材料科学基础与分子运动讲解

1、材料科学基础与分子运动讲解7/23/20221绪论第一章 原子结构与键合 第二章 固体结构第三章 晶体缺陷第四章 固体中原子及分子的运动第五章 材料的形变与再结晶第六章 单组元相图及纯晶体的凝固第七章 二元相图及其合金的凝固材料科学基础7/23/20222第五章 材料的形变与再结晶本章主要内容： 5.1 弹性和粘弹性 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 以下略5.5 陶瓷材料的变形5.6 高分子聚合物的变形 塑性变形的机制，对材料组织与性能的影响回复、再结晶机制与动力学7/23/20223弹性的不完整性（略）单晶的塑性变形：滑移、扭折、孪生的概念滑移

2、面和滑移方向、滑移系滑移的位错机制：点阵阻力-派-纳力多晶体的塑性变形：Hall-Petch公式合金的塑性变形：形变强化、固溶强化和弥散强化材料的不同强化方式的强化机制塑性变形对材料组织与性能的影响回复与再结晶过程中组织与性能的改变再结晶形核机制、再结晶晶粒长大机制- 再结晶动力学计算再结晶温度及其影响因素【本章重要概念】7/23/20224冷变形（Tm） 按塑性变形温度分体积成型（锻造、轧制、挤压、拉拔等）板料成型（冲裁、弯曲、拉延等）塑性变形（固态成型）塑性变形分类：塑性变形在金属的锻、轧、拉、挤加工过程中有重要作用。材料的塑性变形7/23/20225锻、轧、拉、 挤体积成型：锻造轧制拉拔

3、挤压7/23/20226低碳钢的拉伸试验e弹性极限s屈服强度b抗拉强度弹性变形: 具有可逆性，外力去除后可完全恢复 塑性变形：不可逆 弹性变形（elastic deformation）塑性变形（plastic deformation）外力 材料完整的塑性变形过程外形尺寸变化内部组织、性能变化 塑性变形导致这种状态自由焓较高，不稳定，加热后发生回复与再结晶7/23/20227 r=r0 原子处于平衡位置 位能 U 为 Umin 最稳定 F=0 r r0 即偏离其平衡位置 F引力 斥力力图使原子恢复其原来的平衡位置 弹性的本质可从原子间结合力的角度来了解之。无外力作用时，原子间结合能和结合力是原子

4、间距的函数。 5.1 弹性和粘弹性(高分子)弹性变形是塑性变形之前必经历的过程7/23/202285.1.2 弹性变形的特征（1）理想的弹性变形是可逆变形；（2）在弹性变形范围内，应力-应变关系服从胡克（Hooke）定律：正应力下 = E切应力下 = G各向异性弹性体的应力应变关系，即广义虎克定律可用矩阵表示。（3）弹性变形量随材料的不同而异。E-杨氏弹性模量G-剪切模量 -泊松比G = E/2(1+)不同材料的弹、塑性性能差异很大;如金属、陶瓷、高分子7/23/20229弹性模量 E (Elastic modulus)表征晶体中原子间结合力强弱的物理量, 反映原子间的结合力。合金化影响小。共

5、价键(E金刚石) 金属键高分子-分子键。对单晶体而言，弹性模量是各向异性的：单晶体沿原子最密排的晶向 Emax ，沿原子最疏的晶向Emin。多晶体因晶粒任意取向，总体呈各向同性。工程上E是材料刚度的度量。7/23/202210 5.2 晶体的塑性变形本节内容包括：1.单晶体的塑性变形2. 多晶体的塑性变形3.合金的塑性变形4.塑性变形对材料组织与性能的影响当应力超过弹性极限，材料发生塑性变形，产生不可逆的永久变形。其本质与弹性变形相比更为复杂。具体分析：单晶体多晶体7/23/2022115.2.1 单晶体（Single Crystal）的塑性变形 滑移 Slip孪生 Twinning晶界滑动

6、Grain boundary Sliding扩散性蠕变 Diffusional Creep高温情况下扭折 kink塑性变形方式多晶体的晶粒内，由位错运动方式决定多晶体的晶粒之间7/23/202212一、滑移（Slip）a. 现象-滑移线与滑移带单晶体的拉伸试验塑性变形的不均匀性特征：滑移只沿一定的晶面、一定晶向进行纯铁金相组织中的滑移线7/23/202213b. 滑移的晶体学特征-滑移系原因是： 1、原子密度最大的晶面上面间距最大、点阵阻力最小。2、最密排方向上的原子间距最短。-位错运动克服的阻力最小。滑移系：由晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成, 构成了滑移的空间取向。表 常见金属的滑

7、移面与方向滑移的特征：通常滑移面和滑移方向总是晶体中原子密度最大的面和方向P-N力7/23/202214晶体结构不同，滑移系的数目不同 fcc：111 有四组，而每个(111)面上共有三个110， 共有4312个滑移系 hcp：1个(0001)面， 3个方向 共有133个滑移系 bcc： 110面共有6组， 每个110上有2个方向 112面共有12组， 每个112 1个方向 123面共有24组， 每个123 1个方向 共有6212124148个滑移系一般滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈多，这种材料的塑性就愈好。7/23/202215c. 滑移所需临界分切应力 确定滑移面和方向 C

8、ritical（resolved）shear stress圆柱形试样单向拉伸情况下，作用在滑移面上沿滑移方向的切应力：其中作用在横断面上的拉伸应力取向因子A1=7/23/202216晶体滑移 必须使t tc临界分切应力:tc决定了位错滑移的难易程度tc ：取决晶体中原子间的结合力，即与晶体类型、纯度（杂质）、温度以及变形速度有关，与外力无关。见表5.4 其中s-起始屈服强度，由取向因子决定图5.9 P175：当90或90 时，s 晶体不能产生滑移只有当 45 时，smin 首先发生滑移 2tc7/23/202217d. 滑移时晶面的转动滑移面上发生相对位移晶面转动空间取向发生变化晶体滑移拉伸时

9、，使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行压缩时，使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴垂直7/23/202218转动的原因两对力偶：上下两滑移面的法向分应力在该力偶作用下，使滑移面转至轴向平行垂直于滑移方向的分切应力在该力偶作用下，使滑移方向转到最大分切应力方向平行滑移方向、真正引起滑移的有效分切应力作用于滑移面的最大分切应力7/23/202219形变过程：晶体滑移晶体转动位向变化取向因子变化 分切应力值变化e. 多系滑移 Multiple slip 多系滑移： 外力下，滑移首先会发生在分切应力最大、且t tc的滑移系原始滑移系上。但由于伴随晶体转动空间位向变化另一组原取向不利；滑移系逐渐转向比较

10、有利的取向，从而开始滑移，形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为多系滑移。名词解释7/23/202220f. 滑移的位错机制 第3章提到：与实测值（约为110MPa）之间相差34个数量级。根据刚性位移模型，理论剪切强度(G一般为104105MPa） 修正后的理论剪切强度=G/30，仍然偏大。因为位错运动时，只要附近少数原子移动很小的距离（小于一个原子间距），因此所需的应力要比晶体作整体刚性位移时小得多。这样，借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。位错概念引入解决这一矛盾：7/23/202221P178 图 位错中心能量的周期性变化 1、位错运动首先遇到点阵阻力派.纳力(P-N for

11、ce)：对于简单立方d=b，=0.35, 得到P-N=210-4G，远小于理论剪切强度G/30. 说明位错的滑移容易进行 P-N力与晶体结构和原子间作用力有关。从上式可知滑移面间距d、滑移方向原子间距b，则 ，因此：晶体的滑移通常发生在原子最密集的晶面并沿着最密集的晶向进行。2、除点阵阻力外，位错与点缺陷、其他位错、晶界(多晶体)、第二相质点（合金）等交互作用，对位错的滑移运动均会产生阻力，导致晶体强化。（）7/23/202222综上所述，滑移变形的基本特点：滑移实质是位错沿滑移面的运动过程滑移变形系不均匀的切变，它只集中在某些晶面上；沿着一定的晶面和晶向进行，滑移系较多的材料一般具有较好塑性

12、；（fcc）滑移条件：在切应力作用下，且t tc；滑移同时，滑移面和滑移方向将发生转动；（略）7/23/202223二、孪生Twin金相观察：纯镁、纯锌中的形变孪晶孪生变形的难易程度：和对称性、滑移系数量有关。HCPBCCFCC，FCC极低温下也会孪生- 图 铜单晶拉伸曲线（）孪生的定义：滑移系较少的晶体（如hcp的 Mg,Zn,Ge），或滑移系较多的晶体在低温下，或当滑移受阻时的一种变形方式。7/23/202224a. 孪生变形过程P180 图孪晶孪晶界孪晶面孪晶界孪生方向b. 孪生的特点（简答） 临界切应力 大于滑移的c均匀切应变 孪生是在切应力作用下沿特定的晶面与晶向产生的均匀切变。孪晶

13、区的原子同时移动，同一层原子移动距离相同。镜面对称位向关系7/23/202225形核（难）：孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进行的条件下才会发生。例如，Mg孪生所需tcMPa，而滑移时tc仅为。长大（易）：例如，Zn单晶形核，长大 。萌生之初，能量大量积累孪晶的长大速度极快（与冲击波的速度相当），有相当数量的能量被释放出来。c. 孪晶的形成方式变形（机械）孪晶：变形产生，呈透镜状或片状生长孪晶 ：晶体生长过程中形成，包括气、液、固相生长退火孪晶 ：退火过程中堆垛层错生长形成，横贯整个晶粒形核长大两个阶段变形孪晶的生长: 可分为7/23/202226d. 孪生变形的意义：通过单纯孪生

14、直接达到的变形量是极为有限的。如Zn单晶，孪生只能获得伸长率，远小于滑移所作的贡献。孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利于发生滑移的位置，激发进一步的滑移，获得很大变形量，故间接贡献却很大。7/23/202227纳米孪晶纯铜孪晶强化、超塑性：拉伸强度是普通纯铜的十倍以上,达到高强度钢的强度水平;而室温电导率与无氧高导铜相当 孪晶强化（略）7/23/202228三 、扭折 Kink （概略）压缩hcp时，外力与(0001)面平行，cos =0，故在(0001)面的t0，不能进行滑移或孪生。为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时，晶体将会产生局部弯曲，即出现扭折现象。扭折

15、区晶体的取向发生了不对称变化。造成扭折的原因：滑移面的位错在局部地区集中，从而引起的晶格弯曲。扭折的意义：是为适应外力而发生的不均匀局部塑性变形，对变形起一定的协调作用，使应力得到松弛，使晶体不致发生断裂。另外扭折引起晶体的再取向，使扭折带区域中的滑移系处于有利取向，使晶体形变能力进一步发挥。7/23/202229 5.2.2 多晶体的塑性变形 Plastic Deformation of polycrystalline Materials 多晶体变形要受到晶界和相邻不同位向晶粒的约束。周围晶粒同时发生相适应的变形来配合。 一般多晶体为多系滑移，具有高的加工硬化率，变形抗力增大，强度显著提高。

16、具体分析：单晶体多晶体7/23/202230晶粒取向的影响 外力F作用下处于有利取向的晶粒先开始滑移处于不利取向晶粒还未开始滑移变形不均匀为保持变形的连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相互协调多晶体塑性变形时，要求至少有5个独立的滑移系相互协调来进行滑移。fcc, bcc 滑移系多，处于有利位置的取向多塑性好 hcp 滑移系少塑性差7/23/202231位错在晶界上产生塞积（交通堵塞）晶内发生较大变形，晶界处变形量较少，塑变抗力大，可观察到位错的塞积，位错无法转移到相邻晶粒中。23个晶粒的试样拉伸后呈竹结状。 二. 晶界的阻滞效应多晶体塑性变形的另一个特点是晶界对变形过程的阻碍作用。晶界对多晶

17、体变形产生阻碍作用的原因： 1、大角晶界处原子排列不规则，点阵畸变严重；2、晶界两侧的晶粒取向不同，滑移面和滑移方向彼此不一致。7/23/202232三、晶粒大小对力学性能的影响（ 重要概念 ） 1. 对室温力学性能的影响细晶强化：细晶组织具有良好的综合力学性能，可兼顾强度和塑性晶粒愈细、晶界愈多强化效应-ss sb HV 较好塑性，细晶的晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀，有可能断裂前承受大量的变形 Hall-Petch公式：屈服强度相当于单晶体的屈服强度晶粒平均直径常数，反映晶界对变形的影响，与晶界结构有关晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大，多晶体加工硬化的主要原因来自晶界两侧晶粒

18、的位向差。例见图7/23/2022332. 对高温强度的影响低温时：晶界强度晶内强度；加上晶界两侧晶粒位向差影响 晶界对滑移有阻滞作用高温时：温度升高，与原子扩散速率有关的晶界滑动和与空位扩散有关的蠕变机制 晶界强度纤维状组织 强烈冷变形的特征各向同性各向异性2. 亚结构变化 P191 图位错密度迅速增长，形成位错缠结106107cm-2 - 10111012cm-2 5.2.4 塑性变形后组织与性能的变化7/23/202243图5.36 铜材经过不同程度冷轧后的光学显微组织及薄膜投射电镜像图a,b 胞状亚结构：变形晶粒是由许多“胞”所组成，各个胞之间有着微小的取向差。图c,d 高密度缠结位错

19、主要集中在胞的周围地带构成“胞壁”，而胞内位错密度很低。图e,f 随变形量，胞数量，尺寸，细长带状胞7/23/202244二. 性能变化 1.加工硬化 塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度（硬度）显著提高，塑性迅速下降。书中图，表5.6 (P193) 加工硬化的本质：与位错间的交互作用及位错增殖、密度增加有关 钉扎 继续变形发生困难，必须加大应力才能继续变形加工硬化 加工硬化是材料强化的一个重要的途径；特别是纯金属及某些不能通过固溶时效热处理强化的合金。由于材料具有加工硬化特性，形变才得以传递和扩展使整个零件在宏观上能够均匀变形。定量关系式：7/23/202245 电阻率：塑性变形使金属的电

20、阻率升高。变化程度因材质而异，如纯铜、黄铜、钨丝。另外，电阻温度系数下降、导磁率下降、导热系数下降等 腐蚀速度：塑变使缺陷增多，扩散过程加速，腐蚀速度加快 密度：对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等）的金属，经塑性变形后可能使密度上升 弹性模量：塑变使弹性模量升高2. 其它性能的变化7/23/202246三. 变形织构 Deformation texture 单向塑性变形时，多晶体中原为任意位向的各个晶粒经转动后会使各个晶粒的取向趋于一致，这个过程称为“择优取向”，择优取向后的晶体结构称为“织构”（Texture）变形织构 退火织构和再结晶织构（略）7/23/2022471. 丝织构：拉丝时形成的织构，其特点：各个晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行，用表示，如冷拔铁丝织构为 织构2. 板织构：轧制时形成，其特征：多个晶粒的某一晶向趋向于与轧向平行，用 hkl 表示，如冷轧黄铜 H70 具有 110 织构。织构造成材料各向异性，在板材及线材生产应用