5-1-第五章-材料的形变与再结晶part.1---2015

郭开元电话：[phone]邮箱：[e-mail]材料科学基础2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元1绪论第一章原子结构与键合第二章固体结构第三章晶体缺陷第四章固体中原子及分子的运动第五章材料的形变与再结晶第六章单组元相图及纯晶体的凝固第七章二元相图及其合金的凝固材料科学基础2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元2第五章材料的形变与再结晶本章主要内容：5.1弹性和粘弹性5.2晶体的塑性变形5.3回复和再结晶5.4热变形与动态回复、再结晶以下略5.5陶瓷材料的变形5.6高分子聚合物的变形塑性变形的机制，对材料组织与性能的影响回复、再结晶机制与动力学2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元3•弹性的不完整性（略）•单晶的塑性变形：滑移、扭折、孪生的概念•滑移面和滑移方向、滑移系•滑移的位错机制：点阵阻力-派-纳力•多晶体的塑性变形：Hall-Petch公式•合金的塑性变形：形变强化、固溶强化和弥散强化•材料的不同强化方式的强化机制•塑性变形对材料组织与性能的影响•回复与再结晶过程中组织与性能的改变•再结晶形核机制、再结晶晶粒长大机制-再结晶动力学计算•再结晶温度及其影响因素【本章重要概念】2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元4冷变形（Tm）热变性（Tm）按塑性变形温度分体积成型（锻造、轧制、挤压、拉拔等）板料成型（冲裁、弯曲、拉延等）塑性变形（固态成型）塑性变形分类：塑性变形在金属的锻、轧、拉、挤加工过程中有重要作用。材料的塑性变形2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元5锻、轧、拉、挤体积成型：锻造轧制拉拔挤压2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元6低碳钢的拉伸试验e弹性极限s屈服强度b抗拉强度•弹性变形:具有可逆性，外力去除后可完全恢复•塑性变形：不可逆弹性变形（elasticdeformation）塑性变形（plasticdeformation）外力材料完整的塑性变形过程1.外形尺寸变化2.内部组织、性能变化塑性变形导致这种状态自由焓较高，不稳定，加热后发生回复与再结晶2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元7r=r0原子处于平衡位置位能U为Umin最稳定F=0rr0即偏离其平衡位置F＞引力＜斥力力图使原子恢复其原来的平衡位置5.1.1弹性的本质可从原子间结合力的角度来了解之。无外力作用时，原子间结合能和结合力是原子间距的函数。※5.1弹性和粘弹性(高分子)弹性变形是塑性变形之前必经历的过程2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元85.1.2弹性变形的特征（1）理想的弹性变形是可逆变形；（2）在弹性变形范围内，应力-应变关系服从胡克（Hooke）定律：•正应力下=E•切应力下=G•各向异性弹性体的应力应变关系，即广义虎克定律可用矩阵表示。（3）弹性变形量随材料的不同而异。E-杨氏弹性模量G-剪切模量-泊松比G=E/2(1+)不同材料的弹、塑性性能差异很大;如金属、陶瓷、高分子2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元9弹性模量E(Elasticmodulus)•表征晶体中原子间结合力强弱的物理量,反映原子间的结合力。合金化影响小。•共价键(E金刚石)金属键高分子-分子键。•对单晶体而言，弹性模量是各向异性的：单晶体沿原子最密排的晶向Emax，沿原子最疏的晶向Emin。多晶体因晶粒任意取向，总体呈各向同性。•工程上E是材料刚度的度量。2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元10※5.2晶体的塑性变形本节内容包括：1.单晶体的塑性变形2.多晶体的塑性变形3.合金的塑性变形4.塑性变形对材料组织与性能的影响•当应力超过弹性极限，材料发生塑性变形，产生不可逆的永久变形。其本质与弹性变形相比更为复杂。具体分析：单晶体——多晶体2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元115.2.1单晶体（SingleCrystal）的塑性变形1.滑移Slip2.孪生Twinning晶界滑动GrainboundarySliding扩散性蠕变DiffusionalCreep高温情况下3.扭折kink塑性变形方式多晶体的晶粒内，由位错运动方式决定多晶体的晶粒之间2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元12一、滑移（Slip）a.现象-滑移线与滑移带单晶体的拉伸试验塑性变形的不均匀性特征：滑移只沿一定的晶面、一定晶向进行纯铁金相组织中的滑移线2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元13b.滑移的晶体学特征-滑移系原因是：1、原子密度最大的晶面上面间距最大、点阵阻力最小。2、最密排方向上的原子间距最短。-位错运动克服的阻力最小。滑移系：由晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成,构成了滑移的空间取向。表5.3常见金属的滑移面与方向滑移的特征：通常滑移面和滑移方向总是晶体中原子密度最大的面和方向P-N力2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元14晶体结构不同，滑移系的数目不同fcc：{111}有四组，而每个(111)面上共有三个[110]，共有4×3＝12个滑移系hcp：1个(0001)面，3个1120方向共有1×3＝3个滑移系bcc：{110}面共有6组，每个{110}上有2个111方向{112}面共有12组，每个{112}1个111方向{123}面共有24组，每个{123}1个111方向共有6×2＋12×1＋24×1＝48个滑移系一般滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈多，这种材料的塑性就愈好。2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元15c.滑移所需临界分切应力确定滑移面和方向Critical（resolved）shearstress圆柱形试样单向拉伸情况下，作用在滑移面上沿滑移方向的切应力：coscoscos1AFAF其中AF作用在横断面上的拉伸应力coscos取向因子A1=2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元16晶体滑移必须使≥c临界分切应力:c决定了位错滑移的难易程度c：取决晶体中原子间的结合力，即与晶体类型、纯度（杂质）、温度以及变形速度有关，与外力无关。见表5.4coscossccoscoscs其中s-起始屈服强度，由取向因子决定图5.9P175：当＝90°或＝90°时，s∞晶体不能产生滑移只有当＝＝45°时，smin首先发生滑移＝2c2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元17d.滑移时晶面的转动滑移面上发生相对位移晶面转动空间取向发生变化晶体滑移拉伸时，使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行压缩时，使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴垂直2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元18形变过程：晶体滑移晶体转动位向变化取向因子变化分切应力值变化e.多系滑移Multipleslip多系滑移：•外力下，滑移首先会发生在分切应力最大、且c的滑移系－原始滑移系上。•但由于伴随晶体转动空间位向变化另一组原取向不利；滑移系逐渐转向比较有利的取向，从而开始滑移，形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为多系滑移。名词解释2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元202Gmf.滑移的位错机制第3章提到：与实测值（约为1～10MPa）之间相差3～4个数量级。根据刚性位移模型，理论剪切强度(G一般为104～105MPa）修正后的理论剪切强度=G/30，仍然偏大。因为位错运动时，只要附近少数原子移动很小的距离（小于一个原子间距），因此所需的应力要比晶体作整体刚性位移时小得多。这样，借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。位错概念引入解决这一矛盾：2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元21P178图5.13位错中心能量的周期性变化1、位错运动首先遇到点阵阻力——派.纳力(P-Nforce)：]2exp[12))1(2exp(12bWvGbvdvGNP•对于简单立方d=b，=0.35,得到P-N=2×10-4G，远小于理论剪切强度G/30.–––说明位错的滑移容易进行•P-N力与晶体结构和原子间作用力有关。从上式可知滑移面间距d↑、滑移方向原子间距b↓，则↓，因此：晶体的滑移通常发生在原子最密集的晶面并沿着最密集的晶向进行。2、除点阵阻力外，位错与点缺陷、其他位错、晶界(多晶体)、第二相质点（合金）等交互作用，对位错的滑移运动均会产生阻力，导致晶体强化。（5.10）2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元22二、孪生Twin金相观察：纯镁、纯锌中的形变孪晶孪生变形的难易程度：和对称性、滑移系数量有关。HCPBCCFCC，FCC极低温下也会孪生-图5.18铜单晶拉伸曲线（4.2K）孪生的定义：滑移系较少的晶体（如hcp的Mg,Zn,Ge），或滑移系较多的晶体在低温下，或当滑移受阻时的一种变形方式。2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元24a.孪生变形过程P180图5.16•孪晶•孪晶界•孪晶面—孪晶界•孪生方向b.孪生的特点（简答）•临界切应力大于滑移的c•均匀切应变孪生是在切应力作用下沿特定的晶面与晶向产生的均匀切变。孪晶区的原子同时移动，同一层原子移动距离相同。•镜面对称位向关系2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元25形核（难）：孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进行的条件下才会发生。例如，Mg孪生所需c4.9~34.3MPa，而滑移时c仅为0.49MPa。长大（易）：例如，Zn单晶形核-0.1G，长大-0.001G。萌生之初，能量大量积累—孪晶的长大速度极快（与冲击波的速度相当），有相当数量的能量被释放出来。c.孪晶的形成方式变形（机械）孪晶：变形产生，呈透镜状或片状生长孪晶：晶体生长过程中形成，包括气、液、固相生长退火孪晶：退火过程中堆垛层错生长形成，横贯整个晶粒形核长大两个阶段变形孪晶的生长:可分为2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元26d.孪生变形的意义：通过单纯孪生直接达到的变形量是极为有限的。如Zn单晶，孪生只能获得7.2～7.4％伸长率，远小于滑移所作的贡献。孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利于发生滑移的位置，激发进一步的滑移，获得很大变形量，故间接贡献却很大。2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元27※5.2.2多晶体的塑性变形PlasticDeformationofpolycrystallineMaterials多晶体变形要受到晶界和相邻不同位向晶粒的约束。周围晶粒同时发生相适应的变形来配合。一般多晶体为多系滑移，具有高的加工硬化率，变形抗力增大，强度显著提高。具体分析：单晶体多晶体2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元30一.晶粒取向的影响外力F作用下处于有利取向的晶粒先开始滑移处于不利取向晶粒还未开始滑移变形不均匀为保持变形的连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相互协调•多晶体塑性变形时，要求至少有5个独立的滑移系相互协调来进行滑移。•fcc,bcc滑移系多，处于有利位置的取向多→塑性好•hcp滑移系少→塑性差)0(zzyyxxVV2020年3月7日星期六《材料科学基础》CAI课件-郭开元31位错在晶界上产生塞积（交通堵塞）晶内发生较大变形，晶界处变形量较少，塑变抗力大，可观察到位错的塞积，位错无法转移到相邻晶粒中。2~3个晶粒的试样拉伸后呈竹结状。二.晶界的阻滞效应多晶体塑性变形的另一个特点是晶界对变形过程的阻碍作用。晶界对多晶体变形产生阻碍作用的原因：1、大角晶界处原子排列不规