第四章晶体的塑性形变课件.ppt
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- 第四 晶体 塑性 形变 课件
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1、晶体的塑性形变滑移滑移起始塑性流变和加工硬化起始塑性流变和加工硬化孪生和扭折孪生和扭折多晶体的塑性形变多晶体的塑性形变形变织构等。形变织构等。涉及的内容:用光学显微镜观察经用光学显微镜观察经7% 形变的铝表面图象形变的铝表面图象 滑移面和滑移方向合称为滑移要素(滑移系)。滑移面和滑移方向合称为滑移要素(滑移系)。对于一定的晶体结构,不论载荷大小或载荷的取向如对于一定的晶体结构,不论载荷大小或载荷的取向如何,滑移要素的类型一般都是确定的。在一般情况下何,滑移要素的类型一般都是确定的。在一般情况下, 滑移面和滑移方向是晶体的密排和较密排的滑移面滑移面和滑移方向是晶体的密排和较密排的滑移面及密排方向
2、。及密排方向。 一个滑移面和一个滑移方向组成一个滑移系,面一个滑移面和一个滑移方向组成一个滑移系,面心立方结构有心立方结构有12个滑移系,体心立方结构个滑移系,体心立方结构48个滑移个滑移系,而密排六方结构一般只有系,而密排六方结构一般只有3个滑移系。在外力作个滑移系。在外力作用下,并不是所有的滑移系都会开动的,只能是其用下,并不是所有的滑移系都会开动的,只能是其中一个或几个滑移系开动,那些没有开动的滑移系中一个或几个滑移系开动,那些没有开动的滑移系称为潜在滑移系。称为潜在滑移系。Schmid 定律定律 外加拉伸应力外加拉伸应力s s和滑移面和滑移面内沿着滑移方向分切应力内沿着滑移方向分切应力
3、t t之之间的关系。间的关系。m-取向因子取向因子,又称,又称Schmid因子因子实验看出:滑移系开实验看出:滑移系开动所需要的分切应力动所需要的分切应力是一个常数,和外加是一个常数,和外加力的取向无关。力的取向无关。滑移滑移系开动所需要的最小系开动所需要的最小分切应力称为临界分分切应力称为临界分切应力切应力t tc c。 滑移系开动所需要的临界分切应力是和外滑移系开动所需要的临界分切应力是和外力取向无关的力取向无关的常常数的规律称数的规律称Schmid定律或临界定律或临界分切应力定律分切应力定律。 如果有多个滑移系开动,使问题复杂化。这如果有多个滑移系开动,使问题复杂化。这样这样,样这样,S
4、chmid 定律只在某些取向范围(只有定律只在某些取向范围(只有单系滑移)内才适用。单系滑移)内才适用。 如果把滑移面开动所对应的正应力看作是屈服如果把滑移面开动所对应的正应力看作是屈服强度,则屈服强度和外加力的取向有关。强度,则屈服强度和外加力的取向有关。m的数的数值越大,屈服强度越小,取向越值越大,屈服强度越小,取向越“软软”;屈服强度;屈服强度越高,取向越越高,取向越“硬硬”。 变形时,若晶体在滑移面两侧相对滑过,变形时,若晶体在滑移面两侧相对滑过,则在滑移面上则在滑移面上所有的键都要破断所有的键都要破断来产生永久的来产生永久的位移。据此,可估算滑移所需的临界分切应。位移。据此,可估算滑
5、移所需的临界分切应。宏观描述宏观描述原子尺度描述原子尺度描述 对于体心立方结构,一般是不遵守对于体心立方结构,一般是不遵守SchmidSchmid定律,这是由于它的位错核心的特殊结构造定律,这是由于它的位错核心的特殊结构造成的。成的。4.2 交滑移交滑移 两个或多个滑移面共同按两个或多个滑移面共同按1 1个滑移方向滑移称个滑移方向滑移称交滑移。交滑移形成的滑移线(带)是折线形状。交滑移。交滑移形成的滑移线(带)是折线形状。交滑移不是几个面交滑移不是几个面“同时同时”,而是,而是“顺序顺序”滑动。滑动。铝Fe-3%Si 对低层错能材料,位错很难交滑移,位错运动是对低层错能材料,位错很难交滑移,位
6、错运动是平面型的,称平面型的,称平面滑动平面滑动。对高层错能材料,位错容易。对高层错能材料,位错容易交滑移,滑移线呈波纹状,称交滑移,滑移线呈波纹状,称波纹滑动波纹滑动。交滑移容易。交滑移容易与否,对材料的应变硬化有很大的影响。层错能越低与否,对材料的应变硬化有很大的影响。层错能越低,位错不易通过交滑移越过遇到的障碍,从而加大了,位错不易通过交滑移越过遇到的障碍,从而加大了应变硬化。应变硬化。多系滑移多系滑移 当外力的取向使当外力的取向使2 2个或多个滑移系上的分切应力个或多个滑移系上的分切应力均达到临界分切应力值时,这些滑移系可以同时开均达到临界分切应力值时,这些滑移系可以同时开动而发生多系
7、滑移。动而发生多系滑移。以以fcc结构为例讨论力轴在不同取向下发生的多系滑移。结构为例讨论力轴在不同取向下发生的多系滑移。fcc结构的结构的(001)标准极射赤面图标准极射赤面图-滑移系的寻找方法滑移系的寻找方法把把3个个001面的极面的极点 标 为点 标 为 w , 把, 把 6 个个滑移方向的极滑移方向的极点分别标上点分别标上I、II、III、IV、V、VI;把把4个个111滑移面分滑移面分别标上别标上A、B、C、D记号。则一滑移记号。则一滑移系可表示为系可表示为: BIV若外力轴取向处在每一个由若外力轴取向处在每一个由001、 011、111为基为基点的曲边三角形内时,只有一个滑移系的取
8、向因子最点的曲边三角形内时,只有一个滑移系的取向因子最大,即只有一个滑移开动。各曲边三角形内所能开动大,即只有一个滑移开动。各曲边三角形内所能开动的滑移系已在下图中标示出。则一滑移系可表示为的滑移系已在下图中标示出。则一滑移系可表示为: BIV。若外力轴取向处在三角形边上时,有若外力轴取向处在三角形边上时,有2个滑移系的取个滑移系的取向因子最大且相等,即向因子最大且相等,即2个相邻接区域所开动的滑移个相邻接区域所开动的滑移系,则可开动两个滑移系。如力轴在系,则可开动两个滑移系。如力轴在A-I线上,则可线上,则可开动开动BIV和和BV。 若外力轴取向为若外力轴取向为110时,有时,有4个滑移系的
9、取向个滑移系的取向因子最大且相等,即因子最大且相等,即4个相邻接区域所开动的滑移系个相邻接区域所开动的滑移系,则可开动个滑移系。如力轴在,则可开动个滑移系。如力轴在I点,则可开动点,则可开动BIV、BV、AIII和和AVI。 若外力轴取向为若外力轴取向为11时,有个滑移系的取向因时,有个滑移系的取向因子最大且相等,则可开动子最大且相等,则可开动个滑移系。如力轴在个滑移系。如力轴在点,点,则可开动则可开动BIV、CI、CV、DIV和和BV。若外力轴取向为。若外力轴取向为001,即投影中心时,可开动即投影中心时,可开动8个滑移系。个滑移系。开动的具体滑移系及数目与力轴的关系:开动的具体滑移系及数目
10、与力轴的关系:三角形内:个;边上:个;次轴上:个;三角形内:个;边上:个;次轴上:个;三次轴上:个;次轴上:个;三次轴上:个;次轴上:个; 发生多系滑移时,在抛光表面看到不止一组的滑发生多系滑移时,在抛光表面看到不止一组的滑移线,而是两组或多组交叉的滑移线。由于多个滑移移线,而是两组或多组交叉的滑移线。由于多个滑移系开动,位错交截产生割阶及位错带着割阶运动等原系开动,位错交截产生割阶及位错带着割阶运动等原因使位错运动阻力增加,因而强度也增加。因使位错运动阻力增加,因而强度也增加。 外力轴处于只有外力轴处于只有1 1个滑移系开动的取向,材个滑移系开动的取向,材料的强度是比较低的,这样的取向称为软
11、取向料的强度是比较低的,这样的取向称为软取向;外力轴处于多个滑移的取向称为硬取向。;外力轴处于多个滑移的取向称为硬取向。 若晶体在拉伸时不受约若晶体在拉伸时不受约束,滑移时各滑移层会象推束,滑移时各滑移层会象推开扑克牌那样一层层滑开,开扑克牌那样一层层滑开,每一层和力轴的夹角每一层和力轴的夹角c c0 0保持保持不变。但在实际拉伸中,夹不变。但在实际拉伸中,夹头不能移动,这迫使晶体转头不能移动,这迫使晶体转动。在靠近夹头处由于夹头动。在靠近夹头处由于夹头的约束,晶体不能自由滑动的约束,晶体不能自由滑动而产生弯曲;在远离夹头的而产生弯曲;在远离夹头的地方,晶体发生转动,转动地方,晶体发生转动,转
12、动的方向是使滑移方向转向力的方向是使滑移方向转向力轴。轴。4.3拉伸和压缩时晶体的转动拉伸和压缩时晶体的转动无约束无约束 有约束有约束-导致转动导致转动 压缩时,晶体也会产生压缩时,晶体也会产生转动。转动。 滑移时晶体发生转动,滑移时晶体发生转动,使晶体各部分相对外力的使晶体各部分相对外力的取向不断改变,各滑移系取向不断改变,各滑移系的取向因子也发生变化。的取向因子也发生变化。如果起始取向如果起始取向c c0 0和和l l0 0大于大于4545,在转动时取向因子,在转动时取向因子加大,出现软化,这种软加大,出现软化,这种软化称化称几何软化几何软化。转动使。转动使c c1 1和和l l1 1小于
13、小于4545,取向因子又重,取向因子又重新减小,出现硬化,这种新减小,出现硬化,这种硬化称硬化称几何硬化几何硬化。压缩时压缩面压缩轴4.4多晶体的塑性形变4.4.1多晶体形变的特点 不同于单晶;每一晶粒的取向“软”和“硬”不同,形变先后及形变量也不同。 为保持整体的连续性,每个晶粒的形变必受相邻晶粒所制约。单独变形可能出现空洞和重叠铝多晶体拉伸形变试验基本规律:(1)跨过晶界的延伸率变化是连续的;(2)靠近晶界处的延伸率较小;(3)细晶粒形变较均匀且强度高;相反,大晶粒形变不均匀,强度低。晶粒6晶粒尺寸与屈服强度的关系0称晶内阻力或晶格摩擦力;ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错被钉札程
14、度有关的常数。Hall-Petch关系 除屈服强度外,流变应力、断裂强度等与晶粒尺寸间也有H-P关系,但0与ky常数的意义及数值不同。H-P关系可用位错理论或其它方法。导出。晶界存在引起强度增加的原因: 双晶试验表明,试样的屈服强度随2个晶粒取向差加大而加大;把取向差与强度的关系曲线外推到取向差为零时,屈服强度大体和单晶的各种取向的屈服强度的平均值接近。 说明晶界本身对强度的贡献不是主要的,而对强度的贡献主要来自晶粒间的取向差。因相邻晶粒取向不同,为保持形变时应变连续,各晶粒形变要协调,在晶界附近会进行多系滑移,如下图的铝多晶形变。正是这些多系滑移增加了形变阻力,从而增加强度。4.4.2形变过
15、程的宏观应变协调及宏观组织的变化4.4.2.1多晶变形的两个基本模型Sachs模型(1928年提出): 设各晶粒的形变是自由的,即多晶体各处的应力状态是连续的。这个假设和实际不符,应变不能维持连续。Taylor模型(1938年提出): 形变时晶界保持应变连续而不产生空洞或张开(形变连续)。不足之处是应力不连续。不协调时,出现空洞和重叠实现任一变形的条件:要使晶粒间的变形连续,必须有5个独立的滑移系开动。 原因:描述任一应变状态用6个分量,但形变体积不变,即3个正应变之和不变,因此只有5个是独立的。 为检查所提出的模型是否和实际相符,通常是对比由单晶拉伸的-曲线导出多晶拉伸- 曲线,与实际的多晶
16、-曲线,看它们符合的程度。单向拉伸应力和在滑移系上的分切应力的关系为对多晶体,可唯象地假设m存在一个平均值:式中N(m)dm为m值在(mm+dm)间的晶粒数由实验求得单晶的切应力-切应变曲线:按形变功相等:d=d 不同的形变模型求出的m值不同。如果滑移不受限制,并且滑移系数目无限多的话,获得的值最小,等于2。所以导出的多晶体的拉伸曲线:多晶纯铝室温的-曲线及按Taylor模型用单晶方向拉伸的- 曲线导出的多晶体- 曲线。Taylor模型考虑了应变的连续性,以最小功原理求出面心立方多晶体的m等于3.06;Sachs按应力相等求出m2.24。说明该方法接近实际情况,但还是有较大的区别。形变时宏观协
17、调的难易与晶粒尺寸相关:晶粒小时各晶粒间形变比较均匀。晶粒越大,形变越不均匀,晶粒“碎化”的现象越强烈。大晶粒形变要求局部开动比较少的滑移系(少于5个),结果流变应力会降低。这是小晶粒材料比大晶粒材料强和硬的原因。宏观组织(低倍及光学镜下)的变化低碳钢经65%冷轧后在轧面、纵截面和横截面的晶粒形状照片。经2.7 真应变拉拔的铁丝在横截面观察到的卷曲的晶粒结构压缩量为87%的旋压钨丝的纵截面和横截面的组织模锻件截面上看到的流线高层错能金属形变的主要机制滑移 在形变时因位错群集面形成高密度的多种位错组态,典型的位错结构有:位错缠结、二维的位错墙及三维形状近似等轴的位错胞状结构。4.4.3形变过程的
18、微观应变协调及微观组织的变化晶粒内各区域开动的滑移系数目不同从而使晶粒“碎化”;“碎化”的各区域由过渡带或稠密位错墙(DDW)分隔开;平行的位错墙构成显微带MB;多晶体形变而导致的晶粒“碎化”(a)由稠密位错墙(DDW)分隔开的胞块(CB)及CB中含的普通位错胞状结构的示意图; (b)和图(a)对应的各胞块中的滑移线示意图;(c)显微带(MB)内的结构DDW: Dense Dislocation Wall ; MB: Microband; CB: Cell Block; LED: Low Energy Dislocation Structure; GNB:Geometrrocally Nece
19、ssary Boundary; IDB: Incidental Dislocation Boundary; 滑移系开动的数目为3-5个:太少,则变形困难;形成LED的需要;太多,则从能量上是不利的。 晶粒“碎化” 成胞块是形变协调所必须需的,因此分隔它们的边界如DDW和MB称这为几何必须边界。 各个CB内开动的滑移系数目不同,故CB间的取向差比较大。 在CB内的位错胞结构是形成低能量位错的结果,胞壁群集了随机分布的位错,胞壁称为伴生位错边界(IDB)。在CB内,所有的位错胞状结构内开动的滑移系数是相同的,故位错胞状结构之间的取向差是很小的。随着应变量加大,普通位错胞的胞壁中的位错密度增至一定程
20、度时,使得CB内各位错胞开动的滑移系不再完全相同,它们就成为新的胞块(CB),这样胞壁已从IDB转变成GNB,即CB细化了。4.4.3形变过程的微观应变协调及微观组织的变化高层错能金属变形机制主要是滑移位错缠结胞状结构胞壁高密度位错缠结;胞内低密度位错胞状结构原因:位错群集降低能量。LED滑移系开动的数目为3-5个稠密位错墙DDW显微带MB几何必须边界GNB“碎化”胞块(胞壁)伴生位错边界IDB纯镍经20%形变量冷轧的显微组织所以,GNB和IDB两侧的取向差都随应变量加大而增大,而它们间的间距都随应变量加大而减小,但GNB两侧的取向差增加量和间距的减小量比较大,而IDB两侧的取向差增加量和间距
21、的减小量比较小,如图所示。 MBDDW的取向可以是晶体学的(即平行于滑移面)和非晶体学的。根据晶粒原始取向不同导致开动的滑移系数目不同,使得MBDDW的取向不同。如果开动的滑移系属于一个或两个滑移面,则MBDDW倾向于平行于滑移面111),即它的取向是晶体学的;如果开动的滑移系属于3个和4个滑移面,则MBDDW是非晶体学的。在中等应变量时,局部切变使已存在的显微带受干扰形成S形状的结构。这些局部切变区域称S带(S-Band),有些形变带又称切变带(Shear Band)。经50轧制形变的铝的纵截面看到的S带,图中的点线表示MB是如何被S带切动产生局部倾斜的,箭头以及标出的S字处表示S带,S带的
22、切平面大体平行于(111)面,即与(111)面夹角不超过5。 在较大应变量时,S带内继续切动形成长的层状位错边界(Lamellar Boundary),在原来一些S带之间形成新的S带,密集的层状位错边界构成大体与轧制方向平行的层状结构(Lamellar Structure),其中的胞块(CB)长而窄,每个胞块的横向只含1个普通位错胞结构,长的层状边界的平均间距约为0.5-1mm。层状边界团集形成长的层带(Lamellar Band,简称LB),层带的宽度约为110mm。60%轧制铝板纵截面组织及周围的组织结构示意图MB/DDW与S带的交互作用,说明如何从S带产生层带(LB) S带是层带(LB)
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