第八章材料的变形与断裂.ppt

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1、第一节第一节 金属变形概述金属变形概述0epsbkggt应力应变曲线应力应变曲线第二节第二节 金属的弹性变形金属的弹性变形00lnln(1)llnFSAdldeldlledellSkek式中常数n形变强化指数0epsbkggt第三节第三节 滑移与孪晶变形滑移与孪晶变形塑性变形的主要方式：塑性变形的主要方式：滑移，孪生滑移，孪生，扭折。扭折。一滑移观察一滑移观察1 1 滑移：在切应力作用下，晶体的一滑移：在切应力作用下，晶体的一 部分相对于另一部分沿着一部分相对于另一部分沿着一 定的晶面（定的晶面（滑移面滑移面）和晶向）和晶向 （滑移方向滑移方向）产生相对位移，）产生相对位移，且不破坏晶体内部原

2、子排列且不破坏晶体内部原子排列 规律性的塑变方式。规律性的塑变方式。滑移变形具有以下特点：滑移变形具有以下特点：(1(1）滑移在切应力作用下产生）滑移在切应力作用下产生（2 2）滑移沿原子密度最大的晶面）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生和晶向发生（3 3）滑移时两部分晶体的相对）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍位移是原子间距的整数倍l l 光镜下：滑移带。光镜下：滑移带。l 2 2 滑移的表象学滑移的表象学l 电境下：滑移线。电境下：滑移线。二、滑移机制二、滑移机制位错宽度越窄，界面能越小，但弹性畸变能很高，反之位错宽位错宽度越窄，界面能越小，但弹性畸变能很高，反之位错宽度增加，

3、将集中的弹性畸变能分摊到较宽区域内的各个原子面度增加，将集中的弹性畸变能分摊到较宽区域内的各个原子面上，使每个原子列偏离其平衡位置较小，这样单位体积的弹性上，使每个原子列偏离其平衡位置较小，这样单位体积的弹性畸变能减小了。畸变能减小了。22(1)2121221wbp Nuuuabp NGeGbWGbaGe 为泊松比；为理论抗剪切强度对金属（1）p-N的大小，主要取决于位错宽度的大小，主要取决于位错宽度W，位错宽度越小，位错宽度越小，p-N越大，材料就难以变形，相应的屈服强度也越大。越大，材料就难以变形，相应的屈服强度也越大。(2)位错宽度（也就是位错宽度（也就是p-N）主要决定于结合键的本性和

4、晶体）主要决定于结合键的本性和晶体结构。对于方向性很强的共价键，其键角和键长度都很难改结构。对于方向性很强的共价键，其键角和键长度都很难改变，位错宽度很窄变，位错宽度很窄W=b，故，故p-N很高，因而其宏观表现是屈很高，因而其宏观表现是屈服强度很高但很脆；而金属键因为没有方向性，位错有较大服强度很高但很脆；而金属键因为没有方向性，位错有较大的宽度，其的宽度，其W=6b，其，其p-N是很低的。是很低的。（3）位错在不同的晶面和晶向上运动，位错宽度是不一样）位错在不同的晶面和晶向上运动，位错宽度是不一样的，只有的，只有b最小，最小，a最大时，位错宽度最大时，位错宽度才最大，才最大，p-N最小位错只

5、有沿着原子最小位错只有沿着原子排列最紧密的面及原子密排方向上运排列最紧密的面及原子密排方向上运动，动，p-N才最小。才最小。（4）fcc，hcp的的p-N最低，最低，bcc的的p-N随温度降低而升高。随温度降低而升高。22(1)2121221wbp Nuuuabp NGeGbWGbaGe 为泊松比；为理论抗剪切强度对金属l三、三、滑移面和滑移方向滑移面和滑移方向l 滑移面滑移面 （密排面）（密排面）l （1 1）几何要素）几何要素l 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向）l l（2 2）滑移系）滑移系l 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组

6、合。l 滑移系的个数滑移系的个数:(:(滑移面个数）滑移面个数）（每个面上所具有的滑移（每个面上所具有的滑移方向的个数）方向的个数）任意一个任意一个hkl晶面族中，所有的晶面数晶面族中，所有的晶面数可通过下式算出：可通过下式算出：!224!2!34nnNmmhklm是指数中是指数中0的个数，的个数，n是相同指数是相同指数的个数的个数1.633,0001,11201.633,1010,1011,1210,1120caca1.011112111111 011111 11211110111122fcc例和均位于铝的（）平面上。因此（）与（）的滑移是可能的。（）画出（）平面并指出单位滑移矢量和。（）比

7、较具有此二滑移矢量的位错线的能量。011112(1)2222/2136/2WGbbaba-011-011112112（）由于，且二滑移矢量位于相同的滑移面，因此G相同。WW111(101)2110(111)101(111)2101(111)2fccaabaacad例2：在金属晶体中，下列的哪个是有效滑移系：l （2 2）滑移系）滑移系l l 滑移系数目与材料塑性的关系滑移系数目与材料塑性的关系l 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好；l 与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；l 与同时开动滑移系数目有关（与同时开动滑移系数目有关（k k）。）。四

8、四 孪晶变形孪晶变形（1 1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分 沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取 向的镜面对称关系。向的镜面对称关系。孪生面孪生面 bcc112,fcc111,hcp1012bcc112,fcc111,hcp1012（2 2）孪生的晶体学）孪生的晶体学 孪生方向孪生方向bcc,fcc,hcpbcc,fcc,hcp 孪晶区孪晶区 1121(111)1123fccd中，每层面都相对于其邻晶沿方向位移了 肖克莱不全位错的柏氏矢量肖克莱不全位错的柏氏矢量 ，aaaaCA

9、d2646)22(222211 ad6631211 2116ab 实质上就是一个肖克实质上就是一个肖克莱不全位错的移动。莱不全位错的移动。（3）孪生变形的特点孪生变形的特点 滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切变；切变；2 2 沿一定的晶面、晶向进行；沿一定的晶面、晶向进行；3 3 不改变结构不改变结构。不不同同点点 晶体位向晶体位向不改变（对抛光面观察无不改变（对抛光面观察无重现性）重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）光面观察有重现性）位移量位移量滑移方向上原子间距的整滑移方向上原子间距的整数倍，较大。数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，小

10、于孪生方向上的原子间距，较小。较小。对塑变的贡献对塑变的贡献很大，总变形量大。很大，总变形量大。有限，总变形量小。有限，总变形量小。变形应力变形应力有一定的临界分切压力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于所需临界分切应力远高于滑移滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果分位错运动的结果分位错运动的结果l 第四节第四节 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形l一施密特定律一施密特定律l l 00,coscoscoscoscos/coscoscoscoscossksPPPPAAmmA在滑移方向的分力为Pcos，而滑

11、移面的面积为则 在滑移方向的cos分切应力为当时，晶体开始滑移，此时滑移方向上的分切应力称为临界分切应力令称为取向因子l k k取决于金属的本性，不受取决于金属的本性，不受，的影响；的影响；l 或或 9090 时，时，s s ；l s s的取值的取值 ，4545 时，时，s s最小，晶体易滑移；最小，晶体易滑移；l 软取向：值大；软取向：值大；l取向因子：取向因子：coscos coscos 硬取向：值小。硬取向：值小。l 1 1 122 21 2121 22222221112221,111110100121111101cos111111MPahk lh k lhhk kl lhklhkl-已

12、知纯铜的临界分切应力为问：（）要使（）面上产生方向的滑移，应在方向上施加多大的力？（）要使（）面上产生方向的滑移呢？解（）对立方晶系，两晶向和的夹角为故滑移面（）的法线方向和拉力轴001的夹角为co2222221 0 1 0 1 11311100112.45coscos1/2 1/3(2)110001csMPa s=同理，滑移方向101和拉力轴001的夹角为1cos=2故由于滑移方向和方向点积为零，知两晶向垂直，cos=0,=即作用力方向为001时，在110方向不会产生滑移。111101l滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动l（1 1）位向和晶面的变化）位向和晶面的变化l 拉伸时拉伸时,滑移面和滑

13、移方向趋于滑移面和滑移方向趋于 平行于力轴方向平行于力轴方向;l 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。l 几何硬化：几何硬化：，远离远离4545，滑移变得困难，滑移变得困难；l（2 2）取向因子的变化）取向因子的变化l 几何软化；几何软化；，接近接近4545，滑移变得容易，滑移变得容易。l二单滑移、多滑移和交二单滑移、多滑移和交滑移滑移l1 1、滑移的分类、滑移的分类l单滑移：单滑移：l双滑移：双滑移：l多滑移：在多个（多滑移：在多个（22）滑移系上同时或交替进行的滑移。）滑移系上同时或交替进行的滑移。l交滑移交滑移2 2、等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移

14、方向与力轴夹角、等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。分别相等的一组滑移系。l交滑移交滑移l （1 1）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。向进行的滑移。l（2 2）bcc:110,112,123bcc:110,112,123111 111 l（3 3）机制）机制l 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程；另一滑移面的过程；l 螺位错的螺位错的双交滑移双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面：交滑移后的螺位错

15、再转回到原滑移面的过程。的过程。3.滑移的位错机制滑移的位错机制大量的理论和试验研究的结果证明，滑移是通过位错在大量的理论和试验研究的结果证明，滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。滑移面上的运动来实现的。刃平面位错运动3D刃型位错运动3D螺型位错运动l4 4 滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹 l 单滑移：单一方向的滑移带；单滑移：单一方向的滑移带；l 多滑移：相互交叉的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；l 交滑移：波纹状的滑移带。交滑移：波纹状的滑移带。201112/N m-6假定某面心立方晶体可以开动的滑移系为 111，试回答下列问题：（）给出引起滑移的单位位错的柏氏矢量，并说明。（）如果滑

16、移是由纯刃型位错引起的，试指出位错线的方向。如果是由纯螺型位错引起的又怎样？（3）指出上述两种情况下，滑移时位错线运动的方向。（4）假定在该滑移系上作用一大小为7 10的切应力，试计算单位刃位错及单位螺位错线受力的大小和方向。（设晶格常数为a=0.2nm)90112(2)2 101132 1011220.2 102abbbabb-解：(1)单位位错的柏氏矢量为如果滑移由纯刃位错引起的，则位错线方向与 垂直，且应位于滑移面上，故为 1。如果滑移由纯螺位错引起的，则位错线方向应与 平行，为。（）若为刃位错，则滑移时位错线的运动方向与位错线垂直，即与b一致，为011。若为螺位错，则滑移位错线的运动方向与位错线和b垂直，为 1。(4)1061041.414 107 101.414 109.899 10/211mfbN mff单位位错线上的作用力大小为对螺位错，的方向垂直于位错线，为，并指向未滑移区；对刃位错，的方向也垂直于位错线，为011，并指向未滑移区。一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响1 1 晶粒之间变形的传播晶粒之间变形的传播 位错在晶界塞积位错在晶界塞