材料的變形課件

第4章材料的塑性變形許多零件（結(jié)構(gòu)）在制造或使用過(guò)程當(dāng)中都要承受外力或負(fù)載的作用，如鋁制飛機(jī)的機(jī)翼，陶瓷制成的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，聚合物基復(fù)合材料制成的飛機(jī)蒙皮。材料在受力后，發(fā)生彈性變形、塑性變形甚至斷裂，因而要求一定的力學(xué)性能本章在介紹變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，探討影響材料力學(xué)性能的微觀機(jī)制。4.1彈性變形和塑性變形在外力作用下，材料會(huì)發(fā)生變形變形包括彈性變形和塑性變形當(dāng)外力達(dá)到一定程度，超過(guò)原子間的作用力，發(fā)生斷裂彈性變形的特點(diǎn)可逆性，去除外力變形恢復(fù)（立即或逐漸）變形量小，<1%(普彈性）應(yīng)力-應(yīng)變大致服從虎克定律彈性模量對(duì)組織不敏感，各向異性（2）塑性變形塑性變形是外力去除后不能恢復(fù)的永久變形。永久變形源于原子發(fā)生了有秩序的永久位移，原子已經(jīng)到達(dá)新的平衡位置，因而在外力去除后不能恢復(fù)。塑性變形量可以很大，如塑性加工應(yīng)力與變形正應(yīng)力分量只能引起彈性變形和斷裂切應(yīng)力分量才是引起塑性變形的動(dòng)力。4.2單晶體的塑性變形塑性變形的微觀機(jī)制主要有滑移、孿生等?；剖亲钇毡榈淖冃螜C(jī)制，孿生只在滑移不易進(jìn)行的時(shí)候才發(fā)生，如低溫快速變形，多晶hcp晶體變形等。

晶界滑動(dòng)、擴(kuò)散性蠕變是多晶體在高溫變形時(shí)的主要機(jī)制(室溫下不發(fā)生)。4.2.1滑移滑移現(xiàn)象滑移系-滑移幾何學(xué)臨界分切應(yīng)力滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)多滑移和交滑移（1）滑移現(xiàn)象

滑移帶拋光金屬單晶樣品在拉伸變形后，表面發(fā)現(xiàn)平行線條，稱為滑移帶滑移模型滑移是以一定晶面為界晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著（界面）晶面上的一定方向發(fā)生平移滑動(dòng)滑移是金屬塑性變形的基本形式滑移后不改變晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性（結(jié)構(gòu)與方向）。（2）滑移系實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)滑移線不是任意排列的，而是相互平行（或互成一定角度），說(shuō)明滑移是沿著特定的晶面和晶向進(jìn)行的滑移面和面上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系(slipsystem)?；葡等Q于晶體結(jié)構(gòu)。由于晶體中滑移阻力(Peierls-Nabarro力）是各向異性的，晶體容易滑移的晶面（簡(jiǎn)稱滑移面）和易滑移方向（簡(jiǎn)稱滑移方向）是相對(duì)固定的。常見(jiàn)的滑移系金屬（尤其是多晶體）的塑性與滑移系數(shù)量有關(guān)Hcp的塑性不如bcc和fcc;金屬的塑性還與滑移面原子密排程度及滑移方向數(shù)目等因素有關(guān)，Bcc結(jié)構(gòu)金屬的塑性不如fcc金屬的強(qiáng)度、塑性與溫度有關(guān)。(3)臨界分切應(yīng)力切應(yīng)力較小時(shí),只發(fā)生彈性變形由于存在晶格阻力，只有當(dāng)作用于滑移面上沿著滑移方向的分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，晶體才開(kāi)始滑動(dòng)-塑性變形。這一應(yīng)力對(duì)應(yīng)于外界應(yīng)力－屈服極限。臨界分切應(yīng)力是材料特性參數(shù)，與金屬種類、晶體結(jié)構(gòu)、純度、溫度等有關(guān)。一些金屬的臨界分切應(yīng)力Ｍｇ晶體的屈服應(yīng)力與取向臨界分切應(yīng)力是材料常數(shù)，與滑移系位向無(wú)關(guān)；屈服應(yīng)力與滑移系方向有關(guān)；軟取向：有些滑移系與外力的取向接近45o角，處于易滑移的位向，σs較小，稱為“軟取向”。硬取向：有些滑移系與外力取向偏離45o很遠(yuǎn)，σs較大，稱為硬取向。(4)滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)拉伸時(shí)，滑移方向及滑移面逐漸趨向于與外力方向平行；壓縮時(shí)，晶面轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果是使滑移面逐漸趨于與壓力軸線垂直。發(fā)生多滑移時(shí)會(huì)出現(xiàn)幾組交叉的滑移帶，發(fā)生交滑移時(shí)，表現(xiàn)為波紋狀滑移帶。孿晶孿生變形孿生是塑性變形的一種方式。變形后原來(lái)的單晶體形成鏡像對(duì)稱關(guān)系的一對(duì)晶粒－孿晶。(1)孿生變形的特點(diǎn)與滑移相似,孿生沿著特定的晶面、晶向變形孿生部分晶體的取向改變，滑移時(shí)晶體取向不變孿生是部分晶體的均勻切變，滑移是不均勻切變孿生部分原子位移正比于該層原子距離孿生面的距離，相鄰原子面滑移量<原子間距孿生變形的特點(diǎn)孿生時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線鋸齒狀。孿生分為形核、長(zhǎng)大兩階段形核，阻力大，~0.1G,長(zhǎng)大，10-4G孿生需要很大的驅(qū)動(dòng)力。(1)孿晶出現(xiàn)的頻率和尺寸取決于晶體結(jié)構(gòu)和層錯(cuò)能的大小。(2)由于厚度限制，由孿生提供的形變量是很小的，特別是在六方結(jié)構(gòu)晶體中。(3)孿生可以改變晶體的方位，使某些滑移系處于有利位向，有利于滑移。

滑移孿生相同點(diǎn)沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；不改變結(jié)構(gòu)。不同點(diǎn)

晶體位向不改變（對(duì)拋光面觀察無(wú)重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對(duì)稱關(guān)系（對(duì)拋光面觀察有重現(xiàn)性）位移量滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對(duì)塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時(shí)發(fā)生變形機(jī)制全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果(2)孿生幾何學(xué)孿生是兩部分晶體在一定的晶面（孿生面）沿著一定方向（孿生方向）相互移動(dòng)而發(fā)生的孿生面和孿生方向與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，如Bcc:{112}<111>Fcc:{111}<112>Hcp:主要在{1012}<1011>孿生要素第一、二不畸變面K1、K2孿生方向η1；η2切變平面：垂直于K1并包含η1方向的平面。一些合金的孿生要素（3）孿生機(jī)制孿生時(shí)，整個(gè)孿晶區(qū)發(fā)生均勻切變；各層原子相對(duì)位移可借助不全位錯(cuò)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)例如fcc結(jié)構(gòu)，孿生面(111)，孿生方向[112],位移矢量實(shí)質(zhì)就是一個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)的移動(dòng)。4.3晶體滑移的位錯(cuò)機(jī)制

4.3.1位錯(cuò)與晶體滑移晶體滑移是位錯(cuò)滑移的結(jié)果理論與實(shí)驗(yàn)都證明，滑移不是兩部分晶體的剛性滑動(dòng)，而是借助于滑移面上位錯(cuò)的滑移實(shí)現(xiàn)的?；频奈诲e(cuò)機(jī)制位錯(cuò)的柏氏矢量就是晶體的滑移方向，位錯(cuò)線的位置是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界。刃型位錯(cuò)的滑移面是唯一的，由ｂ與位錯(cuò)線共同決定；螺型位錯(cuò)的滑移面不是唯一的，是包含ｂ的某個(gè)晶面。晶體的（易）滑移面為密排面可動(dòng)位錯(cuò)與固定位錯(cuò)如果位錯(cuò)的滑移面是晶體的易滑移面，稱為可動(dòng)位錯(cuò)；如果位錯(cuò)的滑移面不是晶體的易滑移面，稱為固定位錯(cuò)。如fcc中的Frank不全位錯(cuò)，滑移面垂直于{111}，因而為固定位錯(cuò)。4.3.2位錯(cuò)增殖滑移時(shí)位錯(cuò)移出晶體，隨著變形進(jìn)行，晶體中的位錯(cuò)密度如何變化？實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)變形后晶體中位錯(cuò)的密度顯著提高說(shuō)明位錯(cuò)滑移時(shí)伴隨位錯(cuò)的增殖過(guò)程位錯(cuò)增殖機(jī)制很多，如Ｆ－Ｒ源，Ｌ源、雙交滑移等Frank-Read源AB兩端固定的一段位錯(cuò)線；在均勻切應(yīng)力作用下；單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線受力位錯(cuò)線各點(diǎn)線速度相等，將會(huì)發(fā)生彎曲。反號(hào)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向相反，相遇時(shí)抵消4.3.3多滑移與交滑移如果處于不同滑移系的幾個(gè)位錯(cuò)受到的分切應(yīng)力同時(shí)達(dá)到臨界值，就可以發(fā)生多系滑移。對(duì)于螺型位錯(cuò)，如果滑移受到阻力，可以改變滑移面，稱為交滑移。只有螺型位錯(cuò)才能交滑移，交滑移前后滑移方向（柏氏矢量）不變。雙交滑移也可以成為一種位錯(cuò)源；只有純螺型位錯(cuò)才能交滑移；例如，由于位錯(cuò)反應(yīng)單位螺位錯(cuò)成為擴(kuò)展位錯(cuò)，則只能在層錯(cuò)面上滑移。但是，如果外力較大，可能重新束集成為單位螺位錯(cuò)，就可以交滑移。層錯(cuò)能、溫度、應(yīng)力較高容易交滑移。交滑移時(shí)產(chǎn)生波紋狀滑移帶，否則平行滑移帶。銅和鋁的滑移帶4.3.4位錯(cuò)交割在發(fā)生多滑移系滑移時(shí)，在不同滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)，會(huì)發(fā)生相互交割。相互交割時(shí)，在位錯(cuò)線上將出現(xiàn)割階——位錯(cuò)線上的彎折割階的出現(xiàn)有時(shí)候會(huì)影響位錯(cuò)的可動(dòng)性。例如螺型位錯(cuò)上的刃型割階。當(dāng)滑動(dòng)位錯(cuò)（甲）掃過(guò)另一位錯(cuò)（乙）時(shí)，乙位錯(cuò)必然隨著晶體一起移動(dòng)，一般會(huì)變成一條折線，割階的大小和方向等于甲位錯(cuò)的柏氏矢量。運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，甲位錯(cuò)上也會(huì)產(chǎn)生割階，臺(tái)階的長(zhǎng)度和方向等于乙位錯(cuò)的柏氏矢量。刃型位錯(cuò)相交螺型位錯(cuò)相交刃型位錯(cuò)與其它位錯(cuò)交割，形成的割階不會(huì)影響位錯(cuò)的可動(dòng)性；螺型位錯(cuò)與其它位錯(cuò)交割，形成的割階可能影響位錯(cuò)的可動(dòng)性4.3.5單晶體的應(yīng)力應(yīng)變曲線立方晶系單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與外力軸的方向有關(guān)。P取向曲線分為三段I：斜率~10-4G，單系滑移，位錯(cuò)阻力??；II：線性硬化階段，斜率~3×10-3G,位錯(cuò)阻力逐漸增大；位錯(cuò)增殖、交割，塞積，可動(dòng)性降低；III：拋物線硬化階段，位錯(cuò)由于交滑移等恢復(fù)可動(dòng)性。外力軸為A,B,C取向時(shí)一開(kāi)始就發(fā)生多系滑移；沒(méi)有第一階段，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)其屈服點(diǎn)后即顯示出強(qiáng)烈的硬化效應(yīng)而進(jìn)入第二階段，并且整個(gè)變形過(guò)程中的總變形量也比較小。密排六方金屬如(鎂)由于通常只沿一組滑移面進(jìn)行單系滑移，幾乎只有第一階段，第II階段尚未充分發(fā)展就已斷裂。雜質(zhì)可增大材料的硬化系數(shù)，第一階段將隨雜質(zhì)含量的增加而縮短，甚至消失。4.4多晶體的變形多晶體金屬在塑性變形時(shí)，每個(gè)晶粒內(nèi)的塑性變形仍以滑移或?qū)\生方式進(jìn)行。但由于晶界的存在和每個(gè)晶粒中的晶格位向不同，故在多晶體中的塑性變形過(guò)程要比單晶體中復(fù)雜一些。

4.4.1多晶體變形的特點(diǎn)

(1)多晶體變形的不均勻性由于每個(gè)晶粒的位向不同，每個(gè)晶粒中不同滑移系上所受到的分切應(yīng)力不同。

處于軟位向的晶粒先發(fā)生滑移變形；而硬位向晶粒中所受到的分切應(yīng)力很小，難以發(fā)生滑移

(2)多晶體變形的協(xié)調(diào)性

為了保持材料的連續(xù)性，一個(gè)晶粒變形時(shí)，相鄰晶粒必須同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)調(diào)變形。為了產(chǎn)生需要的協(xié)調(diào)變形，晶體至少需要5個(gè)獨(dú)立的滑移系?；葡递^多的立方晶格金屬具有良好的塑性，具有密排六方晶格的鎂、鋅等金屬，因其滑移系僅有3個(gè)，因此多晶鎂、鋅的塑性遠(yuǎn)不如兩種立方晶格金屬。多晶體材料的強(qiáng)度一般高于單晶體材料

(3)多晶體變形過(guò)程當(dāng)首批處于軟位向的晶粒發(fā)生滑移時(shí)，周?chē)幱谳^硬位向的晶粒以彈性變形相適應(yīng)，在首批變形晶粒的晶界附近造成位錯(cuò)的堆積

隨著外力的增大至應(yīng)力集中達(dá)到一定程度，而后變形才會(huì)越過(guò)晶界，傳遞到另一批晶粒中

位錯(cuò)滑移一般不會(huì)越過(guò)晶界。多晶體變形過(guò)程隨著滑移的發(fā)生，首批晶粒的位向同時(shí)也在發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這也會(huì)使這些晶粒從軟位向逐步轉(zhuǎn)到硬位向，不能再繼續(xù)發(fā)生滑移，而促使另一批晶粒開(kāi)始滑移變形。

多晶體的塑性變形總是一批一批晶粒逐步地發(fā)生，從少量晶粒開(kāi)始逐步擴(kuò)大到大量的晶粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻的變形。變形不均導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力。4.4.2晶粒度對(duì)力學(xué)性能的影響

(1)晶粒尺寸與材料強(qiáng)度多晶體中，晶界兩側(cè)晶粒的位向不同，晶體的滑移即位錯(cuò)的滑移一般不能越過(guò)晶界。位錯(cuò)滑移至晶界產(chǎn)生塞積、應(yīng)力集中；根據(jù)位錯(cuò)塞積理論，晶界前塞積的n個(gè)位錯(cuò)對(duì)晶界（障礙物）的作用力大致等于一個(gè)位錯(cuò)作用力的n倍；晶粒細(xì)小時(shí)，塞積位錯(cuò)的數(shù)目n較小，應(yīng)力集中較小，只有在較大的外力時(shí)才能開(kāi)動(dòng)相鄰晶粒的滑移系，即強(qiáng)度較高；晶粒度對(duì)力學(xué)性能的影響（2）晶粒尺寸與塑性晶粒細(xì)小時(shí)，應(yīng)力集中較小,容易釋放，同時(shí)應(yīng)力場(chǎng)均勻，可以在相鄰晶粒中開(kāi)動(dòng)較多的滑移系，使變形均勻圖表示Al、Zn的應(yīng)力應(yīng)變曲線。4.4.3屈服現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力達(dá)到su時(shí)，滑移已經(jīng)傳遞到相鄰晶粒，出現(xiàn)變形晶粒構(gòu)成的塑性區(qū)(Lüders帶)，然后應(yīng)力下降至sl,在應(yīng)力幾乎不變的條件下，Lüders帶擴(kuò)展至整個(gè)長(zhǎng)度。隨后應(yīng)力逐漸上升，進(jìn)入均勻變形階段。不需要增加外力而出現(xiàn)的繼續(xù)伸長(zhǎng)，稱屈服(yield)。在bcc金屬、fcc結(jié)構(gòu)置換固溶體、Si,Ge,Cu晶須等低位錯(cuò)密度材料均發(fā)現(xiàn)了屈服現(xiàn)象Fcc，hcp結(jié)構(gòu)的純金屬無(wú)明顯屈服。應(yīng)力的變化反映了可動(dòng)位錯(cuò)密度的變化開(kāi)始變形時(shí)，由于可動(dòng)位錯(cuò)密度較小，因而位錯(cuò)平均速度較大，應(yīng)力較高；當(dāng)可動(dòng)位錯(cuò)密度升高時(shí)，應(yīng)力反而較低。、m較小的材料屈服明顯，而fcc,hcp(m>100）不明顯。應(yīng)變時(shí)效少量的預(yù)塑性變形可暫時(shí)消除屈服現(xiàn)象。將經(jīng)過(guò)少量塑性變形的試樣放置一段較長(zhǎng)的時(shí)間然后再行拉伸(或經(jīng)200°C左右短時(shí)加熱后再行拉伸)，則屈服現(xiàn)象又復(fù)出現(xiàn)，且屈服應(yīng)力提高，此現(xiàn)象通常稱為應(yīng)變時(shí)效。4.5合金的塑性變形工業(yè)合金分為單相組織、復(fù)相組織。合金相包括固溶體、中間相兩類，能夠發(fā)生塑性變形的主要是固溶體。材料體系：?jiǎn)蜗嗪辖穑汗倘荏wS，化合物C雙相合金：S+S1，S+C，C+C14.5.1固溶體的塑性變形變形機(jī)制與溶劑金屬相同但是由于溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的作用，使得變形阻力(強(qiáng)度、硬度）增大，變形能力(塑性)降低，稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化效果取決于固溶體類型、溶質(zhì)的類型與含量。間隙溶質(zhì)強(qiáng)化效果較大；固溶體的流變應(yīng)力近似正比于溶質(zhì)濃度；引起較大點(diǎn)陣畸變的溶質(zhì)原子，溶解度較低，但是同樣濃度時(shí)強(qiáng)化效果較大；反之，也成立。固溶強(qiáng)化原因溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的各種作用彈性交互作用，(Cottrelleffect)化學(xué)交互作用(降低層錯(cuò)能)，有序強(qiáng)化（反相疇界）電作用（電子分布不均）4.5.2復(fù)相合金的變形復(fù)相合金的變形與組成相的性質(zhì)、相對(duì)量、形狀、分布有關(guān)。兩大類極端情況：聚合型：兩相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)相近；分散型：增強(qiáng)相彌散分布在母相基體上，兩相性質(zhì)差別不大，差別較大可忽略(1)第二相強(qiáng)化兩相的性能、尺寸和體積分?jǐn)?shù)相近時(shí)，根據(jù)等應(yīng)變模型，復(fù)合體的強(qiáng)度根據(jù)等應(yīng)力模型，復(fù)合體的塑性如兩相中一個(gè)是塑性相，而另一是硬脆相，則合金的力學(xué)性能主要決定于硬脆相的多少及分布。

材料及組織工業(yè)純鐵0.8%C，片狀珠光體0.8%C，球狀組織1.2%C，網(wǎng)狀Fe3CII組織參數(shù)-630nm250nm100nmD=3000nmD=50nm-b,MPa275780106013105801760700,%47151614293.84(2)彌散強(qiáng)化體積分?jǐn)?shù)較大的基體受力、變形，彌散分布的顆粒阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。如果第二相顆粒較大，位錯(cuò)線將繞過(guò)這些顆粒（長(zhǎng)程力）位錯(cuò)繞過(guò)顆粒將位錯(cuò)線彎曲時(shí)，單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線需要額外的力Δf=T/R。因?yàn)閒=τb,所以應(yīng)力增量Δτ=T/(bR)由于彎曲位錯(cuò)需要附加的外力，構(gòu)成Orowan強(qiáng)化彌散強(qiáng)化材料加工硬化率較高位錯(cuò)切過(guò)顆粒如果顆粒較細(xì)，位錯(cuò)可能切過(guò)顆粒。短程作用：切過(guò)顆粒時(shí)界面面積增加、P-N變化、出現(xiàn)反相疇界等;長(zhǎng)程作用：因顆粒G較大，位錯(cuò)靠近時(shí)引起應(yīng)變能上升；顆粒周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)阻力等4.6塑性變形對(duì)金屬的影響塑性變形不僅改變材料的外形和尺寸，而且改變其內(nèi)部組織與性能主要體現(xiàn)在四方面顯微組織變化；加工硬化；形變織構(gòu)；殘余內(nèi)應(yīng)力4.6.1冷變形組織晶粒形狀沿變形方向拉長(zhǎng)隨著金屬外形變化，晶粒形狀發(fā)生相似變化；變形量較大時(shí)，形成纖維組織：晶界、第二相拉長(zhǎng)亞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位錯(cuò)密度增加；從106~107至1011~1012/cm2位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)胞（亞晶