材料的塑性变形课件.ppt
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- 材料 塑性变形 课件
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1、1第一部分:材料的力学性能第一部分:材料的力学性能23第二章:材料的塑性变形第二章:材料的塑性变形u主要内容:主要内容:一一.概述;概述;二二.对塑性变形的认识过程;对塑性变形的认识过程;三三.塑性变形的本质;塑性变形的本质;四四.多晶体的塑性变形。多晶体的塑性变形。Plastic deformation of materials42.1 概述概述 1.定义定义 塑性变形塑性变形在外力除去后在外力除去后不能恢复的变形不能恢复的变形叫塑性叫塑性变形,有一部分变形,有一部分残余形变残余形变。即。即使固体产生变形的力,在使固体产生变形的力,在超过该固体的屈服应力后,出现能使该固体长期保持其超过该固体
2、的屈服应力后,出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸,即变形后的形状或尺寸,即非可逆性能非可逆性能。屈服应力屈服应力当外力超过物体当外力超过物体弹性极限弹性极限,达到某一,达到某一点后,在外力几乎不增加的情况下,变形骤然加快,此点后,在外力几乎不增加的情况下,变形骤然加快,此点为屈服点,达到屈服点的应力。点为屈服点,达到屈服点的应力。52.度量塑性的指标度量塑性的指标%10000LLL00100%AAA工程上:工程上:%5(脆性材料)(脆性材料)%5(塑性(塑性/韧性材料)韧性材料)延伸率:断面收缩率:2.1 概述概述 63.影响因素影响因素 温度;温度;(MgO高温下表现一定的塑性)。高
3、温下表现一定的塑性)。加载方式加载方式;(拉应力、压应力);(拉应力、压应力)铸铁施加压力表铸铁施加压力表现为塑性变形;受拉伸应力表现为脆性变形。现为塑性变形;受拉伸应力表现为脆性变形。加载速度加载速度。(冲击荷载、准静荷载)。(冲击荷载、准静荷载)加载速度越加载速度越小,塑性变形可以充分表现;加载速度越大,应力来不及小,塑性变形可以充分表现;加载速度越大,应力来不及均匀变化,表现为脆性变形。均匀变化,表现为脆性变形。2.1 概述概述 72.2 理想晶体的强度理想晶体的强度 理想晶体理想晶体空间点阵每一个格点都被原子占有和原子空间点阵每一个格点都被原子占有和原子平面的规整排列未被破坏而构成的晶
4、体,即平面的规整排列未被破坏而构成的晶体,即完全符合格子构完全符合格子构造规律的晶体。造规律的晶体。理想晶体的化学和物理性质理想晶体的化学和物理性质取决于取决于原子的结构和原原子的结构和原子间的结合性质。子间的结合性质。理想晶体的塑性变形理想晶体的塑性变形是由晶体沿着晶面的整体滑移是由晶体沿着晶面的整体滑移而引起的,塑性变形的出现意味着而引起的,塑性变形的出现意味着晶体屈服。晶体屈服。82.2 理想晶体的强度理想晶体的强度两列原子间的力有两种:两列原子间的力有两种:(1)每层中原子之间的相互作)每层中原子之间的相互作用力,该力与两层原子相对位移不相用力,该力与两层原子相对位移不相干;干;(2)
5、上、下两层原子之间的相)上、下两层原子之间的相互作用力,该力与两层原子相对位移互作用力,该力与两层原子相对位移有关,是周期性变化的力。有关,是周期性变化的力。完整晶体原子排列位置完整晶体原子排列位置92.2 理想晶体的强度理想晶体的强度上、下半晶体相对移动上、下半晶体相对移动 假定在晶体特定的晶面及结晶向上施加切应力假定在晶体特定的晶面及结晶向上施加切应力,引起晶,引起晶体上半部分相对于下半部分沿两层原子间体上半部分相对于下半部分沿两层原子间MN面上移动,如图面上移动,如图所示。在切应力作用下,势必引起所示。在切应力作用下,势必引起MN面上原子同时移动,同面上原子同时移动,同时切断时切断MN面
6、上所有的原子键,此过程为晶体的整体滑移。面上所有的原子键,此过程为晶体的整体滑移。102.2 理想晶体的强度理想晶体的强度原子位移位置原子位移位置a.E-x变化曲线;变化曲线;b.-x变化曲线变化曲线 P和和R位置上的原子处于晶体点阵的平衡位置,势能最低,该位置上的原子处于晶体点阵的平衡位置,势能最低,该位置上的原子处于平衡位置;而位置上的原子处于平衡位置;而P和和R之间中央之间中央Q位置,势能最高位置,势能最高,Q位置上的原子处于亚稳定状态,势能的变化取决于原子键的位置上的原子处于亚稳定状态,势能的变化取决于原子键的性质。因此,势能随位移变化曲线的真实形状很难确定。性质。因此,势能随位移变化
7、曲线的真实形状很难确定。112.2 理想晶体的强度理想晶体的强度a.E-x变化曲线;变化曲线;b.-x变化曲线变化曲线 为了便于分析,假定为了便于分析,假定势能随原子位移变化为正势能随原子位移变化为正弦波曲线。移动原子所需弦波曲线。移动原子所需的作用力的作用力F的变化可由势的变化可由势能能-位移曲线(位移曲线(E-x)的斜)的斜率确定。率确定。122.2 理想晶体的强度理想晶体的强度m=2x=sinbFA 晶体滑移所需的切应力为:作用在晶体上的切应力与原子位移之间的系关:a.E-x变化曲线;变化曲线;b.-x变化曲线变化曲线 m完整晶体屈服强度,晶完整晶体屈服强度,晶体受到的切应力超过体受到的
8、切应力超过m后产生永久后产生永久变形,即为晶体的塑性变形。变形,即为晶体的塑性变形。13mmm-2=bxx=ab2a2x/x,abGGGG在原子位移很小的情况下,曲线的斜率为故根据胡克定律:故得对于晶体来说,故上式可写为:2.2 理想晶体的强度理想晶体的强度142.2 理想晶体的强度理想晶体的强度为什么完整晶体理论屈服强度和实验测定的屈服强度差异为什么完整晶体理论屈服强度和实验测定的屈服强度差异大?大?原因:原因:近似为弹性变形,利用胡克定律;近似为弹性变形,利用胡克定律;剪切力与原子间距离并非符合正弦变化;剪切力与原子间距离并非符合正弦变化;推导过程中针对的是理想晶体,而实际晶体存在缺陷。推
9、导过程中针对的是理想晶体,而实际晶体存在缺陷。mm-10 5030GGG修或正:。152.3.1 位错的基本概念(位错的基本概念(dislocation)(1)定义:定义:线状缺陷。线状缺陷。2.3 晶格缺陷晶格缺陷位错位错 实际晶体在结晶时,受到实际晶体在结晶时,受到杂质杂质、温度变化温度变化或或振动振动产产生的应力作用或晶体由于受到生的应力作用或晶体由于受到打击打击、切割切割等机械应力作等机械应力作用,使晶体内部原子排列变形,原子行列间相互滑移,用,使晶体内部原子排列变形,原子行列间相互滑移,不再符合理想晶体的有序排列,形成不再符合理想晶体的有序排列,形成线状缺陷线状缺陷,即为位,即为位错
10、。错。162.3.1 位错的基本概念(位错的基本概念(dislocation)(1)定义:定义:线状缺陷。线状缺陷。塑性变形理论塑性变形理论滑移模型,滑移模型,1920线缺陷(位错)模型线缺陷(位错)模型,1934建立位错理论建立位错理论,1956171934年年 Taylor、Polanyi、Orowan三人几乎同三人几乎同时时提出提出晶体中晶体中位错位错的的模型模型。滑移过程并非是原子面之间整体发生相对位移,而是一部滑移过程并非是原子面之间整体发生相对位移,而是一部分先发生位移,然后推动晶体中另一部分滑移,循序渐进。分先发生位移,然后推动晶体中另一部分滑移,循序渐进。2.3.1 位错的基本
11、概念(位错的基本概念(dislocation)182.3.1 位错的基本概念(位错的基本概念(dislocation)(2)位错的类型)位错的类型2.3 晶格缺陷晶格缺陷位错位错基本类型基本类型刃位错(刃位错(edge dislocation),),l螺位错(螺位错(screw dislocation),),l混合位错混合位错brbr192.3.1 位错的基本概念(位错的基本概念(dislocation)(2)位错的类型)位错的类型a.刃位错刃位错刃位错的产生刃位错的产生半原子面半原子面(EFGH)位错线位错线EF刃位错示意图刃位错示意图 202.3.1 位错的基本概念(位错的基本概念(dis
12、location)(2)位错的类型)位错的类型a.刃位错刃位错刃位错的产生刃位错的产生212.3.1 位错的基本概念(位错的基本概念(dislocation)(2)位错的类型)位错的类型a.刃位错刃位错几何特征几何特征 位错线与原子滑移方向(即伯氏矢量位错线与原子滑移方向(即伯氏矢量b)相)相垂直垂直;滑移面滑移面上部位错线周围原子受压应力作用上部位错线周围原子受压应力作用,原子,原子间距间距小于正常晶格间距小于正常晶格间距;滑移面滑移面下部位错线周围原子受张应力作用下部位错线周围原子受张应力作用,原子,原子间距间距大于正常晶格间距大于正常晶格间距。22正刃位错正刃位错负刃位错负刃位错2.3.
13、1 位错的基本概念(位错的基本概念(dislocation)(2)位错的类型)位错的类型a.刃位错刃位错表示符号表示符号 如果半个原子面在滑移面上方,称为如果半个原子面在滑移面上方,称为正刃位错,以符正刃位错,以符号号“”表示表示;反之称为;反之称为负刃位错,以符号负刃位错,以符号“”表示表示。符号中水平线代表滑移面,垂直线代表半个原子面。符号中水平线代表滑移面,垂直线代表半个原子面。23(2)位错的类型)位错的类型b.螺位错螺位错螺位错的产生螺位错的产生242.3.1 位错的基本概念(位错的基本概念(dislocation)(2)位错的类型)位错的类型b.螺位错螺位错螺位错的产生螺位错的产生
14、位位错错线线EF螺位错形成示意图螺位错形成示意图 a)与螺位错垂直的晶面的形状)与螺位错垂直的晶面的形状(b)螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况)螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况252.3.1 位错的基本概念(位错的基本概念(dislocation)(2)位错的类型)位错的类型b.螺位错螺位错螺位错的产生螺位错的产生26(2)位错的类型)位错的类型b.螺位错螺位错螺位错的产生螺位错的产生螺形位错螺形位错示意图示意图BC线两侧的上下两层原子都偏离线两侧的上下两层原子都偏离了平衡位置,围绕着了平衡位置,围绕着BC连成了一连成了一个螺旋线个螺旋线.27位错线与原子滑移方向位错线与原子滑移方向平
15、行平行;位错线周围原子的配置位错线周围原子的配置是螺旋状的是螺旋状的,即形成螺位错,即形成螺位错后,原来与位错线垂直的晶后,原来与位错线垂直的晶面,变为以位错线为中心轴面,变为以位错线为中心轴的螺旋面。的螺旋面。(2)位错的类型)位错的类型b.螺位错螺位错几何特征几何特征28 如果在外力如果在外力作用下,两部分之间发生相对滑移,作用下,两部分之间发生相对滑移,在晶体内部已滑移部分和未滑移部分的交线在晶体内部已滑移部分和未滑移部分的交线既不垂直也既不垂直也不平行于滑移方向不平行于滑移方向(伯氏矢量(伯氏矢量b),这样的位错称为混),这样的位错称为混合位错。如下图所示。位错线上任一点,经矢量分解后
16、,合位错。如下图所示。位错线上任一点,经矢量分解后,可分解为刃位错与螺位错分量。可分解为刃位错与螺位错分量。2.3.1 位错的基本概念(位错的基本概念(dislocation)(2)位错的类型)位错的类型c.混合位错混合位错29混合位错的形成混合位错的形成2.3.1 位错的基本概念(位错的基本概念(dislocation)(2)位错的类型)位错的类型c.混合位错混合位错30位错线在几何上的两个特征:位错线在几何上的两个特征:位错线的方向位错线的方向,它表明给定点上位错线的取向,由,它表明给定点上位错线的取向,由人们的观察方位来决定,是人为规定的;人们的观察方位来决定,是人为规定的;位错线的伯格
17、斯矢量位错线的伯格斯矢量b,它表明晶体中有位错存在时,它表明晶体中有位错存在时,滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对滑移或畸变,滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对滑移或畸变,由伯格斯于由伯格斯于1939年首先提出,故称为年首先提出,故称为伯格斯矢量伯格斯矢量,简称,简称为为伯氏矢量伯氏矢量。(1)柏氏矢量的确定)柏氏矢量的确定2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路柏氏矢量与柏氏回路31(1)柏氏矢量的确定)柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定(a)实际晶体的柏氏回路;实际晶体的柏氏回路;(b)完整晶体相应回路完整晶体相应回路2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路柏氏矢量与柏氏回路32螺
18、型位错柏氏矢量的确定螺型位错柏氏矢量的确定(a)实际晶体的柏氏回路;实际晶体的柏氏回路;(b)完整晶体相应回路完整晶体相应回路(1)柏氏矢量的确定)柏氏矢量的确定2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路柏氏矢量与柏氏回路332.3.2 柏氏矢量与柏氏回路柏氏矢量与柏氏回路(2)柏氏矢量的性质与表示方法)柏氏矢量的性质与表示方法柏氏矢量具有守恒性,具体表现在如下:柏氏矢量具有守恒性,具体表现在如下:柏氏矢量与柏氏回路的起点、形状、大小和位置无关柏氏矢量与柏氏回路的起点、形状、大小和位置无关。只要回路不与其他位错线或原位错线相遇,则回路所包只要回路不与其他位错线或原位错线相遇,则回路所包含的晶格畸变总量不会
19、改变;含的晶格畸变总量不会改变;一条位错线具有唯一的柏氏矢量一条位错线具有唯一的柏氏矢量,即位错线各部分的,即位错线各部分的柏氏矢量均相同;柏氏矢量均相同;若几条位错线汇交于一点时,则指向节点的各位错的若几条位错线汇交于一点时,则指向节点的各位错的柏氏矢量之和等于离开结点的各位错柏氏矢量之和。柏氏矢量之和等于离开结点的各位错柏氏矢量之和。34(1)位错滑移)位错滑移 位错的滑移面位错的滑移面由位错线与其柏格斯矢量组成的晶面。由位错线与其柏格斯矢量组成的晶面。滑移运动滑移运动位错沿滑移面的移动。位错沿滑移面的移动。当位错在切应力作用下沿滑移面滑过整个滑移面时,就会使当位错在切应力作用下沿滑移面滑
20、过整个滑移面时,就会使晶体表面产生晶体表面产生一个原子间距的滑移台阶一个原子间距的滑移台阶。2.3.3 位错运动理论位错运动理论 晶体滑移的三种情况晶体滑移的三种情况刃型位错的滑移刃型位错的滑移螺型位错的滑移螺型位错的滑移混合位错的滑移混合位错的滑移 位错运动的难易位错运动的难易将直接影响材料的将直接影响材料的塑性变形塑性变形和和强度强度。位错运动的两种基本形式:位错运动的两种基本形式:滑移滑移和和攀移攀移。35(1)位错滑移)位错滑移2.3.3 位错运动理论位错运动理论 位错滑移导致晶体滑移的示意图位错滑移导致晶体滑移的示意图36类类 型型柏氏向量柏氏向量位错线位错线运动方向运动方向晶体晶体
21、滑移方向滑移方向切应力切应力方向方向滑移面滑移面个数个数刃刃位错线位错线位错线本身位错线本身与与b一致一致与与b一致一致唯一唯一螺螺位错线位错线位错线本身位错线本身与与b一致一致与与b一致一致多个多个混合混合与位错线与位错线成一定角度成一定角度位错线本身位错线本身与与b一致一致与与b一致一致 刃位错只有唯一的一个滑移面;对于螺位错,凡通过刃位错只有唯一的一个滑移面;对于螺位错,凡通过位错线的晶面,都是滑移面,有无数个。位错线的晶面,都是滑移面,有无数个。2.3.3 位错运动理论位错运动理论(1)位错滑移)位错滑移372.3.3 位错运动理论位错运动理论(2)位错的攀移)位错的攀移 位错除滑移外
22、,还可以产生攀移,由于热运动,原子位错除滑移外,还可以产生攀移,由于热运动,原子之间扩散,空位扩散到位错处,使位错上移,杂质离子扩之间扩散,空位扩散到位错处,使位错上移,杂质离子扩散到位错处,使位错下移。散到位错处,使位错下移。刃型位错的攀移运动模型刃型位错的攀移运动模型(a)未攀移的位错;未攀移的位错;(b)空位运动形成的正攀移;空位运动形成的正攀移;(c)间隙原子扩散引起的负攀移间隙原子扩散引起的负攀移382.3.3 位错运动理论位错运动理论(2)位错的攀移)位错的攀移 刃型位错攀移的实质刃型位错攀移的实质多余半原子面通过空位或多余半原子面通过空位或原子的扩散而扩大或缩小。原子的扩散而扩大
23、或缩小。正攀移正攀移当多余原子面缩小,位错线向上攀移。当多余原子面缩小,位错线向上攀移。负攀移负攀移当多余半原子面扩大,位错线向下攀移。当多余半原子面扩大,位错线向下攀移。注意注意由于攀移需要通过由于攀移需要通过原子扩散原子扩散才能实现,故才能实现,故位错的攀移比滑移困难的多位错的攀移比滑移困难的多,主要发生在,主要发生在高温高温或或应力应力条条件下。件下。压应力压应力正攀移;正攀移;拉应力拉应力负攀移。负攀移。392.3.3 位错运动理论位错运动理论(3)位错运动理论)位错运动理论当位错穿过晶体时,其中间所取的位置当位错穿过晶体时,其中间所取的位置40完整晶体中原子排列及其势能曲线完整晶体中
24、原子排列及其势能曲线2.3.3 位错运动理论位错运动理论(3)位错运动理论)位错运动理论 根据平衡理论,完整根据平衡理论,完整晶体中的每个原子处于势能晶体中的每个原子处于势能最低位置。原子的热运动使最低位置。原子的热运动使得原子在它势能最低位置附得原子在它势能最低位置附近运动。原子能越过势垒落近运动。原子能越过势垒落到临近的位置上去的机会是到临近的位置上去的机会是很小的。很小的。2=-cosbEA41晶体中存在缺陷的原子排列及其势能变化曲线晶体中存在缺陷的原子排列及其势能变化曲线2.3.3 位错运动理论位错运动理论(3)位错运动理论)位错运动理论42切应力作用下含缺陷晶体中原子排列及势能变化曲
25、线切应力作用下含缺陷晶体中原子排列及势能变化曲线2.3.3 位错运动理论位错运动理论(3)位错运动理论)位错运动理论432.3.3 位错运动理论位错运动理论(3)位错运动理论)位错运动理论完整晶体的势能曲线完整晶体的势能曲线有位错时,晶体的势能曲线有位错时,晶体的势能曲线加剪应力后的势能曲线加剪应力后的势能曲线 hh H()滑移面滑移面44有位错时,越过能量势垒有位错时,越过能量势垒 h;正常原子滑移需越过势垒正常原子滑移需越过势垒 h;位错运动的激活能位错运动的激活能H(),与剪切应力有关,与剪切应力有关,剪应力剪应力 大,大,H()小;小;小,小,H()大。大。H()h h当当0,H()最
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