華南師范大學(xué)材料科學(xué)與工程教程第八章-材料的變形與斷裂(二)

1、1,第八章 材料的變形與斷裂（一）,2,各種材料的變形特性可有很大不同金屬材料——有良好的塑性變形能力，也有較高的強(qiáng)度，常被加工成各種形狀的產(chǎn)品零件陶瓷材料——有高的高溫強(qiáng)度、耐磨性能、抗腐蝕性能，但脆性大，難加工成 型高分子材料——Tg以下是脆性的，Tg以上可加工成型，但強(qiáng)度很低各種材料力學(xué)性能差別主要取決于結(jié)合鍵和晶體或非晶體結(jié)構(gòu),概述,,3,一、金屬變形概述,,1、從兩方面研究金屬的變形和斷裂：※研究生產(chǎn)制造過程中，各種

2、冷熱加工工藝（軋制、鍛造、擠壓、拉拔等）對金屬材料的加工成形和變形后性能的影響；※研究制成的零部件在實際使用中可能會出現(xiàn)的過量變形和斷裂。,2、材料的強(qiáng)度就是指對變形和斷裂的抗力通常用應(yīng)力—應(yīng)變曲線來表示金屬材料的變形和斷裂特性金屬材料除了像鑄鐵、淬火高碳鋼等少數(shù)脆性材料外，都有彈性變形、塑性變形、最后斷裂等三個階段,,4,圖中，σs表示開始塑性變形的應(yīng)力，稱為屈服強(qiáng)度，工程上以去除外力后發(fā)生0.1%～0.2%殘留變形時的應(yīng)力為標(biāo)

3、準(zhǔn)，該點以下為彈性變形部分，σs點以上為塑性變形，隨變形程度增大，變形的抗力也增大，要繼續(xù)變形就要增加外力，此稱為加工硬化。σb在曲線的最高點，表示材料的拉伸強(qiáng)度。,在σb以下時，材料只發(fā)生均勻伸長，到了σb點，材料局部地方截面開始變細(xì)—頸縮，也稱失穩(wěn)。再繼續(xù)拉伸，頸縮處越來越細(xì)，最后不能承受重力，迅速斷裂。,5,二、金屬的彈性變形,,1、主要特點：?變形可逆，去除外力后變形消失?服從虎克定律，應(yīng)力—應(yīng)變呈線性關(guān)系,正應(yīng)力下：σ＝

4、Eε ，切應(yīng)力下:E為楊氏模量, ε 為應(yīng)變 G為切變模量， γ為切應(yīng)變,,泊松比（ ），在材料的比例極限內(nèi)，由均勻分布的縱向應(yīng)力所引起的橫向應(yīng)變與相應(yīng)的縱向應(yīng)變之比的絕對值！,6,2、彈性模量 （E、G）,是原子間結(jié)合力的反映和量度,在外力作用下發(fā)生彈性變形，內(nèi)部原子間距離偏離平衡位置；,在沒有外力時，晶體內(nèi)原子間的結(jié)合能和結(jié)合力可以預(yù)測,彈性變形的難易程度取決于作用力—原子間距離曲線的斜率S0,由于金屬材料的彈性變形很小

5、（<0.1%），原子間距離只能在r0附近變化，可把S0看成是常數(shù)，則彈性變形所需的外力,F = S0（r－r0） σ = S0ε/ r0， E = S0/ r0這就是虎克定律和彈性模量的微觀解釋,7,?彈性模量是原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的反映，是一個對組織不敏感的性能指標(biāo)，加入少量合金元素和熱處理對彈性模量影響不大 例如碳鋼、鑄鋼和各種合金鋼的彈性模量都差別不大，（E ? 200GPa）但它們的屈服

6、強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可以相差很大?彈性模量在工程技術(shù)上表示材料的剛度，有些零件或工程構(gòu)件主要是按剛度要求設(shè)計的，剛度條件滿足，強(qiáng)度一般情況下也是滿足的?在相同外力作用下，剛度大的材料發(fā)生彈性變形量就小 如鐵的彈性模量是鋁的三倍，則鐵的彈性變形只有鋁的三分之一,8,三、滑移與孿晶變形,,1、滑移觀察,1）光學(xué)顯微鏡觀察,試樣表面內(nèi)有許多平行的或幾組交叉的細(xì)線，是相對滑移的晶體層與試樣表面的交線,——滑移帶,2）電子顯微鏡觀察

7、,滑移帶是由是由更多的一組平行線構(gòu)成,——滑移線,,試樣內(nèi)的滑移帶不是均勻分布的，滑移線構(gòu)成的滑移臺階高約100nm，如果滑移b=0.25，則從滑移臺階的高度可粗略估計約有400個位錯移出了晶體表面。,,9,2、滑移機(jī)制,1）位錯寬度,晶體中已滑移的部分與未滑移部分的分界是以位錯作為表征，其分界是一個過渡區(qū)域。,?位錯的寬度是兩種能力平衡的結(jié)果位錯寬度越窄，界面能越小，而彈性畸變能越大?位錯寬度增加，彈性畸變能分?jǐn)偟捷^寬區(qū)域內(nèi)的各個

8、原子上，使每個原子列偏離其平衡位置較小，單位體積內(nèi)的彈性畸變能減小?位錯寬度是影響位錯是否容易運(yùn)動的重要參數(shù)，位錯寬度越大，位錯就越容易運(yùn)動,10,位錯寬度與位錯的易動性,總體規(guī)律：位錯寬度越大，位錯就越易運(yùn)動。,位錯中心由A移到B時，,①若A和B對于位錯兩側(cè)的原子列是對稱的，位錯不受力，即只要位錯處于對稱位置（位移為b或b/2時），位錯不受力。,②若位錯中心A不是移到B位置，而是移到了很小的距離，位錯兩側(cè)不再保持是等距離和對稱的，由

9、于位錯兩側(cè)原子列對位錯的作用力不能抵消，于是位錯運(yùn)動時就產(chǎn)生了阻力。位錯寬度大時，非對稱性的影響較弱，位錯運(yùn)動較容易。,,位錯寬度如何確定？阻力大??？,11,位錯寬度的界定：位錯中心A處，離兩端平衡位置為b/2，一直往兩側(cè)延伸到原子列偏離原平衡位置的位移為b/4時，位錯兩側(cè)的寬度以W表示，即為位錯寬度。,理想晶體中位錯在點陣周期場中運(yùn)動時所需克服的阻力。,派－納力（τP－N）,? τP－N的大小主要取決于位錯寬度W，W越小，τP－N就越

10、大，材料就難變形，相應(yīng)的屈服強(qiáng)度也越大；,從本質(zhì)上派-納力大小如何確定？,,12,?位錯寬度（也就是派－納力）主要取決于結(jié)合鍵的本質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)：?對于方向性很強(qiáng)的共價鍵，鍵角鍵長都很難改變，位錯寬度很窄 W?b ，派－納力很大，宏觀上屈服強(qiáng)度很大但很脆；?對于沒有方向性金屬鍵，位錯寬度較大，如面心立方金屬Cu，其 W?6b，而其派－納力是很低 ?位錯在不同的晶面和晶向上運(yùn)動，其位錯寬度不同，當(dāng)b 最小，a 最大時，位錯寬度才最大，

11、派－納力最小 位錯只有沿著原子排列最緊密方向上運(yùn)動，派－納力才最小金屬中的滑移面和滑移方向都是原子排列最緊密的面和方向。?在金屬中面心立方金屬和沿基面（0001）滑移的密排六方金屬，其派－納力最低 對不是沿基面滑移而是沿棱柱面（1010）或棱錐面（1011）滑移的密排六方金屬，由于b/a比值較大，影響了位錯寬度，派－納力增大；對于體心立方金屬，派－納力稍大于面心立方，但更主要的是派－納力隨溫度的降低而急劇增高——體心立方金屬

12、多數(shù)具有低溫脆性的原因,,,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緊密的平面和方向，對不同的金屬晶體結(jié)構(gòu)，其滑移面和滑移方向自然也不相同。,?對面心立方金屬，原子排列最緊密的面是{111}，原子最密集的方向為，因此滑移面為{111}，共有四個；滑移方向，共有三個若分別列出則為：,這些滑移面和滑移方向可清楚地表示在一錐形八面體中，滑移面與滑移方向的組合為 4 ? 3 ＝12 ，即構(gòu)成12個滑移系,,滑移方向[uvw]

13、是在滑移面[hkl]上的,也就是hu+lv+kw=0,14,?對體心立方金屬，原子排列最密集的平面和方向是{110} ，{110} 有6個，有2個，因此有12個滑移系（最容易滑移的平面和方向）體心立方金屬的滑移變形受合金元素、晶體位向。溫度和應(yīng)變速率的影響較大。也可觀察到在{112}和{123}上進(jìn)行滑移，方向還是[111]，即體心立方金屬可能有48個滑移系?對密集六方金屬，當(dāng)c/a較大，,等滑移面為（0001），滑移方向是，組合

14、的結(jié)果只有三個滑移系；當(dāng)c/a較小時在棱柱面原子排列的密度較基面上大，滑移面就變?yōu)?{1010}，如Ti,－,－,15,滑移系的多少是影響金屬塑性好壞的重要因素密排六方金屬的滑移系少（3個），因此其一般來說塑性低；體心立方金屬滑移系有48個，但不一定塑性就好，因為影響金屬塑性的因素還有: 雜質(zhì)對變形的影響；加工對硬化的影響；屈服強(qiáng)度和金屬斷裂抗力的高低，而且48個滑移系不一定同時動作。,16,4、孿晶變形,也是一種常見的變形方式

15、 晶體在切應(yīng)力作用下沿一定的晶面和晶向在一個區(qū)域內(nèi)發(fā)生連續(xù)順序的切變，變形的結(jié)果：晶體取向改變，但晶體結(jié)構(gòu)及對稱性不變，已變形晶體部分和未變形晶體部分互為鏡像,孿晶帶中各晶面切變位移都不是原子間距的整數(shù)倍，各晶面的原子位移量與孿晶面的距離成正比（孿晶位移特點）—使孿晶變形部分與未變形部分互以孿晶面為鏡面對稱,17,孿晶變形對各類不同結(jié)構(gòu)金屬的影響,孿晶變形對密排六方金屬尤其重要 理論上孿晶變形占總變形比例不

16、大，以滑移變形占主導(dǎo)地位孿晶變形的臨界切應(yīng)力通常大于滑移的臨界切應(yīng)力，（如純鎘沿基面（0001）滑移的臨界切應(yīng)力為 0.2～0.3 MPa,孿晶變形的臨界切應(yīng)力為 1～7 MPa，但如果基面的位向不利, 并與拉力軸方向漸趨平行時，滑移變形就不能發(fā)生，就會優(yōu)先發(fā)生孿晶變形； 孿晶變形之后由于該部分的晶體取向改變，就會促使滑移得以繼續(xù)進(jìn)行即孿晶變形的主要作用—滑移變形困難時，能改變晶體位向幫助滑移,18,?對于體心立方金屬，

17、 盡管滑移系多，但在一定條件下都可發(fā)生孿晶變形（如Cr, W, Mo, Nb, 特別是?-Fe），純鐵在低溫（－196℃ ）或在室溫下沖擊變形或爆炸變形時都可發(fā)生孿晶變形孿晶變形容易導(dǎo)致解理斷裂裂紋的萌生；,?面心立方金屬 一般認(rèn)為不發(fā)生孿晶變形，但純銅可在 4K 下有孿晶變形（Ag, Ni也有類似現(xiàn)象低錯層能的面心立方金屬如高錳鋼、不銹鋼、 ?-黃銅，在室溫下就能有較大的體積內(nèi)發(fā)生孿晶變形產(chǎn)生孿晶變形的應(yīng)

18、力和層錯能的高低有一定關(guān)系：層錯能越低，孿晶應(yīng)力越低即對于面心立方固溶體合金，加入能降低層錯能的溶質(zhì)元素，就比純金屬容易出現(xiàn)孿晶變形。,19,四、單晶體的塑性變形,,1、施密特定律,當(dāng)外力在某個滑移面的滑移方向上的分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時，這一滑移系就開始變形，當(dāng)有多個滑移系時，就要看外力在哪個滑移系上的分切應(yīng)力最大,分切應(yīng)力最大的滑移系一般首先開始動作。 圖中，?為滑移面法線方向與外力的夾角，?為滑移方向與拉力軸的夾角

19、 滑移方向、拉力軸、滑移面法線這三者一般情況下不在一平面內(nèi)， ? + ? ? 90o，外力在滑移方向上的分切應(yīng)力為 ? ?（F/A）cos ? cos ? =? cos? cos?當(dāng)? ? ?C, ? = ?S， ?C =?S cos? cos?,此式即為施密特定律：當(dāng)滑移面的滑移方向上，分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值?C時，晶體就開始屈服， ? ＝?S， ?

20、C為常數(shù)，某種金屬是一定值，但屈服點?S隨?角和?角而定，所以cos? .cos?稱為取向因子，即施密特因子,截面某一點單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力,20,cos? cos? 值大者，稱為軟取向，此時材料的屈服點較低；反之， cos? cos? 值小者，稱為硬取向，材料屈服點也較高取向因子最大值在? + ? ＝90o的情況下， cos? cos? ＝1/2；當(dāng)滑移面垂直于拉力軸或平行于拉力軸時，在滑移面上的分切應(yīng)力為零，因此不能滑移。

21、,?C =?S cos? cos?,?S =?C /cos? cos?,21,右圖中顯示了純度99.999％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的單晶鋅在拉伸時的屈服點隨晶體位向變化的實驗結(jié)果。 面心立方金屬也符合施密特定律但對體心立方金屬，則不服從施密特定律，表現(xiàn)為晶體滑移的臨界切應(yīng)力并不是常數(shù)，拉力軸取向不同，?C也在改變,施密特定律首先在六方晶系如Zn、Mg中得到證實。,?C =?S cos? cos?,施密特因子,22,2、單滑移、多滑

22、移和交滑移,施密特定律的意義，不僅在于闡明晶體開始塑性變形時，切應(yīng)力需要達(dá)到某一臨界值，而且也可說明滑移變形有單滑移、多滑移和交滑移幾種情況 1）當(dāng)只有一個滑移系統(tǒng)上的分切應(yīng)力達(dá)到臨界分切應(yīng)力，這時只發(fā)生單滑移，在一個晶粒內(nèi)只有一組平行滑移線（帶）,它是在變形量很小的時候發(fā)生，位錯在滑移過程中不會與其他位錯交互作用，因此加工硬化也很弱。,23,2）當(dāng)拉力軸在晶體的特定取向上，可能會使幾個滑移系上的分切應(yīng)力相等，在同時達(dá)到了臨界分切應(yīng)

23、力時，就會發(fā)生多滑移,當(dāng)一個滑移系啟動后，另一個滑移系就必須穿越前一個滑移系，兩個滑移系上的位錯會有交互作用，產(chǎn)生交割和反應(yīng)，因而多系滑移會產(chǎn)生強(qiáng)的加工硬化。,多滑移,上圖顯示了面心立方金屬滑移面為 {111}, 滑移方向為[110]，當(dāng)拉力軸為[001]時所造成的多滑移。,24,3）交滑移是螺型位錯在兩個相交的滑移面上運(yùn)動，當(dāng)螺型位錯在一個滑移面上運(yùn)動遇到障礙，會轉(zhuǎn)到另一個滑移面上繼續(xù)滑移，滑移方向不變。,25,?下圖顯示了交滑移的

24、特點，交滑移時滑移線不是平直的，有轉(zhuǎn)折和臺階?交滑移在晶體的塑性變形中很重要，如果沒有交滑移，只增加外力，晶體很難繼續(xù)變形下去，最后就會造成斷裂?因此容易進(jìn)行交滑移的材料，塑性才是好的只有純螺型位錯才能進(jìn)行交滑移，?螺旋位錯的滑移面不是固定的,26,五、多晶體的塑性變形,,1、晶界和晶體位向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊?多個晶粒位向不同，在外力作用下，施密特因子最大、分切應(yīng)力先達(dá)到臨界切應(yīng)力的晶體開始滑移，當(dāng)滑移擴(kuò)展到鄰近晶粒時，滑移線會終

25、止于晶界附近，一般情況下滑移線是不穿越晶界的。,由此說明晶界和晶體位向差會共同阻礙滑移,,但當(dāng)位向差為零時，其屈服強(qiáng)度接近于單晶體的數(shù)值，滑移線也可以穿越晶界。這顯示出晶體位向的影響比晶界更重要。,,?C =?S cos? cos?,27,多晶體的變形有二特點：?變形的傳遞：當(dāng)一個晶粒位錯在某一滑移系上動作后，在位錯遇到晶界時便塞積起來，由此產(chǎn)生了大量的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中能使相鄰晶粒的位錯源啟動時，原來取向不利的晶粒也能開始變形，

26、相鄰晶粒變形也會使位錯塞積產(chǎn)生的應(yīng)力集中得以松弛——滑移傳播過程?變形的協(xié)調(diào)：假如多晶體在變形時各個晶粒的自身變形都像單晶體一樣，彼此獨立變形互相不受約束，那么在晶界附近變形將是不連續(xù)的，會出現(xiàn)空隙或裂縫，為了適應(yīng)變形協(xié)調(diào)，不僅要求鄰近晶粒的晶界附近有幾個滑移系動作，就是已變形的晶粒自身，除了變形的主滑移系統(tǒng)外，晶界附近也要有幾個滑移系統(tǒng)同時動作。,28,對多晶體屈服點，仿照施密特定律，可寫成：,體心立方金屬滑移系多且容易交滑移，平均

27、施密特因子最大，即在其多晶體中每一個晶粒都含有一個取向最有利的滑移系，這樣，晶體的位向?qū)嶋H上對屈服強(qiáng)度的影響不大； 對密排六方金屬，滑移系少，顯示出晶粒的位向影響較大，多晶體和單晶體的屈服強(qiáng)度差別就可能很大。,29,2、晶粒大小對材料強(qiáng)度與塑性的影響,對純金屬、單相金屬或低碳鋼，屈服強(qiáng)度與晶粒大小有以下關(guān)系,σys＝σ0 + kyd －1/2 (式中σys 表示材料屈服強(qiáng)度，d 為晶粒的平均粒徑， ky 為直線的斜率)

28、 該經(jīng)驗公式常稱為霍爾佩奇（Hall-petch)關(guān)系 該關(guān)系所覆蓋的晶粒尺寸范圍，對純鐵和低碳鋼來說，晶粒尺寸可以從0.35 到 400 mm。實驗證明，晶粒越細(xì)，材料強(qiáng)度越高，這可用晶界位錯塞積模型來解釋,30,? 假如某晶粒中心有一位錯源，在外加切應(yīng)力作用下位錯沿某個滑移面運(yùn)動，當(dāng)位錯運(yùn)動至晶界受阻，便塞積起來，從而造成了應(yīng)力集中，在同樣的外加切應(yīng)力作用下，晶界附近塞積的位錯數(shù)以粗晶粒多于細(xì)晶粒。? 此因位錯

29、塞積后便對晶粒中心的位錯源有一反作用力或稱背應(yīng)力，其隨位錯塞積數(shù)目而增大，當(dāng)增大到某一程度時，可使位錯源停止動作。? 假若粗細(xì)兩種晶粒，在同樣外加切應(yīng)力下，在晶界附近塞積了相同數(shù)目的位錯，此時細(xì)晶粒的反作用力大于粗晶粒的反作用力，因為離位錯源近。當(dāng)細(xì)晶粒中心的位錯源已被迫停止開動的時候，粗晶粒中心的位錯源還在不斷放出位錯，因此，同一切應(yīng)力下，粗晶粒在晶界塞積的位錯數(shù)多。? 因此，粗晶粒產(chǎn)生的應(yīng)力集中更大，其變形傳遞過程中，更容易使相

30、鄰晶粒的位錯源開動，因而粗晶粒的屈服強(qiáng)度較低，即在較低的外力就開始變形。? 此外，粗晶粒的塑性也較低，因其晶粒位錯塞積數(shù)目多，產(chǎn)生的應(yīng)力集中大，若不能開動鄰近晶粒的位錯源，位錯塞積的應(yīng)力集中不能被松弛，就會鄰近晶粒某一特定方向產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，形成裂紋——粗晶粒容易萌生裂紋，斷裂時顯示的塑性也較低。,31,六、純金屬的變形強(qiáng)化,,從純金屬拉伸時的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可看到，要使金屬繼續(xù)塑性變形，必須不斷增加外力——加工硬化（或稱變形強(qiáng)化）現(xiàn)

31、象。 變形強(qiáng)化是提高材料強(qiáng)度的一個重要手段,位錯的交割,兩個相交滑移面上運(yùn)動的位錯必然會相互交截，原來的直線位錯經(jīng)交截后出現(xiàn)彎折部分,扭折—彎折部分在滑移面上割階—彎折部分不在滑移面上位錯交割：一對刃型位錯、一對螺型位錯或刃型和螺型位錯的交割右圖a,b為刃型位錯交割，c為螺型交割示意圖。,32,一般性結(jié)論：?任意兩種類型位錯相互交割時，只要是形成割階，必為刃型割階，割階的大小與方向取決于穿過位錯的柏氏矢量?螺型位