材料科学基础西交版市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

材材 料料 科科 学学 基基 础础材料与化工学院材料与化工学院第1页一、施密特定律一、施密特定律二、单滑移、多滑移和交滑移二、单滑移、多滑移和交滑移8.4 8.4 单晶体塑性变形单晶体塑性变形第2页一、施密特定律一、施密特定律F F在那个在那个滑移系滑移系上上分切应力分切应力存在一存在一临临界值界值.一旦到达临界值一旦到达临界值(最大最大)，那个滑移系那个滑移系普通首先开始动作。普通首先开始动作。第3页一、施密特定律一、施密特定律滑移面滑移面面积面积 S=A/cos S=A/cos外力在外力在滑移方向滑移方向S S上上分力分力为为 F=Fcos F=Fcos 滑移方向滑移方向上分切应力：上分切应力：=F/S =F/S =Fcos/(A/cos)=Fcos/(A/cos)=F/A(coscos)=F/A(coscos)=coscos =coscos当当=s s时，时，晶体产生屈服，塑性变形开始。晶体产生屈服，塑性变形开始。c c=s scoscoscoscos 此式即为滑移此式即为滑移临界分切应力定律临界分切应力定律。coscos coscos为取向为取向(施密特施密特)因子因子()FF()第4页一、施密特定律一、施密特定律 c c=s scoscoscoscos对一定材料来说对一定材料来说,c c只与晶体结构、滑移系类型、形变只与晶体结构、滑移系类型、形变温度等相关，而与取向因子无关。温度等相关，而与取向因子无关。施密特施密特(Schmid(Schmid，E E)试验试验:右图为右图为s s=c c/(coscos)/(coscos)图中实线为计算值，图中实线为计算值，试验测量值由试验测量值由“。”表示。表示。s s与与二者乘积为二者乘积为常数常数，表明在一定条件下，表明在一定条件下，临界分切应力确为临界分切应力确为常数常数。第5页一、施密特定律一、施密特定律 c c=s scoscoscoscos值越大，值越大，s s越小，越有利于滑移。越小，越有利于滑移。当当滑滑移移面面法法线线方方向向、滑滑移移方方向向与与外外力力轴轴三三者者共共处一个平面，处一个平面，则则=45=45时时，coscos=1/2coscos=1/2，此此取取向向最最有有利利于于滑滑移移，即即以以最最小小拉拉应应力力就就能能到到达达滑滑移移所所需需分切应力，称此分切应力，称此取向为软取向取向为软取向。当当外外力力与与滑滑移移面面平平行行或或垂垂直直时时（=90=90或或=0=0），则则s s，晶晶体体无无法法滑滑移移，称称此此取向为硬取向取向为硬取向。对对s s影响在密排六方结构中最为显著。影响在密排六方结构中最为显著。也适合用于面心立方金属也适合用于面心立方金属.第6页二、单滑移、多滑移和交滑移二、单滑移、多滑移和交滑移1.1.单滑移单滑移只有一个滑移系统上分切应力最大并只有一个滑移系统上分切应力最大并到达了临界分切应力到达了临界分切应力,这时发生了单这时发生了单滑移。滑移。一组平行滑移线一组平行滑移线第7页2 2多系滑移多系滑移(1)(1)当两个以上滑移系，当两个以上滑移系，其上分切应力同时满足其上分切应力同时满足c c条件，条件，而使各自滑移面上位错同时开启，而使各自滑移面上位错同时开启，这种现象称为多系滑移。这种现象称为多系滑移。(2)(2)分析：分析：多滑移易形成割阶或扭折，多滑移易形成割阶或扭折，使滑移困难。使滑移困难。二、单滑移、多滑移和交滑移二、单滑移、多滑移和交滑移第8页3 3交滑移交滑移(1)(1)螺位错滑移面有没有限多个，螺位错滑移面有没有限多个，在某一滑移面上运动受阻时，在某一滑移面上运动受阻时，能够离开这个面，能够离开这个面，沿另一个晶面继续滑移，沿另一个晶面继续滑移，且滑移方向不变。且滑移方向不变。(3)(3)其滑移线特点是折线。其滑移线特点是折线。二、单滑移、多滑移和交滑移二、单滑移、多滑移和交滑移第9页一、晶界和晶体位向对塑性变形影响一、晶界和晶体位向对塑性变形影响二、晶粒大小对材料强度与塑性影响二、晶粒大小对材料强度与塑性影响8.5 8.5 多晶体塑性变形多晶体塑性变形第10页晶界对晶粒变形含有晶界对晶粒变形含有妨碍妨碍作用。作用。晶体位向晶体位向在各晶粒变形过程中含有相互在各晶粒变形过程中含有相互制约和协调性制约和协调性。一、晶界和晶体位向对塑性变形影响一、晶界和晶体位向对塑性变形影响第11页Hall-PetchHall-Petch公式公式:二、晶粒大小对材料强度与塑性影响二、晶粒大小对材料强度与塑性影响晶粒越细，材料强度越高。晶粒越细，材料强度越高。第12页8.6 8.6 纯金属变形强化纯金属变形强化(自学自学)位错交割、反应、增殖位错交割、反应、增殖第13页8.7 8.7 合金变形与强化合金变形与强化补充补充合金分类：合金分类：单相固溶体合金单相固溶体合金 多相合金多相合金 合金塑性变形：合金塑性变形：单相固溶体合金塑性变形单相固溶体合金塑性变形 多相合金塑性变形多相合金塑性变形第14页8.7 8.7 合金变形与强化合金变形与强化一、一、单相合金变形与强化单相合金变形与强化二、低碳钢屈服和应变时效（了解）二、低碳钢屈服和应变时效（了解）三、三、第二相对合金变形影响第二相对合金变形影响第15页一、单相合金变形与强化一、单相合金变形与强化合金在形成合金在形成单相固溶体单相固溶体后变形时后变形时临界切应力临界切应力都高于纯金属，这叫都高于纯金属，这叫做做固溶强化。固溶强化。单相固溶体单相固溶体分类：分类：置换式固溶体置换式固溶体 间隙式固溶体间隙式固溶体第16页一、单相合金变形与强化一、单相合金变形与强化置换式固溶体置换式固溶体1 1、原子尺寸差异、原子尺寸差异(或称或称错配错配)；相差大时强化作用大。相差大时强化作用大。原子尺寸差异原子尺寸差异 引发引发晶格畸变晶格畸变 产生一产生一内应力场内应力场 位错位错运动运动受阻受阻。2 2、存在弹性模量不一样。、存在弹性模量不一样。弹性模量弹性模量 使位错运动要额外作功。使位错运动要额外作功。第17页一、单相合金变形与强化一、单相合金变形与强化间隙式间隙式固溶体（以固溶体（以-Fe-Fe为例）为例）造成不对称畸变造成不对称畸变碳原子不但和刃型位错，碳原子不但和刃型位错，也和螺型位错有强烈交互作用，也和螺型位错有强烈交互作用，因而产生了很强因而产生了很强固溶固溶强化效果。强化效果。第18页三、第二相对合金变形影响三、第二相对合金变形影响对位错运动来说，第二相有两种情况：对位错运动来说，第二相有两种情况：（1 1）可变形，位错切过第二相；）可变形，位错切过第二相；尺寸较小并与基体保持共格粒子尺寸较小并与基体保持共格粒子 （2 2）不可变形，位错绕过第二相；）不可变形，位错绕过第二相；尺寸较大并与基体保持非共格粒子尺寸较大并与基体保持非共格粒子 =Gb/L=Gb/L第19页8.8 8.8 冷变形金属组织与性能冷变形金属组织与性能塑性变形对材料塑性变形对材料组织组织和和性能性能影响，影响，主要表现在以下方面：主要表现在以下方面：显微显微组织组织改变改变，包含晶粒形状改变包含晶粒形状改变 、亚结构改变、亚结构改变、形变织构形变织构 性能改变性能改变 ，包含包含加工硬化加工硬化、力学性能力学性能、物理性能、化学性能、物理性能、化学性能 第20页8.8 8.8 冷变形金属组织与性能冷变形金属组织与性能 一、冷变形金属一、冷变形金属力学性能力学性能 二、冷变形金属二、冷变形金属组织组织三、形变织构三、形变织构四、残余应力四、残余应力第21页8.8 8.8 冷变形金属组织与性能冷变形金属组织与性能加工硬化加工硬化(形变硬化形变硬化)：把金属经屈服后，把金属经屈服后，欲继续变形，欲继续变形，须增加应力现象。须增加应力现象。其表现为：其表现为：晶体强度显著提升，晶体强度显著提升，塑性显著下降。塑性显著下降。第22页8.8 8.8 冷变形金属组织与性能冷变形金属组织与性能流变曲线：流变曲线：真应力真应力-应变曲线上应变曲线上均匀塑性变形均匀塑性变形部分，部分，称为称为流变曲线流变曲线。经验公式：经验公式：KKn n n n值表示材料加工硬化强弱，值表示材料加工硬化强弱，也反应材料均匀塑性变形能力。也反应材料均匀塑性变形能力。第23页二、冷变形金属组织二、冷变形金属组织1 1、从组织形貌上看，、从组织形貌上看，(1)(1)沿变形方向，沿变形方向，晶粒被拉长，晶粒被拉长，晶界拉长成纤维状；晶界拉长成纤维状；硬质颗粒或夹杂团呈带状分硬质颗粒或夹杂团呈带状分布。布。(2)(2)出现了性能各向异性。出现了性能各向异性。第24页二、冷变形金属组织二、冷变形金属组织2 2、从显微结构看，、从显微结构看，(1)(1)增加了结构缺点，增加了结构缺点，提升了位错密度。提升了位错密度。(2)(2)位错组态和分布发生改变。位错组态和分布发生改变。造成位错缠结，组成造成位错缠结，组成胞状结构胞状结构。称为位错胞。称为位错胞。(3)(3)流变应力和位错胞：流变应力和位错胞：f f0 0+Kd+Kd-1-1，(4)(4)在位错胞内部，在位错胞内部，位错密度很低，位错密度很低，大部分位错都缠结在位错胞壁。大部分位错都缠结在位错胞壁。第25页三、形变织构三、形变织构1 1、转动：、转动：塑性变形时，晶体必须发生转动。塑性变形时，晶体必须发生转动。2 2、形变织构：、形变织构：(1)(1)转动使每个晶粒某一取向，转动使每个晶粒某一取向，都转动到力轴方向上来，此称都转动到力轴方向上来，此称择优取向择优取向。(2)(2)择优取向多晶体取向结构，称为择优取向多晶体取向结构，称为织构织构。(3)(3)当晶体中塑性变形量较大时，形成当晶体中塑性变形量较大时，形成形变织构形变织构。3 3、形变织构形态：、形变织构形态：依材料加工方式不一样，形变织构有两种形态：依材料加工方式不一样，形变织构有两种形态：(1)(1)其一为其一为丝织构丝织构，即拉拔时，各晶粒中某一方向都趋于平行拉拔方向；即拉拔时，各晶粒中某一方向都趋于平行拉拔方向；用与拉拔轴平行晶向指数用与拉拔轴平行晶向指数uvwuvw来表示；来表示；(2)(2)另一个织构为轧制时形成另一个织构为轧制时形成板织构板织构 即在板材轧制时，即在板材轧制时，各晶粒中某一指数晶面均趋于平行轧制面，各晶粒中某一指数晶面均趋于平行轧制面，各晶粒中某一指数晶向均趋于平行轧制方向，各晶粒中某一指数晶向均趋于平行轧制方向，用该晶面指数用该晶面指数(hkl)(hkl)和晶向指数和晶向指数uvwuvw表示板织构。表示板织构。第26页三、三、形变织构形变织构第27页四、残余应力四、残余应力金属冷变形时，内于各部分金属冷变形时，内于各部分变形变形程度程度不一样不一样，变形后在金属内部变形后在金属内部残余应力残余应力。依据受力体积，残余应力分为依据受力体积，残余应力分为:(1)(1)宏观残余应力宏观残余应力 (2)(2)显微残余应力显微残余应力依据受力种类，残余应力分为依据受力种类，残余应力分为:(1)(1)拉应力拉应力 (2)(2)压应力压应力 拉应力拉应力降低材料强度；降低材料强度；压应力压应力提升表面疲劳强度。提升表面疲劳强度。可经过可经过低温退火低温退火消除拉应力。消除拉应力。第28页