第五章-材料的形变和再结晶

FoundationsofMaterialsScience上课班级：材料11级主讲教师：吴菊E-mail:[e-mail]:5845913522012-2013学年第二学期（64学时，4学分）第五章材料的形变和再结晶位错的运动滑移slip攀爬climb外切应力弹性变形、塑性（永久）变形、断裂主要内容5.1弹性和黏弹性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5.5陶瓷材料变形的特点5.6高聚物的变形特点材料承受载荷时发生的变形称为形变。载荷类型：拉伸载荷Tension，压缩Compression、剪切Shear和扭转Torsion。拉伸Tension压缩Compression剪切Shear扭转Torsion材料受力后：弹性变形Elasticdeformation：在载荷相对较小时，这种变形是弹性变形，即卸载后材料恢复原状。塑性（永久）变形Plasticdeformation：当外力超过一定限度后，材料将发生塑性（永久）变形，即卸载后材料不能恢复原状。断裂Fracture：当外力过大时，就会发生断裂。研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解各种内外因素对变形的影响，研究冷变形材料在回复再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律.材料的形变与再结晶软钢的应力-应变曲线强度指标：σe、σs、σb塑性指标：δ（延伸率）ψ（断面收缩率）金属变形的三个阶段：弹性变形、塑性变形、断裂。σe—代表产生弹性变形的最大应力。σs—代表产生塑性变形的最小应力。第一节弹性和黏弹性•材料在外力作用下发生变形。当外力较小时，产生弹性变形。弹性变形是可逆变形，卸载时，变形消失并恢复原状。•定义：指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。•实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。一、弹性变形的本质•原子处于平衡位置时，相互作用力为零，这是最稳定的状态•原子间距为r0，位能U处于最低位置，原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。•外力去除后，原子都恢复到原来的平衡位置，所产生的变形完全消失。a)体系能量与原子间距的关系b)原子间作用力与距离的关系弹性变形本质：二、弹性变形的特征和弹性模量（1）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。（2）在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数关系，即服从胡克(Hooke)定律：弹性变形的特征式中，s为正应力；e为正应变；E为弹性模量横向应变：εt=△d/d0轴向应变：εa=△l/l0式中，u为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金属材料的泊松比在0.25～0.35之间。taee式中，t为切应力；g为切应变；G为切变模量（3）弹性变形量随材料的不同而异：多数金属材料：弹性变形量小（一般不超过0.5%）；而橡胶类高分子材料的高弹形变量则可高达1000%，但这种变形是非线性的。边长为h、侧面面积为A的立方体承受剪切力F的作用●弹性模量的物理意义弹性模量是应力－应变曲线上弹性变形段的斜率，在拉伸变形中通常称它为杨氏模量。低应变区的应力应变关系Ese＝弹性模量代表着使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。即弹性模量相当于发生单位弹性变形所需的应力，换言之，在给定应力下E大的材料只发生很小的弹性应变，而E小的材料则弹性应变大。从微观的角度看，晶体在外力作用下，发生弹性变形对应着原子间距的变化。这种性质与弹簧很相似，故可把原子结合比喻成很多小弹簧的连接。结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，则“弹簧”越“硬”，原子之间距离的移动所需的外力就越大，则弹性模量越大。Ese＝以共价键或共价-离子混合键结合的大多数陶瓷，例如金刚石、氧化铝（Al2O3)等，由于其原子间结合力很大，故其弹性模量很高；分子键的固体如塑料、橡胶等的键合力很弱，具有很小的弹性模量，但相对变形量很大；而金属的弹性模量则介于陶瓷和高分子橡胶之间。金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的指标，其大小主要取决于原子间的结合力，与金属的本性、晶格类型、晶格常数有关，而金属材料的合金化、加工过程及热处理的方法对它的影响很小。•在工程上，弹性模量是材料刚度的度量。弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：单晶体的弹性模量呈各向异性：沿原子排列最密的晶向弹性模量最大。多晶体的弹性模量E呈各向同性。一个圆柱形钢材试样受到的应力为100Mpa。试样未变形时直径为10mm，长度为40mm；试样变形后的长度和直径分别为40.019mm和9.9986mm。假定此时试样仍然是弹性的，试计算这种钢的弹性模量、切变弹性模量和泊松比。例题（这个例子说明各向同性材料的三个弹性指标能够通过测量圆柱试样的长度和直径的变化来确定。）三、弹性的不完整性多数材料为多晶体甚至为非晶态，或者两者都有的，其内部存在各种类型的缺陷。弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合，应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象，称之为弹性的不完整性。弹性不完整性的现象包括：包申格效应、弹性后效、弹性滞后、循环韧性。1．包申格效应（BauschingerEffect)•材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4％），而后同向加载则规定残余应力se升高，反向加载则残余应力se下降。此现象称之为包申格效应。•它是多晶体金属材料的普遍现象。•包申格效应对于承受应变疲劳的工件很重要。微观本质预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同相加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易残余伸长应力降低。包申格效应的危害及防止方法交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降）预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火。2．弹性后效•一些实际晶体，在弹性极限范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性。a´b=c´d滞弹性应变加载时应变落后于应力的现象称为正弹性后效，也称为弹性蠕变或冷蠕变；卸载时应变落后于应力的现象称为反弹性后效。3.弹性滞后•由于应变落后于应力，在s-e曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称之为弹性滞后。•物理意义：弹性滞后表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称之为内耗，其大小即用弹性滞后环面积度量。弹性滞后环a)单向加载弹性滞后环(b)交变加载（加载速度慢）弹性滞后环c)交变加载（加载速度快）弹性滞后环（d）交变加载塑性滞后环循环韧性若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可得到塑性滞后环。金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫循环韧性。循环韧性又称为消振性。循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性的大小。循环韧性的意义：材料循环韧性越高，则机件依靠材料自身的消震能力越好。如汽轮机叶片用1Cr13钢制造，机床床身，发动机缸体等选用灰铸铁制造，其重要原因就是这类材料的循环韧性高，消震性好；仪表选用循环韧性低的材料，可以提高仪表的灵敏度。循环韧性的应用减振材料（机床床身、缸体等）；乐器要求循环韧性小。四、黏弹性•除弹性变形、塑性变形外还有一种变形是黏性流动。•黏性流动：指非晶态固体和液体在很小外力作用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外力去除后，形变不能回复。•一些非晶体，甚至多晶体，在比较小的应力时可以同时表现出弹性和黏性，即黏弹性现象。•应变落后于应力。当加上周期应力时，应力—应变曲线就成一回线，所包含的面积即为应力循环一周所损耗的能量，即内耗。•黏弹性变形是既与时间有关，又具有可恢复的弹性变形，即具有弹性和黏性变形量方面特征。•黏弹性变形是高分子材料的重要力学特性之一。黏弹性变形的特点一、胡克生平简介胡克,RobertHooke(1635～1703)英国物理学家。1635年7月18日生于怀特岛的一个乡村牧师家庭。从小喜好机械。他在威斯敏斯特中学毕业后，1653年作为工读生进入牛津大学学习，但任了R.玻意耳的助手，1663年获硕士学位。1665年担任伦敦格雷舍姆学院几何教授。胡克在牛津大学学习期间就积极参加了牛津和伦敦的科学小组的活动。当小组发展为伦敦的皇家学会后，1662年起任学会的实验主持人。1663年成为正式会员，1677～1683年任学会秘书，并负责出版会刊。在这20多年的学会活动中，胡克担负不少实验和事务性工作。1703年3月3日在伦敦逝世，享年68岁。二、胡克科学成就1．胡克是一个多才多艺的实验物理学家、仪器设计师和发明家。他协助玻意耳改进O.von盖利克发明的空气泵，改进后的空气泵和近代使用的空气泵形式相近。玻意耳利用它进行过许多演示实验，并建立了玻意耳定律，胡克对当时出现的各种仪器几乎都做过重大改进或创新，如钟表的弹簧摆轮，毛发湿度计、航海仪器、显微镜与望远镜等等。1665年，他出版了生动优美的《显微图集》（Micrographia），第一次把植物、动物和矿物的显微结构显示在人们面前，并引入了细胞（cell）这一名词。2．胡克建立了弹性体形变与力成正比的定律。1660年他在实验中发现螺旋弹簧伸长量和所受拉伸力成正比。1676年在他的《关于太阳仪和其他仪器的描述》(ADescriptionofHelioscopesandOtherInstruments)一文中用字谜形式发表这一结果，谜面是ceiiinosssttuv。1678年在他的小册子《势能的恢复──论说明弹跳体能力的弹簧》(LectursedePotentiaRestituva,orofSpringExplainingthePowerofSpringingBodies)一文中公布了谜底：uttensiosicvis,这句拉丁文的意思是“伸长量和力成正比”。这是关于弹性体胡克定律的最早形式。3．胡克的显微图集是欧洲十七世纪最主要的科学文献之一，它几乎成了物理、化学、生物、矿物学、地理学等自然科学的观察图集大全。在《显微图集》中刊载有胡克观察到的云母、玻片间空气层及薄膜等在光束照射下的彩色环带。他指出颜色与薄膜厚度的关系和颜色变化的周期性；在书中还断言：“发光体的每一脉动和振动都必将形成一个球面并不断扩大，如同投石入水后引起的越来越大的环状波一样。”他还用光在薄膜前后表面反射后的脉冲组合来解释不同颜色的形成。由此可见胡克是光的波动说最早的倡导人之一。Ⅰ.牛顿的许多光学实验直接受到《显微图集》一书的启发，但他冲破了胡克的颜色理论。4．胡克从1661年开始，积极参加了皇家学会研究重力本质的专门委员会的活动，对重力现象进行过一些实验。在1674年《试证地球周年运动》的报告中，他提出“一切天体都具有倾向其中心吸引力或重力”，“天体在未受其他使其倾斜的作用力前保持直线运动不变”，“离吸引中心越近，吸引力越大”，1679年在给牛顿的信中又进下提出平方反比关系。由于胡克的数学素养不够，未能解决行星的轨道问题，但他的研究和与牛顿的论争，大促进了牛顿对万有引力定律的深入研究。胡克在热学方面曾与C.惠更斯一起断定在常压下冰的熔点及水的沸点为固定点，并建议以水的结冰温度为温度计的零度，他认为热是物质粒子机械运动的结果。他较早地观察到矿物晶体的有序排列。胡克涉及的面很广，包含化学中的燃烧问题，生物的呼吸问题，地质学的化石，以及天文观测、地震、海洋、城市建筑设计等等，他的实验技术精湛，物理思想活跃，但受数学素养的限制，对问题的研究往往不能透彻；因此胡克在钟摆、引力、光学、燃烧、生物进化等方面都没有像惠更斯占顿等那样获得比较深入而系统和理论成果。三、趣闻轶事1、胡克与惠更斯争发条钟的发明权关于弹簧摆轮和发明权争论，暴露了胡克性格的多疑、乖戾和思想不够缜密。本来，胡克和惠更斯都是独立发现这种机件的，在登载胡克定律的《态势的恢复》一文中确有这一例子并有演示说明，但胡克手中却没有制成于1658年的确切证据。1660年左右，本来皇家学会的玻义耳、R.Moray，W.Brouncker考虑支持胡克的发明，因为它会带来巨大的好处。在