材料性能学ch1力学-塑性及超塑性.ppt

材料性能学I陈建清E_mail: chen_eyes@Blog： 13645173965 : 22033784第二节 塑性和超塑性 • 概念 • 物理本质及变化规律 • 性能指标及影响因素 • 超塑性• 弹性变形：应力去除后能够恢复的变形σ=Eε • 弹性模量： E • 弹性极限： σe • 屈服极限：σs， σ0.2 • 加工硬化（应变硬化） • 抗拉强度： σb • 断裂强度： σk • 延伸率：δ=(lk-l0)/l0 • 断面收缩率：ψ=（F0-Fk)/F0一、塑性变形概念塑性变形是指一种在 外力去除后不能恢复 的形变材料经受塑性形变而 不破坏的能力叫延展 性二、塑性变形机理(物理本质)Ø 晶格滑移Ø 塑性变形位错运动理论ü 位错运动激活能ü 位错运动的速度ü 形变速率ü 位错增殖机理 ü 晶格滑移条件ü 临界分解剪切应力ü 滑移系数量孪晶是在剪应力作用下 产生的另一种塑性变形 方式孪晶本身提供的变形量 很小，但可以调整滑移 面的方向，使新的滑移 系开动，因而可以对塑 性变形产生影响1.晶格滑移条件 滑移是在剪应力作用下在一定滑 移系统（滑移面和滑移方向）上 进行的 滑移面和滑移方向——指数小， 原子密度大，柏氏矢量b较小。

几何因素：静电作用因素：拉力、滑移面和滑移方向间的几何关系 （一）晶格滑移滑移系统的多少不是决定塑性 好坏的唯一因素如fcc结构的Cu、Al相比bcc结构 的α-Fe，滑移系少，但晶格阻力 较低，位错容易运动金属晶体的滑移面除原子最密 排晶面外，还受到温度、成分 和预先变形程度等的影响如bcc结构的{112}及{123}晶面 在温度升高也可能成为滑移面 ，增大金属的塑性铜多晶试样拉伸后形成的滑移带,x173倍 (采自C.Brady,美国国家标准局) 锌的单晶和多晶的拉伸曲线 截面为A的圆柱单晶，受拉力F，在滑 移面上沿滑移方向发生的滑移：2.临界分解剪切应力此应力在滑移方向上的分剪应力为滑移面上F方向的应力为不同滑移面及滑移方向的应力都不一样；同一滑移面 上不同滑移方向，剪应力也不一样 当τ≥τ0（临界剪应力）时发生滑移可见，在外力F的作用下，在与N、F处于同一平面内 的滑移方向上，剪应力达做大值，其他方向剪应力均 较小金属易于滑移而产生塑性形变，因为金属材料滑移系统很多， Fe、Cu等滑移系统有48种之多——金属键没有方向性无机材料的滑移系统很少，离子键或共价键具有明显的方向性 ——同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几 何条件与静电作用条件。

3.滑移系的数量多晶材料，晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面 上的剪应力差别很大即使个别晶粒已达临界剪应力而发生滑 移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止——多 晶材料更不容易产生滑移滑移孪孪生相同点1 切变变；2 沿一定的晶面、晶向进进行；3 不改变结变结 构不 同 点晶体位向不改变变（对对抛光面观观察 无重现现性）改变变，形成镜镜面对对称关系（对对 抛光面观观察有重现现性）位移量滑移方向上原子间间距的 整数倍，较较大小于孪孪生方向上的原子间间距 ，较较小对对塑变变的贡贡献很大，总变总变 形量大有限，总变总变 形量小变变形应应力有一定的临临界分切压压力所需临临界分切应应力远远高于 滑移 变变形条件一般先发发生滑移滑移困难时发难时发 生变变形机制全位错错运动动的结结果分位错错运动动的结结果（二）塑性形变的位错运动理论实际晶体中存在位错缺陷，当受剪应力作用时，并不 是晶体内两部分整体相互错动，而是位错在滑移面上 沿滑移方向运动——实际晶体的滑移是位错运动的结 果——使位错运动所需的力比使晶体两部分整体相互 滑移所需的力小得多二）塑性形变的位错运动理论1、位错运动激活能• 位错是一种缺陷，原子 排列中有缺陷的地方一 般势能较高。

• H(τ)为位错运动激活能 • τ大，H(τ)小；τ小，H(τ) 大 • H(τ)为τ的函数，无剪应 力（τ=0）作用时， H(τ)=h’一个原子能脱离平衡位置的几率是由波尔兹曼因子e- E/kT决定的，E为激活能位错是一种缺陷，其运动缺陷也由波尔兹曼因子决 定，得到位错运动的速度：2、位错运动速度V0 ：与原子热振动固有频率有关的常数；k：波尔兹曼常数，为1.3810-23J/K；T：绝对温度结论：（1）τ=0时，H(τ)=h’，比kT大得多室温300K，kT为0.026eV；金属材料的h’约为0.1-0.2eV，离子键、共价键的无机材料 h’约为1eV2）位错只能在滑移面上运动，只有滑移面上的分剪应力 才能使H(τ)降低无机材料的滑移系统少，滑移面上的分剪 应力往往很小，尤其在多晶陶瓷中更是如此3）温度升高，位错运动的速度加快位错运动的理论充分 说明无机材料中产生 位错运动是困难的— —当滑移面上的分剪 应力尚未使位错以足 够的速度运动时，此 应力可能已超过微裂 纹扩展所需的临界应 力而使材料脆断 3、形变速率设在时间t内，长度为l的试件形变 量为∆l，应变为∆l/l=ε，应变速 率 为 。

假设ll平面上有n个位错，则参与 形变的滑移平面上的位错密度为如位错运动的平均速度为在时间t内n个位错通过试样边界，会引起位错 增殖，使通过边界的位错数增加到nc个（c—— 位错增殖系数） 每个位错运动造成在运动方向上一个原子间距 的滑移，即一个柏氏矢量的滑移，以b表示，则 单位时间内的滑移量为则宏观应变率为塑性形变率取决于位错运动速度 ，位错密度D 、柏氏矢量b和位错增殖系数c 造成宏观塑性形变，必须： （1）足够多的位错； （2）位错有一定的运动速度； （3）柏氏矢量b要大位错形成需要能量，按弹性理论计算，位错形成能为 E=aGb2G——剪切模量； a——几何因子（0.5-1.0）；b——柏氏矢量 b小才容易形成位错，b相当于晶格的点阵常数a.金属为单元结构，点阵常数较小，一般为3Å左右，形成 位错的能量小，容易形成位错 b.无机材料都是二元以上的多元化合物，结构比较复杂， 点阵中原子数较多，点阵常数较大（MgAl2O4约8Å， Al2O3约5Å）,形成位错的能量大，不易形成位错，位错运 动也很困难，也就难以产生塑性形变4、塑性形变速率对屈服强度的影响塑性变形速率 与 屈服强度的关系：m——位错运动速 率的应力敏感性系 数。

三 影响金属材料屈服强度的因素1.晶体结构 晶格阻力：在理想晶体中，仅存在一个位错运动 时所需克服的阻力位错间交互作用产生的阻力：2. 晶界亚结构3. 溶质元素4. 第二相5. 温度 6. 应变速率与应力状态Ø 晶界 Ø 晶粒大小：Ø 原子直径不同 Ø 溶质与溶剂交互作用Ø 质点的性质 Ø 第二相分布四、超塑性 概念：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000%）而 不发生缩颈和断裂的现象，称为超塑性 分类：分为相变超塑性（变形过程中发生相变）和结构超塑性 （稳定结构）产生条件：（1）超细晶粒（微米量级，且为等轴晶）； （2）合适的变形条件（变形温度在0.4Tm、应变速率大于等 于10-3s-1）；（3）应变速率敏感指数较高，0.3≤m≤1，当m<0.3就不出 现超塑性纳米铜的室温超塑性超塑性变形的特点：材料产生很大的应变，但应变前后晶粒基本上保持 等轴状态晶界滑动产生的应变εg在总应变εt中所占比例一般在 50%-70%之间晶界滑动在超塑性变形中起了主要作用，也需要与 之协调的晶界迁移和晶内位错运动的配合Backdrops:- These are full sized backdrops, just scale them up!- Can be Copy-Pasted out of Templates for use anywhere!。