材料科学基础-11

1、1第八章 材料的塑性变形纳米铜的室温超塑性2第一节 金属变形概述弹性变形塑性变形断裂弹性变形塑性变形断裂Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E3第一节 金属变形概述第七章塑性变形第一节金属变形概述弹性变形弹性变形：变形可逆；变形可逆；应力应变呈应力应变呈线性关系。线性关系。弹性模量弹性模量：原子间结合原子间结合力的反映和力的反映和度量。度量。4第二节 单晶体的塑性变形 常温下塑性变形的主要方式：常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、滑移、孪生、扭折。扭折。一一 滑移滑移1 1 滑移

2、：在切应力作用下，晶体的一滑移：在切应力作用下，晶体的一 部分相对于另一部分沿着一部分相对于另一部分沿着一 定的晶面（定的晶面（滑移面滑移面）和晶向）和晶向 （滑移方向滑移方向）产生相对位移，）产生相对位移， 且不破坏晶体内部原子排列且不破坏晶体内部原子排列 规律性的塑变方式。规律性的塑变方式。 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E5第二节 单晶体的塑性变形 一一 滑移滑移 光镜下：滑移带（光镜下：滑移带（无重现性无重现性）。）。 2 2 滑移的表象学滑移的表象学 电镜下：滑移线

3、。电镜下：滑移线。Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E6第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 滑移面滑移面 （密排面）（密排面） （1 1）几何要素）几何要素 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向） 7第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学（2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 滑移系的个数滑移系的个数:(:(滑移面个数）滑移面个数）（每个面上所具有的滑移方

4、向（每个面上所具有的滑移方向 的个数）的个数）8 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E9第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （2 2）滑移系）滑移系 滑移系数目与材料塑性的关系滑移系数目与材料塑性的关系 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好； 与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关； 与同时开动滑移系数目有关（与同时开动滑移系数目有关（ c c）。）。10第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体

5、学（3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（ c c） c c：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。 ( (外力在滑移方向上的分解外力在滑移方向上的分解) c c s scoscos coscos 11第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学（3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（ c c） c c取决于金属的本性，不受取决于金属的本性，不受 ， 的影响；的影响； 或或 9090 时，时， s s ； c c s scoscos coscos s s的取值的取值 ， 4545 时，时， s s最小，晶

6、体易滑移；最小，晶体易滑移； 软取向：值大；软取向：值大； 取向因子：取向因子：coscos coscos 硬取向：值小。硬取向：值小。 12位错滑移需要克服的阻力n点阵阻力（派-纳力）bdGNP)1 (2exp12式中，d为滑移面的面间距，b为滑移方向上的原子间距（等于位错的柏氏矢量），G为切变弹性模量，v为泊松比。由派 纳力公式可知，当d值越大、b值越小时，则点阵阻力也越小，因而越容易发生滑移。由于晶体中最密晶面的面间距最大，而最密排方向上的原子间距最小，因此，晶体的滑移面和滑移方向一般是晶体的原子密排面与密排方向。13第二节 单晶体的塑性变形 4 4 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动（1

7、 1）位向和晶面的变化）位向和晶面的变化 拉伸时拉伸时, ,滑移面和滑移方向趋于滑移面和滑移方向趋于 平行于力轴方向平行于力轴方向; ; 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。 几何硬化：几何硬化： ， 远离远离4545 ，滑移变得困难，滑移变得困难；（2 2）取向因子的变化）取向因子的变化 几何软化；几何软化； ， 接近接近4545 ，滑移变得容易，滑移变得容易。14第二节 单晶体的塑性变形 5 5 多滑移多滑移 （1 1）滑移的分类）滑移的分类 多滑移：在多个（多滑移：在多个（22）滑移系上同时或交替进行的滑移。）滑移系上同时或交替进行的滑移。 双滑移：双

8、滑移： 单滑移：单滑移： （2 2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。等的一组滑移系。15第二节 单晶体的塑性变形 6 6 交滑移交滑移 （1 1）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的 滑移。滑移。 （2 2）机制）机制 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑 移面的过程；移面的过程； 螺位错的螺位错的双交滑移双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的

9、过程。：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。16第二节 单晶体的塑性变形 7 7 滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带；单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。交滑移：波纹状的滑移带。17第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生（1 1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分 沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取沿一定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。 孪生面孪生面 A1111,A2112,A31012A

10、1111,A2112,A31012（2 2）孪生的晶体学）孪生的晶体学 孪生方向孪生方向 A1,A2,A3A1,A2,A3 孪晶区孪晶区 1819第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生 20第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生 （3）孪生变形的特点孪生变形的特点 滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切变；切变；2 2 沿一定的晶面、晶向进行；沿一定的晶面、晶向进行；3 3 不改变结构不改变结构。不不同同点点 晶体位向晶体位向不改变（对抛光面观察无不改变（对抛光面观察无重现性）重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）光面观察有重现性）位移量位移量滑移

11、方向上原子间距的整滑移方向上原子间距的整数倍，较大。数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，小于孪生方向上的原子间距，较小。较小。对塑变的贡献对塑变的贡献很大，总变形量大。很大，总变形量大。有限，总变形量小。有限，总变形量小。变形应力变形应力有一定的临界分切压力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于所需临界分切应力远高于滑移滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果分位错运动的结果分位错运动的结果21加工硬化n金属材料经冷加工变形后，其强度、硬度显著提高，而塑性、韧性则急剧下降，这种现象即称为加工硬化。 三阶段

12、：I：易滑移阶段II：线性硬化阶段III：抛物线性硬化阶段22n有关加工硬化的机制已提出了不同的理论，然而，最终的表达形式基本相同，即变形所需应力为位错密度的平方根的线性函数，这已被许多实验所证实。因此，塑性变形过程中位错密度的增加及其对位错滑移的阻碍作用是导致加工硬化的决定性因素。23第三节 多晶体的塑性变形24第三节 多晶体的塑性变形 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，位向不同变形具有非同时性。）原因：各晶粒之间，位向不同变形具有非同时性。 （2 2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）致

13、晶体分裂） （3 3）条件：独立滑移系）条件：独立滑移系 5 5个。（保证晶粒形状的自由变个。（保证晶粒形状的自由变 化）化） 25晶界的影响n多晶体的变形行为与单晶体多晶体的变形行为与单晶体相比较，表现出如下两个特相比较，表现出如下两个特点：点： 多晶体的屈服强度明多晶体的屈服强度明显地高于同样材料的单晶体；显地高于同样材料的单晶体； 在同一种多晶体材料中，在同一种多晶体材料中，晶粒越细小，屈服强度越高。晶粒越细小，屈服强度越高。多晶体变形之所以表现出这多晶体变形之所以表现出这样一些特点，是因为晶界的样一些特点，是因为晶界的存在对晶体中位错的滑移产存在对晶体中位错的滑移产生了阻碍作用，即发生

14、了晶生了阻碍作用，即发生了晶界强化。界强化。26第三节 多晶体的塑性变形3.3.晶界对对位错的滑移阻力来源晶界对对位错的滑移阻力来源 （1 1）晶界两侧晶粒间的位向差）晶界两侧晶粒间的位向差 （2 2）晶界本身造成的阻力：原子排列不规则；分布有大）晶界本身造成的阻力：原子排列不规则；分布有大量缺陷，成为位错运动的障碍量缺陷，成为位错运动的障碍 GbLkn027第三节 多晶体的塑性变形3 3 晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用（3 3）晶粒大小与性能的关系）晶粒大小与性能的关系 a a 晶粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高( (细晶强化细晶强化：霍尔配奇公式：霍尔配奇公式) ) s s=

15、= 0 0+kd+kd-1/2-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。 （有尺寸限制）（有尺寸限制） . 晶粒之间变形的传播晶粒之间变形的传播 位错在晶界塞积位错在晶界塞积应力集中应力集中 相邻晶粒位错源开动相邻晶粒位错源开动 相邻晶粒变形相邻晶粒变形塑变塑变 28第四节 合金的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 1 1 固溶体的结构固溶体的结构 2 2 固溶强化固溶强化 （1 1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高的现象。度提高的现象。 晶格畸变，阻碍位错运

16、动；晶格畸变，阻碍位错运动； （2 2）强化机制）强化机制 柯氏气团强化。柯氏气团强化。 金属内部存在的大量位错线,在刃型位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子(大小不同吸附的位置有差别),形成所谓的“柯氏气团”。29影响固溶强化的因素n 固溶体中溶质原子的含量；n 溶质原子与基体金属的原子半径相差越大，强化作用也越大；30影响固溶强化的因素n 间隙型溶质原子比置换型溶质原子具有更大的固溶强化效果，且由于间隙型溶质原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的，但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限；n 溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显

17、著，即固溶体的屈服强度随合金电子浓度的增加而提高。31第四节 合金的塑性变形（3 3）屈服和应变时效）屈服和应变时效 当拉伸试样开始屈服时，应力随当拉伸试样开始屈服时，应力随即突然下降，并在应力基本恒定即突然下降，并在应力基本恒定情况下继续发生屈服伸长，所以情况下继续发生屈服伸长，所以拉伸曲线上出现水平台（通常称拉伸曲线上出现水平台（通常称为屈服平台）为屈服平台）当应力达到上屈服点时，首先在当应力达到上屈服点时，首先在试样的应力集中处开始塑性变形，试样的应力集中处开始塑性变形，并在试样表面产生一个与拉伸轴并在试样表面产生一个与拉伸轴约成约成4545 角的变形带角的变形带 吕德斯吕德斯（Lder

18、sLders）带，与此同时，应力）带，与此同时，应力降到下屈服点；降到下屈服点； 32应变时效n预变形和时效的影响：去载后立即加载预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间不出现屈服现象；去载后放置一段时间或或200200加热后再加载出现屈服。加热后再加载出现屈服。n 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。成。33第四节 合金的塑性变形二二 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形 1 1 结构：基体第二相。结构：基体第二相。 2 2 分类：分类：聚合型合金（第二相尺寸与基体相晶粒尺寸属聚合型合金（第二相尺寸与基体相晶粒尺寸属同一数量级）

19、同一数量级） 弥散分布型合金（第二相细小而弥散地分布在基体相晶粒中） 341聚合型两相合金的塑性变形（1）如果两个相都具有塑性，则合金的变形决定于两相的体积分数。 .等应变理论 假定塑性变形过程中两相应变相等。 合金产生一定应变的平均流变应力 a = f11 + f22 ： 其中：f1、f2为两个相的体积分数 f1+f2=1 1、2为两个相在此应变时的流变应力等应力理论 假定塑性变形过程中两相应力相同。对合金施加一定应力时，平均应变a= f11+f22其中：f1、f2为两个相的体积分数 1,2为此应力下两相的应变35（2）如果两相中一个是塑性相，而另一个是硬脆相时，则合金的机械性能主要取决于硬

20、脆相的存在情况（软基体硬第二相）软基体硬第二相）n 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；n a a结构结构 两相呈层片状分布（珠光体）；两相呈层片状分布（珠光体）；n 第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。36多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形二二 弥散分布型合金弥散分布型合金 第二相：可变形第二相：可变形 不可变形不可变形 位错绕过第二相粒子位错绕过第二相粒子( (粒子、位错环阻碍位错运动粒子、位错环阻碍位错运动) )b b 弥散强化弥散强化 位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子

21、阻 碍位错运动）碍位错运动）37第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 晶粒拉长晶粒拉长; ; 1 1 形成纤维组织形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。38第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 2 2 形成胞状亚结构形成胞状亚结构 变形量变形量 位错缠结位错缠结 位错胞位错胞 （大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。) ) 39第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影

22、响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响3 3 形成形变织构形成形变织构（1 1）形变织构：）形变织构：在塑性变形中，随着变形量的增加，各个晶粒的滑在塑性变形中，随着变形量的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向主变形方向转动，使多晶体中原来位向互不相同移面和滑移方向都要向主变形方向转动，使多晶体中原来位向互不相同的各个晶粒调整到空间位向逐渐趋于一致，这一现象称为择优取向，这的各个晶粒调整到空间位向逐渐趋于一致，这一现象称为择优取向，这种组织状态则称为形变织构种组织状态则称为形变织构。 丝织构丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）（2 2）类型）类型 板织构板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向。（轧制时形成）行于主变形方向。（轧制时形成） 40第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响2 2