第二章：材料的塑性变形17

材料物理性能第一部分：材料的力学性能12力学性能弹性变形粘性流动断裂塑性变形高温蠕变第二章：材料的塑性变形主要内容：一.概述；二.对塑性变形的认识过程；三.塑性变形的本质；四.多晶体的塑性变形。Plasticdeformationofmaterials32.1概述1.定义4塑性变形——在外力除去后不能恢复的变形叫塑性变形，有一部分残余形变。即使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即非可逆性能。屈服应力——当外力超过物体弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力。52.度量塑性的指标%10000LLL00100%AAA工程上：%5（脆性材料）%5（塑性/韧性材料）延伸率：断面收缩率：2.1概述3.影响因素①温度；（MgO高温下表现一定的塑性）。②加载方式；（拉应力、压应力）——铸铁施加压力表现为塑性变形；受拉伸应力表现为脆性变形。③加载速度。（冲击荷载、准静荷载）——加载速度越小，塑性变形可以充分表现；加载速度越大，应力来不及均匀变化，表现为脆性变形。2.1概述672.2理想晶体的强度理想晶体——空间点阵每一个格点都被原子占有和原子平面的规整排列未被破坏而构成的晶体，即完全符合格子构造规律的晶体。理想晶体的化学和物理性质——取决于原子的结构和原子间的结合性质。理想晶体的塑性变形——是由晶体沿着晶面的整体滑移而引起的，塑性变形的出现意味着晶体屈服。82.2理想晶体的强度两列原子间的力有两种：（1）每层中原子之间的相互作用力，该力与两层原子相对位移不相干；（2）上、下两层原子之间的相互作用力，该力与两层原子相对位移有关，是周期性变化的力。完整晶体原子排列位置92.2理想晶体的强度上、下半晶体相对移动假定在晶体特定的晶面及结晶向上施加切应力τ，引起晶体上半部分相对于下半部分沿两层原子间MN面上移动，如图所示。在切应力作用下，势必引起MN面上原子同时移动，同时切断MN面上所有的原子键，此过程为晶体的整体滑移。102.2理想晶体的强度原子位移位置a.E-x变化曲线；b.τ-x变化曲线P和R位置上的原子处于晶体点阵的平衡位置，势能最低，该位置上的原子处于平衡位置；而P和R之间中央Q位置，势能最高，Q位置上的原子处于亚稳定状态，势能的变化取决于原子键的性质。因此，势能随位移变化曲线的真实形状很难确定。112.2理想晶体的强度a.E-x变化曲线；b.τ-x变化曲线为了便于分析，假定势能随原子位移变化为正弦波曲线。移动原子所需的作用力F的变化可由势能-位移曲线（E-x）的斜率确定。122.2理想晶体的强度m=2x=sinbFA晶体滑移所需的切应力为：作用在晶体上的切应力与原子位移之间的系π关：a.E-x变化曲线；b.τ-x变化曲线τm——完整晶体屈服强度，晶体受到的切应力超过τm后产生永久变形，即为晶体的塑性变形。13mmm-2=bxx=ab2a2x/x,abGGGG在原子位移很小的情况下，曲线的斜率为故根据胡克定律：故得对于晶体来说，≈，故上式可写为：π≈≈π≈π2.2理想晶体的强度142.2理想晶体的强度为什么完整晶体理论屈服强度和实验测定的屈服强度差异大？原因：近似为弹性变形，利用胡克定律；剪切力与原子间距离并非符合正弦变化；推导过程中针对的是理想晶体，而实际晶体存在缺陷。mm-105030GGG’’修或≈≈正：。2.3.1位错的基本概念（dislocation）（1）定义：线状缺陷。2.3晶格缺陷——位错15实际晶体在结晶时，受到杂质、温度变化或振动产生的应力作用或晶体由于受到打击、切割等机械应力作用，使晶体内部原子排列变形，原子行列间相互滑移，不再符合理想晶体的有序排列，形成线状缺陷，即为位错。162.3.1位错的基本概念（dislocation）（1）定义：线状缺陷。位错的提出——解释晶体的塑性变形。塑性变形理论滑移模型，1920线缺陷（位错）模型,1934建立位错理论,1956171934年Taylor、Polanyi、Orowan三人几乎同时提出晶体中位错的模型。滑移过程并非是原子面之间整体发生相对位移，而是一部分先发生位移，然后推动晶体中另一部分滑移，循序渐进。2.3.1位错的基本概念（dislocation）182.3.1位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型2.3晶格缺陷——位错基本类型刃位错（edgedislocation），l⊥螺位错（screwdislocation），l∥混合位错brbr192.3.1位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型a.刃位错——刃位错的产生半原子面（EFGH）位错线EF刃位错示意图202.3.1位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型a.刃位错——刃位错的产生212.3.1位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型a.刃位错——几何特征①位错线与原子滑移方向（即伯氏矢量b）相垂直；②滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；③滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。22正刃位错负刃位错2.3.1位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型a.刃位错——表示符号如果半个原子面在滑移面上方，称为正刃位错，以符号“⊥”表示；反之称为负刃位错，以符号“┬”表示。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。23（2）位错的类型b.螺位错——螺位错的产生242.3.1位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型b.螺位错——螺位错的产生位错线EF螺位错形成示意图a）与螺位错垂直的晶面的形状（b）螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况252.3.1位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型b.螺位错——螺位错的产生26（2）位错的类型b.螺位错——螺位错的产生螺形位错示意图BC线两侧的上下两层原子都偏离了平衡位置，围绕着BC连成了一个螺旋线.27①位错线与原子滑移方向平行；②位错线周围原子的配置是螺旋状的，即形成螺位错后，原来与位错线垂直的晶面，变为以位错线为中心轴的螺旋面。（2）位错的类型b.螺位错——几何特征28如果在外力τ作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移部分和未滑移部分的交线既不垂直也不平行于滑移方向（伯氏矢量b），这样的位错称为混合位错。如下图所示。位错线上任一点，经矢量分解后，可分解为刃位错与螺位错分量。2.3.1位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型c.混合位错29混合位错的形成2.3.1位错的基本概念（dislocation）（2）位错的类型c.混合位错30位错线在几何上的两个特征：①位错线的方向ξ，它表明给定点上位错线的取向，由人们的观察方位来决定，是人为规定的；②位错线的伯格斯矢量b，它表明晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对滑移或畸变，由伯格斯于1939年首先提出，故称为伯格斯矢量，简称为伯氏矢量。（1）柏氏矢量的确定2.3.2柏氏矢量与柏氏回路（1）柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定(a)实际晶体的柏氏回路；(b)完整晶体相应回路2.3.2柏氏矢量与柏氏回路31螺型位错柏氏矢量的确定(a)实际晶体的柏氏回路；(b)完整晶体相应回路32（1）柏氏矢量的确定2.3.2柏氏矢量与柏氏回路332.3.2柏氏矢量与柏氏回路（2）柏氏矢量的性质与表示方法柏氏矢量具有守恒性，具体表现在如下：柏氏矢量与柏氏回路的起点、形状、大小和位置无关。只要回路不与其他位错线或原位错线相遇，则回路所包含的晶格畸变总量不会改变；一条位错线具有唯一的柏氏矢量，即位错线各部分的柏氏矢量均相同；若几条位错线汇交于一点时，则指向节点的各位错的柏氏矢量之和等于离开结点的各位错柏氏矢量之和。（1）位错滑移位错的滑移面——由位错线与其柏格斯矢量组成的晶面。滑移运动——位错沿滑移面的移动。当位错在切应力作用下沿滑移面滑过整个滑移面时，就会使晶体表面产生一个原子间距的滑移台阶。2.3.3位错运动理论34晶体滑移的三种情况刃型位错的滑移螺型位错的滑移混合位错的滑移位错运动的难易将直接影响材料的塑性变形和强度。位错运动的两种基本形式：滑移和攀移。35（1）位错滑移2.3.3位错运动理论位错滑移导致晶体滑移的示意图36类型柏氏向量位错线运动方向晶体滑移方向切应力方向滑移面个数刃⊥位错线⊥位错线本身与b一致与b一致唯一螺∥位错线⊥位错线本身与b一致与b一致多个混合与位错线成一定角度⊥位错线本身与b一致与b一致刃位错只有唯一的一个滑移面；对于螺位错，凡通过位错线的晶面，都是滑移面，有无数个。2.3.3位错运动理论（1）位错滑移372.3.3位错运动理论（2）位错的攀移位错除滑移外，还可以产生攀移，由于热运动，原子之间扩散，空位扩散到位错处，使位错上移，杂质离子扩散到位错处，使位错下移。刃型位错的攀移运动模型(a)未攀移的位错；(b)空位运动形成的正攀移；(c)间隙原子扩散引起的负攀移382.3.3位错运动理论（2）位错的攀移刃型位错攀移的实质——多余半原子面通过空位或原子的扩散而扩大或缩小。正攀移——当多余原子面缩小，位错线向上攀移。负攀移——当多余半原子面扩大，位错线向下攀移。注意——由于攀移需要通过原子扩散才能实现，故位错的攀移比滑移困难的多，主要发生在高温或应力条件下。压应力——正攀移；拉应力——负攀移。392.3.3位错运动理论（3）位错运动理论当位错穿过晶体时，其中间所取的位置完整晶体中原子排列及其势能曲线402.3.3位错运动理论（3）位错运动理论根据平衡理论，完整晶体中的每个原子处于势能最低位置。原子的热运动使得原子在它势能最低位置附近运动。原子能越过势垒落到临近的位置上去的机会是很小的。2=-cosbEAπ41晶体中存在缺陷的原子排列及其势能变化曲线2.3.3位错运动理论（3）位错运动理论42切应力作用下含缺陷晶体中原子排列及势能变化曲线2.3.3位错运动理论（3）位错运动理论432.3.3位错运动理论（3）位错运动理论完整晶体的势能曲线有位错时，晶体的势能曲线加剪应力后的势能曲线······hhH()滑移面有位错时，越过能量势垒h’；正常原子滑移需越过势垒h；位错运动的激活能H()，与剪切应力有关，剪应力大，H()小；小，H()大。H(τ)＜h’＜h当τ＝0，H(τ)最大，H(τ)＝h’。442.3.3位错运动理论（3）位错运动理论45金属材料H()为0.1－0.2eV；由离子键、共价键组成的非金属材料的H()为1eV数量级，故室温下无机非金属材料的位错难以运动。因为hhH()，所以位错只能在滑移面上运动。温度升高，位错运动速度加快，对于一些在常温下不发生塑性形变的材料，在高温下具有一定塑性。2.3.3位错运动理论（3）位错运动理论当位错线在晶体中运动时，穿过滑移面的原子键的裂开是逐步发生的，而不像理想晶体那样是一次同时实现的。半原子面在运动中不断改变位置，运动的最终结果使得立方体上半部份相对于下半部份发生了平移，其大小等于平衡原子的间距b。但是，这里有重大的差别，这就是说，每次裂开一个键比起同时裂开所有的键来说，所需要的能量要小得多。462.3.3位错运动理论（3）位错运动理论晶体中位错从一边移到另一边的过程中，滑移面上的原子键一个接一个地断开。因此，所需外界切应力比晶体整体滑移时滑移面上原子键同时断开所需的外界切应力小得多。由此可见，晶体理论屈服强度与真实晶体屈服强度之间存在很大差别正是由于真实晶体中存在位错的缘故。472.3.3位错运动理论（3）位错运动理论宏观上观察到的塑性变形，是无数位错运动的结果。因此，要表现出塑性变形，必须有位错增殖的机理。482.3.3位错运动理论（4）位错增殖机理U型位错增殖过程模型2.4塑性变形及其检验方法塑性变形：当施加的应力超过弹性极限的临界值，变形就成为永久性的。当