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,郭开元 电话:17779142123 邮箱:Guokaiyuan136163.com,材料科学基础,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,1,绪论 第一章 原子结构与键合 第二章 固体结构 第三章 晶体缺陷 第四章 固体中原子及分子的运动 第五章 材料的形变与再结晶 第六章 单组元相图及纯晶体的凝固 第七章 二元相图及其合金的凝固,材料科学基础,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,2,第五章 材料的形变与再结晶,本章主要内容:,5.1 弹性和粘弹性 5.2 晶体的塑性变形 5.3 回复和再结晶 5.4 热变形与动态回复、再结晶 以下略 5.5 陶瓷材料的变形 5.6 高分子聚合物的变形,塑性变形的机制,对材料组织与性能的影响,回复、再结晶机制与动力学,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,3,弹性的不完整性(略) 单晶的塑性变形:滑移、扭折、孪生的概念 滑移面和滑移方向、滑移系 滑移的位错机制:点阵阻力-派-纳力 多晶体的塑性变形:Hall-Petch公式 合金的塑性变形:形变强化、固溶强化和弥散强化 材料的不同强化方式的强化机制 塑性变形对材料组织与性能的影响 回复与再结晶过程中组织与性能的改变 再结晶形核机制、再结晶晶粒长大机制- 再结晶动力学计算 再结晶温度及其影响因素,【本章重要概念】,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,4,冷变形(Tm),热变性(Tm),按塑性变形温度分,体积成型(锻造、轧制、挤压、拉拔等) 板料成型(冲裁、弯曲、拉延等),塑性变形 (固态成型),塑性变形分类:,塑性变形在金属的锻、轧、拉、挤加工过程中有重要作用。,材料的塑性变形,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,5,锻、轧、拉、 挤,体积成型:,锻造,轧制,拉拔,挤压,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,6,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,7,低碳钢的拉伸试验 e弹性极限 s屈服强度 b抗拉强度 弹性变形: 具有可逆性,外力去除后可完全恢复 塑性变形:不可逆,弹性变形(elastic deformation),塑性变形(plastic deformation),外力 材料,完整的塑性变形过程,外形尺寸变化,内部组织、性能变化,塑性变形导致,这种状态自由焓较高,不稳定,加热后发生回复与再结晶,r=r0 原子处于平衡位置 位能 U 为 Umin 最稳定 F=0 r r0 即偏离其平衡位置 F引力 斥力 力图使原子恢复其原来的平衡位置,5.1.1 弹性的本质 可从原子间结合力的角度来了解之。无外力作用时,原子间结合能和结合力是原子间距的函数。, 5.1 弹性和粘弹性(高分子),弹性变形是塑性变形之前必经历的过程,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,8,5.1.2 弹性变形的特征 (1)理想的弹性变形是可逆变形; (2)在弹性变形范围内,应力-应变关系服从胡克(Hooke)定律: 正应力下 = E 切应力下 = G 各向异性弹性体的应力应变关系,即广义虎克定律可用矩阵表示。 (3)弹性变形量随材料的不同而异。,E-杨氏弹性模量 G-剪切模量 -泊松比,G = E/2(1+),不同材料的弹、塑性性能差异很大;如金属、陶瓷、高分子,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,9,弹性模量 E (Elastic modulus) 表征晶体中原子间结合力强弱的物理量, 反映原子间的结合力。合金化影响小。 共价键(E金刚石) 金属键高分子-分子键。 对单晶体而言,弹性模量是各向异性的:单晶体沿原子最密排的晶向 Emax ,沿原子最疏的晶向Emin。多晶体因晶粒任意取向,总体呈各向同性。 工程上E是材料刚度的度量。,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,10,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,11, 5.2 晶体的塑性变形,本节内容包括: 1.单晶体的塑性变形 2. 多晶体的塑性变形 3.合金的塑性变形 4.塑性变形对材料组织与性能的影响,当应力超过弹性极限,材料发生塑性变形,产生不可逆的永久变形。其本质与弹性变形相比更为复杂。 具体分析:单晶体多晶体,5.2.1 单晶体(Single Crystal)的塑性变形,滑移 Slip,孪生 Twinning,晶界滑动 Grain boundary Sliding,扩散性蠕变 Diffusional Creep,高温情况下,扭折 kink,塑性变形方式,多晶体的晶粒内,由位错运动方式决定,多晶体的晶粒之间,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,12,一、滑移(Slip),a. 现象-滑移线与滑移带,单晶体的拉伸试验,塑性变形的不均匀性特征:滑移只沿一定的晶面、一定晶向进行,纯铁金相组织中的滑移线,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,13,b. 滑移的晶体学特征-滑移系,原因是:,1、原子密度最大的晶面上面间距最大、点阵阻力最小。,2、最密排方向上的原子间距最短。-位错运动克服的阻力最小。,滑移系:由晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成, 构成了滑移的空间取向。 表5.3 常见金属的滑移面与方向,滑移的特征:通常滑移面和滑移方向总是晶体中原子密度最大的面和方向,P-N力,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,14,晶体结构不同,滑移系的数目不同 fcc:111 有四组,而每个(111)面上共有三个110, 共有4312个滑移系,hcp:1个(0001)面, 3个方向 共有133个滑移系,bcc: 110面共有6组, 每个110上有2个方向 112面共有12组, 每个112 1个方向 123面共有24组, 每个123 1个方向 共有6212124148个滑移系,一般滑移系愈多,滑移过程中可能采取的空间取向也就愈多,这种材料的塑性就愈好。,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,15,c. 滑移所需临界分切应力 确定滑移面和方向 Critical(resolved)shear stress,圆柱形试样单向拉伸情况下,作用在滑移面上沿滑移方向的切应力:,其中,作用在横断面上的拉伸应力,取向因子,A1=,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,16,晶体滑移 必须使t tc,临界分切应力:,tc决定了位错滑移的难易程度 tc :取决晶体中原子间的结合力,即与晶体类型、纯度(杂质)、温度以及变形速度有关,与外力无关。见表5.4,其中s-起始屈服强度,由取向因子决定,图5.9 P175: 当90或90 时,s 晶体不能产生滑移 只有当 45 时,smin 首先发生滑移 2tc,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,17,d. 滑移时晶面的转动,滑移面上发生相对位移,晶面转动,空间取向发生变化,晶体滑移,拉伸时,使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行,压缩时,使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴垂直,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,18,转动的原因,两对力偶:,上下两滑移面的法向分应力 在该力偶作用下,使滑移面转至轴向平行,垂直于滑移方向的分切应力 在该力偶作用下,使滑移方向转到最大分切应力方向,平行滑移方向、真正引起滑移的有效分切应力,作用于滑移面的最大分切应力,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,19,形变过程: 晶体滑移晶体转动位向变化取向因子变化 分切应力值变化,e. 多系滑移 Multiple slip,多系滑移: 外力下,滑移首先会发生在分切应力最大、且t tc的滑移系原始滑移系上。 但由于伴随晶体转动空间位向变化另一组原取向不利;滑移系逐渐转向比较有利的取向,从而开始滑移,形成两组(或多组)滑移系同时进行或交替进行,称为多系滑移。,名词解释,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,20,f. 滑移的位错机制,第3章提到:与实测值(约为110MPa)之间相差34个数量级。 根据刚性位移模型,理论剪切强度 (G一般为104105MPa) 修正后的理论剪切强度=G/30, 仍然偏大。,因为位错运动时,只要附近少数原子移动很小的距离(小于一个原子间距),因此所需的应力要比晶体作整体刚性位移时小得多。这样,借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。,位错概念引入解决这一矛盾:,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,21,P178 图5.13 位错中心能量的周期性变化 1、位错运动首先遇到点阵阻力派.纳力(P-N force):,对于简单立方d=b,=0.35, 得到P-N=210-4G,远小于理论剪切强度G/30. 说明位错的滑移容易进行 P-N力与晶体结构和原子间作用力有关。从上式可知滑移面间距d、滑移方向原子间距b,则 ,因此:,晶体的滑移通常发生在原子最密集的晶面并沿着最密集的晶向进行。,2、除点阵阻力外,位错与点缺陷、其他位错、晶界(多晶体)、第二相质点(合金)等交互作用,对位错的滑移运动均会产生阻力,导致晶体强化。,(5.10),2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,22,综上所述,滑移变形的基本特点: 滑移实质是位错沿滑移面的运动过程 滑移变形系不均匀的切变,它只集中在某些晶面上; 沿着一定的晶面和晶向进行,滑移系较多的材料一般具有较好塑性;(fcc) 滑移条件:在切应力作用下,且t tc; 滑移同时,滑移面和滑移方向将发生转动;,(略),2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,23,二、孪生Twin,金相观察:纯镁、纯锌中的形变孪晶,孪生变形的难易程度:和对称性、滑移系数量有关。HCPBCCFCC, FCC极低温下也会孪生- 图5.18 铜单晶拉伸曲线(4.2K),孪生的定义:滑移系较少的晶体(如hcp的 Mg,Zn,Ge),或滑移系较多的晶体在低温下,或当滑移受阻时的一种变形方式。,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,24,a. 孪生变形过程 P180 图5.16 孪晶 孪晶界 孪晶面孪晶界 孪生方向 b. 孪生的特点(简答),临界切应力 大于滑移的c 均匀切应变 孪生是在切应力作用下沿特定的晶面与晶向产生的均匀切变。孪晶区的原子同时移动,同一层原子移动距离相同。 镜面对称位向关系,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,25,形核(难):孪生临界切应力比滑移的大得多,只有在滑移很难进行的条件下才会发生。例如,Mg孪生所需tc=4.934.3MPa,而滑移时tc仅为0.49MPa。 长大(易):例如,Zn单晶形核-0.1G,长大 -0.001G。 萌生之初,能量大量积累孪晶的长大速度极快(与冲击波的速度相当),有相当数量的能量被释放出来。,c. 孪晶的形成方式,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,26,d. 孪生变形的意义: 通过单纯孪生直接达到的变形量是极为有限的。如Zn单晶,孪生只能获得7.27.4伸长率,远小于滑移所作的贡献。 孪生变形改变了晶体的位向,从而可使晶体处于更有利于发生滑移的位置,激发进一步的滑移,获得很大变形量,故间接贡献却很大。,2019年5月3日星期五,材料科学基础CAI课件-郭开元,27,纳米孪晶纯铜 孪晶强化、超塑性:拉伸强度
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