第四章材料的变形.ppt
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1、1,第四章 材料的变形deformation of materials,位错的运动,slip,climb,1st,2,材料承受载荷时发生的变形称为形变。载荷类型:拉伸载荷Tension,压缩Compression、剪切Shear和扭转Torsion。,载荷类型 Types of Loading,3,压缩实验 Compressive test,brittle,ductile,4,材料受力后:弹性变形 Elastic deformation:在载荷相对较小时,这种变形是弹性变形,即卸载后材料恢复原状。塑性(永久)变形 Plastic deformation:当外力超过一定限度后,材料将发生塑性(永
2、久)变形,即卸载后材料不能恢复原状。断裂 Fracture:当外力过大时,就会发生断裂。,5,正应力Stress 与 正应变Strain(拉伸、压缩情况),材料受外力 F 作用后产生的应力:应变:F载荷 A0试样的原始截面面积 l0试样的原始长度 l试样变形后的长度,6,切应力 与 切应变(剪切、扭转情况),在剪切变形的情况下,则有切应力:=F/Ao 切应变:=tan(100%)应变角;,扭转变形情况与剪切相似静载:转矩T;应变:转角,7,拉伸实验 Tensile Test,测试仪器,标准样品,8,拉伸实验 Tensile Test,Standard stress-strain curve o
3、f low-C steel,9,4.1 弹性变形 Elastic deformation,线性弹性变形Linear elastic deformation,在弹性变形阶段,应力与应变有线性关系,服从虎克定律 Hookes law,即:=E=G E杨氏弹性模量;G 切变弹性模量;切应变;泊松比;,10,非线性弹性变形 Nonlinear elastic behavior,非线性弹性变形:应力和应变之间不保持线性关系,即不满足虎克定律,但卸载后,变形依然消失并恢复原状的弹性变形。,11,弹性变形的主要特征,可逆变形:加载时变形,卸载后变形消失并恢复原状;线性区域:应力应变保持单值线性函数,满足虎克
4、定律;弹性模量E:,12,弹性变形的本质,FN=0 平衡位置r0,attractive,repulsive,原子之间的作用力!,13,弹性模量E反映了材料的刚性,E的值愈大,表明要达到相同应变所需的应力愈大,也就是刚性(度)愈大。弹性模量E是原子间作用力大小的反映,原子间作用力愈大,原子离开平衡位置的难度愈大,材料愈难变形。所以,E是一个只依赖于材料结构和基本成分的参量。,14,弹性模量与温度、原子结合键类型的关系,15,应 力 的 几 何 考 虑不同应力种类相互联系,应力实际上是应力所作用平面的方向取向的函数。如:正应力可分解为对于PP面的正应力和切应力。,16,泊松比 Poisson Ra
5、tio 杨氏模量(E)与切变弹性模量(G)的关联,17,各种金属合金室温弹性、切变模量及泊松比,18,十种常见陶瓷材料的弹性模量,19,常见聚合物材料的弹性模量,20,Example 1,A copper rod is pulled in tension with a stress of 276 MPa,where the length of the rod is 305 mm.If the deformation is entirely elastic,what will be the resultant elongation?(已知铜的弹性模量E为110 GPa)Solution:由于形变
6、为完全弹性,因此,应力-应变满足虎克定律,即=E=E(l/l0)所以,l=(l0)/E将已知数据代入得:l=(l0)/E=(276 MPa x 305 mm)/110 x 103 MPa=0.77 mm,21,Example 2,A tensile stress is to be applied along the long axis of a cylindrical brass rod with a diameter of 10 mm.Determine the magnitude of the load(F)required to produce a 2.5 x 10-3 mm chang
7、e in diameter if the deformation is entirely elastic.(已知黄铜的泊松比为0.34,弹性模量为97 GPa),22,Example 2,Solution:样品在F力作用下,在z方向拉长,同时在x方向上直径变小,d=2.5 x 10-3 mm,因此,在x方向上的应变:,z方向的应变为:,作用于z方向上的应力为,最终,作用于z方向上的外力F为:,23,4.2 塑性变形 Plastic deformation,塑性变形为不可逆变形,卸载后不能恢复原样,产生永久变形。,24,屈服、屈服强度 Yield strength,25,屈服点确定,屈服点对应于
8、开始产生永久变形;有些应力-应变曲线容易确定屈服区域(如A);有些应力-应变曲线不容易确定屈服区域(如B),则采用0.002 偏移法来确定。,26,抗拉强度 Tensile strength,当拉伸试样屈服以后,欲继续变形,必须不断增加载荷。当载荷达到最大值Pb后,试样的某一部位截面开始急剧缩小,出现了缩颈necking,致使载荷下降,直到最后断裂。,试样能承受的最大载荷除以试样原始截面积所得的应力,称为抗拉强度,记为b,即:b=Pb/F0,27,塑性变形 材料横截面变化的考虑,初横截面积A0,变横截面积AC,F,F,工程应力,真实应力,缩颈,28,工程应力 真实应力 Engineering
9、stress True stress,在加载过程中真实应力始终是增加的。评价材料时通常采用工程应力应变曲线。,29,Example 3From the tensile stress-strain curve of the brass specimen shown in below figure,determine the following:(a)E;(b)s0.2;(c)Fmax on a f12.8 mm cylindrical specimen(d)The change in length of a specimen original 250 mm long that is subjec
10、ted to a tensile stress of 345 MPa。,0.06,Solution:(a)弹性模量E为弹性变形区内应力-应变曲线的斜率,计算得E=93.8 GPa;(b)根据 0.002偏移法,屈服强度为250MPa;(c)抗拉强度为=450MPa,因此,最大载荷F=A0=(d0/2)2,计算得,F=57900 N;(d)应力345MPa对应的应变=0.06,因此,长度变化l=l,计算得,l=15mm。,0.0016,150,30,4.2.1 单晶体金属的塑性变形,弹性变形解理断裂,外力,切应力,正应力,塑性变形,滑移 slip孪生 twinning扭折 kink,domina
11、nt,31,slip,twinning,塑性变形的方式:主要通过滑移和孪生、还有扭折。,32,The main difference between slip and twinning is that the former does not cause any change in orientation in the sense that any crystallographic direction remain the same with respect to the laboratory coordinate systems.While the latter results in chan
12、ge in orientation.After twinning the two parts of the crystal,twinned and untwinned,are symmetrical to some plane or orientation.Or say,one is the twin of the other.,33,滑移带slip bands的形成 弹性变形外力克服单晶原子间的键合力,使原子偏离其平衡位置,试样开始伸长。晶面滑移当外力大于屈服极限后,沿单晶的某一特定晶面原子产生相对滑移。随应力的增加,发生滑移的晶面增加,塑性变形量加大。,a.滑移 slip滑移是指晶体的一部
13、分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。,位错的滑移?,34,滑移的结果在晶体表面形成台阶,称滑移线,若干条滑移线组成一个滑移带。,铜拉伸试样表面滑移带,滑移带slip bands和滑移线slip lines,通常,滑移带是很狭窄的,往往观察到的是呈线状的滑移带。,在光学显微镜下观察表现为一条线。,电镜下的观察结果,35,滑移发生在晶体的密排面上,并沿密排方向进行。,密排面的d最大,点阵阻力最小,最容易滑移,密排晶向原子间距最小,单位滑移量小;相互作用力最大,滑移原子间距保持不变。,?,滑移系 slip systems,滑移系=滑移面*滑移方向,36,FCC结构滑移面:111滑移
14、方向:,37,一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。,滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性也越好。,38,金属中的滑移系,39,elastic deformation,plastic deformation,fracture,2nd,E,40,弹性变形解理断裂,外力,切应力,正应力,塑性变形,滑移 slip孪生 twinning扭折 kink,dominant,滑移发生在晶体的密排面上,并沿密排方向进行。?,41,临界分切应力tc,外力F 作用在面积为A 的园柱体上,在滑移面上产生的分切应力,宏观起始拉伸应力,取向因子orientation factor,当外力在某一滑移系中的分
15、切应力达到一定临界值时,该滑移系方向首先发生滑移,该分切应力称为临界分切应力critical resolved shear stress。,施密特因子Schmid factor,42,=45o时,临界分切应力tc,是材料常数,与晶体取向无关!其大小取决于位错在滑移面上运动时所受的阻力。,ss小,软取向,ss大,硬取向,43,Slip occurs when the resolved shear stress acting on slip plane along slip direction reaches a critical value,called the Critical Resolve
16、d Shear Stress(CRSS)and is characteristic of the crystal in question.When,slip starts as when slip starts.depends on material and temperature.For FCC:For BCC:and other structure:,44,滑移的位错机制点阵阻力 派-纳力 P-N force,实测晶体滑移的临界切应力较理论计算低34个数量级,表明晶体滑移是借助位错在滑移面上运动而逐步实现的。晶体滑移的阻力,其他位错对运动位错的作用力,晶体点阵对位错运动的阻力-点阵阻力,d
17、ominant!,45,d 滑移面的面间距;b 滑移方向上的原子间距;泊松比。,例如:FCC结构中b=(1/2)a,=0.3,d=(1/3)a t=3.610-4 G,点阵阻力:即派-纳力N-P,由R.Peierls 和 F.R.N.Nabarro 首先估算了此阻力,相当于简单立方晶体中使位错运动所需的临界分切应力。,46,滑移变形的特点:滑移只能在切应力的作用下发生。,产生滑移的最小切应力称临界分切应力tC。,47,滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。?,BCC和FCC的密排面和密排方向?,因原子密度最大的晶面之间面间距最大,结合力最弱,阻力最小,产生滑移所需切应力最小。,(020)
18、,BCC,48,滑移时,晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍.,滑移的同时伴随着晶体的转动。,49,转动的原因:晶体滑移后使s分量和t分量组成了力偶.,当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45角时,滑移方向上切应力最大,因而最容易发生滑移。滑移后,滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。,转动的方式,滑移面向外力轴方向转动滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。,50,(5)滑移是通过滑移面上的位错的运动来实现的。,滑移不是刚性滑动,51,晶体通过位错运动产生滑移时,只在位错中心的少数原子发生移动,它们移动的距离远小于一个原子间距,因而所需临界切应力小,这种现象称作位错的易动性。,52,Exampl
19、e 4,Consider a single crystal of BCC Fe that is stretched at a stress applied along a 010 direction.Calculate the resolved shear stress 分切应力along a(110)plane and in a direction when a tensile stress of 52 MPa is applied.(b)If slip occurs on a(110)plane and in a direction,and the critical resolved sh
20、ear stress(临界分切应力)is 30 MPa,calculate the magnitude of the applied tensile stress necessary to initiate yielding.,53,Solution:(a)如图BCC晶胞中,角即滑移面(110)垂线与外加应力010方向的夹角,为45o。为滑移方向 与外加应力010方向的夹角,为,所以,分切应力为(b)已知临界分切应力为30 MPa,则屈服强度y 为:,54,b.孪生twinning孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。,55,发生切变的部分称孪生带或孪晶,沿其发生孪生
21、的晶面称孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。,56,孪晶系 twinning system,A Twinning plane plus a twinning direction lying on it is called a twinning system.Twinning systems for FCC,BCC and HCP.,57,Twinning in FCC structure,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。如把孪晶以孪晶面上的112为轴旋转180度,孪晶将与基体重合。,58,difference between slipping and twinn
22、ing,1 孪生通过晶格切变使晶格位向改变,使变形部分与未变形部分呈镜面对称;而滑移不引起晶格位向改变。,2 孪生:相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距;滑移:滑移面两侧晶体的相对位移量是原子间距的整数倍。,3 孪生所需要的切应力比滑移大得多,变形速度大得多,59,HCP晶格金属滑移系少,常以twinning。BCC晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生twinning。FCC晶格金属,一般不发生twinning,但常发现有孪晶存在,这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的,称退火孪晶。,60,扭折是不均匀塑性变形的一种形式,它是在滑移和孪生难以实现,或者在变形受到某种约束时才出现的。
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- 第四 材料 变形
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