第4章材料科学基础李见变形

1、第4章材料科学基础李见变形 预备知识：极 图 第4章材料科学基础李见变形 第4章材料科学基础李见变形 第八章第八章材料的形变材料的形变 (Chapter 8 Deformation of Materials ) 典型材料的拉伸应力-应变曲线 (stress-strain curve) 材料的变形主要分为弹性变形和塑性变形 弹性极限e ：应力应变成线性关系的极限应力 屈服极限s ：开始发生明显塑性变形的应力 抗拉强度b ： 断裂前能够承受的最大应力 第4章材料科学基础李见变形 8.1 材料的弹性变形（Elastic deformation of materials） 2 弹性变形的特征 理想的弹

2、性变形是可逆变形， 加载时变形，卸载时变形消失、恢复原状； 在弹性变形范围内，应力与应变之间 服从虎克定律（Hookes law） 正应力下： = E )1 (2 E G 切应力下： = G 1 弹性变形的本质 弹性变形(elastic deformation)：外力去除后能够 完全恢复的那部分变形； E ：正弹性模量(Youngs modulus) G ：切变模量(shear modulus) ：泊松比(Poissons ratio) 第4章材料科学基础李见变形 弹性模量反应原子间的结合力，是组织结构的不敏感参数 工程上，弹性模量是材料刚度的度量，表征材料抵抗弹性变形的能力 第4章材料科学基

3、础李见变形 8.2 单晶体的塑性变形（Plastic deformation of single crystalline） 塑性变形(plastic deformation)：当应力超过 屈服应力，材料发生的不可逆的永久变形 单晶体的塑性变形主要 通过滑移方式进行，此 外尚有孪生和扭折 屈服强度与条件屈服强度 塑性变形方式：塑性变形方式： 滑移滑移，孪生，扭折 第4章材料科学基础李见变形 1 滑移（slip) 1）滑移线与滑移带(slip lines and slip bands) 当应力超过弹性极限时，晶体中会产生 层片之间的相对滑移，这些滑移的累计 构成晶体的塑性变形 宏观上，材料的表面可

4、见一条条细线（滑移带） 微观上，可见一系列相互平行的更细的线-滑移线； 一组滑移线构成滑移带； 滑移只是集中在某些晶面上 第4章材料科学基础李见变形 2 2）滑移系）滑移系(slip systems) 塑性变形时，材料的滑移只能沿一定的晶面或一定的晶向进行， 这些晶面和晶向就称为滑移面和滑移方向 滑移面和滑移方向一般是原子排列的密排面和密排方向， 因其面间距最大，点阵阻力小。 滑移方向是原子密排方向，此方向上原子间距小，位错柏氏矢量小 每一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来构成一个滑移系 一般，材料中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取向越多， 滑移容易进行，塑性好。 面心立方(fcc)

5、：11143 = 12个 体心立方(bcc)：11062 +112121 +123241 = 48个 体心立方晶体的滑移面不确定 密排六方(hcp)：（0001）1 3 = 3个， 其塑性比面心立方和体心立方差 0211 第4章材料科学基础李见变形 3）滑移的临界分切应力 (critical resolved shear stress of slip) coscos coscos cos/ cos A F A F coscos称为取向因子 或施密特因子（Schmid factor） 引起滑移的应力为滑移面上的且应力 单向拉伸条件下，外力在滑移面沿滑移方向的分切应力： 当=45时，取向因子最大，

6、 可用最小的拉力开始滑移 第4章材料科学基础李见变形 上式称为上式称为SchmidSchmid定律定律 crss crss是一个反映单晶体受力起始屈服的物理量 是一个反映单晶体受力起始屈服的物理量 是材料本身的特性（原子间结合力、晶面间距），与晶体取向和受力状况无关。是材料本身的特性（原子间结合力、晶面间距），与晶体取向和受力状况无关。 屈服应力是与晶体取向和受力状态有关的量屈服应力是与晶体取向和受力状态有关的量 coscos crss s 当外力作用在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，滑移系开 始滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力临界分切应力 第4章材料科学基础李见变形 4）滑移时

7、晶面的转动(rotation) 滑移过程中，晶体要发生转动，从 而导致晶体的空间取向发生变化。 压缩时，转到与应力轴垂直的方向 Tensile 拉伸时使滑移方向逐渐转到与应力轴 平行的方向 Compressive 第4章材料科学基础李见变形 影像规则 双滑移 滑移面转动 滑移方向旋转 第4章材料科学基础李见变形 5）多滑移(multiple slip) 对于有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移系中进行， 随着变形时晶面的转动，另外的滑移系逐渐转到对滑移有利的取向， 从而使滑移过程沿着两个或多个滑移系交替进行或同时进行， 这种滑移过程称为多滑移，也称多系滑移、复滑移 例：fcc中001

8、为拉伸轴，有多个滑移系具有相同的Schmid因子， 可同时或交替动作。 第4章材料科学基础李见变形 2 孪生(twinning) 2）孪生的特点 1）孪生(twinning)： 晶体在切应力作用下沿着一定的晶面 (孪晶面, twin plane) 和一定的晶向 (孪晶方向, twin direction)，在一个区 域内发生均匀的切变； 这样的切变并未使晶体的结构变化， 但确使均匀切变区中的晶体取向发生 变化，且变形与未变性区呈镜面对称 孪生变性是在切应力下发生， 临界应力大于滑移所需的应力； 孪生是一种均匀切变； 孪晶的两部分晶体呈镜面对称； 第4章材料科学基础李见变形 3 扭折(kink,

9、 不常见) 4) 孪晶(twin)的形成 变形孪晶（机械孪晶, deformation twins） 生长孪晶：气相沉积、凝固等 退火孪晶(annealing twins，可归属于生长孪晶 3) 滑移与孪生的对比 主要发生在滑移和孪生都不能发生的情况 下发生，如 HCP（0001）面平行力作用下 发生扭折 变形区域称为扭折带， 扭折区的晶体取向 发生不对称性的变化 第4章材料科学基础李见变形 4 加工硬化-单晶体的应力-应变曲线 典型的单晶体的应力-应变曲线 1) 易滑移阶段： 通常只有一个滑移系进行滑移 2) 线性硬化阶段： 第二滑移系开动，滑移线交割， 滑移障碍增加 3) 抛物线阶段： 一

10、些障碍被越过，产生交滑移， 发生动态回复等 三种典型晶体结构的应力-应变曲线 塑性变形的三个阶段 bcc、fcc有典型的三阶段， hcp只有两个阶段 第4章材料科学基础李见变形 8.3 晶体滑移的位错机制 2 exp2 )1 ( 2 exp2 b W G b d G NP d为晶面间距、 W为位错宽度、 b为柏氏矢量 2 2 滑移引起位错增殖滑移引起位错增殖 1 1 位错运动的阻力：位错运动的阻力： 派派纳力（晶格摩擦力纳力（晶格摩擦力 对简单立方结构： P-N =2x10-4 G， 接近实测分切应力 弗兰克弗兰克瑞德源瑞德源 （Frank-Read source, F-RFrank-Read

11、 source, F-R源）源） 第4章材料科学基础李见变形 4 交滑移的位错机制(cross slip) 5 刃型位错的攀移(climb) 刃型位错的攀移即多余半原子面通过 空位扩散而扩大或缩小 正攀移图解 交滑移对材料的塑性影响大，交滑移容易的 材料，塑性好。 交滑移与材料的层错能有关 层错能低，交滑移困难， 层错能高，交滑移容易 刃型位错只有一个滑动面，不产生交滑移 交滑移是螺型位错在不改变滑移方向的情况下 转变滑移面的过程，它增加了滑移的灵活性 第4章材料科学基础李见变形 8.4 多晶体的塑性变形（Plastic deformation of polycrystalline） 1 多晶

12、体塑性变形的特点 1) 多晶体结构的特点： 存在晶界、 相邻晶粒之间取向不同 2) 塑性变形的特点： (1) 各相邻晶粒的变形相互协调和配合 每个晶粒不只是在取向最有利的单滑移系上滑移， 而必须在几个滑移系上滑移，其中有些滑移系不 一定取向最有利 多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立 的滑移系上滑移，多晶体的塑性变形是通过各晶 粒的多系滑移来保证相互间的协调。 体心立方和面心立方有较多的滑移系，多晶体有较好的塑性， 密排六方滑移系少，晶粒间协调性差，塑性变形能力低 第4章材料科学基础李见变形 (2) 晶界对形变过程的阻碍作用 0：为一常数，大体等于单晶体的 屈服度， d: 晶粒直径 位

13、错不能越过晶界进入相邻的晶 粒，在晶界处塞积 晶界的作用与晶界的数量相关， 而这直接取决于晶粒的大小 K：表征晶界对强度影响的程度 霍尔佩奇公式 （Hall-Petch equation） 多晶体的屈服强度与晶粒平均 直径的关系： 2/1 0 Kd s 第4章材料科学基础李见变形 8.5 合金的塑性变形（Plastic deformation of alloys） 1) 合金塑性变形的基本过程仍然是滑移和孪生 2) 合金的组织结构的复杂性决定了其塑性变形 的特点 (1) 合金为单相合金时， 固溶体，Cu-Ni (2) 合金为复相合金时 聚合型合金： 第二相的尺寸与基体相相近， Pb-Sn 1

14、基本特点 分散分布型 (dispersion distribution)： 第二相非常细小且分散分布， Fe-Fe3C、Sn-Ag3Sn 第4章材料科学基础李见变形 2 固溶体的塑性变形(plastic deformation of solid solution) 1) 固溶强化(solid-solution strengthening)： 溶质原子的加入引起点阵畸变，增加了位错运动的阻力， 增大了晶体滑移阻力 2) 宏观表现固溶体的屈服强度高于纯溶剂的 3) 影响固溶强化效果的因素 溶质浓度： 溶质浓度增加，效果大 固溶体类型： 间隙型大于置换型 溶质溶剂原子尺寸差（置换型）： 尺寸差越大，

15、效果好 溶质溶剂弹性模量差 溶质溶剂原子价电子数差（置换型）： 差别越大，效果好 第4章材料科学基础李见变形 3 复相合金的塑性变形 1）聚合型合金 （1）两相都为塑性相， 晶粒大小相当Pb-Sn 等应变理论：a = f11 + f22 等应力理论：a = f11 + f22 （2）两相中一个为塑性相，另一个为脆性相 合金变形的阻力不仅取决于两相的体积分数， 而且还与形状、大小和分布有关 合金变形的阻力取决于两相的 体积分数，可用机械混合法则 第4章材料科学基础李见变形 2）分散分布型(dispersion distribution) 位错切过粒子，粒子产生新的表面积，使总的表面积升高； 产生

16、新的割阶，产生应力场等，给位错的运动带来困难； 弥散细小分布的第二相分布在基体相中时，会产生显著的强化作用 （1）第二相粒子为可变形颗粒时 位错将切过粒子使之随同基体一起变形 * 强化机理主要有： 第4章材料科学基础李见变形 （2）第二相不能变形 可变形颗粒增大，与基体非共格 位错绕过机制（奥罗万机制，Orowan mechanism） L：粒子间距（面对面间距）；G：切变模量；b：柏氏矢量 相图体积分数下，第二相越小，L越小，强化效果越好弥散强化 条件： 第二相硬、脆， 2）分散分布型(cont) * 强化机理： L Gb O 第4章材料科学基础李见变形 5 低碳钢的屈服和应变时效 (yie

17、lding and strain aging) 1) 低碳钢的屈服现象和吕德斯带 屈服现象(yielding)： 上下屈服点及屈服平台 吕德斯带（Lders band）： 应力超过屈服极限时，在试样 表面产生一个与拉伸轴成45度 的变形带。它与滑移带不同， 是许多晶粒协调变形的结果。 屈服现象的原因： (1) 柯氏气团（Cottrell atmosphere）： (anchoring of dislocation) (2) 位错增殖：刚开始位错少，位错增殖快， 到一定程度后流变应力降低 第4章材料科学基础李见变形 2) 2) 应变时效应变时效 退火状态的试样拉伸超过屈服 点卸载马上再加载，不发

18、生屈 服现象放置一段时间后再加载， 屈服现象重新出现 机理：柯氏气团解释 (Cottrell atmosphere) m m vbv, 开始时位错密度低，需要较 高应力才能保持变形速率 （夹头移动速度。 塑性变形开始后位错迅速增 殖，维持相同变形速度的应 力降低 第4章材料科学基础李见变形 8.6 塑性变形对材料组织与性能的影响 1 显微组织的变化 晶粒沿形变方向被拉长 纤维状 夹杂物和第二相： 塑性好的被拉长， 塑性差的破裂 第4章材料科学基础李见变形 亚结构(sub-structure)： 晶粒内部位错密度(dislocation density)增加， 位错缠结(dislocation tangle)， 位错胞状亚结构 形变亚晶 (deformation substructure) 第4章材料科学基础李见变形 2 形变织构(deformation texture) 2) 成因：塑性变形中，随着变形程度的增加， 各晶粒滑移方向向主变形方向转动，使多 晶体的各晶粒最终在空间位向上呈现一定 程度的一致现象，这种现象称为择优取向 (preferred orientation)，这种组织状态 称为形变织构(deformation texture)