材料科学基础第一节金属变形概述.ppt

《材料科学基础第一节金属变形概述.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础第一节金属变形概述.ppt（74页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第八章 材料的变形与断裂,金属变形概述,金属的弹性变形,滑移与孪晶变形,单晶体的塑性变形,概述,多晶体的塑性变形,纯金属的变形强化,合金的变形与强化,冷变形金属的组织与性能,冷变形金属的回复阶段,冷变形金属的再结晶,金属的热变形、蠕变与超塑性,陶瓷晶体的变形,高分子材料的变形,后退,金属的断裂,材料的变形,单晶体的塑性变形,单系滑移、多系滑移、交滑移,弹性变形：E,实质，原子结合力大，熔点高，则E越大,塑性变形,滑移：晶体滑移系孪生：,滑移面滑移方向,孪生面孪生方向,概 述,下页,后退,返回,第一节 金属变形概述,下页,后退,金属材料的一个重要特点是在具有高强度的同时还具有优良的塑性，也就是说

2、在高温和常压下，金属材料可以在外力作用下改变形状而不破坏，从而具有优越的加工成型性能。同时在塑性变形的过程中，金属内部的组织和亚结构发生着一系列的变化，导致其强度、韧性等力学性能的变化。金属的塑性和强度是两个十分重要的概念。屈服强度就是指材料抵抗塑性变形的能力。金属在外力作用下的行为可通过应力-应变曲线来描述，一般分为三个阶段：,（1）弹性变形：去除应力后，形变完全恢复，在弹性范围中，材料服从虎克定律。（2）塑性变形：去除应力后，形变不能完全恢复，留有部分永久变形，即金属中的部分原子离开原平衡位置，产生永久位移。（3）断裂。金属中的塑性变形可通过如下几种方式来完成：滑移；孪生；晶界滑动；扩散性

3、蠕变。,后退,下页,返回,第二节 金属的弹性变形,E,后退,下页,弹性模量E、G是一重要的物理的和力学的参量。弹性模量是原子间结合力的反映和度量。所以它是一个对组织不敏感的性能指标。E越大，则弹性变形越难。它在工程技术上标示材料的刚度。,后退,下页,返回,第三节 滑移与孪晶变形,一、滑移机制,滑移是位错在切应力作用下运动的结果。,滑移都是沿着滑移面和该面上的滑移方向进行。,滑移的位错机制,后退,下页,1）a越大，即原子面间距大，越小，表示点阵阻力小，说明原子面间距越大，位错运动阻力小，而a增大的面即原子最密排面。,2），即说明原子排列越紧密，其位错运动阻力小。,后退,下页,3）fcc及沿基面0

4、001滑移的hcp,其 最低，沿 及 滑移的hcp的 增高；bcc的 随温度降低而急剧增高。,4）大小本质上取决于晶体结构和键的方向性。,5）大小顺序：fccbcc和沿楞柱面滑移的fcp共价键或离子键晶体,6)当活动滑移系上的分切应力超过临界值，也就是说足以克服派-纳力时，位错开始滑动，即开始产生滑移。,后退,下页,当滑移不断进行时，试样中的晶面会发生偏转，将出现两个相交的滑移系同时滑动，显然两个不同滑移系上的位错将产生相互的作用，这些作用可能有几种形式：（1）位错相互交割，可能形成割阶，而螺位错的割阶是不可动的从而限制了某些位错的可动性，并形成位错网络。（2）许多位错的相互交割，形成更复杂的

5、位错缠结。,二、滑移面及滑移方向,为什么滑移面都是原子最密排面，滑移方向都是最密排方向？,（3）在不同滑移面的交线上，通过位错反应形成固定位错，在被定扎的位错后面产生位错的塞积，它将阻碍后续位错的继续运动。,后退,下页,三种典型金属的滑移面及滑移方向,后退,下页,后退,下页,后退,下页,三、孪晶变形,孪晶变形特点：1.孪晶变形有镜面对称的孪晶，孪晶也沿一定的孪晶面及晶向方向，如：fcc中,孪晶面（111），孪晶方向;2.孪晶中原子移动受严格限制，同一晶面原子移动距离相等；3.孪晶变形速度很快，形变过程与声波在晶体中的传播速度相近；4.孪晶变形量很小，但由于孪晶造成位向改变，故孪晶发生后可能有利

6、于滑移；,2,11,后退,下页,面心立方晶体的孪生变形,后退,下页,(1)一部分晶体沿滑移面相对于另一部分晶体作切变,切变时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍。,孪晶与滑移的区别,后退,下页,(4)孪晶是一种均匀切变，而在切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其相邻晶面沿孪生方向位移了一定距离。,(4)滑移面是一种不均匀的切变，它只集中在某一些晶面上大量进行，而各滑移带之间的晶体并未发生滑移。,(3)由于改变了晶体的位向，因而孪晶经抛光和侵蚀后仍能重线。,(3)滑移所造成的台阶经抛光后，即使再侵蚀也不会重现。,孪晶,滑移,孪生与滑移的区别(续),后退,下页,（6）孪晶的应力应变曲线将

7、产生锯齿形变化,（6）滑移的应力应变曲线比较平滑,（5）而发生孪晶后，在晶体内部将出现孪晶和孪晶界。,（5）滑移过后，除了不全位错运动会在滑移面上造成层错外，一般在滑移面上不留下任何痕迹,孪晶,滑移,孪生与滑移的区别(续),后退,下页,返回,第四节 单晶体的塑性变形,对于单晶体而言，其塑性变形中，滑移是位错在切应力作用下滑移面及滑移方向进行，其滑移必须满足临界分切应力定律，即,一、施密特定律,图8-10,后退,下页,即当在滑移面的滑移方向上，分切应力达到某一临界值 时，晶体就开始屈服，位错就开始滑移。,滑移面方向与外力夹角,滑移面法线方向与外力夹角,后退,下页,后退,下页,例题,如在面心立方晶

8、胞001上施加一69MPa的应力，试求滑移系(111)上的分应力。,后退,下页,由施密特定律,解：确定该滑移系对拉力轴的相对取向，先画出上图。可以看出，滑移方向和拉力轴的夹角,，滑移面的法线和拉力轴的夹角为，,后退,下页,二、单滑移、多滑移、交滑移,单滑移：当只有一个滑移系统上的分切应力最大并达到 时，只发生单滑移，其位错在滑移过程中不会与其它位错交互作用，故加工硬化很弱。,多滑移：当有几个滑移系统上的分切应力最大并达到 时，就发生多滑移。比如fcc中，111为滑移面,为滑移,后退,下页,方向,4个111面构成八面体,当拉力轴为001时,就有8个滑移系具有相同的施密特因子，故可同时达到,同时动

9、作。交滑移：当螺位错在某一滑移面上运动受阻，会转到另一滑移面上继续滑移，滑移方向不变。,后退,下页,扩展位错的交滑移：首先扩展位错会先束集，然后交滑移到另一滑移面，再分解为两个不完美位错，中间夹一层错；层错能大，则d减小，扩展位错易于交滑移。,螺位错的交滑移,扩展位错的交滑移,后退,下页,返回,返回,返回,第五节 多晶体的塑性变形,晶界：晶粒越多，晶界越多，位错运动阻力越大。,晶粒位向差：位向差越大，则位错运动阻力越大。,为了满足多晶体变形协调，至少应有5个独立的滑移系动作。,下页,后退,一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响,为什么晶粒越细，材料的强度、硬度增大，塑性、韧性下降？,？,二、晶粒大

10、小对材料强度与塑性的影响（细晶强化）,后退,下页,分析,下页,后退,返回,第六节 纯金属的变形强化,一、位错的交割,两位错交叉通过的行为，即为位错交割。,扭折：交割形成的位错台阶仍在原滑移面 上。扭折的形成有利于提高位错的易动性，扭折一般不阻碍位错的滑移。,割阶：,交割形成的位错滑移面不在原滑移面上,可动割阶,不可动割阶,下页,后退,可动割阶,不可动割阶,当割阶的滑移方向与原位错滑移方向一致时，可随原位错一起滑移，只增加位错运动的阻力，并不防碍位错的滑移。,当割阶的滑移方向与原位错滑移方向不一致时，不能随原位错一起滑移，明显增加位错运动的阻力，甚至对位错起钉扎作用。,下页,后退,不论原位错属于

11、什么类型，割阶的最终状态一定是刃型位错。,刃位错被交割所产生的割阶最终一定是可动割阶,螺位错被交割所产生的割阶最终一定是不可动割阶,位错交割,下页,后退,认真理解扭折与割阶的概念极其形成过程。,问题,由于位错交割形成割阶，造成位错运动增大，故强度提高。,后退,下页,二、位错反应 两个滑移面上的位错相遇，在一定条件下可发生位错反应，形成一个不动位错。,在面心立方金属中，一个全位错可分为两个不全 位错，中间夹一层错。,两组不全位错在两滑移面的 交线上相遇，形成一不动位错（又称梯杆位错）。它象一个压杆，压在两个滑移面上，使得另两个肖克莱位错也难以运动，这种位错结合，称为洛麦尔-柯垂尔锁。,下页,后退

12、,由于两滑移面的交割方向为，而位错的，为韧位错，其滑移面应为组成，故该位错的滑移面为(001),并不是fcc的滑移面，故为不动位错，由于位错 为不动位错，造成其运动阻力增大，故强度增大。,0,1,1,0,1,1,6,a,b,=,三、位错的增殖,1.F-R源,作用于弯曲位错线上的外加切应力：,R位错线弯曲半径,下页,后退,图8-18,图8-19,CD位错两端被钉扎，当其受切应力作用时,会发生弯曲由前面所介绍的知识,弯曲严重两处位错必为异号位错,相互抵消,使位错线形成了位错环而扫出晶体，CD位错在线张力的作用下拉直继续重复该过程，直到受阻而停止。,下页,后退,？,1）为什么CD位错线会弯曲，且形成

13、位错环？2）位错环不断放出，是否满足能量守恒？3）为什么F-R源会使材料强度增大？4）金属强化的本质是什么？,下页,后退,2.双交滑移机制,图8-21 体心立方铁的双交滑移,C,E,后退,下页,返回,第七节 合金的变形与强化,一、单相合金的变形与强化,？,固溶强化机理是什么？,思路,溶质原子偏聚到位错周围形成柯氏气团使位错被钉扎，位错运动必须甩脱柯氏气团，使材料强度提高。,下页,后退,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。,二、低碳钢的屈服和应变时效,下页,后退,例题,试求退火钢中形成饱和柯氏气团的碳浓度。,A,=,.,2,a,(3)1cm长的位错线上铁原子数为：,

14、下页,后退,因位错线长为，故位错线上总的铁原子数为,(4)偏聚于位错线下方的碳原子总数为：,故形成饱和柯氏气团的碳浓度为，即：,下页,后退,三、第二相对合金变形的影响,？,1.弥散强化机理？,第二相不会变形：饶过机制 第二相变形：切过机制,2.切过与绕过机制为什么使合金强化？,图8-27,图8-26,思考,下页,后退,返回,1.可变形颗粒之强化作用,当位错扫过滑移面所遇颗粒为可变形时，该颗粒就会发生变形，即滑移面上下错动了一个原子间距，这可能产生一系列使体系能量增高的结果。,1）切应力颗粒部分与基体晶体相接，因为常数不同，故产生一部分错排能。2）增加了相界面积，故界面能增加。,图8-26,下页

15、,后退,3）若颗粒为有序结构，破坏有序结构后产生反相畴界，故增加一部分反相畴界能。4）造成粒子周围应力场与位错应力场作用，阻碍位错运动。位错切过颗粒周围是能量上升过程，因而位错扫过该颗粒是一个克服阻力做功过程，因而使位错滑移困难，塑变不易进行，合金强化。,后退,下页,2.不可变形颗粒之强化机制,图8-27，当位错扫过滑移面所遇颗粒为不可变形时，位错会绕过该颗粒，继续运动。,位错绕过颗粒时就会发生弯曲，弯曲严重时，使位错两端相遇，为异号位错抵消，位错继续向前运动而留下一个位错环。,由于使位错发生弯曲是一个使位错伸长，因而能量增高，即使位错运动困难，故合金就被强化。,下页,后退,返回,第八节 冷变

16、形金属的组织与性能,一、冷变形金属的力学性能 金属的冷变形如金属经冷轧薄板、拉丝和深冲零件等。随着变形的增加，金属的屈服强度和抗拉强度在不断提高，特别是屈服强度升高很快，导致屈强比增大，塑性降低。二、冷变形金属的组织 经拉拔和冷轧后晶粒沿着拉拔和轧制方向伸长。,后退,下页,变形量很大时，晶界变得模糊不清。在变形很强时，对层错能高的或较高的金属如铁铝和铜，由于大量的位错增殖和易于交滑移，可形成明显的位错胞状结构。在位错胞的内部，位错密度很低，大量的位错都缠结在位错胞壁。三、形变织构 原来的各个晶粒是任意取向的，现在由于晶粒的转动使各个晶粒的取向趋于一致，这就形成了晶体的择优取向，把它称为形变织构

17、。,下页,后退,形变织构的形成会使材料具有强烈的各向异性。四、残余应力（残余应力的分类）金属冷变形时，由于各部分变形的程度不同，变形后在金属内部残存应力。分为宏观应力和显微应力。当残余应力为拉应力时会降低材料强度。如通过喷丸、表面滚压使表面产生残余压应力。可抵消工作载荷下部分的拉应力，这对提高表面疲劳强度是很有效的。,下页,后退,返回,返回,第九节 金属的断裂,一、理论断裂强度,/a,m,图8-32 原子间结合力随距离变化示意图,后退,下页,E,表面能 a原子间距二、实际断裂强度 为什麽金属的实际断裂强度要比理论断裂强度低得多？,？,后退,下页,c,4,后退,下页,返回,第十节 冷变形金属的回

18、复阶段,冷变形金属在加热时先后经历了回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。在再结晶阶段，从组织上看是以产生无畸变的新晶核，然后在变形金属基体内长大，形成大角度晶界的新晶粒为标志的；从性能上看是以力学性能和物理性能产生急剧变化为标志的。在再结晶过程未进行之前，一个相当宽的温度范围都属于回复阶段。,后退,下页,一、回复阶段性能与组织的变化1）宏观内应力经过低温加热后大部分去除，而微观应力仍然残存。2）电阻率/降低。3）硬度和流变应力的变化随金属不同而异。4）显微组织至少在光学显微镜下看不出有任何变化，在高温回复时，在电镜下可看到晶粒内的胞状位错结构转变为亚晶。,后退,下页,二、回复动力学三、回复机制1）

19、低温时。回复主要与点缺陷的迁移有关。冷变形时产生大量的点缺陷空位与间隙原子，它们的形成主要是集多滑移后位错的交割，在螺位错上带有刃型割阶运动产生的。2）温度较高时。会发生位错运动和重新分布。滑移面上位错相遇时，异号位错会消,后退,下页,失；如两个为刃型位错会形成空位或间隙原子，位错密度也略有降低。3）在高温回复时。刃型位错可获得足够的能量产生攀移。高温时攀移和扩散是互为因果的。（图8-35）4）位错反应形成亚晶。,图8-36 冷变形铁高温回复时通过位错反应形成亚晶,后退,下页,返回,低温回复：空位及间隙原子对消，使点缺陷浓度降低，从而使其电阻率发生变化。,中温回复：同一滑移面上的异号位错通过滑

20、移面相互抵消使位错密度减小，残余内应力释放。,高温回复：同一滑移面上的异号位错通过攀移相互抵消，并排列成能量最低的位错墙，即多边形化。,后退,下页,返回,一、再结晶,残余内应力释放，在畸变处形成再结晶新晶粒由于组织变化，加上位错密度降低，位错易动，故造成加工硬化现象消除。,三、金属塑性变形、回复、再结晶、晶粒长大的比较,第十一节 冷变形金属的再结晶,后退,下页,三、影响再结晶的因素1）在给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量，称为临界变形度。低于此变形度，不能再结晶。2）变形度越小，开始再结晶的温度就越高。意味着临界变形度随退火温度的升高而减小。3）再结晶后的晶粒大小主要决定于变形程度。变形量

21、越大，再结晶后的晶粒越细。4）微量杂质元素可明显地升高再结晶温,后退,下页,后退,下页,度或推迟再结晶过程的进行。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。当第二相尺寸很小且又密集时，则会阻碍再结晶的进行。6）原始晶粒越细，或退火时间增长，都会降低再结晶温度。四、再结晶后的晶粒长大1、晶粒的正常长大。,后退,下页,返回,本章思考题,1.回复、再结晶的驱动力？2.为什么点缺陷能度降低，电阻率降低？3.为什么再结晶新晶粒在畸变最严重的部位形成？4.为什么再结晶的晶粒尺寸和变形度的关系不是 线性关系？5.影响再结晶的因素有哪些？6.回复、再结晶的工程应用？7.金属塑性变形后组织结构、性能的变化？8.金属回复、再结晶后的组织、性能变化？,后退,下页,返回,返回,返回本章首页,轻松时刻,返回目录,