间距，原子间互作用能最低0r原子间互作用力F随原子间距r而变:00Frr时00Frr时00Frr时0S双原子间相互作用模型10相邻原子间也应当有一个平衡距离，即晶体中的原子间距RRR′FF受外力时，原子受力偏离平衡位。原子间距增大产生吸引力，原子间距减小产生斥力。方向与外力相反，数值相等，相邻原子间达到新的平衡。晶体中11发生弹性变形的难易程度取决于作用力-原子间距曲线的斜率S0220druddrdFS)(00rrSF000020rrrrSrF金属材料弹性变形量很小，可以认为原子间距只在r0附近变化，S0可以被看成常数单位面积原子的键数为1/r0200rS00rSE弹性模量的微观解释对组织不敏感的性能指标12二、弹性变形的主要特点理想的弹性变形是可逆变形，加载变形，卸载变形消失EG金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载还是卸载，只要在弹性范围内，应力和应变之间都保持单值、线性函数关系，即服从胡克定律σ—正应力ε—正应变E—弹性模量γ—正应变τ—切应力G—切变模量金属、陶瓷弹性变形的数值通常很小13三、弹性模量的物理意义弹性模量是原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。所以弹性模量只取决于晶体的原子结合的本性。四、影响弹性模量的因素金属的弹性模量取决于金属的本性，而与内部组织形貌关系不大。少量的合金元素及加工状态对金属的弹性模量影响很小。14对于纯组元，弹性模量是原子序数的周期函数，但对过渡族元素则不符合此规律，过渡族元素的弹性模量比较大在各种常用金属中铁的弹性模量较高，仅次于少数几种高熔点金属和稀缺金属，这是铁基合金在工业中获得广泛应用的主要原因之一对于合金，两组元若能形成完全互溶的固溶体，它的弹性模量在两纯组元的弹性模量值间，并随固溶体的浓度大体成线性关系。但总的来说，固溶组元对弹性模量的影响是比较小的。高强度合金钢的抗拉强度可高出低碳钢一个数量级，但各种钢的弹性模量基本相同15温度增加时由于使原子距离增大，键合力减弱，从而降低弹性模量。温度每提高1℃，弹性模量下降约0.03%。冷加工可以少量地降低弹性模量，一般也降低得很少。16在单晶体中，不同方向上的弹性模量差别很大，沿着原子排列最密的方向弹性模量最高，沿着原子排列最疏的晶向弹性模量最低，呈各向异性。α-Fe晶体沿着〔111〕晶向的E为272700MN／m2，沿着〔100〕晶向为125000MN／m2〔100〕〔111〕对于多晶体，由于各个晶粒的取向不同，沿任一方向测得的弹性模量皆为各种晶粒的平均值，呈各向同性。对于α–Fe多晶体其E为211400MN／m217五、弹性模量在工程上的应用对零（构）件进行刚度设计EAFEAF在其它条件相同时，金属的弹性模量愈高，制成的零件或构件的刚度便愈高，即在外力作用时，保持其固有形状、尺寸的能力愈强。EA(GA),代表零件的刚度，产生单位弹性应变所需载荷的大小。18复习一、互扩散与互扩散系数柯肯达尔效应Cu+30%ZnMoCu—置换固溶体中两组元原子的相互扩散互扩散系数BAABDCCDCCD00BAABDxDx19反应扩散—扩散过程中因浓度变化发生化学反应而产生新相的扩散。LABTaebcdwB=e点aebcdBwBx0)(a)(b)(c)(d二.反应扩散二元系扩散层中不出现两相共存区。相界面上的浓度是突变的，它对应于该相在一定温度下的极限溶解度。20三、影响扩散系数的因素外因温度、时间内因组元特性、晶体结构、固溶体类型与浓度、晶体缺陷RTQDDexp021第8章变形与断裂主要内容金属变形概述金属的弹性变形滑移与孪生变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形纯金属的形变强化合金的变形与强化冷变形金属的组织与性能金属的断裂冷变形金属的回复和再结晶金属的热变形、蠕变及超塑性陶瓷晶体的变形高分子材料的变形22第一节金属变形概述金属典型的拉伸曲线金属拉伸变形的三个阶段弹性变形塑性变形断裂23第二节金属的弹性变形一、弹性变形的主要特点：二、弹性模量的物理意义三、弹性模量在工程上的应用弹性变形外力去除后能够完全恢复的那部分变形可逆变形，加载变形，卸载变形消失材料弹性变形服从胡克定律金属、陶瓷弹性变形的数值通常很小是原子离开平衡位置的难易程度，只取决于晶体的原子结合的本性。EAF24第三节滑移与孪生变形THESLIPANDTWINDEFORMATION晶体的滑移与观察滑移机制晶体的滑移系孪生变形THEEND25一、晶体的滑移与观察金属塑性变形的主要方式晶界滑动（高温下）孪生滑移1.晶体滑移的观察26单晶体试棒的自由滑移变形27夹头固定时单晶体试棒的拉伸变形28SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E金属单晶体拉伸后实物照片29铜中的滑移带（光学显微镜）工业纯铁表面的滑移带（光学显微镜）滑移带—把试样抛光，适量的塑性变形后，在宏观或光学显微镜下看到的试样表面上平行或交叉的细线30滑移线及滑移带示意图滑移线—在电子显微镜下，可以看到滑移带是由更多的一组平行线组成，称为滑移线滑移一定会在表面形成台阶吗？晶体表面形成的台阶滑移线和滑移带滑移面与表面相交大量的层片间滑动的累积构成晶体的宏观塑性变形31晶体的滑移—晶体的一部分相对于另一部分沿特定晶面和晶向发生平移，特定晶面称为滑移面，特定方向称为滑移方向。2.晶体的滑移晶体变形是不均匀的—滑移只是集中在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。滑移只在晶体局部进行，即使在宏观上可观察到大量的塑性变形，在发生滑移的这组晶面中，也不到1%的晶面发生滑移32二、滑移的应力条件正应力只能发生弹性变形及拉断晶体中的滑移是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿特定晶面和晶向发生平移33变形前弹性变形塑性变形金属晶体变形后其内部原子的移动情况晶体在正应力作用下的变形34晶体在切应力作用下的变形35三、滑移机制1.位错机制晶体的滑移是晶体中位错运动的结果36刃位错运动37螺位错运动382、位错运动的点阵阻力位错的宽度位错宽度越窄界面能越低越窄单位体积弹性畸变能高平衡宽度刃型位错原子模型刃型位错的形成39偏离=b/4(柏氏矢量）时，叫位错宽度b/4b/4W40位错运动的阻力首先来自的点阵阻力12简单立方点阵中刃位错的滑移位错滑移时核心能量的变化位错运动的点阵阻力晶体的滑移必须有外力作用位错运动要克服阻力41bWGbaGNP2exp12)1(2exp12派尔斯（Peierls)和纳巴罗（Nabarro)首先估算了这一阻力，即派-纳（P-N）力a—滑移面的面间距b—柏氏矢量W—代表位错宽度1aW42晶体的滑移面应是晶体的最密排面（面间距最大），滑移方向应是晶体的最密排方向（原子间距最小，位错的b最小）bWGbaGNP2exp12)1(2exp12位错宽度↑→位错导致的严重点阵畸变区大→位错周围原子能比较接近平衡位置→位错移动时其它原子相应移动的距离较小→阻力较小b↓,a↑→阻力较小解释了实验观测结果43第一次定量的解释了金属晶体中由于位错的存在，使实际的屈服强度远低于理论的屈服强度简单立方a=bν=0.3,则τP-N=3.6×10-4Gν=0.35,则τP-N=2×10-4G这一数值比理想屈服强度（τ≈G/30）小得多，与实际的屈服强度（晶体开始滑移的临界分切应力）(τ≈10-4G)同一数量级44四、晶体的滑移系首先决定于晶体结构，但也和温度和合金元素等有关滑移系—滑移面与该面内的一个滑移方向合称为一个滑移系451.晶体的常见滑移系1)面心立方金属的常见滑移系10111112个滑移系4×3=1212个46面心立方金属的12个滑移系101111]101)[111(]011)[111(]110)[111(]110)[111(]101)[111(]110)[111(]011)[111(]101)[111(]101)[111(]011)[111(]110)[111(]011)[111(472)体心立方金属的常见滑移系481110111111236×2=1211111212×1=1224×1=12体心立方金属的滑移面不太稳.通常在低温时为｛112｝,在中温时为｛110｝，在高温时为｛123｝。这可能是由于体心立方晶体的密堆程度不如面心立方及密排六方晶体高，又缺乏密排程度足够高的密排面的缘故。不过体心立方晶体的滑移方向很稳定，总是＜111＞体心立方金属的滑移变形受合金元素、晶体位向、温度、应变速率的影响大48个49α-Fe的滑移线是波浪形的，人们推测它同时具有三组滑移面。滑移常可在｛110｝、｛112｝、｛123｝等晶面上同时进行111110的12个滑移系]111)[110(]111)[110(]111)[101(]111)[101(]111)[011(]111)[011(]111)[101(]111)[101(]111)[011(]111)[011(]111)[110(]111)[110(500211)0001(3个滑移系]0211)[0001(]0121)[0001(]1102)[0001(当c／a接近或大于1.633时，最密排面为(0001)3)密排六方金属的常见滑移系3个51由于滑移系数目太少，密排六方金属的塑性通常都不太好当c／a小于1.633时，(0001)面间距缩小，不再是最密排面，滑移面将可能变为柱面｛1010｝或斜面｛1011｝，滑移方向仍为〈1120〉522.滑移系数目对金属塑性的影响每个滑移系反映晶体在进行滑移时可能采取的一个空间取向其他条件相同时金属晶体的滑移系越多滑移过程空间取向越多金属的塑性越好密排六方晶体的塑性不如体心立方和面心立方的晶体注意滑移系的多少只是晶体结构所表现出的对塑性的固有影响因素53六、孪生变形（以面心立方晶体为例）对于具有体心立方及面心立方结构的金属，当形变温度极低、形变速度极快、或由于其它原因的限制滑移过程难以进行时，也会通过孪生的方式进行塑性变形在金属的塑性变形中，另一种较常见的形变方式为孪生一些具