學(xué)生用材料科學(xué)基礎(chǔ)第5章節(jié)課件

1、第5章 材料的形變和再結(jié)晶,a點(diǎn)：比例極限σp,它是應(yīng)力與應(yīng)變成正比例的最大極限。σ=Eε 即胡克定律。e點(diǎn)：彈性極限σe， ae段應(yīng)力與應(yīng)變不再保持正比關(guān)系，但在外力撤除后變形仍可完全消除。s點(diǎn)：屈服極限σs，在屈服階段應(yīng)力不變而應(yīng)變不斷增加，這種現(xiàn)象叫屈服。b點(diǎn)：強(qiáng)度極限σb，讓試件繼續(xù)變形，必須繼續(xù)加載，最高點(diǎn)（b點(diǎn)）所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。k點(diǎn)：應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo),低

2、碳鋼在單向拉伸時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線,工程上具有重要意義的強(qiáng)度指標(biāo),材料在受力時(shí)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(zhì),定義：外力去除后能夠完全恢復(fù)的那部分變形。,從原子間結(jié)合力的角度來了解它的物理本質(zhì)。,當(dāng)原子受力后將偏離其平衡位置，原子間距增大時(shí)將產(chǎn)生引力；原子間距減小時(shí)將產(chǎn)生斥力。這樣，外力去除后，原子都會(huì)恢復(fù)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(yīng)變都是瞬時(shí)達(dá)到其平衡值）,晶體發(fā)生彈性變形時(shí)．應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，去掉外力，應(yīng)變完全消失，晶體恢復(fù)到未變形狀態(tài)。彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變服從虎克定律。,正應(yīng)力,正應(yīng)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(shí)變形，卸載時(shí)變形消失并恢復(fù)原狀。(2) 金屬、陶瓷和部分高分子材料不論是加載或卸載時(shí)，只要在彈性變形范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變之間都保

4、持單值線性函數(shù)關(guān)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(shí)間的作用，應(yīng)變滯后應(yīng)力）,一些實(shí)際晶體，在加載或卸載時(shí)，應(yīng)變不是瞬時(shí)達(dá)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(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，并和時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱為滯彈性或彈性后效。,黏彈性,黏性流動(dòng)：非

5、晶態(tài)固體和液體在很小外力作用下便會(huì)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(fù)。,所謂黏彈性，是指材料不但具有彈性材料的一般特征，同時(shí)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(yīng)力正比于應(yīng)變；而理想黏性流體服從牛頓定律，即應(yīng)力正比于應(yīng)變速率。這是兩種極端的情況，實(shí)際材料的行為往往偏離這兩個(gè)定律。在外力作用下，材料的應(yīng)力可以同時(shí)依賴于應(yīng)變和應(yīng)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(xué)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(jìn)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(jìn)行適當(dāng)?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?；凭€實(shí)際上是晶體表面產(chǎn)生的一個(gè)個(gè)滑移臺(tái)階造成的。,滑移時(shí)，滑移面與滑移方向并不是任意的?；泼鎽?yīng)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(shí)滑移阻力最小。,b. 滑移系,一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向合起來叫做一個(gè)滑移系。,結(jié)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。滑移系數(shù)目越多，晶體的塑性越好。,體心立方結(jié)構(gòu)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(shí)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(gè)〈111〉方向。{123}共有24組不同方位的晶面．每晶面也有一個(gè)〈111〉方向。加上12個(gè){110} 〈111〉滑移系，體心立方共有48個(gè)滑移系。,體心立方金屬滑移系較多，故比密排六方結(jié)構(gòu)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(yīng)力,該分切應(yīng)力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力。,當(dāng)晶體受到外力作用時(shí)，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(yīng)力與沿此晶面的切應(yīng)力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方向的分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，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(yīng)力,臨界分切應(yīng)力,分切應(yīng)力,圓柱形單晶體,當(dāng),取

10、向因子達(dá)到最大值(0.5),σs最小，即用最小的拉應(yīng)力就能達(dá)到τk。,取向因子大的為軟取向，取向因子小的為硬取向。當(dāng)φ＝90度或當(dāng)λ＝90度時(shí)，σs均為無限大，這就是說，當(dāng)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(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng),單晶體滑移時(shí)，除滑移面發(fā)生相對(duì)位移外，往作伴隨著晶面的轉(zhuǎn)功，對(duì)于只有一組滑移面的密排六方結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象尤為明顯。,拉伸時(shí)，滑移面趨于與軸向平行；壓縮時(shí)，滑移面趨于

11、與軸向垂直。,e. 多系滑移,變形時(shí)晶面轉(zhuǎn)動(dòng),滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切應(yīng)力最大）中進(jìn)行,另一組滑移面上的分切應(yīng)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(shí)進(jìn)行或交替地進(jìn)行,多系滑移,具有多組滑移系的晶體,不同滑移系的位錯(cuò)相互交截而給位錯(cuò)的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)帶來困難,強(qiáng)化機(jī)制,對(duì)于具有較多滑移系的晶體而言，除多系滑移外，還?？砂l(fā)現(xiàn)交滑移現(xiàn)象，即兩個(gè)或多個(gè)滑移面沿著某個(gè)共同的滑移方向同時(shí)或交替滑

12、移。交滑移的實(shí)質(zhì)是螺位錯(cuò)在不改變滑移方向的前提下，從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)到相交接的另一個(gè)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(yīng)力一應(yīng)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(dāng) 達(dá)到晶體的 后，應(yīng)力增加不多，便能產(chǎn)生相當(dāng)大的變形。此段接近于直線，加工硬化率（斜率）低。,隨著應(yīng)變量增加，應(yīng)力線性增長(zhǎng)，此段也呈直線，且斜率較大，加工硬化十分

13、顯著 。,隨應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)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(gè)作用：1、協(xié)調(diào)作用2、障礙作用（低溫或室溫下）3、促進(jìn)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(fù)雜得多。其復(fù)雜性源自晶界以及鄰接晶粒的限制作用。換言之，外加應(yīng)力是通過周圍晶粒

14、傳輸?shù)絺€(gè)別晶粒的，同時(shí)一個(gè)晶粒的形變必然涉及到各鄰接晶粒的形變，多晶材料的強(qiáng)度顯然應(yīng)高于單晶。由此也可推斷，細(xì)化晶粒必能提高材料的強(qiáng)度與硬度。,1．晶粒取向的影響,多晶體塑性變形時(shí)要求每個(gè)晶粒至少能在5個(gè)獨(dú)立的滑移系上進(jìn)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(diào)與配合 。,,施于任何給定晶粒的載荷對(duì)于每一可能的滑移系都可分解成切應(yīng)力和正應(yīng)力。當(dāng)切應(yīng)力超過材料的臨界切應(yīng)

15、力時(shí)，就會(huì)造成位錯(cuò)的產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生材料的塑性變形。材料變形時(shí)，正應(yīng)力分量會(huì)造成每個(gè)晶粒都在轉(zhuǎn)動(dòng)，使運(yùn)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(jié)果。多晶體變形涉及沿滑移面和沿晶界的兩種運(yùn)動(dòng)，這就更增加了復(fù)雜性，因?yàn)榛瓶赡芨淖冎Ы绲姆较颉?,為協(xié)調(diào)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(diào)性好，因此塑性好

16、。密排六方滑移系少，協(xié)調(diào)性差，塑性也差。,室溫變形時(shí)，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(gè)晶粒變形是不均勻。圖為兩個(gè)晶粒變形后呈竹節(jié)狀．說明室溫變形時(shí)晶界具有明顯強(qiáng)化作用。,晶粒竹節(jié)狀,2．晶界的影響,位錯(cuò)塞積,在外加應(yīng)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(dòng)。周圍位向不利的晶粒的各滑移系上的分切應(yīng)力尚未達(dá)到臨界值，所以還沒發(fā)生塑變．處在彈性變形狀態(tài)。當(dāng)有晶粒塑變時(shí)，就意味著其滑

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

18、，其強(qiáng)化效果越好。這種用細(xì)化晶粒提高金屬強(qiáng)度的方法叫細(xì)晶強(qiáng)化。屈服強(qiáng)度與晶粒直徑有如下關(guān)系：,霍爾－佩奇（Hall-Petch）公式,σs 是多晶體的屈服強(qiáng)度；σ0 相當(dāng)于極大單晶的屈服強(qiáng)度；K 是晶界對(duì)變形的影響系數(shù)；d 是晶粒平均直徑。,多晶體的強(qiáng)度隨其晶粒細(xì)化而提高。,多晶體的應(yīng)力一應(yīng)變曲線不會(huì)出現(xiàn)單晶曲線的第I階段，而且其硬化曲線通常更陡，細(xì)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(yīng)力一應(yīng)變曲線,塑性變形過程中位錯(cuò)密度的增加及其所產(chǎn)生的釘扎作用是導(dǎo)致加工硬化的決定性因素。,5.6 高聚物的變形特點(diǎn),高分子材料受力時(shí)，它也顯示出彈性和塑性的變形行為，其總應(yīng)變?yōu)?彈性變形εe由兩種機(jī)制組成，即鏈內(nèi)部鍵的拉伸和畸變，以及整個(gè)鏈段的可回復(fù)運(yùn)動(dòng)。塑性變形εv是靠黏性流動(dòng)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(guān)。黏度是流體抗拒流動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)能力的量度，即流體流動(dòng)的內(nèi)部阻力。物質(zhì)在外力作用下，液層發(fā)生位移，分子間產(chǎn)生摩擦，對(duì)摩擦所表現(xiàn)的抵抗性稱為絕對(duì)黏度，簡(jiǎn)稱黏度。 黏度高，黏性變形小。高聚物的力學(xué)行為強(qiáng)烈依賴于溫度及外力作用時(shí)間。,應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn),不同高分子具有不同的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（非晶態(tài)和晶態(tài)）。非晶態(tài)高聚物典型的應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖所示。曲線A是脆性高分子的應(yīng)力一應(yīng)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(yīng)力一應(yīng)變行為，它在開始時(shí)是彈性形變，然后出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即屈服點(diǎn)，最后進(jìn)入塑性變形區(qū)域，材料呈現(xiàn)塑性行為。此時(shí)若除去應(yīng)力，材料不再恢復(fù)原樣，而留有永久變形；曲線C是彈性體的應(yīng)力一應(yīng)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(qiáng)而硬，軟而韌，硬而韌。,,脆性斷裂與韌性斷裂判斷標(biāo)準(zhǔn)1、應(yīng)力-應(yīng)變曲線2、試樣斷裂面形貌3、沖擊強(qiáng)度同一高聚物材料表現(xiàn)為脆性或韌性與試驗(yàn)條件或所處環(huán)

22、境有關(guān)，溫度和應(yīng)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(shí)微觀結(jié)構(gòu)的破壞過程a化學(xué)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(shí)，裂紋總是垂直于應(yīng)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(huì)進(jìn)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(shí)往往會(huì)出現(xiàn)均勻形變的不穩(wěn)定性。在試樣某個(gè)部位的應(yīng)變比試樣整體的應(yīng)變?cè)黾拥酶友杆?，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(yàn)中細(xì)頸的形成。圖示為典型的結(jié)晶高分子在單向拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。,結(jié)晶高分子的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比玻璃態(tài)高聚物的拉伸曲線具有更明顯的轉(zhuǎn)折，整個(gè)曲線可分為三段。第一段應(yīng)力隨應(yīng)變線性地增加

24、，試樣被均勻地拉長(zhǎng)，仲長(zhǎng)率可達(dá)百分之幾到百分之十幾。過了屈服點(diǎn)后，開始進(jìn)入第二階段，試樣的截面突然變得不均勻，出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)細(xì)頸。在第二階段，細(xì)頸與非細(xì)頸部分的截面積分別維持不變．而細(xì)頸部分不斷擴(kuò)展，非細(xì)頸部分逐漸縮短，直至整個(gè)試樣完全變細(xì)為止。第三階段是應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大直到斷裂點(diǎn)。,a,b,c,d,,當(dāng)結(jié)晶高分子受拉發(fā)生形變時(shí)，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