第八章材料的变形与断裂

第八章材料的变形与断裂第1页，课件共54页，创作于2023年2月金属变形概述弹性变形－塑性变形－断裂屈服强度（开始塑性变形的应力）抗拉强度（极限承载能力的标志）颈缩第2页，课件共54页，创作于2023年2月金属的弹性变形弹性变形：变形可逆；应力应变呈线性关系。弹性模量：原子间结合力的反映和度量。S0＝dF/dr=d2u/dr2金属材料的弹性变形量很小，所以原子间距只在ro附近变化F＝s0（r－r0）单位面积内原子键数为1/r02Fr02=s0r0r-r0r0σ=S0r0ε即E＝S0/r0第3页，课件共54页，创作于2023年2月滑移与孪晶变形

常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪晶。一滑移1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定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。光镜下：滑移带（无重现性）。2滑移的表象学电境下：滑移线。第4页，课件共54页，创作于2023年2月滑移机制位错：已滑移的部分与未滑移的部分的分界。位错宽度：分界不鲜明，有一个过渡区。－－－－－是两种能量平衡的结果（界面能与弹性畸变能）。1）位错宽度窄，界面能小，但弹性畸变能高2）位错宽度大，每个原子列偏离其平衡位置较小，弹性畸变能减小，同时界面能增加。位错宽度是影响位错是否容易运动的重要参数。位错宽度越大，位错就越易运动。第5页，课件共54页，创作于2023年2月派－纳力派－纳力：理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所需克服的阻力。（公式见P327)一些定性结果：1）从本质上说，派－纳力（τp-n）的大小，主要取决于位错宽度W，位错宽度w越小，τp-n越大，材料就难以变形，相应地屈服强度越高。2）位错宽度主要决定于结合键的本性和晶体结构。对于方向性很强的共价键，其键角和键长度很难改变，故τp-n高；而金属键没有方向性，位错有较大的宽度，故τp-n是很低的。3）位错在不同的晶面和晶向上运动，其位错宽度是不一样的。只有沿原子排列最紧密的面及原子密排方向上运动，τp-n才最小。第6页，课件共54页，创作于2023年2月滑移面和滑移方向滑移的晶体学滑移面（密排面）（1）几何要素滑移方向（密排方向）

第7页，课件共54页，创作于2023年2月滑移的晶体学（2）滑移系滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系的个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）第8页，课件共54页，创作于2023年2月晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方{111}×4<110>×312Cu,Al,Ni,Au

{110}×6×212Fe,W,Mo体心立方{121}×12<111>×112Fe,W

{123}×24×124Fe

{0001}×1×33Mg,Zn,Ti{1010}<1120>3Mg,Zr,Ti

{1011}

6Mg,Ti密排六方滑移系

滑移系数目与材料塑性的关系：一般滑移系越多，塑性越好；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。第9页，课件共54页，创作于2023年2月孪晶变形晶体在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向，在一个区域内发生连续变化顺序的切变，变形的结果使这部分的晶体取向改变了（晶体结构和对称性并未改变），但是已变形的晶体部分与未变形的晶体部分保持着镜面对称关系，这个对称镜面就叫孪晶面。第10页，课件共54页，创作于2023年2月孪生：在外力作用下，以切变生成孪晶而发生塑性变形方式称为“孪生”。产生条件：孪生仅在滑移困难时才会发生。一般孪生出现在滑移系很少的晶体结构的材料中(如密排六方晶格金属)；此外在某些容易发生滑移的晶格材料仅在较低温度或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用时才可能产生孪生。

第11页，课件共54页，创作于2023年2月滑移与孪生在晶体表面变化第12页，课件共54页，创作于2023年2月单晶体的塑性变形一.施密特定律

直接推动滑移的是在滑移方向上的分切应力。在同一外加应力作用下，不同的滑移系因自己的取向不同，对应的分切应力也不相同。图示一单晶体单向拉伸，滑移面法线方向与外力的夹角为φ，滑移方向和拉力轴的夹角为λ，注意到滑移方向、拉力轴和滑移面的法线三者一般不在一平面，即

φ+λ≠900。第13页，课件共54页，创作于2023年2月施密特定律

滑移方向上的分切应力为：

其中称为取向因子或施密特因子。当φ+λ=900，取向因子有最大值0.5。第14页，课件共54页，创作于2023年2月施密特定律

滑移方向上的分切应力为：

称为施密特定律，τc是一常数，但材料的屈服强度σs则随拉力轴相对于晶体的取向不同而不同，即晶体材料存在各向异性。第15页，课件共54页，创作于2023年2月临界分切应力与首开滑移系

临界分切应力：当外力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑移，材料开始发生塑性变形，这个切应力值叫临界分切应力，它是决定材料强度的直接因素。首开滑移系:在某一外力作用下，取向因子最大的滑移系将有最大的分切应力，外力加大，它将首先达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子最大的滑移系称为这个外力下的首开滑移系。等效滑移系:在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系将有相同分切应力，外力加大，它将同时达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子相同滑移系称为这个外力下的等效滑移系。

第16页，课件共54页，创作于2023年2月单滑移、多滑移和交滑移当只有一个滑移系统上的分切应力最大并达到了临界分切应力－单滑移。当拉力轴在晶体的特定取向上，可能会使几个滑移系上的分切应力相等，在同时达到了临界分切应力时，就会发生多滑移。当一个滑移系启动后，另一滑移系的滑动就必须穿越前者，两个滑移系上的位错会交互作用，产生交割和反应。交滑移是螺型位错在两个相交的滑移面上的运动，当螺型位错在一个滑移面上运动遇有障碍，会转到另一滑移面上继续滑移，滑移方向不变。－交滑移的滑移线不是平直的，有转折和台阶。第17页，课件共54页，创作于2023年2月第18页，课件共54页，创作于2023年2月多晶体的塑性变形晶界和晶体位向对塑性变形的影响多晶体的变形概括起来有两个特点：（1）变形的传递当一个晶粒的位错在某一滑移系上动作后，在位错遇到晶界时便塞积起来，位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应力集中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的晶粒也能开始变形，相邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以松弛，原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是滑移的传播过程。

第19页，课件共54页，创作于2023年2月（2）变形的协调多晶体在变形时各个晶粒的自身变形都像单晶体一样，彼此独立变形互相不受约束，那么在晶界附近变形将是不连续的，会出现空隙和裂缝，为了适应变形协调，不仅要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移性动作，就是已变形的晶粒自身，除了变形的主滑移系统外，在晶界附近也要有几个滑移系统同时动作。实验也观察到在晶界附近的滑移系是较多的。第20页，课件共54页，创作于2023年2月晶粒大小对材料强度的影响 材料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有关，而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈细，材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面积愈大，晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形的抗力也便愈大。对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒大小有以下关系：式中的d为晶粒的平均直径，k为比例常数。这是个经验公式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系。第21页，课件共54页，创作于2023年2月晶界位错塞积模型位错运动至晶界受阻，便塞积起来，位错塞积使头部产生了应力集中。在同样的外加切应力作业下，在晶界附近塞积的位错数为粗晶粒多细晶粒少。位错塞积后便对晶粒中心的位错源有一反作用力，随塞积的数目而增大，增大到某一数值时，位错源停止动作。细晶粒的反作用力大，因为离位错源近，导致细晶粒的位错数目小。由于粗晶粒晶界处塞积的位错数多，产生的应力集中就更大，由前面所讲的变形传递过程，更加容易使相邻晶粒的位错源开动，因而粗晶粒的屈服强度较低，即在较低的外力下就开始塑性变形。第22页，课件共54页，创作于2023年2月纯金属的变形强化加工硬化：在金属拉伸时的应力－应变曲线中可以看出，要继续变形只有不断增加外力。一.位错的交割第23页，课件共54页，创作于2023年2月二.位错的反应两个滑移面上的位错相遇，在一定条件下可发生位错反应，形成一个不可动摇的位错。新位错不可动，通常称之为梯杆位错。这种位错结合，称为洛麦尔－柯垂尔锁（L-C锁）。由于面角位错锁的存在，使得两个滑移面上随后运动的位错受到阻塞，这是引起加工硬化的一个可能原因，它特别对低层错能的面心立方金属的变形强化影响较大。第24页，课件共54页，创作于2023年2月三.位错的增殖塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移台阶，但位错的数量(位错密度)却在不断的增加，这是因为在外应力作用下发生塑性变形时位错会发生增殖。

例如1）F-R源（弗兰克－瑞德源）第25页，课件共54页，创作于2023年2月位错的增殖

利用Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上有一段位错，CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号位错相消，产生一位错环，内部CD段还存在。反复可生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶可为柏氏矢量的整数倍。

第26页，课件共54页，创作于2023年2月2）双交滑移机制高层错能的面心立方和体心立方，变形时的位错增殖主要是靠双交滑移。见书上P342第27页，课件共54页，创作于2023年2月合金的变形与强化固溶强化：合金在形成单相固溶体后，变形时的临界切应力都高于纯金属。

置换式的溶质原子，考虑溶质原子与溶剂原子尺寸的差别。尺寸相差越大，溶解度越小，强化效果越大。原子尺寸差别（或称错配）所引起的晶格畸变，会产生一内应力场，位错在这内应立场中运动会受到阻力。对一些合金还考虑弹性模量的差别。如尺寸上没有差别，溶质原子切变模量较大，对位错有斥力，反之切变模量较小时则有吸力。第28页，课件共54页，创作于2023年2月间隙式的溶质原子对于间隙式的溶质原子，当其溶于体心立方中，会造成不对称畸变。这时，溶质原子不仅和刃型位错，也和螺型位错有强烈的交互作用，因而产生了很强的固溶强化效果。第29页，课件共54页，创作于2023年2月低碳钢的屈服和应变时效

现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。

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或200℃加热后再加载出现屈服。

原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。

第30页，课件共54页，创作于2023年2月第二相对合金变形的影响1结构：基体＋第二相。2性能（1）两相性能接近：按强度分数相加计算。（2）软基体＋硬第二相

第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；a结构

两相呈层片状分布（珠光体）；

第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。

第31页，课件共54页，创作于2023年2月（2）软基体＋硬第二相

弥散强化：位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动)b强化

沉淀强化：位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍位错运动）

第32页，课件共54页，创作于2023年2月冷变形金属的组织与性能冷变形金属的力学性能第33页，课件共54页，创作于2023年2月冷变形金属的组织

晶粒拉长;形成纤维组织

杂质呈细带状或链状分布。

晶粒拉长;形成纤维组织

杂质呈细带状或链状分布。第34页，课件共54页，创作于2023年2月形成形变织构（1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。

丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）（2）常见类型

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。（轧制时形成）

形成位错胞变形量

位错缠结

位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。）

第35页，课件共54页，创作于2023年2月残余应力（约占变形功的10％）

第一类残余应力（

Ⅰ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。1分类

第二类残余应力（

Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。

第三类残余应力（

Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空位等引起。80-90%。

利：预应力处理，如汽车板簧的生产。2利弊

弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。

3消除：去应力退火。

第36页，课件共54页，创作于2023年2月金属的断裂理论断裂强度利用原子间结合力的模型可以求出金属的理论断裂强度。实际断裂强度金属的实际断裂强度要比理论计算的断裂强度低得多。原因------------材料内部存在裂纹。裂纹多半是由不均匀和变形受到阻碍（如晶界、第二相等），产生了很大的应力集中，当应力集中达到了理论断裂强度才开始萌生裂纹。第37页，课件共54页，创作于2023年2月冷变形金属的回复阶段一回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。回复再结晶晶粒长大第38页，课件共54页，创作于2023年2月二显微组织变化（示意图）回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。回复再结晶晶粒长大第39页，课件共54页，创作于2023年2月回复动力学（示意图）1加工硬化残留率与退火温度和时间的关系ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT)x0–原始加工硬化残留率；x－退火时加工硬化残留率；c0－比例常数；t－加热时间；T－加热温度。第40页，课件共54页，创作于2023年2月回复动力学（示意图）2动力学曲线特点（1）没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢；（3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。第41页，课件共54页，创作于2023年2月二回复机理

1低温回复（0.1－0.3Tm）移至晶界、位错处点缺陷运动空位＋间隙原子消失缺陷密度降低空位聚集（空位群、对）第42页，课件共54页，创作于2023年2月回复机理

2中温回复

（0.3－0.5Tm）异号位错相遇而抵销位错滑移位错缠结重新排列位错密度降低亚晶粒长大第43页，课件共54页，创作于2023年2月二回复机理

3高温回复（>0.5Tm）位错攀移（＋滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚晶粒）弹性畸变能降低。第44页，课件共54页，创作于2023年2月冷变形金属的再结晶一再结晶的形核与长大1形核亚晶长大形核机制（变形量较大时）亚晶合并形核亚晶界移动形核（吞并其它亚晶或变形部分）晶界凸出形核（变形量较小时）晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向第45页，课件共54页，创作于2023年2月一再结晶的形核与长大

驱动力：畸变能差2长大方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相互接触。注：再结晶不是相变过程。第46页，课件共54页，创作于2023年2月二再结晶动力学（1）再结晶速度与温度的关系v再＝Aexp(-QR/RT)（2）规律开始时再结晶速度很小，在体积分数为0.5时最大，然后减慢。第47页，课件共54页，创作于2023年2月影响再结晶的因素在给定温度下发生再结晶需要一个最小的变形量，这通常为临界变形度。低于此变形度，不能再结晶。变形度越小，开始再结晶的温度就越高。这也意味着临界变形度随着退火温度的升高而减小。再结晶后的晶粒大小主要取决于变形程度。变形量越大，再结晶后的晶粒越细。第48页，课件共54页，创作于2023年2月4.微量杂质元素就可明显地升高再结晶温度或推迟再结晶过程的进行。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。5.第二相的影响。当第二相尺寸较大，间距较宽时，再结晶核心能在其表面产生。当第二相尺寸比较小且较密集时，则会阻碍再结晶的进行。6.原始晶粒