材料科学基础(第6章)

材料科学基础welcome合肥工业大学刘宁第六章材料的变形与断裂铸态组织往往具有晶粒粗大、组织不致密和成分偏析等缺陷，除了一部分铸件以铸态使用外，大多数金属材料都要进行各种压力加工（轧制、锻造、挤压、拉丝和冲压等），金属材料经过压力加工不仅改变了外形尺寸，而且也使内部组织和性能发生变化。因此，探讨金属及合金的塑形变形规律具有十分重要的理论和实际意义。第一节金属的变形特性一、应力应变曲线二、真应力-真应变曲线∵ε=(l-l0)/l0=l/l0-1∴l/l0=1+ε均匀变形时，应变均匀分布，有A0l0=Al=constant∴A0/A=l/l0=1+ε三、弹性变形与弹性模量G=E/2(1+ν)，式中为波松(Poisson)比，是单轴拉伸时横向缩短与轴向伸长比值。第二节单晶体的塑形变形2、滑移系滑移是晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对滑动，我们称这个晶面为滑移面，晶体在滑移面上的滑动方向称为滑移方向。金属塑性的好坏，除与滑移系数量多少有关以外，还与滑移面上原子的排列密排程度和滑移方向上密排程度有关，滑移时位错移动的阻力（Peierls-Nabarro）:τP-N=2Gexp(–2πw/b)/(1–ν),式中w=a/(1–ν)称为位错宽度；a–滑移面面间距；b–滑移方向上原子间距；ν–为波松比。显然a↑、b↓→τP-N↓→易滑移a↑→密排面；b↓→密排方向。α‒Fe由于滑移面上原子密排程度不如fcc金属，故其滑移面间距较小，塑性不如fcc的Cu、Al等。3、滑移的临界分切应力4、滑移时晶体的转动6、滑移的位错机制（1）位错的运动与晶体的滑移（2）位错的增殖形成一条滑移线常常需要上千个位错，晶体在塑形变形时产生大量的滑移带就需要为数极其多的位错。问题是晶体中有如此大量的位错吗？退火后的金属中的位错密度为10101/m2；经过剧烈冷变形后为1015–10161/m2。人们设想必然存在能不断增殖位错的机制。Frank–Read源（3）位错的交割与塞积在位错的滑移运动过程中，有可能通过其中一部分线段首先进行滑移。若由此形成的曲折线段就在位错的滑移面上时，称为扭折；若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，称为割阶。扭折和割阶也可由位错之间交割而形成。刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，而扭折部分则为螺型位错；螺型位错中的扭折和割阶线段，由于均与柏氏矢量相垂直，故均属于刃型位错。运动位错交割后，每根位错线上都可能产生一扭折或割阶，其大小和方向取决于另一位错的柏氏矢量，但具有原位错线的柏氏矢量。所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃型也可是螺型的。另外，扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一道运动，几乎不产生阻力，而且扭折在线张力作用下易于消失。但割阶则与原位错线不在同一滑移面上，故除非割阶产生攀移，否则割阶就不能跟随主位错线一道运动，成为位错运动的障碍，通常称此为割阶硬化。τ=nτ0式中n为障碍前塞积的位错数目，τ为滑移方向上的分切应力值。二、孪生塑性变形的另一种重要方式是孪生。当晶体在切应力的作用下发生孪生变形时，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面或孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分晶体作均匀地切变，在切变区域内，与孪晶面平行的每层原子的切变量与它距孪晶面的距离成正比，并且，不是原子间距的整数倍，变形与未变形部分的晶体以孪晶面为分界面构成了镜面对称的位相关系。通常把对称的两部分晶体称为孪晶，而将形成孪晶的过程称为孪生。第三节多晶体的塑形变形一、多晶体的塑形变形过程二、晶粒大小对塑形变形的影响第四节合金的塑形变形一、单相固溶体的塑形变形单相固溶体的组织与多晶体的纯金属相似，因而其塑形变形过程也基本相同。但由于固溶体中存在溶质原子，使得强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为固溶强化。强化规律：溶质元素↑→强化↑；原子半径差↑→强化↑；间隙固溶体的强化作用大于置换固溶体；原子价电子数差↑→强化↑。二、多相合金的塑性变形σ=f1σ1+f2σ2(1)脆性第二相呈连续网状分布在塑性相晶界上少量变形后将沿脆性相开裂→塑性↓、韧性↓；(2)脆性第二相呈片状或层状分布在塑性基体上例如钢中珠光体(3)脆性相在塑性相中呈颗粒状分布虽然相对于第二种情况强度、硬度更低，但塑性、韧性显著改善。第五节塑性变形对金属

组织和性能的影响一、塑性变形对组织结构的影响1、显微组织变化2、亚结构的细化3、变形织构二、塑性变形对金属性能的影响1、加工硬化2、塑性变形对其它性能的影响三、残余应力第六节金属的断裂一、断裂分类1、从工程实际分类（1）宏观塑性断裂断裂前产生宏观大范围的塑性变形，又称为塑断或韧断。（2）宏观脆断宏观来看断裂前不产生塑性变形，又称为脆断或低应力断裂。2、按断裂微观机制分类（1）剪切断裂在切应力作用下，金属沿着滑移面滑移造成分离而断裂。（2）微孔聚集型断裂在某些夹杂物或第二相质点处形成