材料科學(xué)基礎(chǔ)課件第八章 材料的塑性變形

材料科學(xué)基礎(chǔ)課件第八章材料的塑性變形1第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)金屬變形概述彈性變形－塑性變形－斷裂SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E2第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)金屬變形概述第七章塑性變形第一節(jié)金屬變形概述彈性變形：變形可逆；應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系。彈性模量：原子間結(jié)合力的反映和度量。3第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、扭折。一滑移1滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。

SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E4第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

一滑移光鏡下：滑移帶（無重現(xiàn)性）。

2滑移的表象學(xué)電境下：滑移線。SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E5第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

3滑移的晶體學(xué)滑移面（密排面）（1）幾何要素滑移方向（密排方向）

6第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

3滑移的晶體學(xué)（2）滑移系滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合?；葡档膫€數(shù):(滑移面?zhèn)€數(shù)）×（每個面上所具有的滑移方向的個數(shù)）7第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E8第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

3滑移的晶體學(xué)

（2）滑移系

滑移系數(shù)目與材料塑性的關(guān)系一般滑移系越多，塑性越好；與滑移面密排程度和滑移方向個數(shù)有關(guān)；與同時開動滑移系數(shù)目有關(guān)（

c）。9第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

3滑移的晶體學(xué)（3）滑移的臨界分切應(yīng)力（

c）

c：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應(yīng)力。

(外力在滑移方向上的分解)

c＝

scos

cos

10第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

3滑移的晶體學(xué)（3）滑移的臨界分切應(yīng)力（

c）

c取決于金屬的本性，不受

，

的影響；

或

＝90

時，

s

；

c＝

scos

cos

s的取值

，

＝45

時，

s最小，晶體易滑移；

軟取向：值大；

取向因子：cos

cos

硬取向：值小。

11第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

4滑移時晶體的轉(zhuǎn)動（1）位向和晶面的變化

拉伸時,滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向;

壓縮時，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。

幾何硬化：

，

遠離45

，滑移變得困難；（2）取向因子的變化

幾何軟化；

，

接近45

，滑移變得容易。12第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

5多滑移

（1）滑移的分類多滑移：在多個（>2）滑移系上同時或交替進行的滑移。雙滑移：單滑移：（2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾角分別相等的一組滑移系。2h13第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

6交滑移

（1）交滑移：晶體在兩個或多個不同滑移面上沿同一滑移方向進行的滑移。（2）機制螺位錯的交滑移：螺位錯從一個滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面的過程；螺位錯的雙交滑移：交滑移后的螺位錯再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過程。14第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形

7滑移的表面痕跡單滑移：單一方向的滑移帶；多滑移：相互交叉的滑移帶；交滑移：波紋狀的滑移帶。15第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形二孿生（1）孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對稱關(guān)系。孿生面A1{111},A2{112},A3{1012}（2）孿生的晶體學(xué)孿生方向A1<112>,A2<111>,A3<1011>

孿晶區(qū)

16第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形二孿生

17第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)單晶體的塑性變形二孿生

（3）孿生變形的特點

滑移孿生相同點1切變；2沿一定的晶面、晶向進行；3不改變結(jié)構(gòu)。不同點

晶體位向不改變（對拋光面觀察無重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對稱關(guān)系（對拋光面觀察有重現(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。對塑變的貢獻很大，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)力遠高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時發(fā)生變形機制全位錯運動的結(jié)果分位錯運動的結(jié)果18第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)多晶體的塑性變形19第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)多晶體的塑性變形1晶粒之間變形的傳播位錯在晶界塞積應(yīng)力集中相鄰晶粒位錯源開動相鄰晶粒變形塑變

2晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性（1）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。（2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨立變形會導(dǎo)致晶體分裂）（3）條件：獨立滑移系

5個。（保證晶粒形狀的自由變化）

20第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)多晶體的塑性變形3晶界對變形的阻礙作用（1）晶界的特點：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。（2）晶界對變形的影響:滑移、孿生多終止于晶界,極少穿過。

21第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)多晶體的塑性變形3晶界對變形的阻礙作用（3）晶粒大小與性能的關(guān)系

a晶粒越細，強度越高(細晶強化：霍爾－配奇公式)

s=

0+kd-1/2

原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。（有尺寸限制）

晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂機會減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。

b晶粒越細，塑韌性提高細晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量,表現(xiàn)高韌性。22第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)合金的塑性變形一固溶體的塑性變形

1固溶體的結(jié)構(gòu)

2固溶強化（1）固溶強化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。晶格畸變，阻礙位錯運動；（2）強化機制柯氏氣團強化。

23第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)合金的塑性變形一固溶體的塑性變形

2固溶強化（3）屈服和應(yīng)變時效現(xiàn)象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴展）。預(yù)變形和時效的影響：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時間或200℃加熱后再加載出現(xiàn)屈服。原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。

4h24第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)合金的塑性變形一固溶體的塑性變形

2固溶強化

（4）固溶強化的影響因素溶質(zhì)原子含量越多，強化效果越好；溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強化效果越好；

…價電子數(shù)差越大，強化效果越好；間隙式溶質(zhì)原子的強化效果高于置換式溶質(zhì)原子。

25第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)合金的塑性變形二多相合金的塑性變形

1結(jié)構(gòu)：基體＋第二相。

2性能（1）兩相性能接近：按強度分數(shù)相加計算。（2）軟基體＋硬第二相第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）；

a結(jié)構(gòu)兩相呈層片狀分布（珠光體）；第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）。26第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)合金的塑性變形二多相合金的塑性變形2性能（2）軟基體＋硬第二相位錯繞過第二相粒子(粒子、位錯環(huán)阻礙位錯運動)

b彌散強化位錯切過第二相粒子（表面能、錯排能、粒子阻礙位錯運動）27第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)

塑性變形對材料組織和性能的影響

一對組織結(jié)構(gòu)的影響晶粒拉長;

1形成纖維組織雜質(zhì)呈細帶狀或鏈狀分布。28第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)

塑性變形對材料組織和性能的影響

一對組織結(jié)構(gòu)的影響2形成形變織構(gòu)（1）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。

絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時形成）（2）類型板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向。（軋制時形成）

29第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)

塑性變形對材料組織和性能的影響

一對組織結(jié)構(gòu)的影響2形成形變織構(gòu)力學(xué)性能：利:深沖板材變形控制;弊：制耳。（3）對性能的影響

(各向異性)

物理性能:硅鋼片{100}[100]織構(gòu)可減少鐵損。

30第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)

塑性變形對材料組織和性能的影響

一對組織結(jié)構(gòu)的影響

3形成位錯胞變形量位錯纏結(jié)位錯胞（大量位錯纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯密度低。)

31第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)

塑性變形對材料組織和性能的影響

二對性能的影響

1對力學(xué)性能的影響（加工硬化）（1）加工硬化（形變強化、冷作強化）：隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。

32第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)

塑性變形對材料組織和性能的影響

二對性能的影響

1對力學(xué)性能的影響（加工硬化）

強化金屬的重要途徑；利提高材料使用安全性；（2）利弊材料加工成型的保證。弊變形阻力提高，動力消耗增大；脆斷危險性提高。

33第33頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)

塑性變形對材料組織和性能的影響

二對性能的影響

2對物理、化學(xué)性能的影響導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率下降，比重、熱導(dǎo)率下降；