第三章-材料的变形

材料在外力作用下，当外力较小时将发生弹性变形，随着外力的逐步增大，进而会发生永久变形，直至最终断裂。在这个过程中，不仅其形状或尺寸发生了变化，其内部组织以及相关的性能也都会发生相应变化。研究材料在塑性变形中的行为特点，分析其变形机理以及影响因素具有十分重要的理论和实际意义。第一节弹性变形图弹性变形与塑性变形图双原子模型弹性的实质是原子作用势的不对称性。可以用双原子模型来解释。弹性变形的主要特点是：(1)可逆性去掉外力，变形就消失。(2)线性应力和应变间满足直线关系。(3)弹性变形量小一般说来，金属材料和陶瓷材料的弹性变形很小，高聚物材料的弹性变形可以比较大。EE)1(2EG弹性模量是材料结合强度的标志之一。主要的影响因素有：（1）结构弹性模量与原子序数呈周期性变化趋势。（2）温度的影响T升高，热振动加剧，晶格势能发生变化，E下降。（3）合金元素的影响一般说来，E对结构不敏感。少量的合金元素不影响E，但大量的合金化，可使E发生显著变化。这是因为固溶体中溶质元素在周围晶体中引起畸变，从而使E下降。图弹性模量与原子序数的变化关系0.280.350.380.490.3520.7110.310-4~10-340钢铜聚乙烯橡胶氧化铝泊松比E/104MPa材料表几种不同材料的弹性模量滞弹性在低于弹性极限的应力范围内，实际固体的应力和应变不是单值对应关系，往往有一个时间的滞后现象，这种特性称为滞弹性。第二节单晶体的塑性变形虽然工程中应用的通常是多晶，但多晶体的变形是和其中各个晶粒变形相关的。因此，单晶体的变形是金属变形的基础。单晶受力后，在它晶面上可以分解出平行于晶面和垂直于晶面的两个分量，前者称为切应力，后者称为正应力。切应力产生塑性形变而正应力不产生塑性形变。§3.2.1滑移1.滑移现象如果对经过抛光的退火态工业纯铜多晶体试样施加适当的塑性变形，然后在金相显微镜下观察，就可以发现原抛光面呈现出很多相互平行的细线。图工业纯铜中的滑移线在普通金相显微镜中发现的滑移线其实由多条平行的更细的线构成，现在称前者为滑移带，后者为滑移线。图滑移带形成示意图2.滑移系晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方向进行，我们将其称为滑移面和滑移方向。滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶面和晶向，这是由于最密排面的面间距最大，因而点阵阻力最小，容易发生滑移，而沿最密排方向上的点阵间距最小，从而使导致滑移的位错的柏氏矢量也最小。每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系，滑移系表明了晶体滑移时的可能空间取向。图体心立方和面心立方晶体的滑移系由于体心立方结构是一种非密排结构，因此其滑移面并不稳定，一般在低温时多为{112}，中温时多为{110}，而高温时多为{123}，不过其滑移方向很稳定，总为111，因此其滑移系可能有12-48个。图bcc晶体{112}和{123}面的滑移系3.滑移的临界分切应力对滑移真正有贡献的是在滑移面上沿滑移方向上的分切应力，也只有当这个分切应力达到某一临界值后，滑移过程才能开始进行，这时的分切应力就称为临界分切应力。图临界分析应力分析图称为取向因子coscoscoscosτc称为临界分切应力，是一个与材料本性以及试验温度、加载速度等相关的量，与加载方向等无关。图镁单晶屈服应力与晶体取向的关系coscosscs99.9599.9999.9699.999.8纯度0.8113.711201120{0001}{1010}密排六方MgTi27.4433.8111111{110}{110}体心立方FeNb0.790.495.68110110110{111}{111}{111}面心立方AlCuNiΤc（MN/m2）滑移方向滑移面晶体结构金属图一些金属单晶的临界分切应力4.滑移时的晶体转动图滑移时的晶体转动a.压缩b.拉伸图拉伸时晶体转动机制示意图5.多滑移由于很多晶系具有多组滑移系，决定滑移系能否开动的前提条件是其分切应力能否达到其临界值，当某组滑移系开动后，由于不断发生晶面的转动，结果可能使得另一组滑移系的分切应力逐渐增加，并最终达到其临界值，进而使得滑移过程能够沿两个以上滑移系同时或交替进行，这种滑移过程就称为称多滑移。对所有的{111}面，φ角是相同的，为54.7°。对[101]、[101]、[011]和[011]方向，角也是相同的，为45°。锥体底面上的两个110方向和[001]垂直。因此，锥体上有4×2个滑移系具有相同的施密特因子，当达到临界切应力时可同时开动。图fcc晶体中复滑移6.交滑移两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同时或交替进行滑移的现象，称作交滑移。交滑移§3.2.2孪生单晶体中如果滑移系由于某些情况而不能开动，就会发生另一种重要的变形，这就是孪生。在金相显微镜下一般呈带状，称为孪晶带。1.孪生的晶体学孪晶是晶体内部的一种均匀切变过程。面心立方{111}面为孪生面，112为孪生方向。fcc晶体是一系列平行的(111)面所构成(按ABCABC…规律)。若晶体中局部的几层(111)面沿[112]方向均匀移动。均匀移动是指每一个(111)面的移动距离，这是相对于其最临近晶面而言。(a)孪晶面与孪生方向(b)孪生变形时晶面移动情况图面心立方晶体孪生变形示意图（1012）[1011]Zn,Cd,Be,Mg,Zn-Snhcp(112)[111]Cu-Zn(β)bcc(112)[111]Wbcc(112)[111]α-Febcc(111)[112]Al,Cu-Al,Au-Agfcc孪生要素合金系晶体结构表一些晶体中的常见孪生要素2.孪生变形的特点(1)孪生是在应力集中的局部区突然萌生，萌发于局部应力高度集中的地方。(2)孪生所需的切应力比滑移所需的要大10~100倍。(3)孪生形核难，长大快，通常以猝发的方式形成并使应力-应变曲线上呈现锯齿状。图铜单晶在4.2K的拉伸曲线宏观上，都是切应力作用下发生的剪切变形；微观上，都是晶体塑性变形的基本形式，是晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分的移动；都不会改变晶体结构；从机制上看，都是位错运动结果。滑移不改变晶体的位向，孪生改变了晶体位向；滑移是全位错运动的结果，而孪生是不全位错运动的结果；滑移是不均匀切变过程，而孪生是均匀切变过程；滑移比较平缓，孪生则呈锯齿状；两者发生的条件不同，孪生所需临界分切应力值远大于滑移。形变孪晶：在形变过程中形成的孪晶组织，在金相形貌上一般呈现透镜片状，多数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶。退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织，一般孪晶界面平直，且孪晶片较厚。图锌晶体中的形变孪晶和铜晶体中的退火孪晶组织在一些晶体中，由于某些特殊原因，既不能进行滑移也不能进行孪生的晶体将通过其他方式进行塑性变形。扭折是一种发生在晶体中的局部弯曲。§3.2.3晶体的扭折图晶体的扭折示意图第三节多晶体的塑性变形实际使用的金属材料中，绝大多数都是多晶材料。虽然多晶体塑性变形的基本方式与单晶体相同。但实验发现，通常多晶的塑性变形抗力都较单晶高。图锌的单晶体与多晶体的应力－应变曲线在多晶体中，由于相邻各个晶粒的位向一般都不同，因而在一定外力作用下，作用在各晶粒滑移系上的临界分切应力值也各不相同，处于有利取向的晶粒塑性变形早，反之则晚。前者开始发生塑性变形时，必然受到周围未发生塑性变形晶粒的约束，导致变形阻力增大。同时为保持晶粒间的连续性，要求各个晶粒的变形与周围晶粒相互协调。§3.3.1多晶体塑性变形过程对只有两个晶粒的双晶试样拉伸结果表明，室温下拉伸变形后，呈现竹节状。说明室温变形时晶界具有明显强化作用。图位错塞积§3.3.2晶粒大小对塑性变形的影响实验表明，多晶体的强度随其晶粒的细化而增加。Hall-Patch关系：图屈服强度与晶粒尺寸的关系图210kds§3.3.3多晶体应力－应变曲线1.单晶体的应力－应变曲线第Ⅰ阶段，单系滑移，为易滑移阶段。第Ⅱ阶段，多滑移，为线性硬化阶段。第Ⅲ阶段，交滑移为，抛物线型硬化阶段。单晶体应力－应变曲线上的三个阶段具有低层错能的Cu显示了典型的应力－应变曲线;而具有高层错能的Nb，其位错不易扩展，容易交滑移，故应力－应变曲线的第III阶段开始较早；密排六方纯金属Mg只沿一组相平行的滑移面作单系滑移，位错的交截作用很弱，几乎没有第II阶段。图三种常见结构的纯金属单晶体处于软取向时的应力－应变曲线2.多晶体的应力－应变曲线多晶体的应力-应变曲线,它不具备典型单晶体的第Ⅰ阶段--易滑移阶段。因为晶粒位向不同,各晶粒变形需相互协调,至少有5个独立的滑移系开动,一开始便是多滑移,无易滑移阶段。图锌的单晶与多晶的应力－应变曲线第四节塑性变形对金属组织与性能的影响图冷轧对铜及钢性能的影响§3.4.1显微组织与性能的变化经塑性变形后，金属材料的显微组织发生了明显的改变，各晶粒中除了出现大量的滑移带、孪晶带以外;随着变形量的逐步增加，原来的等轴晶粒逐渐沿变形方向被拉长，当变形量很大时，晶粒已变成纤维状。图铜经30%、50%和99%冷轧后的光学显微组织随着形变量的增加，晶体的强度增加、塑性下降的规律（加工硬化）。其物理性能和化学性能也会发生一定的变化。如电阻率增加，电阻温度系数降低，热导率下降，抗腐蚀性减弱。要求将铜丝的屈服强度由10000psi提高至15000psi。试比较用冷加工强化和加锌强化后导电率的变化。2%的冷加工或加入19%Zn均可达到要求的屈服强度。2%冷加工后，电导率基本不变，而19%Zn则会使电导率大幅度降低。思考题具有低层错能的Cu显示了典型的应力－应变曲线;而具有高层错能的Nb，其位错不易扩展，容易交滑移，故应力－应变曲线的第III阶段开始较早；密排六方纯金属Mg只沿一组相平行的滑移面作单系滑移，位错的交截作用很弱，几乎没有第II阶段。图三种常见结构的纯金属单晶体处于软取向时的应力－应变曲线§3.4.2形变织构多晶体变形时，各晶粒的滑移也将使滑移面发生转动。当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的各个晶粒会逐渐调整到其取向趋于一致，这样就使经过强烈变形后的多晶体材料形成了择优取向，即形变织构。图形变织构形成示意图图形变织构形成的制耳•根据形成的条件不同，形变织构可分为丝织构和板织构。•实际上，无论形变进行的程度如何，各晶粒都不可能形成完全一致的取向。•形变织构的出现会使得材料呈现一定程度的各向异性，这对材料的加工和使用都会带来一定的影响。如加工过程中的“制耳”现象就是我们所不希望出现的；而变压器用硅钢片的(100)[001]织构由于其处于最易磁化方向，则是我们所希望的。§3.4.3残余应力对金属进行塑性变形需要做大量的功，其中绝大部分都以热量的形式散发了，有不到10%被保留在金属内部。这部分储存能在材料中以残余应力的方式表现出来，残余应力是材料内部各部分之间不均匀变形引起的，是一种内应力，对材料整体而言处于平衡状态。就残余应力平衡范围的大小，可将其进一步分为三类：第一类内应力，又称宏观残余应力，作用范围工件尺度。第二类内应力，又称微观残余应力，作用范围晶粒尺度。第三类内应力，又称点阵畸变，作用范围点阵尺度。图残余应力引起的变形