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1、第九章 塑性變形 §1 單晶體金屬的塑性變形§2 多晶體的塑性變形 §3 合金的塑性變形 §4 金屬塑性變形后的組織與性能 §5 聚合物的變形 §6 陶瓷材料的塑性變形,§1 單晶體金屬的塑性變形,一、滑移 1.滑移的顯微觀察由大量位錯移動而導(dǎo)致晶體的一部分相對于另一部分,沿著一定晶面和晶向作相對的移動,即晶體塑性
2、變形的滑移機(jī)制。,單晶體金屬的塑性變形--滑移·滑移變形是不均勻的,常集中在一部分晶面上,而處于各滑移帶之間的晶體沒有產(chǎn)生滑移,滑移帶的發(fā)展過程,首先是出現(xiàn)細(xì)滑移線,后來才發(fā)展成帶,而且,滑移線的數(shù)目隨應(yīng)變程度的增大而增多,它們之間的距離則在縮短。,2.滑移的晶體學(xué)特征·滑移面 晶體的滑移通常是沿著一定的晶面發(fā)生的,此組晶面稱為滑移面;·滑移方向 滑移是沿著滑移面上一定的晶向進(jìn)行的,此晶向稱為滑移
3、方向。·滑移面與滑移方向大致是最密排面和最密排方向,因為此時派納力最小。b:柏氏矢量 G:切變模量 γ:泊松比 a:滑移面的面間距·一個滑移面和此面上的一個滑移方向組成一個滑移系,,,(1)fcc滑移系滑移方向,滑移面一般為{111}面心立方結(jié)構(gòu)共有四個不同的{111}晶面,每個滑移面上有三個晶向,故共有4×3=12個滑移系。,(2)hcp滑移系,滑移方向恒為,滑移面為(0001)或棱
4、柱面{ 1,0,-1,0}、棱錐面{1,0,-1,1},(2)hcp滑移系a.當(dāng)滑移面為(0001)時,晶體中滑移面只有一個,此面上有三個晶向,故滑移系數(shù)目為1×3=3個。b.當(dāng)滑移面為{ 1,0,-1,0}時,晶體中滑移面共有3個,每個滑移面上一個晶向,故滑移系數(shù)目為3×1=3個。c.當(dāng)滑移面為斜面{1,0,-1,1}時,此時滑移面共有6個,每個滑移面上一個,故滑移系數(shù)目為6×1=6個。
5、 由于hcp金屬滑移系數(shù)目較少,密排六方金屬的塑性通常都不太好。,(3)bcc 滑移方向為,可能出現(xiàn)的滑移面有{110}、{112}、{123}如果三組滑移面都能啟動,則潛在的滑移系數(shù)目為:
6、 (個),3.臨界分切應(yīng)力,(1)最大分切應(yīng)力正好落在與外力軸成45º角的晶面以及與外力軸成45º角的滑移方向上。假設(shè)對一個單晶圓柱體試樣作拉伸試驗滑移面的面積 作用在此滑移面上的應(yīng)力,3.臨界分切應(yīng)力應(yīng)力與外力F方向相同,可分解為兩個分應(yīng)力,一個為垂直于滑移面的分正應(yīng)力,另一個為分切應(yīng)力。分切應(yīng)力τ作用在滑移方向使晶體產(chǎn)生滑移,其大小為:
7、 稱為取向因子,或稱施密特因子(Schmid),取向因子越大,則分切應(yīng)力越大。 對于任一給定的 φ值,取向因子的最大值出現(xiàn)在 λ=90º- φ時: 當(dāng) φ=45º時( 也為45º),取向因子有最大值1/2,此時,得到最大分切應(yīng)力。,(2)能使晶體滑移的力是外力在滑移系上的分切應(yīng)力。通常把給定
8、滑移系上開始產(chǎn)生滑移所需分切應(yīng)力稱為臨界分切應(yīng)力。 (3)在拉伸時,可以粗略認(rèn)為金屬單晶體在外力作用下,滑移系一開動就相當(dāng)于晶體開始屈服,此時,對應(yīng)于臨界分切應(yīng)力的外加應(yīng)力就相當(dāng)于屈服強(qiáng)度σS 。 單晶體的屈服強(qiáng)度隨取向因子而改變 φ=45º時, ,取向因子達(dá)到最大值,產(chǎn)生拉伸變形的屈服應(yīng)力最小。 φ=90º或0º
9、時, σS =∞, 晶體不能沿該滑移面產(chǎn)生滑移。,,3.臨界分切應(yīng)力---(4) 硬取向:晶體中有些滑移系與外力取向偏離45º很遠(yuǎn),需要較大的σs值才能滑移,稱為硬取向。 軟取向:晶體中有些滑移系與外力的取向接近45º角,處于易滑移的位向,具有較小的σs值,稱為“軟取向”。通常是軟取向的滑移系首先滑移。,4.拉伸和壓縮時晶體的轉(zhuǎn)動,(1)拉伸,,拉伸作用在中間一層金屬上下兩面的作用力σ可分
10、為兩個分應(yīng)力:A 分正應(yīng)力(σ1σ2)垂直于滑移面,構(gòu)成力偶,使晶塊滑移面朝外力軸方向轉(zhuǎn)動。B 分切應(yīng)力當(dāng)外力分解到滑移面上的最大分切應(yīng)力與滑移方向不一致時,又可分解為平行于滑移方向和垂直于滑移方向的兩個分力。前一分力是產(chǎn)生滑移的有效分切應(yīng)力,后一分力將構(gòu)成一對作用在晶塊上下滑移面上的力偶,力圖使滑移方向轉(zhuǎn)至最大切應(yīng)力方向?!嗬鞎r,在產(chǎn)生滑移的過程中,晶體的位向在不斷改變,不僅滑移面在轉(zhuǎn)動,而且
11、滑移方向也改變位向。,(2)壓縮 壓縮時晶體的滑移面, 力圖轉(zhuǎn)至與壓力方向 垂直的位置。,·,3)幾何硬化與幾何軟化 ·幾何硬化:如果晶體滑移面原來是處于其法線與外力軸夾角接近45º的位向,經(jīng)滑移和轉(zhuǎn)動后,就會轉(zhuǎn)到此夾角越來越遠(yuǎn)離45º的位向,從而使滑移變得越來越困難。 幾何軟化:經(jīng)滑移和轉(zhuǎn)動后,一些原來角度遠(yuǎn)離45º的晶面將轉(zhuǎn)到接近45º,使滑移變得容易進(jìn)行。,5.多
12、系滑移與交滑移,(1)多系滑移。單滑移:只有一個特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先開動時,形成單滑移。 ( 2)多系滑移:由于變形時晶體轉(zhuǎn)動的結(jié)果,有兩組或幾組滑移面同時轉(zhuǎn)到有利位向,使滑移可能在兩組或更多的滑移面上同時或交替地進(jìn)行,形成“雙滑移”或“多滑移”。此時,外力對兩個滑移系的取向因子完全相同。,。,,,,滑移方向,滑移系,滑移面,·,·超越現(xiàn)象 由于第二滑移系開動時必然與第一滑移
13、系所造成的滑移線與滑移帶交割,即前一滑移系的滑移對另一滑移系起潛在的強(qiáng)化作用,造成另一滑移系的起動比較困難,所以實際上第一滑移系將繼續(xù)作用到穿過AC并達(dá)到P′,第二滑移系才開始動作,這種現(xiàn)象稱為“超越”。,超越現(xiàn)象,·如果發(fā)生雙滑移或多系滑移,會出現(xiàn)交叉形的滑移帶,交叉形的滑移帶,(2)交滑移 ·交滑移是指兩個或多個滑移面共同沿著一個滑移方向的滑移。交滑移的實質(zhì)是螺位錯在不改變滑移方向的情況下,從一個
14、滑移面滑到交線處,轉(zhuǎn)到另一個滑移面的過程。,,·交滑移是純螺位錯的運(yùn)動,當(dāng)螺位錯分解為擴(kuò)展位錯時,欲交滑移,必須先束集為全螺位錯,此過程與層錯能有關(guān)(層錯能越低,越難束集,難以發(fā)生交滑移),還可因熱激活而得到促進(jìn)。,Al易交滑移,產(chǎn)生波紋狀滑移帶,Cu不易交滑移,無波紋狀滑移帶,二、孿生,1.孿生的晶體學(xué) 孿生是以晶體中一定的晶面(稱為孿晶面)沿著一定的晶向(孿生方向)移動而發(fā)生的。在切變區(qū)域內(nèi),與孿晶面平行的各層晶面的
15、相對位移是一定的。·晶體的孿晶面和孿生方向與其晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。 bcc {112} fcc {111} hcp {1,0,-1,2},,,,FCC中,每層(111)面都相對于其鄰晶沿[ 1,1,-2]方向位移了1/3d [1,1,-2]。,,·變形孿晶也是通過位錯的運(yùn)動來實現(xiàn)的,可看作是部分位錯滑過孿晶面一側(cè)的切變區(qū)中各層晶面而進(jìn)行的。,,,,肖克萊不全位錯的柏氏矢量
16、 , 該例中孿生時原子在(111)面沿[1,1,-2]晶向移動 1/3d [1,1,-2] 距離,實質(zhì)就是一個肖克萊不全位錯的移動。,2.孿生的特點(diǎn) (1) 孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切變,切變時原子移動的距離是孿生方向原子間距的分?jǐn)?shù)倍;孿生是部分位錯運(yùn)動的結(jié)果;孿晶面兩側(cè)晶體的位向不同,呈鏡面對稱;孿生是一種均勻的切變;孿晶浸蝕后有明顯的襯
17、度,經(jīng)拋光與浸蝕后仍能重現(xiàn)。,,孿生的特點(diǎn)(2) 孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力,但隨后長大所需的應(yīng)力較小,其拉伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核心大多是在晶體局部高應(yīng)力區(qū)形成。變形孿晶一般呈片狀。變形孿晶經(jīng)常以爆發(fā)方式形成,生成速率較快。,,孿生的特點(diǎn)(3) 形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體(密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形),
18、面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。 (4) 孿生本身對金屬塑性變形的貢獻(xiàn)不大,但形成的孿晶改變了晶體的位向,使新的滑移系開動,間接對塑性變形有貢獻(xiàn)。,三、扭折,扭折是不均勻塑性變形的一種形式,它是在滑移和孿生難以實現(xiàn),或者在變形受到某種約束時才出現(xiàn)的。在扭折帶中,晶體位向有突變,有可能使該區(qū)域內(nèi)的滑移系處于有利的位置,從而產(chǎn)生滑移。,§2 多晶體的塑性變形,一、晶界阻滯效應(yīng)和取向差效應(yīng)1.晶界阻滯效
19、應(yīng):90%以上的晶界是大角度晶界,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,由約幾個納米厚的原子排列紊亂的區(qū)域與原子排列較整齊的區(qū)域交替相間而成,這種晶界本身使滑移受阻而不易直接傳到相鄰晶粒。,,,2.取向差效應(yīng):多晶體中,不同位向晶粒的滑移系取向不相同,滑移不能從一個晶粒直接延續(xù)到另一晶粒中。,二、多晶體金屬塑性變形的特點(diǎn)1.各晶粒變形的不同時性和不均勻性。2.各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性,需要五個以上的獨(dú)立滑移系同時動作。 由于晶界阻
20、滯效應(yīng)及取向差效應(yīng),變形從某個晶粒開始以后,不可能從一個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒之中,但多晶體作為一個連續(xù)的整體,每個晶粒處于其它晶粒的包圍之中,不允許各個晶粒在任一滑移系中自由變形,否則必將造成晶界開裂,為使每一晶粒與鄰近晶粒產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形,Von Mises指出:晶粒應(yīng)至少能在五個獨(dú)立的滑移系上進(jìn)行滑移。 fcc和bcc金屬能滿足五個以上獨(dú)立滑移系的條件,塑性通常較好;而hcp金屬獨(dú)立滑移系少,塑性通常不好。,
21、二、多晶體金屬塑性變形的特點(diǎn)3.滑移的傳遞,必須激發(fā)相鄰晶粒的位錯源。4.多晶體的變形抗力比單晶體大,變形更不均勻。 由于晶界阻滯效應(yīng)及取向差效應(yīng),使多晶體的變形抗力比單晶體大,其中,取向差效應(yīng)是多晶體加工硬化更主要的原因,一般說來,晶界阻滯效應(yīng)只在變形早期較重要。5.塑性變形時,導(dǎo)致一些物理、化學(xué)性能的變化。6.時間性。 hcp系的多晶體金屬與單晶體比較,前者具有
22、明顯的晶界阻滯效應(yīng)和極高的加工硬化率,而在立方晶系金屬中,多晶和單晶試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線就沒有那么大的差別。,三、晶粒大小對機(jī)械性能的影響,1.晶粒大小對金屬室溫機(jī)械性能的影響 晶粒越細(xì),室溫強(qiáng)度,包括σs,σb,σ-1較大,塑性較好,稱為細(xì)晶強(qiáng)化 例:10#鋼σs與晶粒大小的關(guān)系 Hall-Petch公式:σS=σi+Kd-1/2
23、 σi,K :材料常數(shù) 大量實驗表明,Hall-Petch公式不僅適用于屈服強(qiáng)度,同時也適用于整個流變范圍以至斷裂強(qiáng)度。,三、晶粒大小對機(jī)械性能的影響,2.晶粒大小對高溫強(qiáng)度的影響 高溫下晶界在應(yīng)力作用下會產(chǎn)生粘滯性流動,發(fā)生晶粒沿晶界的相對滑動;另外,還可能產(chǎn)生“擴(kuò)散蠕變”,所以,細(xì)晶粒組織的高溫強(qiáng)度反而較低。,§3 合金的塑性變形,一、單相固溶體合金塑性變形的特點(diǎn)
24、1.固溶強(qiáng)化·溶質(zhì)原子溶入基體金屬后,使變形抗力提高,應(yīng)力--應(yīng)變曲線升高,變形能力下降,這就是固溶強(qiáng)化。,,·單相固溶體合金塑性變形的特點(diǎn)對于同一溶質(zhì),固溶體的屈服強(qiáng)度一般與其含量成直線關(guān)系。,單相固溶體合金塑性變形的特點(diǎn),·固溶強(qiáng)化的機(jī)制: 彈性交互作用 化學(xué)交互作用 電交互作用 幾何交互作用,單相固溶體合金塑性變形的特點(diǎn)2.屈服點(diǎn)現(xiàn)象試樣開始屈服時對
25、應(yīng)的應(yīng)力稱為上屈服點(diǎn)載荷首次降低的最低載荷或不變載荷稱為下屈服點(diǎn),試樣繼續(xù)伸長,應(yīng)力保持為定值或有微小的波動,在拉伸曲線上出現(xiàn)一個應(yīng)力平臺區(qū),試樣在此恒定應(yīng)力下的伸長稱為屈服伸長。,,呂德斯帶·在發(fā)生屈服延伸階段,試樣的應(yīng)變是不均勻的,在試樣表面可觀察到與縱軸約呈45º交角的應(yīng)變痕跡,稱為呂德斯(Lüders)帶。呂德斯帶會造成拉伸和深沖過程中工件表面不平整。,單相固溶體合金塑
26、性變形的特點(diǎn)之·屈服現(xiàn)象的解釋解釋A:與金屬中微量的溶質(zhì)原子有關(guān)。 溶質(zhì)原子與位錯的應(yīng)力場發(fā)生彈性交互作用,形成氣團(tuán)釘扎位錯運(yùn)動,必須在更大的應(yīng)力作用下才能產(chǎn)生新的位錯或使位錯脫釘,表現(xiàn)為上屈服點(diǎn);一旦脫釘,使位錯繼續(xù)運(yùn)動的應(yīng)力就不需開始時那么大,故應(yīng)力值下降到下屈服點(diǎn),試樣繼續(xù)伸長,應(yīng)力保持為定值或有微少的波動。,單相固溶體合金塑性變形的特點(diǎn)之屈服現(xiàn)象的解釋解釋B:位錯運(yùn)動與增殖的結(jié)果。 應(yīng)變
27、速率 ε’ ∝ρmbv其中: ε’ :應(yīng)變速率,可通過試驗機(jī)人為控制成固定不變的速度 ρm :位錯密度, b:柏氏矢量而位錯運(yùn)動速度v=(τ/τ0)m ‘ 其中: τ0 :位錯作單位速度運(yùn)動時所需的應(yīng)力 m ‘ :應(yīng)力敏感指數(shù),τ :外加有效應(yīng)力 開始變形時,ρm低,欲使應(yīng)變速率固定,需要較大的v值,故需要較高的應(yīng)力τ ,表現(xiàn)為上屈服點(diǎn);一旦塑性變形開始后,位錯迅速增殖, ρm 增加
28、,必然導(dǎo)致v的突然下降(為保持應(yīng)變速率固定),所以所需的應(yīng)力τ 突然下降,產(chǎn)生了屈服現(xiàn)象。 是否產(chǎn)生屈服點(diǎn)現(xiàn)象還與材料的m ‘ 值有關(guān), m ‘ 小的材料,如Ge,Si,LiF,F(xiàn)e等出現(xiàn)顯著的上下屈服點(diǎn)。,·單相固溶體合金塑性變形的特點(diǎn)之---- 3.應(yīng)變時效將低碳鋼試樣拉伸到產(chǎn)生少量預(yù)塑性變形后卸載,然后重新加載,試樣不發(fā)生屈服現(xiàn)象,但若產(chǎn)生一定量的塑性變形后卸載,在室
29、溫停留幾天或在低溫(如150℃)時效幾小時后再進(jìn)行拉伸,此時屈服點(diǎn)現(xiàn)象重新出現(xiàn),并且上屈服點(diǎn)升高,這種現(xiàn)象即應(yīng)變時效,,。·單相固溶體合金塑性變形的特點(diǎn)之---- 3.應(yīng)變時效原因 室溫長期停留或低溫時效期間,溶質(zhì)原子C、N又聚集到位錯線周圍重新形成氣團(tuán)所致。·解決由于呂德斯帶造成的工件表面不平整的措施 A 加入少量能奪取固溶體合金中的溶質(zhì)原
30、子,使之形成穩(wěn)定化合物的元素。 B. 板材在深沖之前進(jìn)行比屈服伸長范圍稍大的預(yù)變形(約0.5%~2%變形度),使位錯掙脫氣團(tuán)的釘扎,然后盡快進(jìn)行深沖。,二、復(fù)相合金的塑性變形,主要變形方式仍然是滑移與孿生。 通常按第二相粒子的尺寸將合金分成兩大類:如果第二相粒子尺寸與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級,稱為聚合型;如果第二相粒子十分細(xì)小,并且彌散地分布在基體晶粒內(nèi),稱為彌散分布型。,·二、復(fù)相合金的塑性變形1.聚合型
31、兩相合金的塑性變形(1)如果兩個相都具有塑性,則合金的變形決定于兩相的體積分?jǐn)?shù)。 ·等應(yīng)變理論 假定塑性變形過程中兩相應(yīng)變相等。 合金產(chǎn)生一定應(yīng)變的平均流變應(yīng)力 σa = f1 σ1 + f2 σ2 : 其中:f1、f2為兩個相的體積分?jǐn)?shù) f1+f2=1 σ1、σ2為兩個相在此應(yīng)變時的流變應(yīng)力.等應(yīng)力理論 假定塑性變形過程中兩相應(yīng)
32、力相同。對合金施加一定應(yīng)力時,平均應(yīng)變εa= f 1ε1+f 2ε2其中:f1、f2為兩個相的體積分?jǐn)?shù) ε 1,ε2為此應(yīng)力下兩相的應(yīng),,二、復(fù)相合金的塑性變形之1.聚合型兩相合金的塑性變形,(2)如果兩相中一個是塑性相,而另一個是硬脆相時,則合金的機(jī)械性能主要取決于硬脆相的存在情況。(a)第二相粗大。變形只在機(jī)體中,第二相易破碎或周圍產(chǎn)生裂紋,合金強(qiáng)度塑性不好(b)第二相連續(xù)分布在晶界上,合金很脆例
33、:高C鋼中碳化物,共析鋼(0.8%C) =780MN/m2 過共析鋼(1.2%C) =700MN/m2及銅中的少量Bi,鎳合金中的S,均為薄膜狀在晶界,可在銅中加入稀土,鎳中加入微量Mg,二、復(fù)相合金的塑性變形之2.彌散分布型兩相合金的塑性變形,當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布在基體相中時,將產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用,通常將微粒分成不可變形的和可變形的兩類。(1)不可變形微粒的強(qiáng)化作用——奧羅萬機(jī)制(位錯繞過
34、機(jī)制) ·適用于第二相粒子較硬并與基體界面為非共格的情形。,,2.彌散分布型兩相合金的塑性變形奧羅萬機(jī)制(位錯繞過機(jī)制)·使位錯線彎曲到曲率半徑為R時,所需的切應(yīng)力為τ=Gb/(2R)設(shè)顆粒間距為λ, 則τ=Gb/ λ ,∴ Rmin=λ/2 只有當(dāng)外力大于Gb/ λ 時,位錯線才能繞過粒子。·減小粒子尺寸(在同樣的體積分?jǐn)?shù)時,粒子越小則粒子間距也越?。┗蛱?/p>
35、高粒子的體積分?jǐn)?shù),都使合金的強(qiáng)度提高。,(2)可變形微粒的強(qiáng)化作用——切割機(jī)制·適用于第二相粒子較軟并與基體共格的情形。,,可變形微粒的強(qiáng)化作用——切割機(jī)制·強(qiáng)化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)以及其與基體的聯(lián)系,主要有以下幾方面的作用:A.位錯切過粒子后產(chǎn)生新的界面,提高了界面能。B. 若共格的粒子是一種有序結(jié)構(gòu),位錯切過之后,沿滑移面產(chǎn)生反相疇,使位錯切過粒子時需要附加應(yīng)力。C.由于粒子的點(diǎn)陣常數(shù)與基體不一
36、樣,粒子周圍產(chǎn)生共格畸變,存在彈性應(yīng)變場,阻礙位錯運(yùn)動。D.由于粒子的層錯能與基體的不同,擴(kuò)展位錯切過粒子時,其寬度會產(chǎn)生變化,引起能量升高,從而強(qiáng)化。E. 由于基體和粒子中滑移面的取向不一致,螺型位錯線切過粒子時必然產(chǎn)生一割階,而割階會妨礙整個位錯線的移動。在實際合金中,起主要作用的往往是1~2種。·增大粒子尺寸或增加體積分?jǐn)?shù)有利于提高強(qiáng)度。,例:Al-1.6%Cu (at%)的時效,Al-Cu合金相圖,析出相變化
37、影響合金性能,§4 金屬塑性變形后的組織與性能,一、組織的變化1.晶粒內(nèi)出現(xiàn)大量的滑移帶,進(jìn)行了孿生變形的金屬還出現(xiàn)孿晶帶,200X,,。,,,,,金屬塑性變形后的組織變化 2.纖維組織和帶狀組織,金屬塑性變形后的組織變化 2.纖維組織和帶狀組織,AlMg合金變形組織,,,,H62黃銅擠壓的帶狀組織金屬變形后的組織還與觀察的截面位置有關(guān),,金屬塑性變形后的組織變化之--- 3.胞狀組織,,金屬塑性
38、變形后的組織變化之--- 3.胞狀組織胞狀組織的形成與下列因素有關(guān): ·變形量 變形量越大,胞的數(shù)量增多,尺寸減小,跨越胞壁的平均取向差也逐漸增加。·材料類型 層錯能高的金屬(如Al、Fe)等,當(dāng)變形程度較高時,出現(xiàn)明顯的胞狀組織;低層錯能金屬,不易形成位錯纏結(jié),冷變形后的胞狀組織不明顯。,二、加工硬化,1.定義:金屬經(jīng)冷加工變形后,其強(qiáng)度、硬度增加、塑性降低。2.單晶體的典型加工
39、硬化曲線:τ~θ 曲線的斜率θ=d τ/d θ稱為“加工硬化速率”,FCC單晶體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線,·曲線明顯可分為三個階段: I. 易滑移階段:發(fā)生單滑移,位錯移動和增殖所遇到的阻力很小,θI 很低,約為10-4G數(shù)量級。 II.線性硬化階段:發(fā)生多系滑移,位錯運(yùn)動困難,θII 遠(yuǎn)大于θI 約為 G/100—G/300 ,并接近于一常數(shù)。 III.拋物線硬化階段:與位錯的多滑移過程有關(guān),
40、θIII 隨應(yīng)變增加而降低,應(yīng)力應(yīng)變曲線變?yōu)閽佄锞€。,二、加工硬化之單晶體的典型加工硬化曲線,3.影響單晶體加工硬化曲線的因素 ·晶體結(jié)構(gòu)類型 ·雜質(zhì)含量 ·晶體位向,,4.多晶體的加工硬化a.其應(yīng)力—應(yīng)變曲線不出現(xiàn)第一階段,且加工硬化率明顯高于單晶體。,,,4.多晶體的加工硬化之—b.細(xì)晶粒的加工硬化率一般大于粗晶粒金屬,鋁的應(yīng)力應(yīng)變曲線與晶粒大小的關(guān)系1-0.034
41、mm 2-0.088mm 3-0.24mm 4-0.54mm,,4.多晶體的加工硬化之—c.合金比純金屬的加工硬化率要高,溶質(zhì)原子的加入,在大多數(shù)情況下增大加工硬化率。,Al-Mg合金中Mg含量對加工硬化的影響1-3.228%Mg 2-1.617 %Mg 3-1.097 %Mg 4-0.544 %Mg 5-0 %Mg,,5.加工硬化的實際意義·使金屬基體具有一定的抗偶然過載的能力。·加工硬化和塑
42、性變形適當(dāng)配合可使金屬進(jìn)行均勻塑性變形。·是強(qiáng)化金屬的重要手段之一。 例18-8不銹鋼, 變形前 σ0.2 = 196MPa ,σ b= 588MPa, 40%軋制后σ0.2 =784-980MPa, σ b =1174MPa·可降低塑性,改善材料,如低碳鋼的切削加工性能。,三、變形后金屬中的殘余應(yīng)力,金屬塑性變形時,外力所作的功除了轉(zhuǎn)化為熱量之外,還有一小部分被保留
43、在金屬內(nèi)部,表現(xiàn)為殘余應(yīng)力。按照殘余應(yīng)力平衡范圍的不同,通常將其分為三類:1.第一類內(nèi)應(yīng)力,又稱宏觀殘余應(yīng)力2.第二類內(nèi)應(yīng)力, 屬微觀內(nèi)應(yīng)力3.第三類內(nèi)應(yīng)力,即晶格畸變應(yīng)力,三、變形后金屬中的殘余應(yīng)力-----1.第一類內(nèi)應(yīng)力,又稱宏觀殘余應(yīng)力,作用范圍為整個工件,它是由金屬材料(或零件)各個部分(如表面和心部)的宏觀形變不均勻而引起的。 第一類內(nèi)應(yīng)力使工件尺寸不穩(wěn)定,嚴(yán)重時甚至使工件在受力之下變形產(chǎn)生
44、斷裂。,三、變形后金屬中的殘余應(yīng)力----- 2.第二類內(nèi)應(yīng)力 屬微觀內(nèi)應(yīng)力作用尺度與晶粒尺寸為同一數(shù)量級,往往在晶粒內(nèi)或晶粒之間保持平衡,是由于晶?;騺喚ЯVg變形不均勻而引起的。 第二類內(nèi)應(yīng)力使金屬更容易腐蝕,以黃銅最為典型,加工以后由于內(nèi)應(yīng)力存在,于春季或潮濕環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。,,三、變形后金屬中的殘余應(yīng)力----- 3.第三類內(nèi)應(yīng)力 即晶格畸變應(yīng)力屬微觀內(nèi)應(yīng)力。塑性變形時產(chǎn)生大量空位和位
45、錯,其周圍產(chǎn)生了點(diǎn)陣畸變和應(yīng)力場,此時的內(nèi)應(yīng)力是在幾百或幾千個原子范圍內(nèi)保持平衡,其中占主要的又是由于生成大量位錯所形成的應(yīng)力。 第三類內(nèi)應(yīng)力是產(chǎn)生加工硬化的主要原因。,四、變形織構(gòu),1.定義:多晶體中位向不同的晶粒取向變成大體一致,這個過程稱為“擇優(yōu)取向”。擇優(yōu)取向后的晶體結(jié)構(gòu)稱為“織構(gòu)”,由變形引起的織構(gòu)稱為變形織構(gòu)。2.絲織構(gòu) 在拉絲時形成,使各個晶粒的某一晶向轉(zhuǎn)向與拉伸方向平行,以與線軸平行的晶向表示。,,變形織構(gòu)之--
46、3.板織構(gòu) 軋制時,使晶粒的某一晶向趨向于與軋制方向平行,某一晶面趨向于與軋制面平行,以與軋面平行的晶面{hkl}和與軋向平行的晶向表示,記為{hkl}。,變形織構(gòu)之-- 4.變形量越大,擇優(yōu)取向的趨勢越明顯。完全理想的織構(gòu),取向如同單晶,實際上,多晶體金屬中晶粒取向的集中程度往往不很高。,變形織構(gòu)之--5.織構(gòu)利弊織構(gòu)的形成使材料的性能出現(xiàn)各向異性。例1: 制耳 例2:硅鋼片 高斯織構(gòu) (110)
47、[001] 立方織構(gòu) (100)[001] 這兩種織構(gòu)使其磁化性能得到改善。,第五節(jié) 聚合物的變形,聚合物材料具有已知材料中可變范圍最寬的變形性質(zhì),包括從液體、軟橡膠到剛性固體。而且,與金屬材料相比,聚合物的變形強(qiáng)烈地依賴于溫度和時間,表現(xiàn)為粘彈性,即介于彈性材料和粘性流體之間。 聚合物的變形行為與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。聚合物由大分子鏈構(gòu)成,這種大分
48、子鏈一般都具有柔性(但柔性鏈易引起粘性流動,可采用適當(dāng)交聯(lián)保證彈性),除了整個分子的相對運(yùn)動外,還可實現(xiàn)分子不同鏈段之間的相對運(yùn)動。這種分子的運(yùn)動依賴于溫度和時間,具有明顯的松弛特性,引起了聚合物變形的一系列特點(diǎn)。,一、熱塑性聚合物的變形,1.熱塑性聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖給出了一條聚合物的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。σL,σy,σb分別稱為比例極限、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。 當(dāng)σσL后,鏈段發(fā)生可恢復(fù)的運(yùn)動,產(chǎn)生可恢復(fù)的變形,同時
49、應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離線性關(guān)系。 當(dāng)σ>σy,聚合物屈服,同時出現(xiàn)應(yīng)變軟化,即應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而減小,隨后出現(xiàn)應(yīng)力平臺,即應(yīng)力不變而應(yīng)變持續(xù)增加,最后出現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化導(dǎo)致材料斷裂。屈服后產(chǎn)生的是塑性變形,即外力去除后,留有永久變形。,由于聚合物具有粘彈性,其應(yīng)力-應(yīng)變行為受溫度、應(yīng)變速率的影響很大。圖7-52給出了有機(jī)玻璃在室溫附近幾十度溫度范圍內(nèi)的一組應(yīng)力-應(yīng)變曲線??梢?,隨溫度的上升,有機(jī)玻璃的模具、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度
50、下降,延性增加。在4℃,有機(jī)玻璃是典型的剛而脆的材料,而在66℃,已變成典型的剛而韌的材料。一般來說,材料在玻璃化溫度Tg以下只發(fā)生彈性變形,而在Tg以上產(chǎn)生粘性流動。應(yīng)變速率對應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響是增加應(yīng)變速率相當(dāng)于降低溫度。,2.屈服與冷拉由圖51、52可知,其一,聚合物的模具和強(qiáng)度比金屬材料低得多,屈服應(yīng)變和斷裂伸長比金屬高得多;其二,屈服后出現(xiàn)應(yīng)變軟化;其三,其屈服應(yīng)力強(qiáng)烈地依賴溫度和應(yīng)變速率。 有些聚合物在屈
51、服后能產(chǎn)生很大的塑性變形,其本質(zhì)與金屬也有很大不同。圖53是玻璃態(tài)高聚物在Tb-Tg之間和部分結(jié)晶高聚物在Tg-Tm之間的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及試樣形狀的變化過程??梢?,在拉伸初始階段,試樣工作段被均勻拉伸;到達(dá)屈服點(diǎn)時,工作段局部區(qū)域出現(xiàn)縮頸,繼續(xù)拉伸時,縮頸區(qū)和未縮頸區(qū)的截面都基本保持不變,但縮頸不斷沿試樣擴(kuò)展,直到整個工作段均勻變細(xì)后,才再度被均勻拉伸至斷裂。如果試樣在拉斷前卸載,或試樣因被拉斷而自動卸載,則拉伸中產(chǎn)生的大變形除
52、少量可恢復(fù)外,大部分變形將保留下來,這樣一個拉伸過程稱為冷拉。,玻璃態(tài)聚合物冷拉后殘留的變形,表面上看是不可恢復(fù)的塑性變形,但只要把試樣加熱到Tg以上,形變基本上全能恢復(fù),這說明冷拉中產(chǎn)生的形變屬于高彈性范疇,這種在外力作用下被迫產(chǎn)生的高彈性稱為強(qiáng)迫高彈性。強(qiáng)迫高彈性產(chǎn)生的原因是在外力作用下,原來被凍結(jié)的鏈段得以克服摩擦阻力而運(yùn)動,使分子鏈發(fā)生高度取向而產(chǎn)生大變形。 部分結(jié)晶高聚物冷拉后殘留的變形大部分必須在溫度升高到T
53、m以上才能恢復(fù)。這是因為結(jié)晶聚合物的冷拉過程伴隨著晶片的取向、結(jié)晶的破壞和再結(jié)晶等。取向?qū)е碌挠不箍s頸能沿試樣擴(kuò)展而不斷裂。取向的晶片在Tm以下是熱力學(xué)穩(wěn)定的。 聚合物冷拉成頸過程的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線見圖54。聚合物的冷拉變形目前已成為制備高模量和高強(qiáng)度纖維的重要工藝。,3.剪切帶與銀紋 聚合物的屈服塑性變形是以剪切滑移的方式進(jìn)行的?;谱冃慰删窒抻谀骋痪植繀^(qū)域,形成剪切帶,如圖55所示。剪切帶是具有高
54、剪切應(yīng)變的薄層,雙折射度很高,說明剪切帶內(nèi)的分子鏈高度取向。剪切帶通常發(fā)生于材料的缺陷或裂縫處,或應(yīng)力集中引起的高應(yīng)力區(qū)。而在結(jié)晶相中,除了滑移以外,剪切屈服還可通過孿生和馬氏體轉(zhuǎn)變的方式進(jìn)行。,銀紋 某些聚合物在玻璃態(tài)拉伸時,會出現(xiàn)肉眼可見的微細(xì)凹槽,類似于微小的裂紋,如圖56所示。它可發(fā)生光的反射和散射,通常起源于試樣表面并和拉伸軸垂直。這些微細(xì)凹槽因能反射光線而看上去銀光閃閃,故稱之為銀紋。 銀紋不
55、同于裂紋,裂紋的兩個張開面之間完全是空的,而銀紋面之間由高度取向的纖維束和空穴組成的,仍具有一定強(qiáng)度。銀紋的形成是由于材料在張應(yīng)力作用下局部屈服和冷拉造成。,二、熱固性塑料的變形,熱固性塑料是剛硬的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),分子不易運(yùn)動,在拉伸時表現(xiàn)出脆性金屬或陶瓷一樣的變形特性。但是,在壓應(yīng)力下它們?nèi)阅馨l(fā)生大量的塑性變形。 圖57為環(huán)氧樹脂在室溫下單向拉伸和壓縮時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度為100℃,這種交聯(lián)作用很強(qiáng)的
56、聚合物,在室溫下為剛硬的玻璃態(tài),在拉伸時好象典型的脆性材料。而壓縮時則易剪切屈服,并有大量的變形,而且屈服之后出現(xiàn)應(yīng)變軟化。環(huán)氧樹脂剪切屈服的過程是均勻的,試樣均勻變形而無任何局集化現(xiàn)象。,第六節(jié) 陶瓷材料的塑性變形,陶瓷材料具有強(qiáng)度高、重量輕、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn),作為結(jié)構(gòu)材料,特別是高溫結(jié)構(gòu)材料極具潛力;但由于陶瓷材料的塑、韌性差,在一定程度上限制了它的應(yīng)用。本節(jié)將討論陶瓷材料變形特點(diǎn)。,一、陶瓷晶體的塑性變形,陶瓷
57、晶體一般由共價鍵和離子鍵結(jié)合,在室溫靜拉伸時,除少數(shù)幾個具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的晶體如`KCl,MgO外,一般陶瓷晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在室溫下沒有塑性,如圖58所示。即彈性變形階段結(jié)束后,立即發(fā)生脆性斷裂,這與金屬材料具有本質(zhì)差異。和金屬材料相比,陶瓷晶體具有如下特點(diǎn):,一、陶瓷晶體的塑性變形,(1)陶瓷晶體的彈性模量比金屬大得多,常高出幾倍。這是由其原子鍵合特點(diǎn)決定的 。共價鍵晶體的鍵具有方向性,使晶體具有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯運(yùn)動的能力,使
58、共價鍵陶瓷具有比金屬高得多的硬度和彈性模量。離子鍵晶體的鍵方向性不明顯,但滑移不僅要受到密排面和密排方向的限制,而且要受到靜電作用力的限制,因此實際可移動滑移系較少,彈性模量也較高。,一、陶瓷晶體的塑性變形(2)陶瓷晶體的彈性模量,不僅與結(jié)合鍵有關(guān),而且還與其相的種類、分布及氣孔率有關(guān),而金屬材料的彈性模量是一個組織不敏感參數(shù)。 (3)陶瓷的壓縮強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度約一個數(shù)量級(圖59),而金屬的抗拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度一般相等。這是由于
59、陶瓷中總是存在微裂紋,拉伸時當(dāng)裂紋一達(dá)到臨界尺寸就失穩(wěn)擴(kuò)展立即斷裂,而壓縮時裂紋或者閉合或者呈穩(wěn)態(tài)緩慢擴(kuò)展,使壓縮強(qiáng)度提高。,Al2O3斷裂強(qiáng)度(a)拉伸斷裂應(yīng)力 280MPa,(b)壓縮斷裂應(yīng)力2 100MPa,(4)陶瓷的理論強(qiáng)度和實際斷裂強(qiáng)度相差1-3個數(shù)量級。引起陶瓷實際抗拉強(qiáng)度較低的原因是陶瓷中因工藝缺陷導(dǎo)致的微裂紋,在裂紋尖端引起很高的應(yīng)力集中,裂紋尖端之最大應(yīng)力可達(dá)到理論斷裂強(qiáng)度或理論屈服強(qiáng)度(因陶瓷晶體中可動位錯少,
60、位錯運(yùn)動又困難,所以,一旦達(dá)到屈服強(qiáng)度就斷裂了)。因而使陶瓷晶體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論屈服強(qiáng)度。(5)和金屬材料相比,陶瓷晶體在高溫下具有良好的抗蠕變性能,而且在高溫下也具有一定塑性,如圖60所示。,二、非晶體陶瓷的變形,玻璃的變形與晶體陶瓷不同,表現(xiàn)為各向同性的粘滯性流動。分子鏈等原子團(tuán)在應(yīng)力作用下相互運(yùn)動引起變形,這些原子團(tuán)之間的引力即為變形阻力。流阻力與玻璃的粘度η有關(guān)。粘度η的大小又與溫度有關(guān)。 η=η0exp(+Q η/R
61、T)式中Q η-----粘滯變形的激活能; η 0-----常數(shù)。需要注意的是, Q η前為正號,所以,隨溫度的升高, η總是減小的。溫度和成分對玻璃粘度的影響見圖61??梢?,利用改變玻璃組分,如加入Na2O等變質(zhì)劑會打破網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使原子團(tuán)易于運(yùn)動,降低玻璃的粘度。,例題:試估算二氧化硅和鈣-鈉玻璃粘滯流動的激活能。解:由圖61可確定兩種玻璃曲線的斜率。對`SiO2取兩點(diǎn), η=1010,T-1667K η=1013
62、, T=1429K因Lgη=Lgη0+Qη/kT將上述兩組數(shù)據(jù)代入上式,并消去η0,可得Qη=251040J/mol。同樣,對鈣-鈉玻璃,也取兩點(diǎn) η=102 T=1724K η=106 T=1053K重復(fù)以上計算,可得出Qη=87864J/mol由上題可知,加入Na2O后,玻璃的粘性流動激活能減小了三分之一,而粘性流動系數(shù)則呈指數(shù)關(guān)系急劇下降。,溫度與成分對玻璃粘度的影響,在玻璃生產(chǎn)中也利用產(chǎn)生表面殘余應(yīng)
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