材料科学基础――塑性变形

材料科学基础Fundamentalofthematerialsscience第六章金属的塑性变形Plasticdeformationofthemetalmaterials6.1金属变形的三个阶段6.2单晶体的塑性变形★★★6.3多晶体的塑性变形★★★6.4合金的塑性变形6.5塑性变形对组织与性能的影响★章节内容应力-应变曲线碳钢标准试样弹性变形Elasticdeformation6.1.16.1金属变形的三个阶段低碳钢拉伸曲线的4个阶段、3个特征点PesbABCC’DEOOB：弹性阶段（卸载可逆）A：比例极限PB：弹性极限eBC’：屈服阶段（出现塑性变形）（两者很接近）=E=EE=tanC：屈服极限sC’D:强化阶段D：强度极限bDE：缩颈阶段（局部收缩阶段）0pete:弹性应变，p:塑性应变（不可逆的残余应变）PesbABCC’DEO=E卸载曲线卸载后再加载曲线屈服极限提高：冷作硬化，在C’D段内卸载曲线为弹性直线E：断裂点eeP试件在弹性极限(Elasticlimit)范围内的变形将完全恢复到原来的形状。弹性变形Elasticdeformation6.1.1ePP对超过弹性极限载荷的金属金属试件卸载，卸载曲线近似于弹性曲线。e弹性变形Elasticdeformation6.1.1弹性变形Elasticdeformation弹性变形(Elasticdeformation)金属的晶格结构在外力作用下产生的弹性畸变。6.1.1弹性变形阶段应力与应变呈线性关系，服从虎克定律。其中金属的变形特性CharacteristicsofmetaldeformationGE切应力下：正应力下：E——正变弹性模量G——切变弹性模量表征金属材料对弹性变形的抗力。6.1.1滞弹性弹性变形Elasticdeformation现象：弹性范围内加载或去载，非瞬时达到，通过一种驰豫过程来完成。6.1.1重要效应：内耗应力-应变关系的不可逆性导致损耗。即：材料发生循环应力-弹性应变过程中，要消耗能量（主要转换成热能而散失掉）的现象。面积=内耗弹性变形Elasticdeformation6.1.1弹性变形Elasticdeformation现象：一根固溶有少量碳的纯铁丝，使其扭摆，即使完全消除装置的各种阻力其摆动振幅也会逐渐减小，并最终停止下来。该过程中，开始存储于铁丝中的弹性能在扭摆过程中被不断消耗掉了。能量消耗于材料的内部，这就是内耗现象。（葛氏摆内耗实验）6.1.1弹性变形Elasticdeformation实际：发条钟表：希望弹簧本身的内耗越低越好。机床底座：采用灰口铸铁，因为灰口铸铁属于高内耗材料，可以将震动能量尽量多的转换消耗掉，达到降噪效果。6.1.1金属在外力作用下发生不可恢复的变形而保持其完整性不被破坏的性质称为金属的塑性(Plasticity)。塑性变形Plasticdeformation6.1.2eePP试件变形达到其弹性极限后，如果继续加载，将发生不可恢复的变形，称为塑性变形(Plasticdeformation)。塑性变形Plasticdeformation6.1.2ePP试件完全卸载后，残留部分不可恢复的变形εP，即塑性变形。ep塑性变形塑性变形Plasticdeformation6.1.2衡量金属材料塑性好坏的数量指标，称为塑性指标，一般以材料开始破坏时的塑性变形量来表示。测定塑性指标的实验方法拉伸实验镦粗实验扭转实验塑性变形Plasticdeformation6.1.2电子拉伸试验机0L0d标准试件试件断口塑性变形Plasticdeformation6.1.2拉伸试验后可确定以下强性指标：—抗拉强度—b条件屈服强度—屈服强度—或/2.0s塑性变形Plasticdeformation6.1.2PesbABCC’DEOOB：弹性阶段（卸载可逆）A：比例极限PB：弹性极限eBC’：屈服阶段（出现塑性变形）（两者很接近）=E=EE=tanC：屈服极限sC’D:强化阶段D：强度极限b拉伸试验后可确定以下塑性指标：(1)伸长率％K00100LLL％(2)断面收缩率％0K0100AAA％(Elongationpercentage)(Reductionofarea)塑性材料5%脆性材料5%塑性性能与之成正比塑性变形Plasticdeformation6.1.2断裂的基本类型1）根据断裂前塑性变形大小分类脆性断裂；韧性断裂断裂（fracture）6.1.32）根据断裂面的取向分类正断；切断3）根据裂纹扩展的途径分类穿晶断裂；沿晶断裂；4）根据断裂机理分类解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂断裂（fracture）断裂形式微孔聚集型断裂（塑性）断裂（fracture）微孔聚集型断裂——夹杂物、第二相粒子的作用断裂（fracture）解理断裂（脆性）以极快速率沿一定晶体学平面，产生的穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。fcc金属一般不发生解理断裂。解理断裂总是脆性断裂。断裂（fracture）沿晶断裂cabd应力-应变曲线碳钢标准试样内容回顾工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。冲击功Ak冲击韧性ak20世纪30-40年代，碳钢，工程结构和部件1.断裂都发生在很低的应力下2.断裂往往发生在严寒的冬天3.都是大型焊接件4.都是脆性断裂断裂（fracture）实际中，部件断裂时，所承受的外力往往远低于材料的屈服强度或弹性极限。即使是“塑性”材料，断裂前也没有明显的塑性变形。20世纪60年代提高了钢种的屈服强度——高强钢然而断裂事故反而增多了，低应力下发生断裂（只有屈服强度的一半）——断裂力学断裂（fracture）原因：1.低温下特别脆，对缺陷十分敏感2.焊缝质量有问题，本身成了缺陷断裂（fracture）理论断裂强度断裂（fracture）thaEmax10/01.0EEath—弹性模量——比表面能—E断裂（fracture）MPaMPamNPaEnma7007000/1103.0max10强度却不到然而，普通玻璃的断裂，，例：对许多固体：断裂（fracture）Griffith理论与断裂韧性材料中本身存在有裂纹：结晶中的热应力所致；应力集中所致；焊接裂纹；烧结裂纹等等。实际强度不是两相邻原子面的分离应力，而是现成微裂纹的扩展应力。断裂（fracture）Griffith理论与断裂韧性21)(12cEsf21)2(cEsf断裂（fracture）Griffith理论与断裂韧性21)(cEsfaEthfthOrowan修正21)]8)(2[(acEs断裂（fracture）裂纹的萌生微裂纹优先在微小的氧化物、碳化物等颗粒上形成。断裂（fracture）裂纹的萌生断裂（fracture）裂纹的萌生断裂（fracture）影响材料断裂的因素内因：晶体结构：fcc塑性好、bcc、hcp塑性差成分和组织：金属越纯，塑性越好晶粒度：晶粒细小，强度、塑韧性均好外因：温度：低温易脆断应力状态和裂纹：微裂纹大，拉应力状态，易脆断应变速率：应变速率大，易发生脆性断裂滑移(Slip)单晶体的塑性变形6.2Plasticdeformationofsinglecrystals孪生(Twin)扭折(Kink)单晶体的塑性变形6.2Plasticdeformationofsinglecrystals单晶体的塑性变形6.26.2.2滑移(Slip)Plasticdeformationofsinglecrystals滑移：外力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生滑动位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑性变形机制。τττττ单晶体的塑性变形6.2Plasticdeformationofsinglecrystals单晶体的塑性变形6.2？滑移发生在晶体中的什么位置？？滑移过后会在晶体上产生什么样的现象？？启动滑移需要多大的外力？？滑移过程中会出现哪些附加现象？Plasticdeformationofsinglecrystals单晶体的塑性变形6.21.滑移系(Slipsystem)滑移发生的晶面称为滑移面(slipplane)，滑移发生的晶向称为滑移方向(slipdirection)，滑移面和滑移方向合称为滑移系。Plasticdeformationofsinglecrystals单晶体的塑性变形6.2滑移系Plasticdeformationofsinglecrystals滑移面滑移方向滑移系fcc{111}1104×3=12bcc低温{112}11112×3=12中温{110}1116×2=12高温{123}11124×1=24hcpc/a≥1.633(0001)11201×3=3c/a＜1.633{1010}11201×3=3{1011}11202×3=6余永宁，金属学原理，冶金工业出版社，2000单晶体的塑性变形6.2滑移面——密排面，滑移方向——密排方向为什么面心立方晶体的滑移比体心和密排六方晶体的滑移更容易？Plasticdeformationofsinglecrystals单晶体的塑性变形6.22.滑移带与滑移线(SlipbandandSlipline)PlasticdeformationofsinglecrystalsAl单晶单晶体的塑性变形6.2滑移线SliplinePlasticdeformationofsinglecrystals滑移带Slipband单晶体的塑性变形6.2Plasticdeformationofsinglecrystals3.临界分切应力(Criticalresolvingshearstress)单晶体的塑性变形6.2临界分切应力(Criticalresolvingshearstress)FNFλφ滑移方向滑移面法向αA/cosφcoscoscos/cosAFAF圆柱的底面积为AF与滑移面法向夹角为φ；F与滑移方向夹角为λPlasticdeformationofsinglecrystals单晶体的塑性变形6.2FNFλφ滑移方向滑移面法向αA/cosφcoscosskcoscosksPlasticdeformationofsinglecrystals把滑移系开动所需要的最小分切应力称为临界分切应力（CRSS）。单晶体的塑性变形6.2coscos称为取向因子，或Schmid因子。Plasticdeformationofsinglecrystals高纯锌单晶的屈服强度与取向因子的关系屈服强度取向因子单晶体的塑性变形6.2Plasticdeformationofsinglecrystals软取向硬取向硬取向试件断口单晶体的塑性变形6.24.滑移时晶体的转动Plasticdeformationofsinglecrystals拉伸滑移方向//拉伸轴单晶体的塑性变形6.2滑移时晶体的转动Plasticdeformationofsinglecrystals压缩滑移面⊥压缩轴单晶体的塑性变形Plasticdeformationofsinglecrystals6.2？滑移发生在晶体中的什么位置？滑移发生在固定的滑移系上。？滑移过后会在晶体上产生什么样的现象？试样表面会产生滑移线和滑移带。？启动滑移需要多大的外力？？滑移过程中会出现哪些附加现象？晶体会发生转动。coscossk单晶体的塑性变形6.2单晶体的塑性变形6.2单晶体的塑性变形