第八章材料的形變

1、第八章材料的形變 彈性模量反應(yīng)原子間的結(jié)合力，是組織結(jié)構(gòu)的不敏感參數(shù) 彈性變形量隨材料的不同而異 工程上，彈性模量是材料剛度的度量，表征材料抵抗彈性變形的能力8.2 單晶體的塑性變形（Plastic deformation of single crystalline） 塑性變形(plastic deformation)：當(dāng)應(yīng)力超過 彈性極限，材料發(fā)生的不可逆的永久變形 單晶體的塑性變形主要 通過滑移方式進(jìn)行，此 外尚有孿生和扭折1 滑移（slip)1）滑移線與滑移帶(slip lines and slip bands)當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限時(shí)，晶體中會(huì)產(chǎn)生層片之間的相對(duì)滑移，這些滑移的累計(jì)構(gòu)成晶體

2、的塑性變形宏觀上，材料的表面可見一條條細(xì)線（滑移線）微觀上，可見一系列相互平行的更細(xì)的線-滑移線；一組滑移線構(gòu)成滑移帶；滑移只是集中在一些晶面上2）滑移系(slip systems) 塑性變形時(shí)，滑移線與滑移帶的排列不是任意的， 材料的滑移只能沿一定的晶面或一定的晶向進(jìn)行， 這些晶面和晶向就稱為滑移面和滑移方向 滑移面和滑移方向一般是原子排列的密排面和密排方向， 因其面間距最大，點(diǎn)陣阻力小。 每一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向合起來構(gòu)成一個(gè)滑移系 一般，材料中的滑移系越多，滑移過程中可能采取的空間取向越多， 滑移容易進(jìn)行，塑性好。 面心立方(fcc)：11143 = 12個(gè) 體心立方(bcc)

3、：11062 +112121 +123241 = 48個(gè) 密排六方(hcp)：（0001）13 = 3個(gè)， 其塑性比面心立方和體心立方差3）滑移的臨界分切應(yīng)力 (critical resolved shear stress of slip)coscoscos/cosAFAF coscos稱為取向因子 或施密特因子（Schmid factor）crsscrssy2)cos(cosmax 設(shè)圓柱形單晶體的截面積A，軸向拉力F， 滑移面法線與軸向拉力F的夾角， 滑移方向與外力的夾角， 則外力在滑移面沿滑移方向的分切應(yīng)力： 當(dāng)外力作用在某一滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到 一定臨界值時(shí)，滑移系開始滑移，該分切應(yīng)

4、 力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力 當(dāng)=45時(shí)，取向因子最大， 可用最小的拉力開始滑移crss為滑移的臨界分切應(yīng)力，它是一個(gè)反映單晶體受力起始屈服的物理量crsscrssy2)cos(cosmax4）滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)(rotation) 滑移過程中，晶體要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從 而導(dǎo)致晶體的空間取向發(fā)生變化。 壓縮時(shí)，轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸垂直的方向Tensile 拉伸時(shí)使滑移方向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸 平行的方向Compressive5）多滑移(multiple slip) 對(duì)于有多組滑移系的晶體，滑移首先在取向最有利的滑移系中進(jìn)行， 隨著變形時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)，另外的滑移系逐漸轉(zhuǎn)到對(duì)滑移有利的取向， 從而使滑移過程沿著兩個(gè)或多個(gè)

5、滑移系交替進(jìn)行或同時(shí)進(jìn)行， 這種滑移過程稱為多滑移，也稱多系滑移、復(fù)滑移例：fcc中001為拉伸軸，有多個(gè)滑移系具有相同的Schmid因子， 可同時(shí)或交替動(dòng)作。 2 孿生(twinning) 2）孿生的特點(diǎn)1）孿生(twinning)： 晶體在切應(yīng)力作用下沿著一定的晶面 (孿晶面, twin plane) 和一定的晶向 (孿晶方向, twin direction)，在一個(gè)區(qū) 域內(nèi)發(fā)生均勻的切變； 這樣的切變并未使晶體的結(jié)構(gòu)變化， 但確使均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生 變化，且變形與未變性區(qū)呈鏡面對(duì)稱 孿生變性是在切應(yīng)力下發(fā)生， 臨界應(yīng)力大于滑移所需的應(yīng)力； 孿生是一種均勻切變； 孿晶的兩部分晶體呈

6、鏡面對(duì)稱；3 扭折(kink, 不常見) 4) 孿晶(twin)的形成 變形孿晶（機(jī)械孿晶, deformation twins） 生長(zhǎng)孿晶：氣相沉積、凝固等 退火孿晶(annealing twins，可歸屬于生長(zhǎng)孿晶3) 滑移與孿生的對(duì)比 主要發(fā)生在滑移和孿生 都不能發(fā)生的地方 變形區(qū)域稱為扭折帶， 扭折區(qū)的晶體取向發(fā) 生不對(duì)稱性的變化4 單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 典型的單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1) 易滑移階段： 通常只有一個(gè)滑移系進(jìn)行滑移2) 線性硬化階段： 第二滑移系開動(dòng)，滑移線交割， 滑移障礙增加3) 拋物線階段： 一些障礙被越過，產(chǎn)生交滑移等 三種典型晶體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 塑性變形的

7、三個(gè)階段 軟取向 bcc、fcc有典型的三階段， hcp只有兩個(gè)階段 8.3 晶體滑移的位錯(cuò)機(jī)制（Plastic deformation of single crystalline）2exp2)1 (2exp2bWGbdGNPd為晶面間距、W為位錯(cuò)寬度、b為柏氏矢量2 位錯(cuò)增殖機(jī)制(generation mechanism)1 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力： 派派納力（納力（Peierls-Nabarro forcePeierls-Nabarro force，P-N forceP-N force） 對(duì)簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)： P-N =2x10-4 G， 接近實(shí)測(cè)分切應(yīng)力 弗蘭克弗蘭克瑞德源瑞德源（Frank-Rea

8、d source, F-RFrank-Read source, F-R源）源）3 位錯(cuò)的交割圖（石）（位錯(cuò)的反應(yīng)）4 交滑移的位錯(cuò)機(jī)制(cross slip)5 刃型位錯(cuò)的攀移(climb) 刃型位錯(cuò)的攀移即多余半原子面通過 空位擴(kuò)散而擴(kuò)大或縮小 正攀移圖解 交滑移對(duì)材料的塑性影響大，交滑移容易的 材料，塑性好。 交滑移與材料的層錯(cuò)能有關(guān)(stacking fault)， 層錯(cuò)能低，交滑移困難， 層錯(cuò)能高，交滑移容易 刃型位錯(cuò)只有一個(gè)滑動(dòng)面，不產(chǎn)生交滑移 交滑移是螺型位錯(cuò)在不改變滑移方向的情況下 轉(zhuǎn)變滑移面的過程，它增加了滑移的靈活性 8.4 多晶體的塑性變形（Plastic deformat

9、ion of polycrystalline）1 多晶體塑性變形的特點(diǎn)1) 多晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 存在晶界、相鄰晶粒之間取向不同2) 塑性變形的特點(diǎn)：(1) 各相鄰晶粒的變形相互協(xié)調(diào)和配合 每個(gè)晶粒不只是在取向最有利的單滑移系上滑移， 而必須在幾個(gè)滑移系上滑移，其中有些滑移系不 一定取向最有利 多晶體塑性變形時(shí)要求每個(gè)晶粒至少能在5個(gè)獨(dú)立 的滑移系上滑移，多晶體的塑性變形是通過各晶 粒的多系滑移來保證相互間的協(xié)調(diào)。 體心立方和面心立方有較多的滑移系，多晶體有較好的塑性， 密排六方滑移系少，晶粒間協(xié)調(diào)性差，塑性變形能力低 (2) 晶界對(duì)形變過程的阻礙作用210Kds0：為一常數(shù)， 大體等于單晶體的

10、屈服強(qiáng)度，2) 塑性變形的特點(diǎn)(cont)： 位錯(cuò)不能越過晶界進(jìn)入相鄰的晶 粒，在晶界處塞積 晶界的作用與晶界的數(shù)量相關(guān)， 而這直接取決于晶粒的大小K：表征晶界對(duì)強(qiáng)度影響的程度 霍爾佩奇公式 （Hall-Petch equation） 多晶體的屈服強(qiáng)度與晶粒平均 直徑的關(guān)系： 2 多晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拋物線線性硬化拋物線 第一階段，變形有少數(shù)晶粒逐漸擴(kuò)展到全部晶粒 第二階段與第三階段與單晶體類似8.5 合金的塑性變形（Plastic deformation of alloys）1) 合金塑性變形的基本過程仍然是滑移和孿生 2) 合金的組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其塑性變形 的特點(diǎn) (1) 合金為單

11、相合金時(shí)， 固溶體，Cu-Ni (2) 合金為復(fù)相合金時(shí) 聚合型合金： 第二相的尺寸與基體相相近， Pb-Sn1 基本特點(diǎn) 分散分布型 (dispersion distribution)： 第二相非常細(xì)小且分散分布， Fe-Fe3C、Sn-Ag3Sn 2 固溶體的塑性變形(plastic deformation of solid solution) 1) 固溶強(qiáng)化(solid-solution strengthening)： 溶質(zhì)原子的加入引起點(diǎn)陣畸變，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力， 增大了晶體滑移阻力 2) 宏觀表現(xiàn)固溶體的屈服強(qiáng)度高于純?nèi)軇┑?3) 影響固溶強(qiáng)化效果的因素 溶質(zhì)濃度： 溶質(zhì)濃度增加

12、，效果大 固溶體類型： 間隙型大于置換型 溶質(zhì)溶劑原子尺寸差（置換型）： 尺寸差越大，效果好 溶質(zhì)溶劑原子價(jià)電子數(shù)差（置換型）： 差別越大，效果好 3 復(fù)相合金的塑性變形1）聚合型合金（1）兩相都為塑性相，Pb-Sn等應(yīng)變理論：a = f11 + f22等應(yīng)力理論：a = f11 + f22（2）兩相中一個(gè)為塑性相，另一個(gè)為脆性相 合金變形的阻力不僅取決于兩相的體積分?jǐn)?shù)， 而且還與形狀、大小和分布有關(guān) 合金變形的阻力取決于兩相的 體積分?jǐn)?shù)，可用機(jī)械混合法則2）分散分布型(dispersion distribution) 位錯(cuò)切過粒子，粒子產(chǎn)生新的表面積，使總的表面積升高； 產(chǎn)生新的割階，產(chǎn)生應(yīng)

13、力場(chǎng)等，給位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)帶來困難； 彌散細(xì)小分布的第二相分布在基體相中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用（1）第二相粒子為可變形顆粒時(shí) 位錯(cuò)將切過粒子使之隨同基體一起變形* 強(qiáng)化機(jī)理主要有： （2）第二相不能變形 可變形顆粒增大，與基體非共格位錯(cuò)繞過機(jī)制（奧羅萬機(jī)制，Orowan mechanism） = Gb/LL：粒子間距；G：切變模量；b：柏氏矢量 第二相越小，越均勻，硬度越高，強(qiáng)化效果越好，且不影響塑性條件： 第二相硬、脆， 2）分散分布型(cont)* 強(qiáng)化機(jī)理： 4 鐵、碳合金的舉例 1) 固溶強(qiáng)化 平衡固溶，C0.0218%，效果不大馬氏體，過飽和固溶體，效果顯著（馬氏體強(qiáng)化，位錯(cuò)強(qiáng)化） 2)

14、 第二相強(qiáng)化 片狀滲碳體 索氏體 屈氏體彌散滲碳體 回火索氏體 回火屈氏體 3) 細(xì)晶強(qiáng)化 亞微米鋼亞結(jié)構(gòu) 5 低碳鋼的屈服和應(yīng)變時(shí)效 (yielding and strain aging) 1) 低碳鋼的屈服現(xiàn)象和呂德斯帶 屈服現(xiàn)象(yielding)： 上下屈服點(diǎn)及屈服平臺(tái) 呂德斯帶（Lders band）： 應(yīng)力超過屈服極限時(shí)，在試樣 表面產(chǎn)生一個(gè)與拉伸軸成45度 的變形帶。它與滑移帶不同， 是許多晶粒協(xié)調(diào)變形的結(jié)果。 屈服現(xiàn)象的原因： (1) 柯氏氣團(tuán)（Cottrell atmosphere）： 位錯(cuò)釘扎(anchoring of dislocation) (2) 位錯(cuò)增殖：剛開始位錯(cuò)

15、少，位錯(cuò)增殖快， 到一定程度后流變應(yīng)力降低2) 應(yīng)變時(shí)效(strain aging) 退火狀態(tài)的試樣拉伸超過屈服點(diǎn)卸載馬上再加載，不發(fā)生屈服現(xiàn)象放置一段時(shí)間后再加載，屈服現(xiàn)象重新出現(xiàn) 機(jī)理：柯氏氣團(tuán)解釋 (Cottrell atmosphere) 8.6 塑性變形對(duì)材料組織與性能的影響1 顯微組織的變化 晶粒沿形變方向被拉長(zhǎng) 纖維狀 夾雜物和第二相： 塑性好的被拉長(zhǎng)， 塑性差的破裂 亞結(jié)構(gòu)(sub-structure)： 晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度(dislocation density)增加， 位錯(cuò)纏結(jié)(dislocation tangle)， 位錯(cuò)胞狀亞結(jié)構(gòu) 形變亞晶 (deformation su

16、bstructure)2 形變織構(gòu)(deformation texture)2) 成因：塑性變形中，隨著變形程度的增加， 各晶?；品较蛳蛑髯冃畏较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，使多 晶體的各晶粒最終在空間位向上呈現(xiàn)一定 程度的一致現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向 (preferred orientation)，這種組織狀態(tài) 稱為形變織構(gòu)(deformation texture) 絲織構(gòu)(fiber texture)： 某一晶向大致與拔絲方向一致； 板織構(gòu)(sheet texture)： 某一晶面與軋制面平行，某一晶向與 軋制時(shí)的主變形方向一致。 形變織構(gòu)造成多晶體呈現(xiàn)各向異性， 可以利用于磁性材料中，降低磁損， 但也造成冷變形件的制耳(ears)。1) 形變織構(gòu)：是多晶體材料（金屬）由于 形變而形成的各晶粒具有擇優(yōu)取向的組織 2 性能的變化 加工硬化(work hardening, strain hardening)： （金屬）材料冷加工變形后，強(qiáng)度（硬度）顯著提高，塑性 下降的現(xiàn)象。是一種重要的金屬?gòu)?qiáng)化方式。 也稱冷作硬化(cold working) 電阻率升高，抗腐蝕性下降，等等 4 殘余應(yīng)力(r