材料科学基础第六章1..ppt

第六章 塑性变形 机械零件在加工或使用时都会发生变形，材料对变形的承受能力直接关系到零件的使用寿命。 本章主要讨论金属材料的变形方式和塑性变形机制，简单介绍陶瓷和高分子材料的变形特点。 6.1 金属的应力-应变曲线 6.1.1 工程应力-应变曲线(以低碳钢为例) 1 当应力低于σe时，应力与应变成正比：σ=Eε E称为弹性模量， 表示材料的刚性。 此应力范围内撤 去应力则变形完 全消失，称为弹 性变形。 σe称为弹性极限 (elastic limit) 。 2 应力超过σe时发生塑性变形，应力去除后变形部分恢复。开始发生塑性变形的最小应力叫屈服极限 (surrender limit) σs。对于无明显屈服极限的材料，规定以产生0.2%残余变形的应力作为屈服极限，以σ0.2表示。 3 外力超过σs(σ0.2)后，材料发生明显而均匀的塑性变形，要增大应变必须提高应力。这种随变形增大，变形抗力也增大的现象叫加工硬化(strain hardening)或应变硬化。 应力达到σb后，材料均匀变形结束， σb叫材料的抗拉强度(tensile strength )，是材料极限承载能力的标志。 4 应力达到σb时，材料开始发生不均匀变形，形成颈缩。应力随之迅速下降，达到σk时材料短裂。 σk叫条件断裂强度 (rupture strength ) 。 断裂后的试样残余变形量Δl=(lk-l0)与原始长度l0的百分比称为延伸率δ(percentage of elongtation ) ： δ=[(lk-l0)/l0]×100% (6-1) 试样的原始截面积F0和断裂时的截面积Fk之差与F0的百分比称为断面收缩率ψ(percentage of area reduction )：ψ=[(F0-Fk)/F0]×100% (6-2) δ和ψ都是材料的塑性指标，表示金属的塑性变形能力。 6.1.2 真应力-真应变曲线：在实际拉伸过程中，试样横截面在不断变化，试样所受的真应力S应是瞬时载荷P与瞬时截面积F的比值： S=P/F (6-3) 真应变为瞬时伸长量除以瞬时长度： de=dl/l (6-4) 总应变为： e=?de=?ll0dl/l=lnl/l0=ln(1+δ) (6-5) 图6-2为真应力-真应变曲线。 与工程应力-应变曲线的区别是：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(截面收缩速率大于载荷下降速率)，直到Sk，试样断裂。 Sk称材料的断裂强度(?rupture strength)。 一般把均匀塑性变形阶段的真应力-真应变曲线称为流变曲线(flow curve)，其关系为： S=ken (6-6) n称为形变强化指数。密排六方的n较小，体心立方，特别是面心立方的n较大。 6.2 单晶体的塑性变形 材料通常是多晶体，多晶体变形与每个晶粒的变形密切相关。 单晶体常温塑性变形的主要方式有滑移和孪生两种。 6.2.1 滑移 6.2.1.1 滑移现象：将 一块单晶体进行一定 的塑性变形后，原来 抛光的表面会出显许 多平行的线条。 这些平行线条称为滑移带。每一条滑移带都是由许多聚集在一起的相互平行的滑移线组成，每一条滑移线都对应一个小台阶。台 阶间距大约 为几十纳米， 高度约为几 百纳米。 X射线衍射分析发现： 1 变形晶体的结构类型并未改变，滑移线两侧的晶向也没变。即晶体的滑移是晶面间的平移滑动，滑动结果在表面留下滑移台阶。 2 滑移的分布不均匀，只集中于某些晶面，而相邻两条滑移线之间的晶体没有滑移。 *由于四轴晶系中ai组合的不独立性，任意两个a基矢的合成矢量都是剩余基矢的负数，如: a2+a3=-a1, 如果要用晶向指数表示a1方向,就必须选择a1的模长使其合成矢量不为0 (通常选1), 于是有: a1: [2110]; 其余类推。 结论： 1 滑移面总是晶体的密排面，滑移方向也总是晶体的密排方向。这是因为密排面之间的面间距大，滑移阻力(派纳力)小；密排方向原子密度大，移动距离短。 2 每一种晶格类型都具有特定的滑移系。面心立方金属为12个：{111}110；密排六方金属有3个：(0001)1120；体心立方没有明显密排面，可能的滑移系48个：{110}111,{112}111,{123}111. *派纳力：Peierls-N