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材料科学基础PPT课件市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx
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1、第六章第六章塑性变形塑性变形机械零件在加工或使用时都会发生变形,机械零件在加工或使用时都会发生变形,材料对变形承受能力直接关系到零件使用材料对变形承受能力直接关系到零件使用寿命。寿命。本章本章主要讨论金属材料变形方式和塑性变主要讨论金属材料变形方式和塑性变形机制形机制,简单介绍陶瓷和高分子材料变形,简单介绍陶瓷和高分子材料变形特点。特点。第1页6.1金属应力金属应力-应变曲线应变曲线6.1.1工程应力工程应力-应变曲线应变曲线(以低碳钢为例以低碳钢为例)1当应力低于当应力低于e时,应力与应变成正比:时,应力与应变成正比:=EE称为称为弹性模量弹性模量,表示材料刚性。表示材料刚性。此应力范围内撤
2、此应力范围内撤去应力则变形完去应力则变形完全消失,称为弹全消失,称为弹性变形。性变形。第2页e称为称为弹性极限弹性极限(elasticlimit)。2应力超出应力超出e时发生塑性变形,应力去除时发生塑性变形,应力去除后变形部分恢复。后变形部分恢复。开始发生塑性变形最小开始发生塑性变形最小应力叫应力叫屈服极限屈服极限(surrenderlimit)s。对。对于无显著屈服极限材料,于无显著屈服极限材料,要求要求以以产生产生0.2%残余变形应力作为屈服极限,以残余变形应力作为屈服极限,以0.2表示表示。第3页3外力超出外力超出s(0.2)后,材料发生显著而均匀塑性后,材料发生显著而均匀塑性变形,要增
3、大应变必须提升应力。这种变形,要增大应变必须提升应力。这种随变形增随变形增大,变形抗力也增大现象叫大,变形抗力也增大现象叫加工硬化加工硬化加工硬化加工硬化(strain(strainhardening)hardening)或或应变硬化应变硬化应变硬化应变硬化。应力到达应力到达b后,材料均匀变形结束,后,材料均匀变形结束,b叫材料叫材料抗抗抗抗拉强度拉强度拉强度拉强度(tensilestrength(tensilestrength),是材料极限承载能,是材料极限承载能力标志。力标志。4应力到达应力到达b时,材料开始发生时,材料开始发生不均匀变形不均匀变形,形,形成成颈缩颈缩颈缩颈缩。应力随之快速
4、下降,到达。应力随之快速下降,到达k时材料短裂。时材料短裂。k叫叫条件断裂强度条件断裂强度条件断裂强度条件断裂强度(rupturestrength(rupturestrength )。第4页断裂后断裂后试样试样残余变形量残余变形量l=(lk-l0)与原始长度与原始长度l0百分比百分比称为称为延伸率延伸率(percentageofelongtation):=(lk-l0)/l0100%(6-1)试样试样原始截面积原始截面积F0和和断裂时断裂时截面积截面积Fk之差与之差与F0百分比百分比称为称为断面收缩率断面收缩率(percentageofareareduction):=(F0-Fk)/F0100
5、%(6-2)和和都是材料塑性指标,表示金属塑性变都是材料塑性指标,表示金属塑性变形能力。形能力。第5页6.1.2真应力真应力-真应变曲线:在实际拉伸过真应变曲线:在实际拉伸过程中,试样横截面在不停改变,程中,试样横截面在不停改变,试样所受试样所受真应力真应力S应是瞬时载荷应是瞬时载荷P与瞬时截面积与瞬时截面积F比值比值:S=P/F(6-3)真应变真应变为瞬时伸长量除以瞬时长度为瞬时伸长量除以瞬时长度:de=dl/l(6-4)总应变为:总应变为:e=de=ll0dl/l=lnl/l0=ln(1+)(6-5)第6页第7页图图6-2为真应力为真应力-真应变曲线。真应变曲线。与工程应力与工程应力-应变
6、曲线区分是:试样产生颈缩以后,应变曲线区分是:试样产生颈缩以后,尽管外加载荷已经下降,但真应力仍在升高尽管外加载荷已经下降,但真应力仍在升高(截面截面收缩速率大于载荷下降速率收缩速率大于载荷下降速率),直到,直到Sk,试样断裂。,试样断裂。Sk称材料称材料断裂强度断裂强度断裂强度断裂强度(rupturestrength)。普通把普通把均匀塑性变形阶段真应力均匀塑性变形阶段真应力-真应变曲线称为真应变曲线称为流变曲线流变曲线流变曲线流变曲线(flowcurve),其关系为:,其关系为:S=ken(6-6)n称为称为形变强化指数形变强化指数。密排六方密排六方n较小,体心立方,较小,体心立方,尤其是
7、面心立方尤其是面心立方n较大较大。第8页6.2单晶体塑性变形单晶体塑性变形材料通常是多晶体,多晶体变形与每个晶粒变形材料通常是多晶体,多晶体变形与每个晶粒变形亲密相关。亲密相关。单晶体常温塑性变形主要方式有滑移和孪生两种单晶体常温塑性变形主要方式有滑移和孪生两种。6.2.1滑移滑移6.2.1.1滑移现象:将滑移现象:将一块单晶体进行一定一块单晶体进行一定塑性变形后,原来塑性变形后,原来抛光表面会出显许抛光表面会出显许多平行线条。多平行线条。第9页这些平行线条称为这些平行线条称为滑移带滑移带。每一条滑移带每一条滑移带都是由许多聚集在一起相互平行滑移线组都是由许多聚集在一起相互平行滑移线组成成,每
8、一条滑移线都对应一个小台阶。台,每一条滑移线都对应一个小台阶。台阶间距大约阶间距大约为几十纳米,为几十纳米,高度约为几高度约为几百纳米。百纳米。第10页X射线衍射分析发觉:射线衍射分析发觉:1变形晶体结构类型并未改变,滑移线两侧变形晶体结构类型并未改变,滑移线两侧晶向也没变。即晶向也没变。即晶体滑移是晶面间平移滑晶体滑移是晶面间平移滑动动,滑动结果在表面留下滑移台阶。,滑动结果在表面留下滑移台阶。2滑移分布不均匀滑移分布不均匀,只集中于一些晶面,而,只集中于一些晶面,而相邻两条滑移线之间晶体没有滑移相邻两条滑移线之间晶体没有滑移。第11页第12页第13页第14页第15页*因为四轴晶系中因为四轴
9、晶系中a ai i组合不独立性,任意两组合不独立性,任意两个个a a基矢合成矢量都是剩下基矢负数,如基矢合成矢量都是剩下基矢负数,如:a a2 2+a+a3 3=-a=-a1 1,假如要用晶向指数表示假如要用晶向指数表示a a1 1方向方向,就必须选择就必须选择a a1 1模长使其合成矢量不为模长使其合成矢量不为0(0(通通常选常选1),1),于是有于是有:a a1 1:2110;:2110;其余类推。其余类推。第16页结论:结论:1滑移面总是晶体密排面,滑移方向也总是滑移面总是晶体密排面,滑移方向也总是晶体密排方向晶体密排方向。这是因为密排面之间面间。这是因为密排面之间面间距大,滑移阻力距大
10、,滑移阻力(派纳力派纳力)小;密排方向原小;密排方向原子密度大,移动距离短。子密度大,移动距离短。2每一个晶格类型都含有特定滑移系每一个晶格类型都含有特定滑移系。面心。面心立方金属为立方金属为12个:个:111;密排六方;密排六方金属有金属有3个:个:(0001);体心立方没有;体心立方没有显著密排面,可能滑移系显著密排面,可能滑移系48个:个:110,112,123.第17页*派纳力派纳力:Peierls-Nabarro力,位错滑移临力,位错滑移临界切应力。界切应力。P P=2G/(1-=2G/(1-)exp-2a/(1-)b)exp-2a/(1-)b式中:式中:b b为柏氏矢量;为柏氏矢量
11、;G G为切变模量;为切变模量;为泊松比;为泊松比;a a为滑移面间距。为滑移面间距。从此式能够看出:从此式能够看出:面间距面间距a a越大派纳力越小;越大派纳力越小;柏氏矢量柏氏矢量b b越小派纳力越小。越小派纳力越小。第18页滑移系在一定程度上决定了金属塑性好坏滑移系在一定程度上决定了金属塑性好坏。如面心立方和体心立方金属塑性好于密排如面心立方和体心立方金属塑性好于密排六方金属。但六方金属。但在相同条件下,金属塑性好在相同条件下,金属塑性好坏还取决于滑移面原子密排程度及滑移方坏还取决于滑移面原子密排程度及滑移方向数目等原因向数目等原因。如。如-Fe有有48个滑移系,但个滑移系,但滑移方向只
12、有两个滑移方向只有两个(不区分正反不区分正反),比面心,比面心立方立方(3个个)少,而且滑移面密排程度也较低,少,而且滑移面密排程度也较低,所以其塑性要比铝,铜等面心立方金属差。所以其塑性要比铝,铜等面心立方金属差。第19页6.2.1.3临界分切应力:滑移在切应力作用下发生。临界分切应力:滑移在切应力作用下发生。晶体中某滑移系是否滑动,取决于该方向上分切晶体中某滑移系是否滑动,取决于该方向上分切应力是否到达临界值应力是否到达临界值。有一截面积为有一截面积为A圆柱形单晶,受轴向拉力圆柱形单晶,受轴向拉力P作用。作用。拉伸轴与滑移面法向拉伸轴与滑移面法向ON夹角为夹角为,与滑移方向,与滑移方向OT
13、夹角为夹角为。则。则P在滑移方向在滑移方向分力为分力为Pcos,而滑移面,而滑移面面积为面积为A/cos,P在滑移方在滑移方向分切应力:向分切应力:=(Pcos)/(A/cos)=Pcoscos/A=0coscos。第20页当外力当外力P一定时,作用在滑移系上分切应力一定时,作用在滑移系上分切应力与晶体受力位向相关。与晶体受力位向相关。当当0=s(屈服极限屈服极限)时,晶体开始滑移,此时滑移方向分切应时,晶体开始滑移,此时滑移方向分切应力称为力称为临界分切应力临界分切应力k:k=scoscos令:令:m=coscos,则:,则:k=sm或:或:s=k/m(6-7)m称为取向因子或称为取向因子或
14、斯密特斯密特(Schmid)因子因子。m越大,分切应力越大,越有利于滑移。越大,分切应力越大,越有利于滑移。第21页当滑移面法线、滑移方向和外力轴处于同当滑移面法线、滑移方向和外力轴处于同一平面且一平面且=45时,时,m=coscos(90-)=sin2/2=0.5。此时此时m值最大,值最大,s最小,最有利于滑移,称最小,最有利于滑移,称为为软取向软取向;外力与滑移面平行;外力与滑移面平行(=90)或或垂直垂直(=0)时时,s,晶体不能滑移,此,晶体不能滑移,此种取向称为种取向称为硬取向硬取向。m对屈服应力对屈服应力 s影响在只有一组滑移面密排影响在只有一组滑移面密排六方晶体中尤为显著。六方晶
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