第5章材料的变形和再结晶2

1、曾荣昌第五章第五章 材料的形变和再结晶材料的形变和再结晶Chapter 5 Deformation and re-crystallization of materials- -弹性的不完整性弹性的不完整性前面讨论的弹性变形，仅考虑了应力和应变的关系，而前面讨论的弹性变形，仅考虑了应力和应变的关系，而没有考虑时间的影响，即把材料看成理想的弹性体来处没有考虑时间的影响，即把材料看成理想的弹性体来处理。理。但是，实际上，工程材料内部存在各种各样的缺陷，在但是，实际上，工程材料内部存在各种各样的缺陷，在弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展

2、跟不上应力的变化等有别于理想弹性体特点的现象。发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性体特点的现象。5.1.3 5.1.3 弹性的不完整性弹性的不完整性( (Imperfections of elasticityImperfections of elasticity) )当材料所受的外载荷处于材料的弹性范围内是，宏观上认为材料不产生塑性。但当承受的外载荷超过材料的弹性极限时，就形成了迟滞回线，亦即滞后环。弹性的不完整性弹性的不完整性l 概念：概念： 弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变弹性变形时，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。的发

3、展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象。l 分类：分类：1.1. 包申格效应包申格效应2.2. 弹性后效弹性后效3.3. 弹性滞后弹性滞后4.4. 循环韧性循环韧性引入两个概念：蠕变和驰豫引入两个概念：蠕变和驰豫 蠕变蠕变 ： 当对粘弹性体施加当对粘弹性体施加恒定应力恒定应力，其应变随时间而增加，其应变随时间而增加，弹性模量也随时间而减小。弹性模量也随时间而减小。 驰豫驰豫 ： 当对粘弹性体施加当对粘弹性体施加恒定应变恒定应变，则应力将随时间而减，则应力将随时间而减小，弹性模量也随时间而降低。小，弹性模量也随时间而降低。 0E ( )/ ( )ctt0E ( )( )/rtt1 1、

4、包兴格效应（、包兴格效应（Bauschinger effectBauschinger effect，又译包辛格效应或包申格效应）又译包辛格效应或包申格效应） 有关包申格效应的定义有不同的说法：有关包申格效应的定义有不同的说法：p第一种说法：第一种说法： 包申格效应是多晶体金属材料经包申格效应是多晶体金属材料经预先加载预先加载产生少量产生少量塑塑性变形性变形（小于（小于4 4），而后），而后同向加载同向加载则则弹性极限弹性极限 e e升高升高，反反向加载向加载则弹性极限则弹性极限 e e下降下降 的现象。的现象。（胡赓祥等，材料科学基础，上海交通大学出版社，（胡赓祥等，材料科学基础，上海交通大学

5、出版社，20102010， p.170p.170）p 第二种说法第二种说法 承受了一定量塑性拉伸变形的延性合金，当再受到反向承受了一定量塑性拉伸变形的延性合金，当再受到反向载荷进入压缩时，反向加载时的初始载荷进入压缩时，反向加载时的初始屈服应力屈服应力值常常低值常常低于继续进行拉伸变形的屈服应力值。这种现象称为包申于继续进行拉伸变形的屈服应力值。这种现象称为包申格效应。格效应。R.W.卡恩等，材料的塑性变形与断裂，材料科学与技术丛书，科学出版社，1998，p463.p ABAB表示初始的弹性变形；表示初始的弹性变形；p BCBC表示发生了塑性变形；表示发生了塑性变形；p 如果材料被卸载并受到压

6、缩，如果材料被卸载并受到压缩，则包申格效应表现为压缩的起则包申格效应表现为压缩的起始屈服点（即载荷点始屈服点（即载荷点E E）对应）对应的应力值较拉伸时的应力值较拉伸时B B点的应力点的应力值低。值低。ABCDEF包申格效应产生的机制：包申格效应产生的机制：l 包申格效应的微观机制从根本上说与反向加载引入的位错包申格效应的微观机制从根本上说与反向加载引入的位错亚结构变化以及由此引起的内压力系统的变化有关。亚结构变化以及由此引起的内压力系统的变化有关。l 纯金属，包申格效应较小纯金属，包申格效应较小. . 正向拉伸加载时形成的胞壁或亚晶界正向拉伸加载时形成的胞壁或亚晶界(sub-grain (s

7、ub-grain boundary)boundary)被反向载荷分解以及驻留滑移带（被反向载荷分解以及驻留滑移带（persistent persistent slip bands-PSBslip bands-PSB）与通道之间应变错位引起的长程内压力）与通道之间应变错位引起的长程内压力是纯金属产生包申格效应的主要因素。是纯金属产生包申格效应的主要因素。l 非共格沉淀强化或弥散强化的金属，包申格效应较大。非共格沉淀强化或弥散强化的金属，包申格效应较大。其主要诱发因素有：其主要诱发因素有：（1 1）强度增量）强度增量0 0，它来自于固溶强化和使位错线弯曲绕，它来自于固溶强化和使位错线弯曲绕过不可切

8、割的障碍物所需的应力；过不可切割的障碍物所需的应力；（2 2）来自林位错（）来自林位错（ Dislocation forest ）与可动位错之）与可动位错之间交互作用的贡献，间交互作用的贡献，forfor；（3 3）质点作用在基体上的内压力，）质点作用在基体上的内压力，B B。p正向拉伸变形期间的净屈服应力为pF = 0 + for + B (1)p反向加载时， B有助于变形而不是阻碍变形，因而反向屈服应力由下式给出：pR = 0 + for B (2)p显然， F R= 2 B 0R.W.卡恩等，材料的塑性变形与断裂，科学出版社，1998，p463464.包申格效应的意义包申格效应的意义关于

9、包申格效应机制的知识对于发展复杂循环塑性变形的关于包申格效应机制的知识对于发展复杂循环塑性变形的本构模型，对于从本质上理解加工硬化现象，以及合理解本构模型，对于从本质上理解加工硬化现象，以及合理解释一些疲劳效应，如平均应力的弛豫和循环蠕变等都是至释一些疲劳效应，如平均应力的弛豫和循环蠕变等都是至关重要的。关重要的。例如，许多含不可切变强化沉淀相的工业铝合金（如飞机例如，许多含不可切变强化沉淀相的工业铝合金（如飞机中应用的峰时效和过时效的中应用的峰时效和过时效的70757075合金）在回火处理后要进合金）在回火处理后要进行延伸以消除热残余应力，由于这类合金存在包申格效应行延伸以消除热残余应力，由

10、于这类合金存在包申格效应，如果材料中同延伸方向相反的方向受载，那么在服役条，如果材料中同延伸方向相反的方向受载，那么在服役条件下流变应力可能降低。件下流变应力可能降低。王中光等译，材料的疲劳，国防工业出版社，1993，p.72包申格效应对于承受包申格效应对于承受应变疲劳的工件是很应变疲劳的工件是很重要的，重要的，因为在因为在应变应变疲劳疲劳中，每一周期都中，每一周期都产生塑性变形，在反产生塑性变形，在反向加载时，弹性极限向加载时，弹性极限下降，显示出下降，显示出循环软循环软化化现象。现象。材料的循环硬化或软化与材料的循环硬化或软化与材料的屈强比材料的屈强比s/b有关，有关，s/b 0.8 的材

11、料的材料， 循环循环软化软化s/b 0.7 的材料，的材料， 循环循环硬化硬化s/b在在0.7-0.8之间，循环之间，循环硬化或软化硬化或软化姚卫星，结构疲劳寿命分析，国防工业出版社，2003，p。36-38包申格效应消除方法包申格效应消除方法1. 预先进行较大的塑性变形，预先进行较大的塑性变形，2. 或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火，如钢在结晶温度下退火，如钢在400500以上，铜合金以上，铜合金在在250270。应用应用 ：薄板反向弯曲成型薄板反向弯曲成型拉拔的钢棒经过辊压校直拉拔的钢棒经过辊压校直包申格效应包申格效应 (B

12、auschinger effect)(Bauschinger effect)案例案例少量塑性变形少量塑性变形（小于（小于4 4）可见，少量的预塑性变形，可导致屈服强度的显著提高。X80X80管线钢包申格效应管线钢包申格效应X80 钢板在钢板在制管过程中包申格效应导致的实际强度损失制管过程中包申格效应导致的实际强度损失.将卷板制成钢管将卷板制成钢管,制管规格为制管规格为610 mm 7. 9 mm ,相对相对应的变形量为应的变形量为1. 3 % ,考虑到螺旋角的影响考虑到螺旋角的影响,实际变形量实际变形量要小于要小于1. 3 %。2 2、弹性后效（、弹性后效（Elastic after-effe

13、ctElastic after-effect）概念：在概念：在弹性极限弹性极限 e e范围内范围内，应变滞后于外加应力，并和应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性称为弹性后效或滞弹性 。滞弹性滞弹性 （AnelasticityAnelasticity ）：概念：材料在弹性变形范围内加载时，应变量既与应力有概念：材料在弹性变形范围内加载时，应变量既与应力有关又随加载时间而变化的特性。在关又随加载时间而变化的特性。在交变应力交变应力作用下，作用下，出现应变变化落后于应力变化的现象。出现应变变化落后于应力变化的现象。p Oa为弹性应变，是瞬时产生的；p ab是在应力

14、作用下逐渐产生的弹性应变，称为滞弹性应变；p bc=Oa，是指应力去除时瞬间消失的弹性应变；p cd=ab，是在去除应力后随时间的延长而逐渐消失的滞弹性应变。p材料越均匀，弹性后效越小。高熔点的材料，弹性后效极材料越均匀，弹性后效越小。高熔点的材料，弹性后效极小加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加（或减小）小加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加（或减小）到一定数值的现象。到一定数值的现象。p弹性后效发生在弹性蠕变之后，二者都是在弹性范围内表弹性后效发生在弹性蠕变之后，二者都是在弹性范围内表现出应变的弛豫现象，统称为滞弹性。现出应变的弛豫现象，统称为滞弹性。p特点：组织不均匀、温度升高、切应

15、力增大特点：组织不均匀、温度升高、切应力增大弹性后效越明弹性后效越明显。显。p弹性后效是弹性材料的非弹性性能之一弹性后效是弹性材料的非弹性性能之一, ,对仪表精度有着直对仪表精度有着直接的影响。接的影响。p对于仪表用弹性敏感元件的设计和制造对于仪表用弹性敏感元件的设计和制造, ,具有其特殊的重要具有其特殊的重要性。性。p弹性后效说明，材料受载荷作用后，产生相应的弹性变形需弹性后效说明，材料受载荷作用后，产生相应的弹性变形需要时间，对不同的弹性元件，可以从几分钟到几十小时。弹要时间，对不同的弹性元件，可以从几分钟到几十小时。弹性后效降低了弹性元件的动态性能。性后效降低了弹性元件的动态性能。1 1

16、）概念：由于应变落后于应力，在）概念：由于应变落后于应力，在 - - 曲线上使加载线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。与卸载线不重合而形成一封闭回线，称之为弹性滞后。3、弹性滞后（、弹性滞后（ Elasticity lag ）2 2）表征：表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料）表征：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，称之为为内耗内耗，其大小即用弹性滞后环面积度量。，其大小即用弹性滞后环面积度量。p 弹性后效和弹性滞后都是有害的，它是弹性材料的固有弹性后效

17、和弹性滞后都是有害的，它是弹性材料的固有特性，是特性，是测量弹性元件测量弹性元件所不希望的。所不希望的。p途径：选用弹性滞后和弹性后效小的材料，并尽量减少弹途径：选用弹性滞后和弹性后效小的材料，并尽量减少弹性元件在工作时的应力。性元件在工作时的应力。 p例如，弹簧秤等量具的正确使用和定期校验。例如，弹簧秤等量具的正确使用和定期校验。循环韧性与内耗区别循环韧性与内耗区别p 内耗内耗是指金属在是指金属在弹性区内加载弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力时吸收不可逆变形功的能力。p 金属材料在金属材料在交变载荷（振动）交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力下吸收不可逆变形功的能力，也叫金属的，也叫金

18、属的内耗内耗。p 循环韧性循环韧性是指金属在是指金属在塑性区内加载塑性区内加载时吸收不可逆变形功的时吸收不可逆变形功的能力能力; ;p 循环韧性循环韧性也是金属材料的力学性能，因为他表示材料吸收也是金属材料的力学性能，因为他表示材料吸收不可逆变形功的能力，故又称不可逆变形功的能力，故又称消振性消振性。p 不过，有时这两个名词有时可以混用。不过，有时这两个名词有时可以混用。循环韧性的应用循环韧性的应用材料循环韧性越高，则机件依靠材料自身的消震能力越好。材料循环韧性越高，则机件依靠材料自身的消震能力越好。u汽轮机叶片用汽轮机叶片用1Cr131Cr13钢制造；钢制造；u机床床身，发动机缸体等选用灰铸

19、铁制造机床床身，发动机缸体等选用灰铸铁制造u打击乐器的材料也由此原理来选用。打击乐器的材料也由此原理来选用。u仪表选用循环韧性低的材料，可以提高仪表的灵敏度。仪表选用循环韧性低的材料，可以提高仪表的灵敏度。内耗（内耗（intenial friction）大师）大师p 金属内耗研究大师：著名爱国物理学金属内耗研究大师：著名爱国物理学家葛庭燧家葛庭燧作者：作者： 单文单文，中国科学技术中国科学技术大学出版社大学出版社 ，20072007p 金属物理学家，中国科学院院士。主要金属物理学家，中国科学院院士。主要从事固体内耗、晶体缺陷和金属力学性从事固体内耗、晶体缺陷和金属力学性质研究，是国际上滞弹性内

20、耗研究领域质研究，是国际上滞弹性内耗研究领域创始人之一。首创了创始人之一。首创了“葛氏扭摆葛氏扭摆”，首，首先发现晶界内耗峰先发现晶界内耗峰( (葛峰葛峰) )，首先发现点，首先发现点缺陷与位错交互作用以及位错与晶界交缺陷与位错交互作用以及位错与晶界交互作用引起的非线性滞弹性内耗峰。互作用引起的非线性滞弹性内耗峰。循环韧性循环韧性循环韧性：循环韧性： 材料在弹性区内加载卸载时，当应变落后于应力时加材料在弹性区内加载卸载时，当应变落后于应力时加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线载线与卸载线不重合而形成一封闭回线弹性滞后环。弹性滞后环。 材料在材料在交变载荷交变载荷下滞后环的面积表示材料在交变载荷下滞后环的面积表示材料在交变载荷下吸收不可