页数：48页文件大小：5.79 MB来源： 材料科学基础ppt课件
本课件讲解材料受力变形的全过程：先说明弹性变形的实质与虎克定律、弹性模量的特征，再分析滑移线滑移带、滑移系与派纳力，比较滑移与孪生两种变形方式，随后讨论单晶体的临界分切应力与晶体转动、多晶体变形的协调性、固溶强化与第二相粒子的绕过和切过机制，最后归纳冷变形后组织、亚结构、加工硬化、形变织构与残余应力的变化。
第三章 材料的形变
3.1 本章综述
材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都要受到外力的作用。材料受力后要发生变形：外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形；而当外力过大时就会发生断裂。
研究材料的变形规律及其微观机制，分析了解各种内外因素对变形的影响，以及研究讨论冷变形材料在回复再结晶过程中组织、结构和性能的变化规律，具有十分重要的理论和实际意义。
图3.1 低碳钢在单向拉伸时的应力—应变曲线。
3.2 金属材料的形变 3.2.1 金属形变基础
3.2.2 金属的弹性变形
弹性变形的实质就是原子偏离平衡位置。弹性变形的难易程度决定于原子间结合力的强弱，即原子偏离平衡位置的难易程度。
弹性变形的主要特征是：
弹性模量与切变弹性模量之间存在确定关系，式中 v 为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金属材料的泊松比在 0.25—0.35 之间，高分子材料则相对较大些。
弹性模量（E）的特征
3.2.3 滑移系统 1 滑移线和滑移带
铜中的滑移带 500×。
滑移线和滑移带示意图。
2 滑移系
滑移是沿着特定的晶面（称为滑移面）和晶向（称为滑移方向）上运动。一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系，它表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。滑移系主要与晶体结构有关，晶体中滑移系越多，滑移越容易进行，塑性越好。
结论
三种常见金属晶体结构的滑移系。
3 滑移中的位错机制
滑移是借助于位错在滑移面上运动来逐步进行的；晶体的滑移必在一定外力作用下才能发生，说明位错运动要克服阻力，该阻力来自点阵阻力，称为 P—N 力，其大小为：
τP-N＝2G·exp（－2πW/b）/（1－ν）
τP-N 与 W 呈指数关系：d 增大、W［＝d/（1－ν）］增大、b 减小，则 τP-N 下降，滑移阻力小，滑移容易进行。
4. 孪生变形
孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和一定方向（孪生方向）相对于另一部分作均匀的切变（协同位移）所产生的变形，但不同的层原子移动的距离也不同。
变形与未变形的两部分晶体构成镜面对称，合称为孪晶。均匀切变区与未切变区的分界面称为孪晶界。
fcc 晶体孪生变形示意图。
孪生的特点
孪晶的类型及形成：按孪晶形成原因可将孪晶分为变形孪晶、生长孪晶、退火孪晶。
3.2.4 单晶体的塑性变形
滑移的临界分切应力计算方法：τk＝σs cosφ cosλ，式中 cosφ cosλ 为取向因子，该值越大越有利于滑移。
当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴三者共处一个平面时，φ＝45° 则 cosφ cosλ＝1/2，此取向最有利于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所需的分切应力，称此取向为软取向。当外力与滑移面平行或垂直时（φ＝90° 或 φ＝0°），则 σs→∞，晶体无法滑移，称此取向为硬取向。
取向因子 cosφ cosλ 对 σs 的影响在只有一组滑移面的密排六方结构中尤为明显。
计算分切应力的分析图。
随着滑移的进行，晶体的取向发生改变的现象称为晶体的转动，对于密排六方结构这种现象尤为明显。拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴线方向；压缩时，滑移面逐渐趋于与压力轴线方向垂直。
滑移时不仅滑移面发生转动，滑移方向也逐渐改变，滑移面上的分切应力也随之改变，φ＝45° 时分切应力最大。经滑移转动后，若 φ 角趋近于45°，则分切应力逐渐增大，滑移越来越容易，称为几何软化；若 φ 角远离45°，则滑移越来越困难，称为几何硬化。
多系滑移——例如 fcc 中滑移系 {111}〈110〉，4个{111}面构成一个八面体，当拉力轴为[001]时：
但这些滑移系由不同的滑移面和滑移方向构成，滑移时发生交互作用，产生交割和反应。
交滑移：只有纯螺位错才能发生交滑移，bcc 结构中最易发生交滑移。
3.2.5 多晶体的塑性变形
特点：协调与传递。表现在各晶粒变形过程中具有相互制约和协调性。在多晶体中，外力作用下处于有利位向的晶粒首先滑动→位错开动、增殖→晶界上位错塞积→应力集中（τ＞τk），其它晶粒滑动，各晶粒间变形而得到相互协调与配合。
理论分析指出，多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑移系进行滑移，能否满足该要求与晶体的结构类型有关。
多晶体中晶粒取向。
晶界的影响
晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面不一致，因此晶界对晶粒变形具有阻碍作用。拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状，每个晶粒中的滑移带均终止于晶界附近。
晶粒越细，晶界越多，材料强度越高（称为细晶强化），其 σs 与晶粒直径 d 的关系为：σs＝σ0＋kd-1/2，即 Hall－Petch 关系。该式具有广泛的适用性（σs－亚晶 d、σs－片层间距等）。细小而均匀的晶粒使材料具有较高的强度和硬度，同时具有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。
低碳钢的 σs 与晶粒直径的关系。
Cu 和 Al 的 σs 与亚晶尺寸的关系。
3.2.6 合金的塑性变形
1. 单相固溶体合金塑性变形
溶质原子的作用主要表现在固溶强化作用，提高塑性变形抗力。固溶强化：由于溶质原子加入使 σs 和整个 σ—ε 曲线的水平提高，同时提高了加工硬化率 n。
影响固溶强化的因素
固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用、化学交互作用和静电交互作用。
Cu-Ni 固溶体的力学性能与成分的关系。
屈服现象与应变时效
应变时效：屈服现象给工程生产带来的问题，深冲低碳钢板使工件表面粗糙不平，要消除此现象：（1）应用应变时效原理将薄板在冲压前进行一道微量冷轧工序；（2）钢中加入碳化物形成元素以消除，随后冷压成型。
低碳钢退火状态的工程应力—应变曲线及屈服现象。
2. 多相合金的塑性变形
多相合金的基本相为固溶体。第二相是用来强化的一种重要方式，它可以通过相变热处理（沉淀强化、时效强化）或粉末冶金法（弥散强化）来获得。根据第二相粒子的尺寸大小可将合金分为：
聚合型合金的塑性变形
该类合金具有较好的塑性，合金的变形能力取决于两相的体积分数。可按照等应力（变）理论来计算合金在一定应变条件下的平均流变应力和在一定条件下的平均应变，由混合定律计算得出。而实际上这类合金滑移首先发生在较软的相中。
如果聚合型合金两相中一个为塑性相、一个为硬脆相，则合金在塑性变形过程所表现的性能与第二相的相对含量有关，还与第二相的形状、大小、分布有关。
讨论
弥散分布型合金的塑性变形
该合金中第二相粒子是通过对位错运动的阻碍作用而表现出强化的。第二相粒子通常分为两类：
（1）不可变形粒子的强化作用
含有不可变形粒子的合金中位错运动与粒子相遇时采用绕过机制，结果在粒子周围留下位错环，而其余部分则越过粒子继续运动。位错线弯曲绕过第二相粒子所需要的切应力为 τ＝Gb/λ，λ 为第二相粒子间距。这是一临界值，只有外加切应力大于上述临界值时，位错线才能绕过去。因此 τ∝1/λ，粒子越多、λ 越小，τ 越大，强化效果愈明显。
减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数都可以使合金强度提高。理论计算 λ 小到 20—50 个原子间距时，强化效果最佳。
Orowan 机制。
（2）可变形微粒的强化作用
可变形粒子的合金中位错运动与粒子相遇时采取切过机制，即第二相粒子在位错切过粒子时随同基体一起变形。其强化作用取决于粒子本身的性质及粒子与基体的联系。可变形粒子的主要作用有以下几方面：
以上这些作用使合金的强度提高。
位错行为。
位错绕过第二相粒子、位错切过第二相粒子。
3.2.7 塑性变形对组织和性能的影响
塑性变形对材料组织和性能的影响主要表现在以下方面：
1、显微组织变化
经塑性变形后，材料的显微组织发生如下变化：晶粒沿变形方向被拉长，形成纤维组织。
低碳钢塑性变形后纤维组织：a）30%压缩；b）50%压缩。
2. 亚结构的变化
胞状亚结构的形成不仅与变形度有关，而且还取决于材料类型：层错能高易出现胞状结构；层错能低，易形成较为均匀而复杂的位错网。
加工硬化：金属材料在冷变形后，强度硬度升高、塑性韧性下降的现象。
加工硬化的工程意义
4. 形变织构
类型及特征
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5 残余应力
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