单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第八章 材料的变形与断裂一,2,各种材料的变形特性可有很大不同,金属材料有良好的塑性变形力量，也有较高的强度，常被加工成各种外形的产品零件,陶瓷材料有高的高温强度、耐磨性能、抗腐蚀性能，但脆性大，难加工成 型,高分子材料Tg以下是脆性的，Tg以上可加工成型，但强度很低,各种材料力学性能差异主要取决于结合键和晶体或非晶体构造,概述,3,一、金属变形概述,1、从两方面争论金属的变形和断裂：,争论生产制造过程中，各种冷热加工工艺轧制、锻造、挤压、拉拔等对金属材料的加工成形和变形后性能的影响；,争论制成的零部件在实际使用中可能会消失的过量变形和断裂。,2、材料的强度就是指对变形和断裂的抗力,通常用应力应变曲线来表示金属材料的变形和断裂特性,金属材料除了像铸铁、淬火高碳钢等少数脆性材料外，都有弹性变形、塑性变形、最终断裂等三个阶段,4,图中，s表示开头塑性变形的应力，称为屈服强度，工程上以去除外力后发生0.1%0.2%残留变形时的应力为标准，该点以下为弹性变形局部，s点以上为塑性变形，随变形程度增大，变形的抗力也增大，要连续变形就要增加外力，此称为加工硬化。,b在曲线的最高点，表示材料的拉伸强度。,在b以下时，材料只发生均匀伸长，到了b点，材料局部地方截面开头变细颈缩，也称失稳。再连续拉伸，颈缩处越来越细，最终不能承受重力，快速断裂。,5,二、金属的弹性变形,1、主要特点：,变形可逆，去除外力后变形消逝,听从虎克定律，应力应变呈线性关系,正应力下：,E,，,切应力下,:,E,为杨氏模量,为应变,G,为切变模量，,为切应变,泊松比 ，在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比确实定值！,6,2、弹性模量 E、G,是原子间结合力的反映和量度,（作用能）,（作用力）,平衡距离,在外力作用下发生弹性变形，内部原子间距离偏离平衡位置；,在没有外力时，晶体内原子间的结合能和结合力可以猜测,弹性变形的难易程度取决于作用力原子间距离曲线的斜率,S,0,由于金属材料的弹性变形很小0.1%，原子间距离只能在r0四周变化，可把S0看成是常数，则弹性变形所需的外力,F=S0rr0,=S0/r0，E=S0/r0,这就是虎克定律和弹性模量的微观解释,7,弹性模量是原子间结合力强弱的反映，是一个对组织不敏感的性能指标，参加少量合金元素和热处理对弹性模量影响不大,例如碳钢、铸钢和各种合金钢的弹性模量都差异不大，E 200GPa但它们的屈服强度和抗拉强度可以相差很大,弹性模量在工程技术上表示材料的刚度，有些零件或工程构件主要是按刚度要求设计的，刚度条件满足，强度一般状况下也是满足的,在一样外力作用下，刚度大的材料发生弹性变形量就小,如铁的弹性模量是铝的三倍，则铁的弹性变形只有铝的三分之一,8,三、滑移与孪晶变形,1、滑移观看,1光学显微镜观看,试样外表内有很多平行的或几组穿插的细线，是相对滑移的晶体层与试样外表的交线,滑移带,2电子显微镜观看,滑移带是由,是由更多的一组平行线构成,滑移线,试样内的滑移带不是均匀分布的，滑移线构成的滑移台阶高约100nm，假设滑移b=0.25，则从滑移台阶的高度可粗略估量约有400个位错移出了晶体外表。,9,2,、滑移机制,1位错宽度,晶体中已滑移的局部与未滑移局部的分界是以位错作为表征，其分界是一个过渡区域。,位错的宽度是两种力量平衡的结果,位错宽度越窄，界面能越小，而弹性畸变能越大,位错宽度增加，弹性畸变能分摊到较宽区域内的各个原子上，使每个原子列偏离其平衡位置较小，单位体积内的弹性畸变能减小,位错宽度是影响位错是否简洁运动的重要参数，位错宽度越大，位错就越简洁运动,10,位错宽度与位错的易动性,总体规律：位错宽度越大，位错就越易运动。,位错中心由A移到B时，,假设A和B对于位错两侧的原子列是对称的，位错不受力，即只要位错处于对称位置位移为b或b/2时，位错不受力。,假设位错中心A不是移到B位置，而是移到了很小的距离，位错两侧不再保持是等距离和对称的，由于位错两侧原子列对位错的作用力不能抵消，于是位错运动时就产生了阻力。位错宽度大时，非对称性的影响较弱，位错运动较简洁。,位错宽度如何确定？阻力大小？,11,位错宽度的界定：位错中心A处，离两端平衡位置为b/2，始终往两侧延长到原子列偏离原平衡位置的位移为b/4时，位错两侧的宽度以W表示，即为位错宽度。,抱负晶体中位错在点阵周期场中运动时所需抑制的阻力。,派纳力PN,PN,的大小主要取决于位错宽度W，W越小，,PN,就越大，材料就难变形，相应的屈服强度也越大；,从本质上派,-,纳力大小如何确定？,12,位错宽度也就是派纳力主要取决于结合键的本质和晶体构造：,对于方向性很强的共价键，键角键长都很难转变，位错宽度很窄 Wb，派纳力很大，宏观上屈服强度很大但很脆；,对于没有方向性金属键，位错宽度较大，如面心立方金属Cu，其 W6b，而其派纳力是很低,位错在不同的晶面和晶向上运动，其位错宽度不同，当b 最小，a 最大时，位错宽度才最大，派纳力最小,位错只有沿着原子排列最严密方向上运动，派纳力才最小,金属中的滑移面和滑移方向都是原子排列最严密的面和方向。,在金属中面心立方金属和沿基面0001滑移的密排六方金属，其派纳力最低,对不是沿基面滑移而是沿棱柱面1010或棱锥面1011滑移的密排六方金属，由于b/a比值较大，影响了位错宽度，派纳力增大；对于体心立方金属，派纳力稍大于面心立方，但更主要的是派纳力随温度的降低而急剧增高体心立方金属多数具有低温脆性的缘由,13,3,、滑移面和滑移方向,滑移面和滑移方向通常是原子排列最严密的平面和方向，对不同的金属晶体构造，其滑移面和滑移方向自然也不一样。,对面心立方金属，原子排列最严密的面是111，原子最密集的方向为，因此滑移面为111，共有四个；滑移方向，共有三个假设分别列出则为：,注：后面的面是与前面的面相平行的，因而它们的滑移系相同，例如110(111)滑移系与110(111)相同。,这些滑移面和滑移方向可清晰地表示在一锥形八面体中，滑移面与滑移方向的组合为 4 3 12，即构成12个滑移系,滑移方向,uvw,是在滑移面,hkl,上的,也就是hu+lv+kw=0,14,对体心立方金属，原子排列最密集的平面和方向是110，110 有6个，有2个，因此有12个滑移系最简洁滑移的平面和方向,体心立方金属的滑移变形受合金元素、晶体位向。温度和应变速率的影响较大。,也可观看到在112和123上进展滑移，方向还是111，即体心立方金属可能有48个滑移系,对密集六方金属，当c/a较大，,即（c/a）1.63，,如Cd、Zn、Mg,等滑移面为0001，滑移方向是，组合的结果只有三个滑移系；当c/a较小时在棱柱面原子排列的密度较基面上大，滑移面就变为 1010，如Ti,15,滑移系的多少是影响金属塑性好坏的重要因素,密排六方金属的滑移系少3个，因此其一般来说塑性低；,体心立方金属滑移系有48个，但不肯定塑性就好，由于影响金属塑性的因素还有:杂质对变形的影响；加工对硬化的影响；屈服强度和金属断裂抗力的凹凸，而且48个滑移系不肯定同时动作。,16,4,、孪晶变形,也是一种常见的变形方式,晶体在切应力作用下沿肯定的晶面和晶向在一个区域内发生连续挨次的切变，变形的结果：晶体取向转变，但晶体构造及对称性不变，已变形晶体局部和未变形晶体局部互为镜像,孪晶带中各晶面切变位移都不是原子间距的整数倍，各晶面的原子位移量与孪晶面的距离成正比孪晶位移特点使孪晶变形局部与未变形局部互以孪晶面为镜面对称,17,孪晶变形对各类不同构造金属的影响,孪晶变形对密排六方金属尤其重要,理论上孪晶变形占总变形比例不大，以滑移变形占主导地位孪晶变形的临界切应力通常大于滑移的临界切应力，如纯镉沿基面0001滑移的临界切应力为 0.20.3 MPa,孪晶变形的临界切应力为 17 MPa，但假设基面的位向不利,并与拉力轴方向渐趋平行时，滑移变形就不能发生，就会优先发生孪晶变形；,孪晶变形之后由于该局部的晶体取向转变，就会促使滑移得以连续进展即孪晶变形的主要作用滑移变形困难时，能转变晶体位向帮助滑移,18,对于体心立方金属，,尽管滑移系多，但在肯定条件下都可发生孪晶变形如Cr,W,Mo,Nb,特殊是-Fe，纯铁在低温196 或在室温下冲击变形或爆炸变形时都可发生孪晶变形孪晶变形简洁导致解理断裂裂纹的萌生；,面心立方金属,一般认为不发生孪晶变形，但纯铜可在 4K 下有孪晶变形Ag,Ni也有类似现象低错层能的面心立方金属如高锰钢、不锈钢、-黄铜，在室温下就能有较大的体积内发生孪晶变形产生孪晶变形的应力和层错能的凹凸有肯定关系：层错能越低，孪晶应力越低即对于面心立方固溶体合金，参加能降低层错能的溶质元素，就比纯金属简洁消失孪晶变形。,19,四、单晶体的塑性变形,1,、施密特定律,当外力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力到达某一临界值时，这一滑移系就开头变形，当有多个滑移系时，就要看外力在哪个滑移系上的分切应力最大,分切应力最大的滑移系一般首先开头动作。,图中，为滑移面法线方向与外力的夹角，为滑移方向与拉力轴的夹角,滑移方向、拉力轴、滑移面法线这三者一般状况下不在一平面内，,+90o，外力在滑移方向上的分切应力为 F/Acos cos,=cos cos,当 C,=S，C=S cos cos,此式即为施密特定律：当滑移面的滑移方向上，分切应力到达某一临界值C时，晶体就开头屈服，S，C为常数，某种金属是肯定值，但屈服点S随角和角而定，所以cos.cos称为取向因子，即施密特因子,截面,某一点单位面积上的内力称为,应力,20,cos cos 值大者，称为软取向，此时材料的屈服点较低；,反之，cos cos 值小者，称为硬取向，材料屈服点也较高,取向因子最大值在+90o的状况下，cos cos 1/2；,当滑移面垂直于拉力轴或平行于拉力轴时，在滑移面上的分切应力为零，因此不能滑移。,C,=,S,cos,cos,S,=,C,/,cos,cos,21,右图中显示了纯度99.999质量分数的单晶锌在拉伸时的屈服点随晶体位向变化的试验结果。,面心立方金属也符合施密特定律,但对体心立方金属，则不听从施密特定律，表现为晶体滑移的临界切应力并不是常数，拉力轴取向不同，C也在转变,施密特定律首先在六方晶系如Zn、Mg中得到证明。,C,=,S,cos,cos,施密特因子,22,2、单滑移、多滑移和交滑移,施密特定律的意义，不仅在于说明晶体开头塑性变形时，切应力需要到达某一临界值，而且也可说明滑移变形有单滑移、多滑移和交滑移几种状况,1当只有一个滑移系统上的分切应力到达临界分切应力，这时只发生单滑移，在一个晶粒内只有一组平行滑移线带,它是在变形量很小的时候发生，位错在滑移过程中不会与其他位错交互作用，因此加工硬化也很弱。,23,2当拉力轴在晶体的特定取向上，可能会使几个滑移系上的分切应力相等，在同时到达了临界分切应力时，就会发生多滑移,当一个滑移系启动后，另一个滑移系就必需穿越前一个滑移系，两个滑移系上的位错会有交互作用，产生交割和反响，因而多系滑移会产生强的加工硬化。,多滑移,上图显示了面心立方金属滑移面为 111,滑移方向为110，当拉力轴为001时所造成的多滑移。,24,3交滑移是螺型位错在两个相交的滑移面上运动，当螺型位错在一个滑移面上运动遇到障碍，会转到另一个滑移面上连续滑移，滑移方向不变。,25,以下图显示了交滑移的特点，交滑移时滑移线不是平直的，有转折和台阶,交滑移在晶体的塑性变形中很重要，假设没有交滑移，只增加外力，晶体很难连续变形下去，最终就会造成断裂,因此简洁进展交滑移的材料，塑性才是好的,只有纯螺型位错才能进展交滑移，,螺旋位错的滑移面不是固定的,26,五、多晶体的塑性变形,1、,晶界和晶体位向对塑性变形的影响,多个晶粒位向不同，在外力作用下，施密特因子最大、分切应力先到达临界切应力的晶体开头滑