第五章 材料的形变与再结晶1(含高分子)

材料的形变与再结晶

第五章 材料的形变与再结晶

2013年7月4日星期四

《材料科学基础》CAI课件-李玉龙

材料的形变与再结晶

材料的塑性变形 The plastic deformation of materials弹性变形(elastic deformation) 外力 材料

塑性变形(plastic deformation)材料不同，其弹、塑性性能差异很大; 塑性变形，对锻、轧、拉、挤有重要作用; 对铸造、热处理则 要尽量避免. 外形尺寸变化 塑性变形 内部组织、性能变化2013年7月4日星期四 《材料科学基础》CAI课件-李玉龙 2

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※ 5.1 弹性和粘弹性 (Elasticity and Viscoelasticity)一. 弹性变形(Elastic Deformation) 右图：低碳钢的拉伸试验

弹性变形: 具有可逆性 外力去除后可完全恢复

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本质: 可从原子间结合力的角 度来了解之。 无外力作用时，原子间结合能 和结合力是原子间距的函数。

r=r0 原子处于平衡位置 位能 U 为 Umin 最稳定 F=0 r r0 即偏离其平衡位置F>引力 <斥力 力图使原子恢复其 原来的平衡位置 变形消失

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二、弹性变形的特征(1)理想的弹性变形是可逆变形； (2)在弹性变形范围内，应力-应变关系服从 胡克(Hooke)定律：

正应力下 = E 切应力下 = G

E-modulus of elasticity (Young’s modulus) G-shear modulus -poisson’s ratio

G = E/2(1+ )

各向异性弹性体的应力应变关系，即广义虎克 定律可用矩阵表示。 (3)弹性变形量随材料的不同而异。2013年7月4日星期四 《材料科学基础》CAI课件-李玉龙 5

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弹性模量 E (Elastic modulus)表征晶体中原子间结合力强弱的物理量, 反映 原子间的结合力，是组织结构不敏感参数。 E金刚石-共价键>金属键>高分子-分子键。 对单晶体而言，弹性模量是各向异性的： 单晶体沿原子最密排的晶向 Emax ,沿原子最 疏的晶向Emin。多晶体因晶粒任意取向，总 体呈各向同性。 工程上E是材料刚度的度量。E钢=3E铝 2013年7月4日星期四 《材料科学基础》CAI课件-李玉龙 6

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三 、弹性的不完整性(多晶体) 1. 包申格效应 (Bauschinger

effect) 经预先加载产生少量变形(<4%) 而后同向加载则 e↗ 而后反向加载则 e↘2. 弹性后效 (Elastic after- effect) 在弹性极限 e范围内，应变滞后 于外加应力，并和时间有关的现象 (驰豫过程)。 3. 弹性滞后 (Elastic lag) 由于应变落后于应力，在 - 曲线 上加载曲线与卸载线不重合，而形成 从非平衡状态回复到平衡排列状态的过程叫弛豫 一封闭回线 过程。它所需的时间叫弛豫时间。2013年7月4日星期四 《材料科学基础》CAI课件-李玉龙 7

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四、粘弹性

牛顿粘性流动定律

d -粘

度系数 dt

既与时间有关，又具有可回复的弹性变形性质

高分子材料的重要力学特性之一。

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※5.2 晶体的塑性变形当应力超过弹性极限，材料发生塑性变 形，产生不可逆的永久变形

具体分析：单晶体——>多晶体滑移 Slip塑性变形形式 孪生 Twinning (RT)

晶界滑动 Grain boundary Sliding扩散性蠕变 Diffusional Creep

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5.2.1 单晶体(Single Crystal)的塑性变形

一、滑移(Slip) 1.现象

滑移带(Slip h ~ 200 nm 单晶体的拉伸试验band) 滑移线 (Slip line) d ~ 20 nm 沿一定的晶面、一定 晶向进行 滑移面 滑移方向

塑性变形的不 均匀性

Slip plane2013年7月4日星期四 《材料科学基础》CAI课件-李玉龙

Slip direction10

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纯铁金相组织中的滑移 线

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2.滑移的晶体学特征晶体中原子密度最大的面和方向 Slip plane Slip direction 为什么?

滑移面和滑移方向

fcc:滑移面{111} 滑移方向<110> hcp: {0001} <1120> c/a≥1.633 c/a∠1.633 bcc: < Tm/4{0001} ,{1010},{1011} {112} {110} {123} <1120>

Tm/4 ~ Tm/2 0.8Tm

<111>

滑移系 晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成 ( Slip system ) 滑移的空间取向2013年7月4日星期四 《材料科学基础》CAI课件-李玉龙

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晶体结构不同，滑移系的数目不同 (Number of slip systems) fcc:{111} 有四组，而每个(111)面上共有三个[110], 故共有4×3=12个滑移系hcp:1个(0001)面 3个<1120>方向 1×3=3个滑移系

bcc: {110}面共有6组， 每个{110}上有2个<111>方向 {112}面共有12组， 每个{112} {123}面共有24组， 每个{123} 1个<111>方向 1个<111>方向

故共有6×2+12×1+24×1=48个滑移系 一般滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈 多，这种材料的塑性就愈好。 还取决于密排程度2013年7月4日星期四 《材料科学基础》CAI课件-李玉龙 15

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3. 滑移所需临界分切应力 Critical(resolved)shear stress

滑移

圆柱形试样单向拉伸时，作用在滑移面上沿滑移方向的 cos P cos cos A

其中

P A

为作用在试样横断面上的拉伸应力

cos cos 为取向因子(Schmid施密特因子)

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晶体滑移 必须使 ≥ c (临界分切应力)

c 取决晶体中原子间的结合力，即与晶体类型、纯度(杂质)、温度以及变形速度有关，与外力无关。

一切影响

位错滑移难易程度的因素均影响 c c s cos cos

s

c cos cos

屈服强度 当 =90°或 =90 °时， s ∞ 晶体不能产生滑移

只有当 = =45 ° 时， s min 首先发生滑移

= 2 c2013年7月4日星期四 《材料科学基础》CAI课件-李玉龙 17

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4. 晶体在滑移时的转动 (rotation)晶体滑移 滑移面上发生相对位移 晶体转动在拉伸时使滑移面和滑移方 向逐渐转到与应力轴平行 空间取向发生变化 在压缩时使滑移面和滑移方向 逐渐转到与应力轴垂直

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转动的原因两对力偶： 1 - 2 为上下两滑移面的法向分应力在该力偶作用下，使滑移面转至轴 向平行

1 - 2 垂直于 …… 此处隐藏：1991字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……