材料科学基础第6章学习教案

1、会计学1材料科学基础材料科学基础(jch)第第6章章第一页，共66页。2一一 工程应力应变曲线工程应力应变曲线拉伸试验基本过程：将拉伸试验基本过程：将GB6397-86GB6397-86制作制作(zhzu)(zhzu)的标的标准试样（长试样准试样（长试样l l10d10d和短试样和短试样l=5dl=5d）放在拉伸试验）放在拉伸试验机上缓慢拉伸，试样在载荷机上缓慢拉伸，试样在载荷P P下缓慢伸长，直至断裂下缓慢伸长，直至断裂。得到工程应力应变曲线。得到工程应力应变曲线。第一节第一节 金属的应力应变金属的应力应变(yngbin)(yngbin)曲曲线线第1页/共65页第二页，共66页。3典型的应力

2、应变曲线第2页/共65页第三页，共66页。4第3页/共65页第四页，共66页。5二二 真实真实(zhnsh)(zhnsh)应力应变曲线应力应变曲线真实应力真实应力(yngl)(yngl)应是瞬时载荷应是瞬时载荷P P与瞬时面积与瞬时面积F F之比之比真应变真应变e e应是瞬时伸长量除以瞬时长度，即应是瞬时伸长量除以瞬时长度，即 FPS lllllldldee0)ln(ln0第4页/共65页第五页，共66页。6均匀均匀(jnyn)(jnyn)塑性变形阶段的真应力塑性变形阶段的真应力- -真应变真应变曲线，称为流变曲线：曲线，称为流变曲线： nkeS n n值越大，变形时的强值越大，变形时的强化化

3、(qinghu)(qinghu)效果越效果越明显明显 第5页/共65页第六页，共66页。7第二节第二节 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生(lunshng)(lunshng)、扭折。、扭折。一一 滑移滑移1 1 滑移现象滑移现象定义：在切应力作用下，晶体的一部分相对于定义：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移。滑移方向）产生相对位移。第6页/共65页第七页，共66页。8特点：晶体结构类型并未改变特点：晶体结构类型并未改变 。滑

4、移滑移(hu y)(hu y)的组织形态：光镜下：滑移的组织形态：光镜下：滑移(hu (hu y)y)带（无重现性）电境下：滑移带（无重现性）电境下：滑移(hu y)(hu y)线。线。显微组织特点：抛光后可能看不见。显微组织特点：抛光后可能看不见。第7页/共65页第八页，共66页。9第8页/共65页第九页，共66页。10第9页/共65页第十页，共66页。11每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移(hu y)(hu y)系系。滑移。滑移(hu y)(hu y)系的多少在一定程度上决定了金属塑系的多少在一定程度上决定了金属塑性的好坏。性的好坏。 滑移滑移(hu

5、y)(hu y)系的个数系的个数:(:(滑移滑移(hu y)(hu y)面个数）（面个数）（每个面上所具有的滑移每个面上所具有的滑移(hu y)(hu y)方向的个数）方向的个数）第10页/共65页第十一页，共66页。12在其他条件相同时，金属塑性的好坏不只取决于在其他条件相同时，金属塑性的好坏不只取决于滑移系的多少滑移系的多少(dusho)(dusho)，还与滑移面原子密排，还与滑移面原子密排程度及滑移方向的数目等因素有关程度及滑移方向的数目等因素有关 晶体结构晶体结构滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移系数目滑移系数目常见金属常见金属面心立方面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106

6、212Fe,W,Mo体心立方体心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti第11页/共65页第十二页，共66页。133 3 临界分切应力临界分切应力滑移滑移(hu y)(hu y)是在切应力作用下发生的是在切应力作用下发生的滑移滑移(hu y)(hu y)发生的力学条件：发生的力学条件：coscoscoscoscos/cosoAPAP第12页/共65页第十三页，共66页。14当外加应力等于屈服强度时：当外加应力等于屈服强度时：宏观上：晶体出现塑性变形。宏观上：晶体出现塑性变形。微观上：晶体开始滑移。此时滑移方向微

7、观上：晶体开始滑移。此时滑移方向(fngxing)(fngxing)上的分切应力达到临界值，称为临界分切应力。上的分切应力达到临界值，称为临界分切应力。kk：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。力。 coscosmmsk第13页/共65页第十四页，共66页。15材料的组织性能临界(ln ji)切应力决定屈服强度)第14页/共65页第十五页，共66页。164 4 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动1 1）位向和晶面的变化）位向和晶面的变化滑移过程中，滑移面和滑移方向的转动必然导致取滑移过程中，滑移面和滑移方向的转动必然导致取向因子向因子(ynz)(

8、ynz)的改变。的改变。 2 2）取向因子）取向因子(ynz)(ynz)的变化的变化几何硬化几何硬化几何软化几何软化第15页/共65页第十六页，共66页。175 5 多滑移多滑移1 1）单滑移：只有一组滑移系处于最有利的取向）单滑移：只有一组滑移系处于最有利的取向（m m最大）时，分切应力最大，便进行单系滑移最大）时，分切应力最大，便进行单系滑移。 2 2）多滑移：在多个（）多滑移：在多个（22）滑移系上同时或交替）滑移系上同时或交替进行的滑移。进行的滑移。发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。3 3）交滑移）交滑移 交滑移：晶体在两个交滑移：晶体在两个(li

9、n )(lin )或或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。 第16页/共65页第十七页，共66页。18多滑移多滑移(huy)第17页/共65页第十八页，共66页。19交滑移交滑移(huy)第18页/共65页第十九页，共66页。20交滑移和多滑移的区别：交滑移和多滑移的区别：发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带；发生交发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带；发生交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带。滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带。交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限制交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限制。可以同时。可以同时(tngsh)(tng

10、sh)进行共向滑移。进行共向滑移。6 6 滑移的位错机制滑移的位错机制 第19页/共65页第二十页，共66页。21第20页/共65页第二十一页，共66页。22二二 孪生孪生 1 1 孪生现象孪生现象在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定定(ydng)(ydng)的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取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。向的镜面对称关系。第21页/共65页第二十二页，共66页。23变形部分与未变形部分以孪晶面为准，构成镜面变形部分与未变形部分以孪晶面为准，构成镜面(jn min)(jn min)对称，形成孪晶

11、。孪晶在显微镜下呈对称，形成孪晶。孪晶在显微镜下呈带状或透镜状。带状或透镜状。 2 2 孪生变形的特点孪生变形的特点1 1）孪生使一部分晶体发生了均匀的切变，而）孪生使一部分晶体发生了均匀的切变，而滑移是不均匀的，只集中滑移是不均匀的，只集中(jzhng)(jzhng)在一些滑在一些滑移面上进行。移面上进行。2 2）孪生后晶体变形部分与未变形部分成镜面）孪生后晶体变形部分与未变形部分成镜面对称关系，位向发生变化。对称关系，位向发生变化。第22页/共65页第二十三页，共66页。245 5）由于孪生变形时，局部）由于孪生变形时，局部(jb)(jb)切变可达较大数量切变可达较大数量，所以在变形试样的

12、抛光表面上可以看到浮凸，经，所以在变形试样的抛光表面上可以看到浮凸，经重新抛光后，虽然表面浮凸可以去掉，但因已变形重新抛光后，虽然表面浮凸可以去掉，但因已变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或浸蚀后仍能看区的晶体位向不同，所以在偏光下或浸蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失到孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。3 3）孪生比滑移的临界分切应力高，萌发于滑移）孪生比滑移的临界分切应力高，萌发于滑移受阻受阻(shu z)(shu z)因其的局部应力集中区。因其的局部应力集中区。4 4）孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。孪生）孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。孪生改变了晶体位

13、向改变了晶体位向第23页/共65页第二十四页，共66页。25第三节第三节 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体塑性变形的基本方式多晶体塑性变形的基本方式(fngsh)(fngsh)也是滑移也是滑移和孪生。和孪生。一、晶粒取向的影响一、晶粒取向的影响1 1 变形过程变形过程第24页/共65页第二十五页，共66页。262 2 晶粒之间变形的协调性晶粒之间变形的协调性 （1 1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。 （2 2）要求）要求(yoqi)(yoqi)：各晶粒之间变形相互：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）协调。（独立变形会导致晶体分裂） （

14、3 3）条件：独立滑移系）条件：独立滑移系3 35 5个。（保证晶个。（保证晶粒形状的自由变化粒形状的自由变化第25页/共65页第二十六页，共66页。27二、晶界的影响二、晶界的影响1 1多晶体变形多晶体变形(bin xng)(bin xng)的的现象现象2 2晶粒大小与性能的关系晶粒大小与性能的关系 晶粒越细，强度越高，塑晶粒越细，强度越高，塑性韧性越好。性韧性越好。第26页/共65页第二十七页，共66页。281 1）对强度的影响细晶强化）对强度的影响细晶强化霍尔配奇公式霍尔配奇公式(gngsh): HALL-PETCH(gngsh): HALL-PETCH公式公式(gngsh)(gngsh

15、)ss=s0+kd-1/2ss=s0+kd-1/22 2）对塑性、韧性的影响）对塑性、韧性的影响第27页/共65页第二十八页，共66页。29第四节第四节 合金合金(hjn)(hjn)的塑性变形的塑性变形提高强度的另一方法提高强度的另一方法(fngf)(fngf)是合金化。合金是合金化。合金塑性变形的基本方式仍是滑移和孪生，但因组塑性变形的基本方式仍是滑移和孪生，但因组织、结构的变化，塑性变形各有特点。织、结构的变化，塑性变形各有特点。 一、固溶体的塑性变形一、固溶体的塑性变形1 1 固溶强化现象固溶强化现象第28页/共65页第二十九页，共66页。302 2 强化机制强化机制1)1)晶格畸变晶格

16、畸变(jbin)(jbin)，阻碍位错运动；，阻碍位错运动；2 2）柯氏气团强化。）柯氏气团强化。第29页/共65页第三十页，共66页。31二、二、 屈服和应变时效屈服和应变时效(shxio)(shxio)1 1 屈服现象屈服现象吕德斯带吕德斯带吕德斯带扩展吕德斯带扩展吕德斯带危害：因屈服延伸吕德斯带危害：因屈服延伸区的不均匀变形（吕德斯带区的不均匀变形（吕德斯带）使工件表面粗糙不同。）使工件表面粗糙不同。 第30页/共65页第三十一页，共66页。322 2 应变时效应变时效原因：柯氏气团原因：柯氏气团(qtun)(qtun)的存在、破坏和重新形的存在、破坏和重新形成。成。低碳钢时效低碳钢时效

17、(shxio)图图第31页/共65页第三十二页，共66页。33三三 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形单相合金的强化：加入第二相形成多相合金。单相合金的强化：加入第二相形成多相合金。第二相可通过第二相可通过(tnggu)(tnggu)相变热处理（沉淀强化，时相变热处理（沉淀强化，时效强化）或粉末冶金方法（弥散强化）获得效强化）或粉末冶金方法（弥散强化）获得 多相合金根据第二相粒子的尺寸大小分类多相合金根据第二相粒子的尺寸大小分类多相多相(du (du xin)xin)合金合金聚合聚合(jh)(jh)型型 弥散型弥散型第二相的尺寸与基体晶粒尺寸属同一数量级 第二相很细小，且弥散分布于基体晶粒内

18、 第32页/共65页第三十三页，共66页。341 1 聚合型两相合金的变形聚合型两相合金的变形 性能按下列方法性能按下列方法(fngf)(fngf)估计估计1 1）两相都具有较好的塑性，合金的变形阻力决定）两相都具有较好的塑性，合金的变形阻力决定于两相的体积分数。于两相的体积分数。2211第33页/共65页第三十四页，共66页。35第34页/共65页第三十五页，共66页。36两相呈层片状分布（珠光体）两相呈层片状分布（珠光体）特点：变形主要集中在基体相中，位错的移动特点：变形主要集中在基体相中，位错的移动被限制在很短的距离内，增加了继续变形的阻力被限制在很短的距离内，增加了继续变形的阻力，使其

19、强度，使其强度(qingd)(qingd)提高。提高。片层间距越小，其强度片层间距越小，其强度(qingd)(qingd)越高越高 第二相呈颗粒状分布（球状渗碳体）。第二相呈颗粒状分布（球状渗碳体）。强度强度(qingd)(qingd)降低，塑性、韧性得到改善降低，塑性、韧性得到改善 第35页/共65页第三十六页，共66页。37二二 弥散型合金的塑性变形弥散型合金的塑性变形1 1 不可变形微粒的强化作用不可变形微粒的强化作用 位错绕过第二位错绕过第二(d r)(d r)相粒子相粒子( (粒子、位错环阻碍粒子、位错环阻碍位错运动位错运动) )位错克服第二(d r)粒子的阻碍作用，克服位错环对位错

20、源的反向应力。继续变形时必须增大外应力，从而使流变应力迅速提高第36页/共65页第三十七页，共66页。382 2 可变形微粒的强化作用可变形微粒的强化作用 当第二当第二(d r)(d r)相偎可变形微粒时，位错将切过粒子相偎可变形微粒时，位错将切过粒子使其与基体一起变形使其与基体一起变形第37页/共65页第三十八页，共66页。39第五节第五节 冷变形冷变形(bin xng)(bin xng)金属的组金属的组织与性能织与性能 一、对显微组织的影响一、对显微组织的影响(yngxing)(yngxing)1 1 形成纤维组织形成纤维组织塑性变形量很大时，各晶粒已不能分辨而成为一片如塑性变形量很大时，

21、各晶粒已不能分辨而成为一片如纤维状的条纹，称为纤维组织纤维状的条纹，称为纤维组织 1 1）晶粒拉长）晶粒拉长;2;2）杂质呈细带状或链状分布。）杂质呈细带状或链状分布。纤维组织具有明显的各向异性，纵向的强度和塑性高纤维组织具有明显的各向异性，纵向的强度和塑性高于横向。于横向。第38页/共65页第三十九页，共66页。402 形成大量(dling)亚结构第39页/共65页第四十页，共66页。41二二 变形织构变形织构1 1 变形织构变形织构择优取向：塑性变形过程中晶粒的转动，使绝大部分择优取向：塑性变形过程中晶粒的转动，使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向晶粒的某一位向与外力方向(fngxing)(

22、fngxing)趋于一致的趋于一致的现象现象变形织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择变形织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。优取向的组织。特征特征: :各向异性各向异性 第40页/共65页第四十一页，共66页。422 2 类型类型丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向(fngxing)(fngxing)平行平行。（拉拔时形成）。（拉拔时形成）板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形方向于主变形方向(fngxing)(fngxing)。（轧制时形成）。（轧制时形成）第41页/共65页第四十

23、二页，共66页。433 3 对性能的影响对性能的影响 不利：造成变形不均匀不利：造成变形不均匀(jnyn)(jnyn)，制耳。，制耳。 有利：硅钢片有利：硅钢片织构可减少铁损织构可减少铁损第42页/共65页第四十三页，共66页。44三、残余应力（约占变形功的三、残余应力（约占变形功的1010）储存能储存能塑性变形中还有约塑性变形中还有约10%10%的变形功被保的变形功被保留于金属留于金属(jnsh)(jnsh)内部。内部。 1 1 第一类残余应力（弹性应变）第一类残余应力（弹性应变）宏观内应力宏观内应力: :由整个物体变形不均匀引起。由整个物体变形不均匀引起。作用：作用：表面残留压应力，可显著

24、提高其疲劳强度表面残留压应力，可显著提高其疲劳强度 第43页/共65页第四十四页，共66页。452 2 第二类残余应力第二类残余应力微观内应力微观内应力: :由晶粒变形由晶粒变形(bin xng)(bin xng)不均匀不均匀引起。引起。作用：造成显微裂纹并导致工件的破坏作用：造成显微裂纹并导致工件的破坏 3 3 第三类残余应力：第三类残余应力：点阵畸变点阵畸变: :由位错、空位等引起。由位错、空位等引起。80-90%80-90%。作用：使金属处于热力学不稳定状态，是作用：使金属处于热力学不稳定状态，是“回复和再结晶回复和再结晶”的驱动力的驱动力 第44页/共65页第四十五页，共66页。46四

25、四 塑性变形对性能塑性变形对性能(xngnng)(xngnng)的影响的影响1 1 应变硬化（加工硬化）应变硬化（加工硬化）第45页/共65页第四十六页，共66页。472 2 加工硬化的作用加工硬化的作用对一些不能用热处理强化（固态下无相变）的材料对一些不能用热处理强化（固态下无相变）的材料重要强化手段。重要强化手段。使塑性变形均匀，不致集中在某些局部区域而引起使塑性变形均匀，不致集中在某些局部区域而引起破裂。破裂。加工硬化还可以加工硬化还可以(ky)(ky)提高零件或构件在使用中的提高零件或构件在使用中的安全性。安全性。加工硬化使金属在冷加工过程中，变形抗力会不断加工硬化使金属在冷加工过程中

26、，变形抗力会不断增加，增加动力及设备消耗。增加，增加动力及设备消耗。第46页/共65页第四十七页，共66页。483 加工硬化曲线 1）典型的单晶体加工硬化曲线易滑移阶段(jidun) 特点：斜率很小。线性硬化阶段(jidun)。 特点：斜率几乎恒定且最大值。第阶段(jidun)：抛物线硬化阶段(jidun)。 第47页/共65页第四十八页，共66页。49第48页/共65页第四十九页，共66页。502 2）解释：位错的运动）解释：位错的运动易滑移阶段易滑移阶段: :应力低，少量的软取向滑移系开动位错应力低，少量的软取向滑移系开动位错受阻碍少，易运动。流变较大。受阻碍少，易运动。流变较大。 线性硬

27、化阶段：多滑移，位错间的交互作用导致位错线性硬化阶段：多滑移，位错间的交互作用导致位错交割，塞积等作用，阻碍位错运动，加工硬化率高。交割，塞积等作用，阻碍位错运动，加工硬化率高。 抛物线硬化阶段：应力极高，位错通过交滑移绕过障抛物线硬化阶段：应力极高，位错通过交滑移绕过障碍，异号位错抵消碍，异号位错抵消(dxio)(dxio)等，降低位错密度，加工等，降低位错密度，加工硬化率下降。硬化率下降。第49页/共65页第五十页，共66页。513 3）不同晶格类型的单晶体加工硬化曲线）不同晶格类型的单晶体加工硬化曲线(qxin)(qxin)面心立方晶体为典型的三阶段加工硬化特征面心立方晶体为典型的三阶段

28、加工硬化特征 4 4）多晶体加工硬化曲线）多晶体加工硬化曲线(qxin)(qxin)因其变形中晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合因其变形中晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求，其加工硬化曲线要求，其加工硬化曲线(qxin)(qxin)通常更陡，加工硬通常更陡，加工硬化速率更高。化速率更高。第50页/共65页第五十一页，共66页。52第51页/共65页第五十二页，共66页。53 第六节第六节 聚合物的变形聚合物的变形(bin (bin xng)xng)聚合物的变形特点：强烈地依赖于聚合物的变形特点：强烈地依赖于T T和和t t，表现，表现为弹性材料为弹性材料(cilio)(cilio)和黏弹性

29、流体性质和黏弹性流体性质一、热塑性聚合物的应力一、热塑性聚合物的应力应变曲线应变曲线 第52页/共65页第五十三页，共66页。54AAEAYBYieldingpoint屈服屈服点点Pointofelasticlimit弹性弹性(tnxng)极限点极限点Breakingpoint断裂点断裂点ABAYBStrain softening 应变(yngbin)软化plasticdeformation塑性形塑性形变变Strainhardening应应变硬化变硬化非晶态聚合物在玻璃非晶态聚合物在玻璃(b l)(b l)态的应力态的应力- -应变曲线应变曲线 y yOND第53页/共65页第五十四页，共66

30、页。55软硬：模量软硬：模量强弱：屈服强弱：屈服(qf)强度强度韧脆：断裂能韧脆：断裂能第54页/共65页第五十五页，共66页。56聚合物具有黏弹性聚合物具有黏弹性(tnxng)(tnxng)，其应力，其应力应变行应变行为受温度、应变速率的影响很大。为受温度、应变速率的影响很大。 12345非晶聚合物不同温度下的非晶聚合物不同温度下的 曲线曲线T第55页/共65页第五十六页，共66页。57应变速应变速(bins)的额影响的额影响第56页/共65页第五十七页，共66页。58二、冷拉二、冷拉第57页/共65页第五十八页，共66页。59三、剪切带与银纹三、剪切带与银纹1 1剪切带剪切带聚合物的屈服塑

31、性变形是以剪切滑移聚合物的屈服塑性变形是以剪切滑移(hu y)(hu y)的方的方式进行的。滑移式进行的。滑移(hu y)(hu y)变形可局限于某一局部区变形可局限于某一局部区域，形成剪切带域，形成剪切带2 2 银纹银纹某些聚合物在玻璃态拉伸某些聚合物在玻璃态拉伸(l shn)(l shn)时，会出现肉时，会出现肉眼可见的微细凹槽，类似于微小的裂纹。因其能眼可见的微细凹槽，类似于微小的裂纹。因其能反射光线而看上去银光闪闪，故称之为银纹。反射光线而看上去银光闪闪，故称之为银纹。第58页/共65页第五十九页，共66页。60四、热固性塑料的变形四、热固性塑料的变形热固性塑料：刚硬热固性塑料：刚硬(nyn)的三维网络结构，的三维网络结构，分子不易运动分子不易运动拉伸特点：表现出脆性金属或陶瓷一样的变形特性拉伸特点：表