學生用材料科學基礎第5章節(jié)課件

1、第5章 材料的形變和再結晶,a點：比例極限σp,它是應力與應變成正比例的最大極限。σ=Eε 即胡克定律。e點：彈性極限σe， ae段應力與應變不再保持正比關系，但在外力撤除后變形仍可完全消除。s點：屈服極限σs，在屈服階段應力不變而應變不斷增加，這種現(xiàn)象叫屈服。b點：強度極限σb，讓試件繼續(xù)變形，必須繼續(xù)加載，最高點（b點）所對應的應力。k點：應力達到強度極限后，試件局部發(fā)生劇烈收縮的現(xiàn)象，稱為頸縮。,重要的強度指標,低

2、碳鋼在單向拉伸時的應力－應變曲線,工程上具有重要意義的強度指標,材料在受力時總是先發(fā)生彈性變形，即彈性變形是塑性變形的先行階段，而且在塑性變形中還伴隨著一定的彈性變形。,5.1 彈性變形,5.1.1 彈性變形的本質,定義：外力去除后能夠完全恢復的那部分變形。,從原子間結合力的角度來了解它的物理本質。,當原子受力后將偏離其平衡位置，原子間距增大時將產(chǎn)生引力；原子間距減小時將產(chǎn)生斥力。這樣，外力去除后，原子都會恢復其原始位置。,,彈性變形

3、,5.1.2 彈性變形的特征和彈性模量,普彈性（應變都是瞬時達到其平衡值）,晶體發(fā)生彈性變形時．應力與應變成線性關系，去掉外力，應變完全消失，晶體恢復到未變形狀態(tài)。彈性變形階段應力與應變服從虎克定律。,正應力,正應變,楊氏模量(彈性模量）,彈性變形的主要特征是：,(1) 理想的彈性變形是可逆變形，加載時變形，卸載時變形消失并恢復原狀。(2) 金屬、陶瓷和部分高分子材料不論是加載或卸載時，只要在彈性變形范圍內(nèi)，其應力與應變之間都保

4、持單值線性函數(shù)關系，即服從虎克（Hooke）定律。(3) 彈性變形量隨材料的不同而異。,工程上，彈性模量是材料剛度的度量。在外力相同的情況下，材料的E越大，剛度越大，材料發(fā)生的彈性變形量就越小。,滯彈性（考慮時間的作用，應變滯后應力）,一些實際晶體，在加載或卸載時，應變不是瞬時達到其平衡值，而是通過一種弛豫過程來完成其變化的。這種在彈性極限σe范圍內(nèi)，應變滯后于外加應力，并和時間有關的現(xiàn)象稱為滯彈性或彈性后效。,黏彈性,黏性流動：非

5、晶態(tài)固體和液體在很小外力作用下便會發(fā)生沒有確定形狀的流變，并且在外力去除后，形變不能回復。,所謂黏彈性，是指材料不但具有彈性材料的一般特征，同時還具有黏性流體的一些特征。理想彈性固體服從虎克定律，即應力正比于應變；而理想黏性流體服從牛頓定律，即應力正比于應變速率。這是兩種極端的情況，實際材料的行為往往偏離這兩個定律。在外力作用下，材料的應力可以同時依賴于應變和應變速率，也就是兼有固體的彈性和液態(tài)的粘性兩者特征．因此稱作材料的黏彈性。,黏

6、彈性變形具有彈性變形和黏性變形的兩方面特征。黏彈性是高分子的重要力學特性之一。,5.2 晶體的塑性變形,塑性變形：材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不被破壞的能力。,5.2.1 單晶體的塑性變形,金屬的塑性變形主要通過滑移方式進行，此外還有孿生與扭折。,a. 滑移線與滑移帶,將表面經(jīng)磨制拋光的金屬試樣進行適當?shù)乃苄宰冃?，然后作顯微觀察。在拋光的表面出現(xiàn)許多明顯的滑移變形的痕跡，稱為滑移帶。若用電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)每條滑移帶均由許多

7、聚集在一起的相互平行的滑移線所組成。滑移線實際上是晶體表面產(chǎn)生的一個個滑移臺階造成的。,滑移時，滑移面與滑移方向并不是任意的。滑移面應是面間距最大的密排面，滑移方向是原子的最密排 方向，此時滑移阻力最小。,b. 滑移系,一個滑移面和此面上的一個滑移方向合起來叫做一個滑移系。,結論：滑移面一般總是密排面，滑移方向一般總是密排方向。每種晶體類型的金屬都具有特定的滑移系?；葡禂?shù)目越多，晶體的塑性越好。,體心立方結構缺乏密排程度足

8、夠高的密排面，故滑移面不太穩(wěn)定，通常低溫為{112}、中溫為{110}，高溫時為{123}，滑移方向很穩(wěn)定總是〈111〉。{112}晶面族共包括12組不同方位的晶面，每晶面上都有一個〈111〉方向。{123}共有24組不同方位的晶面．每晶面也有一個〈111〉方向。加上12個{110} 〈111〉滑移系，體心立方共有48個滑移系。,體心立方金屬滑移系較多，故比密排六方結構金屬塑性好。但其滑移面原子密排程度不如面心立方，滑移方向

9、的數(shù)目也少于面心立方，故體心立方金屬不如面心立方金屬塑性好。,c. 滑移的臨界分切應力,該分切應力稱為滑移的臨界分切應力。,當晶體受到外力作用時，不論外力方向、大小和作用方式如何，均可將其分解成垂直某一晶面的正應力與沿此晶面的切應力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方向的分切應力達到某一臨界值時，滑移過程才能開始。,F在滑移方向上切向分力 Fτ=Fcosλ滑移面面積,橫截面上的正應力,臨界分切應力,分切應力,圓柱形單晶體,當,取

10、向因子達到最大值(0.5),σs最小，即用最小的拉應力就能達到τk。,取向因子大的為軟取向，取向因子小的為硬取向。當φ＝90度或當λ＝90度時，σs均為無限大，這就是說，當滑移面與外力方向平行，或者是滑移方向與外力方向垂直的情況下不可能產(chǎn)生滑移。,d. 滑移時晶面的轉動,單晶體滑移時，除滑移面發(fā)生相對位移外，往作伴隨著晶面的轉功，對于只有一組滑移面的密排六方結構，這種現(xiàn)象尤為明顯。,拉伸時，滑移面趨于與軸向平行；壓縮時，滑移面趨于

11、與軸向垂直。,e. 多系滑移,變形時晶面轉動,滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切應力最大）中進行,另一組滑移面上的分切應力也可能逐漸增加到足以發(fā)生滑移的臨界值以上,晶體的滑移就可能在兩組或更多的滑移面上同時進行或交替地進行,多系滑移,具有多組滑移系的晶體,不同滑移系的位錯相互交截而給位錯的繼續(xù)運動帶來困難,強化機制,對于具有較多滑移系的晶體而言，除多系滑移外，還常可發(fā)現(xiàn)交滑移現(xiàn)象，即兩個或多個滑移面沿著某個共同的滑移方向同時或交替滑

12、移。交滑移的實質是螺位錯在不改變滑移方向的前提下，從一個滑移面轉到相交接的另一個滑移面的過程，可見交滑移可以使滑移有更大的靈活性。,金屬單晶體的典型應力一應變曲線 （也稱加工硬化曲線）,I階段——易滑移階段,Ⅱ階段——線性硬化階段,Ⅲ階段——拋物線型硬化階段,當 達到晶體的 后，應力增加不多，便能產(chǎn)生相當大的變形。此段接近于直線，加工硬化率（斜率）低。,隨著應變量增加，應力線性增長，此段也呈直線，且斜率較大，加工硬化十分

13、顯著 。,隨應變增加，應力上升緩慢，呈拋物線型，加工硬化率逐漸下降。,多晶體是由許多取向不同的小單晶體（晶粒）組成的，晶粒與晶粒之間的過渡區(qū)域即為晶界。,5.2.2 多晶體的塑性變形,晶界在多晶體塑性變形中的四個作用：1、協(xié)調作用2、障礙作用（低溫或室溫下）3、促進作用（高溫下）4、起裂作用,多晶體塑性變形的特征,多晶材料形變的基本過程與單晶相同，但復雜得多。其復雜性源自晶界以及鄰接晶粒的限制作用。換言之，外加應力是通過周圍晶粒

14、傳輸?shù)絺€別晶粒的，同時一個晶粒的形變必然涉及到各鄰接晶粒的形變，多晶材料的強度顯然應高于單晶。由此也可推斷，細化晶粒必能提高材料的強度與硬度。,1．晶粒取向的影響,多晶體塑性變形時要求每個晶粒至少能在5個獨立的滑移系上進行滑移。,處于有利位向的晶粒首先發(fā)生滑移，處于不利方位的晶粒卻還未開始滑移。,多晶體中各晶粒之間的變形要相互協(xié)調與配合 。,,施于任何給定晶粒的載荷對于每一可能的滑移系都可分解成切應力和正應力。當切應力超過材料的臨界切應

15、力時，就會造成位錯的產(chǎn)生與運動從而產(chǎn)生材料的塑性變形。材料變形時，正應力分量會造成每個晶粒都在轉動，使運行中的滑移方向愈趨近拉力方向。多晶體的變形是各晶粒聯(lián)合變形的總結果。多晶體變形涉及沿滑移面和沿晶界的兩種運動，這就更增加了復雜性，因為滑移可能改變著晶界的方向。,,為協(xié)調已發(fā)生塑變的晶粒形狀的改變，四周晶粒必須是多系滑移。這樣有越來越多的晶粒分批滑移，造成宏觀的塑變效果。面心立方與體心立方滑移系多，各晶粒變形協(xié)調性好，因此塑性好

16、。密排六方滑移系少，協(xié)調性差，塑性也差。,室溫變形時，由于晶界附近滑移受阻，使晶粒內(nèi)部和晶界變形量不同，所以整個晶粒變形是不均勻。圖為兩個晶粒變形后呈竹節(jié)狀．說明室溫變形時晶界具有明顯強化作用。,晶粒竹節(jié)狀,2．晶界的影響,位錯塞積,在外加應力作用下，只有處在有利位向的晶粒中的那些取向因子最大的滑移系才能首先開動。周圍位向不利的晶粒的各滑移系上的分切應力尚未達到臨界值，所以還沒發(fā)生塑變．處在彈性變形狀態(tài)。當有晶粒塑變時，就意味著其滑

17、移面上的位錯源將不斷產(chǎn)生位錯，大量位錯將沿滑移面源源不斷運動，但由于四周晶粒位向不同，滑移系的位向也不同，運動著的位錯不能越過晶界，于是晶界處將形成位錯的平面塞積群。晶界附近產(chǎn)生的位錯塞積群會對晶內(nèi)的位錯源產(chǎn)生一反作用力，此反作用力隨位錯塞積群的數(shù)目增多而增大。隨外載荷的增加，應力集中和外加應力迭加使相鄰晶粒某滑移系上的分切應力達到臨界值，于是該滑移系起動，開始塑性變形。,晶粒大小對塑性變形的影響,晶粒越細，單位體積所包含的晶界越多

18、，其強化效果越好。這種用細化晶粒提高金屬強度的方法叫細晶強化。屈服強度與晶粒直徑有如下關系：,霍爾－佩奇（Hall-Petch）公式,σs 是多晶體的屈服強度；σ0 相當于極大單晶的屈服強度；K 是晶界對變形的影響系數(shù)；d 是晶粒平均直徑。,多晶體的強度隨其晶粒細化而提高。,多晶體的應力一應變曲線不會出現(xiàn)單晶曲線的第I階段，而且其硬化曲線通常更陡，細晶粒多晶體在變形開始階段尤為明顯。,Al單晶與多晶的曲線比較,

19、3. 多晶體的應力一應變曲線,塑性變形過程中位錯密度的增加及其所產(chǎn)生的釘扎作用是導致加工硬化的決定性因素。,5.6 高聚物的變形特點,高分子材料受力時，它也顯示出彈性和塑性的變形行為，其總應變?yōu)?彈性變形εe由兩種機制組成，即鏈內(nèi)部鍵的拉伸和畸變，以及整個鏈段的可回復運動。塑性變形εv是靠黏性流動而不是靠滑移產(chǎn)生的。,,聚合物產(chǎn)生塑性變形的難易程度與該材料的粘度有關。黏度是流體抗拒流動的程度，是流體分子間相互吸收而產(chǎn)生阻礙分子間

20、相對運動能力的量度，即流體流動的內(nèi)部阻力。物質在外力作用下，液層發(fā)生位移，分子間產(chǎn)生摩擦，對摩擦所表現(xiàn)的抵抗性稱為絕對黏度，簡稱黏度。 黏度高，黏性變形小。高聚物的力學行為強烈依賴于溫度及外力作用時間。,應力-應變試驗,不同高分子具有不同的應力-應變曲線（非晶態(tài)和晶態(tài)）。非晶態(tài)高聚物典型的應力一應變曲線如圖所示。曲線A是脆性高分子的應力一應變特性，它在材料出現(xiàn)屈服之前發(fā)生斷裂，是脆性斷裂。在這種情況下，材料斷裂前只發(fā)生很小的變形。

21、曲線B是玻璃態(tài)聚合物的應力一應變行為，它在開始時是彈性形變，然后出現(xiàn)了一個轉折點，即屈服點，最后進入塑性變形區(qū)域，材料呈現(xiàn)塑性行為。此時若除去應力，材料不再恢復原樣，而留有永久變形；曲線C是彈性體的應力一應變曲線。高聚物材料品種多樣，根據(jù)拉伸行為可分為5種類型：軟而弱，硬而脆，強而硬，軟而韌，硬而韌。,,脆性斷裂與韌性斷裂判斷標準1、應力-應變曲線2、試樣斷裂面形貌3、沖擊強度同一高聚物材料表現(xiàn)為脆性或韌性與試驗條件或所處環(huán)

22、境有關，溫度和應變速率是主要影響因素。（低溫脆性高溫韌性；拉伸速度提高，韌性下降等）,,,高聚物斷裂時微觀結構的破壞過程a化學鍵破壞b分子鏈滑脫c范德華力或氫鍵破壞,銀紋現(xiàn)象高分子材料表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂紋時，裂紋總是垂直于應力方向，由于裂紋區(qū)的折射率低于高聚物本體，在裂紋和本體高聚物之間的界面上有全反射現(xiàn)象，裂紋看上去呈銀色的光亮條紋，所以形象地稱之為“銀紋”。銀紋是高分子材料特有的現(xiàn)象。裂紋或銀紋在較大的外力作用下會進一步發(fā)展

23、成裂縫，最后使材料發(fā)生斷裂而破壞。,5.6.2晶態(tài)高聚物,很多高分子材料在塑性變形時往往會出現(xiàn)均勻形變的不穩(wěn)定性。在試樣某個部位的應變比試樣整體的應變增加得更加迅速，使本來均勻的形變變成了不均勻的形變，呈現(xiàn)出各種塑性不穩(wěn)定性，最常見的和最重要的是拉伸試驗中細頸的形成。圖示為典型的結晶高分子在單向拉伸時的應力-應變曲線。,結晶高分子的應力-應變曲線比玻璃態(tài)高聚物的拉伸曲線具有更明顯的轉折，整個曲線可分為三段。第一段應力隨應變線性地增加

24、，試樣被均勻地拉長，仲長率可達百分之幾到百分之十幾。過了屈服點后，開始進入第二階段，試樣的截面突然變得不均勻，出現(xiàn)一個或幾個細頸。在第二階段，細頸與非細頸部分的截面積分別維持不變．而細頸部分不斷擴展，非細頸部分逐漸縮短，直至整個試樣完全變細為止。第三階段是應力隨應變的增加而增大直到斷裂點。,a,b,c,d,,當結晶高分子受拉發(fā)生形變時，晶體之間的非晶部分首先發(fā)生形變。所以在施加張力的條件下，觀察片晶和片晶間的無定形區(qū)域的相互作用，能