材料科学基础-第五章材料的形变和再结晶.ppt
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1、第五章第五章材料的形变和再结晶材料的形变和再结晶李怀勇李怀勇聊城大学材料科学与工程学院聊城大学材料科学与工程学院内容预报内容预报为什么要认识和掌握材料的为什么要认识和掌握材料的形变和再结晶形变和再结晶规律?规律?材料在加工制备及应用过程中都要受到外力的作用材料在加工制备及应用过程中都要受到外力的作用材料受力要发生变形:弹性变形、塑性变形、断裂材料受力要发生变形:弹性变形、塑性变形、断裂材料发生变形后材料的组织结构(性能)发生变化材料发生变形后材料的组织结构(性能)发生变化本章主要研究内容:本章主要研究内容:一、材料的变形规律及其微观机制;一、材料的变形规律及其微观机制;二、研究变形后的材料在回
2、复、再结晶过程中组织、二、研究变形后的材料在回复、再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律。结构和性能的变化规律。本章章节结构本章章节结构5.1弹性和粘弹性弹性和粘弹性 5.2晶体的塑性变形晶体的塑性变形 5.3回复和再结晶回复和再结晶 5.4热变形与动态回复、再结晶热变形与动态回复、再结晶5.5陶瓷材料变形的特点陶瓷材料变形的特点5.6高聚物的塑性变形高聚物的塑性变形 材料试验机示意图拉伸材料试验机示意图拉伸位移位移载荷载荷5.0材料力学性能测试材料力学性能测试1.拉伸实验装置拉伸实验装置弹性极限弹性极限抗拉强度抗拉强度屈服强度,会产生屈服强度,会产生0.2%永久永久变形变形2.应力应力-应变
3、曲线应变曲线5.1弹性和粘弹性弹性和粘弹性l弹性外力去除后形变能够完全恢复的性质弹性外力去除后形变能够完全恢复的性质线性(符合胡克定律)和非线性线性(符合胡克定律)和非线性5.1.1 弹性变形的特征和弹性模量弹性变形的特征和弹性模量一、特征:一、特征:(1)理想的弹性变形是可逆的。)理想的弹性变形是可逆的。(2)实际材料,在)实际材料,在弹性变形范围内弹性变形范围内,服从胡克定律:,服从胡克定律:二、弹性模量(广义的胡克定律):二、弹性模量(广义的胡克定律):晶体的各向异性,各个方向的弹性模量不相同晶体的各向异性,各个方向的弹性模量不相同广义的胡克定律:广义的胡克定律:刚度矩阵刚度矩阵柔度矩阵
4、柔度矩阵对于均质各向异性弹性体,最一般的情况,弹性对于均质各向异性弹性体,最一般的情况,弹性系数有系数有36个,其中个,其中21个是独立的:个是独立的:Cij=Cji,Sij=Sji而晶体也存在对称性,所以在某几个方向上原子而晶体也存在对称性,所以在某几个方向上原子排列是相同的,所以系数将会进一步减少。排列是相同的,所以系数将会进一步减少。立方晶系,有立方晶系,有3个独立弹性系数;个独立弹性系数;六方晶系,有六方晶系,有5个独立弹性系数;个独立弹性系数;正交晶系,有正交晶系,有9个独立弹性系数;个独立弹性系数;三、体弹性模量三、体弹性模量K(压缩模量)(压缩模量)1、定义:应力与体积变化率之比
5、。、定义:应力与体积变化率之比。2、对模量的讨论:、对模量的讨论:(1 1)弹性模量代表了原子离开平衡位置的)弹性模量代表了原子离开平衡位置的难易程难易程度度,也表征了原子间的,也表征了原子间的相互作用相互作用。(2 2)对于晶体来说,也反应了不同方向原子(离)对于晶体来说,也反应了不同方向原子(离子)排列的子)排列的紧密程度紧密程度。(见表。(见表5.25.2)(3 3)材料特别是)材料特别是复合材料复合材料由于组织结构的各同异由于组织结构的各同异性也会导致不同方向模量的不同性也会导致不同方向模量的不同原子、离子间的相互作用力:原子、离子间的相互作用力:平衡位置平衡位置r0,系统的能量最低,
6、系统的能量最低受外力偏离平衡位置,有变形,产生引力或斥力,受外力偏离平衡位置,有变形,产生引力或斥力,能量升高能量升高当外力消失,原子将恢复到平衡位置,变形完全消当外力消失,原子将恢复到平衡位置,变形完全消失,能量下降失,能量下降5.1.2 弹性变形的本质弹性变形的本质5.1.3 弹性的不完整性弹性的不完整性理想的弹性体:理想的弹性体:理想的弹性体是不存在的,可能出现理想的弹性体是不存在的,可能出现加载线与加载线与卸载线不重合卸载线不重合、应变滞后于应力变化应变滞后于应力变化等弹性不等弹性不完整性。完整性。包括包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。
7、韧性等。一、包申格效应一、包申格效应 预先加载产生少量塑性变形(小于预先加载产生少量塑性变形(小于4)而后再而后再同向加载同向加载则则 e升高,但升高,但反向加载反向加载则则 e下降。下降。二、弹性后效二、弹性后效 在加载或卸载时,应变的弛豫过程现象。在加载或卸载时,应变的弛豫过程现象。在弹性极限在弹性极限 e范围内,应变滞后于外加应力,并和范围内,应变滞后于外加应力,并和时间有关的现象称为时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性弹性后效或滞弹性 三、弹性滞后三、弹性滞后 应变落后于应力,应变落后于应力,-曲线上曲线上加载线加载线与与卸载线不再是一条卸载线不再是一条直线,直线,而是形成一而是形成一封
8、闭回线封闭回线表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释表明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释放的变形功,多余的部分被材料内部所消耗,称之为放的变形功,多余的部分被材料内部所消耗,称之为内耗内耗,其大小即用弹性滞后环面积度量。其大小即用弹性滞后环面积度量。功功5.1.4 粘弹性(高分子材料)粘弹性(高分子材料)1、粘弹性:一些非晶或多晶体,在比较小的应力、粘弹性:一些非晶或多晶体,在比较小的应力时可以时可以同时表现出粘性和弹性同时表现出粘性和弹性。2、所谓粘性流动是指非晶态固体和液体在外力作、所谓粘性流动是指非晶态固体和液体在外力作用下便会发生用下便会发生没有确定形状的流变
9、没有确定形状的流变,并且在外,并且在外力去除后,力去除后,形变不能回复形变不能回复。3、粘弹性是高分子材料的重要力学状态、粘弹性是高分子材料的重要力学状态主链的内旋转,沿外力方向伸展;主链的内旋转,沿外力方向伸展;分子链之间发生相对滑移,产生粘性变形。分子链之间发生相对滑移,产生粘性变形。4、粘弹性的特点:、粘弹性的特点:应变落后于应力。应力应变落后于应力。应力-应变回线,存在内耗应变回线,存在内耗Maxwell适用于应力松弛适用于应力松弛Voigt蠕变回复、弹性后效和弹性记忆蠕变回复、弹性后效和弹性记忆5.2、晶体的塑性变形、晶体的塑性变形超过弹性极限后,开始屈服,出现塑性变形超过弹性极限后
10、,开始屈服,出现塑性变形多晶材料中的变形行为也与各个小晶料的变形有关系多晶材料中的变形行为也与各个小晶料的变形有关系5.2.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形常温及低温下,塑性变形方式:常温及低温下,塑性变形方式:滑移,孪生,扭折滑移,孪生,扭折。高温下的形变的方式:高温下的形变的方式:扩散,蠕变等扩散,蠕变等1、滑移、滑移 当应力达到当应力达到一定的大小一定的大小时,晶体中时,晶体中一定方向的一定方向的层片层片之间就会产生的之间就会产生的相对滑移相对滑移,大量的层片间滑动的累,大量的层片间滑动的累积,就成为宏观塑性变形。积,就成为宏观塑性变形。单晶锌变形后产生的单晶锌变形后产生的滑移带滑移
11、带(1)滑移线与滑移带)滑移线与滑移带 滑移只是集中发生在一些晶面上,而滑移带或滑滑移只是集中发生在一些晶面上,而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形,只是彼此之移线之间的晶体层片则未产生变形,只是彼此之间作相对位移而已间作相对位移而已(2)滑移系)滑移系塑性变形时位错只沿着塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动一定的晶面和晶向运动,这,这些晶面和晶向分别称为些晶面和晶向分别称为“滑移面滑移面”和和“滑移方向滑移方向”。一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个个滑移系滑移系。不同的晶体结构,其滑移面和滑移方向也不同。不同的晶体结构,其滑移
12、面和滑移方向也不同。同一晶体结构,也会有不同的滑移面和滑移方向。同一晶体结构,也会有不同的滑移面和滑移方向。思考:滑移面及滑移方向上的原子排思考:滑移面及滑移方向上的原子排布密度上有什么特征?布密度上有什么特征?1、面与面之间的结合力、面与面之间的结合力2、密排面和密排方向、密排面和密排方向面心立方晶体中的滑移面心立方晶体中的滑移111滑移面滑移面滑移方向滑移方向体心立方晶体中体心立方晶体中110滑移面滑移面112滑移面滑移面123滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。晶面和晶向。原子密度大面间距大点
13、阵阻力最小,因而原子密度大面间距大点阵阻力最小,因而容易沿着这些面发生滑移;容易沿着这些面发生滑移;至于滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排至于滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子间距最短,即位错方向上的原子间距最短,即位错b b最小。最小。体心立方滑移面有三组,原因是没有特别突出的密体心立方滑移面有三组,原因是没有特别突出的密排面。排面。六方密排,滑移方向一般为六方密排,滑移方向一般为110,而滑移面除,而滑移面除00010001之外还与其轴比之外还与其轴比(c/a)(c/a)有关,当有关,当c/a1.633c/a1.633时,时,密排面可能为密排面可能为10101 11
14、1或或10101 100等晶面等晶面(3)关于滑移系的讨论)关于滑移系的讨论l在其他条件相同时,晶体中的滑移系愈多,取向便愈多,在其他条件相同时,晶体中的滑移系愈多,取向便愈多,滑移容易进行,它的塑性便愈好。滑移容易进行,它的塑性便愈好。l面心立方晶体的滑移系共有面心立方晶体的滑移系共有11143=12l体心立方晶体,滑移系共有体心立方晶体,滑移系共有11062+112121+123241=48l密堆六方晶体的滑移系仅有密堆六方晶体的滑移系仅有(0001)1 3=3l由于滑移系数目太少,由于滑移系数目太少,hcp多晶体的塑性不如多晶体的塑性不如fcc或或bcc的的好。好。思考题思考题l今有纯今
15、有纯Ti,Al二种铸锭,试判断它们在室温二种铸锭,试判断它们在室温(20)轧制的难易顺序?)轧制的难易顺序?已知:已知:Ti熔点为熔点为1672 ,在,在883以下为以下为密排六方,在密排六方,在883 以上为面心立方;以上为面心立方;Al的的熔点为熔点为660,面心立方。,面心立方。外加应力外加应力两个两个角度角度位错的滑移是实现塑性变形的一种方式位错的滑移是实现塑性变形的一种方式l晶体什么时候开始屈服晶体什么时候开始屈服(开始有塑性形变开始有塑性形变)?有滑移系开动有滑移系开动!l这么多滑移系到底是哪个滑移?这么多滑移系到底是哪个滑移?看哪个先达到其临界分切应力看哪个先达到其临界分切应力此
16、时的此时的 应该称为屈服强度应该称为屈服强度外力方向、外力方向、法线、法线、滑移方向滑移方向不一定共面不一定共面cos cos:取向因子或施密特因子:取向因子或施密特因子 因子大:软取向因子大:软取向 因子小:硬取向因子小:硬取向当当=90时:时:滑移面平行于外力方向滑移面平行于外力方向当当=90时:时:滑移面垂直于外力方向滑移面垂直于外力方向不滑移不滑移当外力方向、法线、滑移方向共面当外力方向、法线、滑移方向共面,且且+=90,=45时,取向因子最大时,取向因子最大0.5滑移的临界分切应力的影响因素滑移的临界分切应力的影响因素l真实反映了单晶体的一个物理量真实反映了单晶体的一个物理量l大小大
17、小晶体结构(类型及缺陷)晶体结构(类型及缺陷)温度温度变形速度变形速度见表见表5.4对密排六方的单晶体拉伸对密排六方的单晶体拉伸l只有一个滑移面只有一个滑移面(0001),如果垂直或者平行,如果垂直或者平行此面进行拉伸,会不会产生滑移?此面进行拉伸,会不会产生滑移?不会不会所以对于单晶材料来说,拉伸试样的晶格取所以对于单晶材料来说,拉伸试样的晶格取向决定了其屈服强度向决定了其屈服强度!1、材料什么时候屈服?、材料什么时候屈服?有一滑移系达到临界分切应力有一滑移系达到临界分切应力2、取向因子与什么有关系?、取向因子与什么有关系?各滑移系各滑移系(滑移面及滑移方向滑移面及滑移方向)与与F的位置关系
18、的位置关系思考思考滑移时晶面的转动滑移时晶面的转动拉伸时旋转机制拉伸时旋转机制最大切应力最大切应力 滑移滑移 旋转旋转旋转效果:使滑移方向转旋转效果:使滑移方向转至最大切应力方向,从而至最大切应力方向,从而更容易滑移更容易滑移受压时的旋转受压时的旋转结果,使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直结果,使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直滑移面转动,滑移方向不断改变滑移面转动,滑移方向不断改变l滑移面上的分切应力也会发生变化。滑移面上的分切应力也会发生变化。l 越造近越造近45,越有利于滑移。反之,越有利于滑移。反之,不利于滑移。不利于滑移。多系滑移多系滑移l多个滑移系:在外力增加时,谁先达到临界值,多个滑
19、移系:在外力增加时,谁先达到临界值,谁先滑移;谁先滑移;l滑移过程中各滑移系上的分切应力会不断变化;滑移过程中各滑移系上的分切应力会不断变化;l一组不能滑移时,另一组滑移系有可能达到临界一组不能滑移时,另一组滑移系有可能达到临界值;值;l所以有可能两组或者更多组滑移面上所以有可能两组或者更多组滑移面上同时进行滑同时进行滑移,或交替进行移,或交替进行。l交滑移现象交滑移现象:两个或多个滑移面沿着共同的滑:两个或多个滑移面沿着共同的滑移方向同时或者交替滑移。移方向同时或者交替滑移。l强化机制强化机制:在多系滑移过程中,不同滑移系的:在多系滑移过程中,不同滑移系的位错相互交割,而使位错移动困难,从而
20、起到位错相互交割,而使位错移动困难,从而起到强化的作用。强化的作用。FCC结构中确定滑移系统结构中确定滑移系统镜像法则镜像法则l找到加载方向所在的取向三找到加载方向所在的取向三角形角形l根据位置确定先开始的滑移根据位置确定先开始的滑移系系Example:Given:BCC crystal having 110 slip system Determine active slip system in response to tensile loading along .Solve:Draw a standard projection.Label the loading direction in s
21、tandard projection.Determine the active S.S by Reflection Rule.a)locate inside the orientation triangle(),single slip.b)locate at the edge of the orientation triangle(),double(duplex)slip.c)locate at the corner of the orientation triangle,multiple slip.When the axis of load is in the edge or corner
22、of the orientation triangle,muli-slip occurs.F F1 1F F2 2F F3 3三角形内部三角形内部1 1个滑移系开动个滑移系开动三角形边界三角形边界2 2个滑移系开动个滑移系开动110110顶点上顶点上 4 4个滑移系开动个滑移系开动111111顶点上顶点上 6 6个滑移系开动个滑移系开动001001顶点上顶点上 8 8个滑移系开动个滑移系开动例:例:例:对一个例:对一个FCC单晶棒,沿单晶棒,沿215方方向拉伸,请确定哪个滑移系先开向拉伸,请确定哪个滑移系先开动。动。l首先:画出晶体的首先:画出晶体的(001)标准投影标准投影图,然后找到所在的
23、取向三角形图,然后找到所在的取向三角形101-111-001l按照镜像法则,按照镜像法则,FCC晶体的滑移晶体的滑移面应该是面应该是(111)的镜像的镜像(111),滑移,滑移方向应该是方向应该是101的镜像的镜像011。所。所以,滑移系以,滑移系(111)011先开动。先开动。滑移的位错机制滑移的位错机制 l滑移不是面与面之间做刚性运动,而是通过滑移不是面与面之间做刚性运动,而是通过位错的移动位错的移动逐步进行的。逐步进行的。l一个位错移动到表面,会产生一个一个位错移动到表面,会产生一个b的滑移,的滑移,大量的位错移动到表面就会产生宏观的塑性大量的位错移动到表面就会产生宏观的塑性变形。变形。
24、l位错运动是有阻力的,所以滑移的容易与否,位错运动是有阻力的,所以滑移的容易与否,与位错滑移的阻力有很大的关系。与位错滑移的阻力有很大的关系。l派派-纳纳(P-N)力力位错滑移要克服点阵周期性阻力位错滑移要克服点阵周期性阻力与与d和和b之间的关系之间的关系l讨论一下讨论一下P-N力力与与d和和b的关系的关系d大,大,b小,力小,容易滑移小,力小,容易滑移而而d大的面,是密排面,大的面,是密排面,d小是密排方向小是密排方向这也解释了为什么滑移面是密排面,滑移方向是密这也解释了为什么滑移面是密排面,滑移方向是密排方向排方向l位错的运动不是整齐划一地前进,而是有前位错的运动不是整齐划一地前进,而是有
25、前有后,存在扭折现象。有后,存在扭折现象。l可以进一步降低滑移所需的应力。可以进一步降低滑移所需的应力。l所有阻碍位错运动的因素,都会所有阻碍位错运动的因素,都会导致导致强化强化位错应力场之间的相互作用位错应力场之间的相互作用位错交割后产生的扭折和割阶位错交割后产生的扭折和割阶位错运动过程中,与晶界和第二相质点的位错运动过程中,与晶界和第二相质点的相互作用相互作用2、孪生、孪生l常作为滑移的救星常作为滑移的救星a、孪生变形过程、孪生变形过程一系列一系列(111)沿沿111按按abcabc堆垛堆垛(110)上的原子排布上的原子排布(111)112变形与未变形两部分晶体合称为变形与未变形两部分晶体
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- 材料科学 基础 第五 材料 形变 再结晶
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