塑性变形及其性能指标课件.ppt

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1、回忆：力伸长曲线,弹性变形阶段,屈服塑性变形,均匀塑性变形,不均匀集中塑性变形,4.1 塑性变形机理,材料的塑性变形：是微观结构的相邻部分产生永久性位移，但并不引起材料破裂的现象。,4.1.1 金属材料的塑性变形,晶体的滑移,晶体的孪生,4.1.1.1 金属材料变形的机理,1.晶体的滑移,滑移是晶体一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分作相对移动。,滑 移,滑移平面图,滑移立体图,滑移特点,（1）滑移只能在切应力作用下才会发生，不同金属产生滑移的最小切应力（称滑移临界切应力）大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。,（2）滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的

2、结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动，而是通过位错的运动来实现的。,位错是一种线缺陷,它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律错排现象。,刃形位错可以看作是由于在y轴的上半部分插入了一片额外的原子面所产生。这个原子面的插入使上半部分晶体中的原子受到挤压，而使下半部分晶体中的原子受到拉伸。,刃型位错,位错在剪应力下沿着滑移面移动，这个应力趋向于使样品的上表面向右移动。,刃型位错的运动,螺位错及运动,滑移面的一部分ABEF沿平行于位错线EF的方向发生了滑移。,（3）由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量，因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍。,（4）滑

3、移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行，这是由于密排面之间、密排方向之间的间距最大，结合力最弱，点阵阻力最小，因此滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为该面上的密排方向。,（5）一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。,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）,滑移系数目与材料塑性的关系：（1）一般滑移系越多，塑性越好；（2）与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；（3）与同时开动滑移系数目有关（c）。,（6）滑移时晶体发生转动。,位向和晶面的变化：拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向;压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。,取

4、向因子的变化：几何硬化：，远离45，滑移变得困难；几何软化；，接近45，滑移变得容易。,滑移的临界分切应力（c）c：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),cs cos cos,2.晶体的孪生,孪晶与未变形的基体间以孪晶面为对称面成镜面对称关系。,孪生：在切应力作用下晶体一部分相对于一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变的变形过程。,孪晶中的晶格位向变化,发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子以孪晶面为对称面成镜面对称关系。孪生所需的临界切应力比滑移的大得多，孪生只在滑移很难进行 的情况下才发生。,晶体孪生的特点,（1）孪生变形

5、也是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区，因此，孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多，只有在滑移过程很困难时，晶体才发生孪生。（2）孪生是一种均匀切变，即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离，且每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。（3）孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。,孪生与滑移有如下差别：,(1)孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只集中在一些滑移面上进行。(2)孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变，滑移后晶体各部分位向均未改变。(3)与滑移系类似，孪生要素也与晶体结构有关，但同一结构的孪晶面、孪

6、生方向与滑移、滑移方向可以不同。(4)孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多，孪生本身提供的变形量很小，但能改变滑移面方向使新滑移系开动。,4.1.1.4 多晶体金属材料的塑性变形,（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性。（2）各晶粒变形的互相协调性。,多晶体材料的塑性变形,多晶体晶界对变形的阻碍作用：（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量 缺陷。（2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。,4.1.2 陶瓷材料的塑性变形,陶瓷材料一般呈多晶状态。,陶瓷材料中还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。,陶瓷材料中的位错不易向周围晶体传播，所以 陶瓷很难进行塑性变形；更易在晶界处积累而 产生应力

7、集中，形成裂纹引起断裂。,4.1.3 非晶态材料的塑性变形,非晶态玻璃材料，不存在晶体中的滑移和孪生的变形，它们的永久变形是通过分子位置的热激活交换来进行的，属于粘性流动变形机制，塑性变形需要在一定的温度下进行，故普通无机玻璃在室温下没有塑性。,4.1.4 高分子材料的塑性变形,结晶态高分子塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束并伸展的过程。,在正应力作用下形成银纹（非晶态高分子材料塑 性变形的主要变形机理）,在切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的 纤维束。,4.1.1.1非结晶态高分子的塑性变形有两种方式,4.2 屈服现象与屈服强度,4.2.1 屈服现象,4.2.1.1 屈服现象

8、的描述,拉伸过程中，外力不增加试样仍然继续增长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况下试样可以继续伸长变形，此现象就为材料的屈服现象。,4.2.1.2 屈服点,材料在拉伸屈服时对应的应力值为屈服点。,4.2.1.2 屈服现象形成的原因,塑性应变速率，可动位错密度，v位错运动平均速率,沿滑移面上的切应力,1.晶体,2.高分子材料的屈服机理晶态高分子材料，屈服是薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程；非晶态高分子材料，屈服是正应力作用下银纹和剪切力作用局部区域的无取向分子链成为有一定规则排列的纤维组织的过程。,4.2.2 屈服强度,定义：材料屈服时所对应的应力值也就

9、是材料抵抗起始塑性变形或产生微量变形的能力，这一应力值就成为材料的屈服强度。,下屈服点sl重复性好，通常把作为sl屈服强度：sl=Fsl/A0,4.2.2.1 条件屈服强度,规定残余伸长应力r：指试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。,规定总伸长应力t：指试样标距总伸长（弹性伸长加塑性伸长）达到规定的原始标距百分比时的应力。,对看不到明显屈服现象的材料，屈服强度人为按标准确定。称为条件屈服强度。,4.2.2.2 高分子的屈服强度,高分子材料的屈服点通常把拉伸曲线上出现最大应力的点定义为屈服点。,如拉伸曲线上没出现极大值，则定义应变2%处的应力为屈服强度。,4.

10、2.2.3 屈服强度的应用,屈服强度是工程技术上最重要的力学性能指标之一。,作为防止过量塑性变形的参考依据。,根据屈服强度与抗拉强度比的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向。如：金属冷加工和防止脆断。,4.3 影响金属材料屈服强度的因素,4.3.1 晶体结构,金属材料的屈服过程主要是位错的运动。,纯金属单晶体的屈服强度从理论上讲是位错开始运动所需的临界切应力，由位错运动所受的各种阻力决定，包括：晶格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。,*滑移的位错机制,实际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算值低34个数量级，表明晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位错

11、在滑移面上运动来逐步地进行的。,晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发生，这说明位错的运动要克服阻力。位错运动的阻力首先来自点阵阻力。,位错,位错立体图,4.3.1.1 位错间的交互作用产生的阻力类型,（1）平行位错间交互作用产生的阻力；,（2）运动位错与林位错间交互作用产生的 阻力。,4.3.2 晶界与亚结构,多晶体材料中晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多，对材料屈服强度的提高贡献越大。,晶界增多晶粒内位错塞积的长度将缩短，其应力集中程度不足以推动相邻晶粒内的位错滑移。,s=i+kyd-1/2,霍尔-配奇公式：,4.3.2.1 晶界与亚晶界,亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界。

12、,4.3.3 溶质元素,固溶合金中，由于溶质与溶剂原子直径不同，在溶质原子周围形成晶格畸变应力场。,该力场与位错应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而使屈服强度提高产生固溶强化。,4.3.3.1 固溶强化实例,固溶强化的影响因素：溶质原子含量越多，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好；间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。,软基体硬第二相,位错绕过第二相粒子（粒子、位错环阻碍位错运动）,位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍位错运动）,弥散强化,4.4.4 第二相,4.4.5 温度,4.4.6 应变速率与应力状态,在应变

13、速率较高的情况下，金属材料的屈服应力将显著升高。,应力状态的影响：切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度就越低。,小 结,金属材料的屈服强度是一个对成分、组织、应力状态、温度等极为敏感的力学性能。,改变金属材料的成分或热处理都可使屈服强度产生明显变化。,对金属材料感兴趣的同学可以参考金属学方面的参考书和资料。,4.5 应变硬化,定义：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象称为应变硬化。应变硬化是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。绝大部分金属和高分子材料具有应变硬化。,强化金属的重要途径；提高材料使用安全性；材料加工成型的保证。,应变硬化的利弊,利,弊

14、,变形阻力提高，动力消耗增大；脆断危险性提高。,4.5.1 加工硬化指数n的实际意义,反映了材料开始屈服以后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩是的最大应力。（b或Sb）1)金属的加工硬化指数（能力），对冷加工成型工艺是很重要的。低碳钢有较高的加工硬化指数n，n约为0.2。汽车身板铝合金化，其n值较低，冷加工或冲压性能差 2)对于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，是零件安全使用的可靠保证。3)形变强化是提高材料强度的重要手段。,4.6 抗拉强度与缩颈条件,抗拉强度标志着材料在承受拉伸载荷的实际 承载能力。,4.6.1 缩颈,描述：一些金属材料和高分子材料在拉伸时，变形集中于局部区域的特殊状态，它是在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部而产生的。,4.6.2 产生缩颈的工程应力,缩颈应力唯一地依赖于材料的应变硬化系数K和应变硬化指数n（等于最大载荷点的真应变eb）。,应变硬化指数n,应变硬化系数K,4.7 塑性变形的评价和表征,指标：伸长率,塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。,最大应力下非比例伸长率g,最大应力下总伸长率gt,断后伸长率,同学们知道塑性变形的用处吗？,纳米铜的室温超塑性,精品课件！,精品课件！,Thank You!,