文档介绍：第五章材料的变形 Material Deformation
大多数工件在工作或加工过程中都要承受外力或负载的作用。在外力作用下,材料会产生弹性变形,塑性变形,甚至断裂。一般来说,金属材料具有良好的强度和塑性,但耐腐蚀性较差;高分子材料具有重量轻、抗腐蚀等优点,但它们强度不高,还会发生老化现象;陶瓷材料有很高的硬度,高的耐磨性和抗腐蚀性,但脆性大不易加工成形。
在力学性能上,不同的材料有不同的优势和劣势,在使用和加工过程中只有充分了解其变形的特点和机理,才能有效利用其优点,改善其不足。
第一节金属的变形 Metal Deformation
一、单晶体的塑性变形
滑移
将一个表面抛光的单晶体金属试样经适当的塑性变形后,在金相显微镜下可以观察到,在抛光的表面上有许多平行的细线,称为滑移带。
滑移带
滑移线
滑移带形成的示意图
滑移系
在塑性变形中,单晶体表面的滑移线并不是任意排列的,它们彼此之间或者相互平行,或者互成一定角度,表明金属中的滑移只能沿一定的晶面和一定的晶向进行,这些晶向和晶面称为金属的滑移方向和滑移面。
一般而言,一个滑移系由一个密排面和该面上的一个密排方向组成。
如,Fcc滑移系由{111}晶面族与该面上的<110>晶向族组成。
Bcc滑移系由{110}晶面族与该面上的<111>晶向族组成。
(111)
[110]
[011]
[101]
(110)
[111]
[111]
滑移的临界分切应力
在金属晶体受外力作用时,不论外力的大小、方向与作用方向如何,都可以将其分解为垂直与某一滑移面的正应力与沿此晶面的切应力。而滑移是在切应力作用下发生的,只有在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时,滑移才能发生。
公式:
τ0 =σscosλcosφ
晶体在滑移时的转动
晶体的塑性变形是由于滑移面沿着滑移方向运动产生的,在滑移的同时,晶体也会发生转变,从而使晶体的空间取向发生了变化。如果晶体受拉伸产生滑移时,如果两端不受限制,在滑移过程中,为使滑移面和滑移方向保持不变,晶体轴线就会发生偏移。但是,拉伸时,在夹头的作用下,晶体轴线不能自由偏斜,这就迫使滑移面发生转动,使位向发生了改变。
F
F
F
F
滑移方向S
滑移方向S
多滑移与交滑移
由于金属晶体在滑移时会转动,晶体的取向将发生改变,这就会使起始滑移时取向最有利的滑移系逐渐转到不太有利的取向,而原来取向不太有利的滑移系则逐渐转向比较有利的取向,因此滑移可能会在两个或多个滑移系中同时或交替地进行,这种滑移称为多滑移。发生多滑移时会出现的滑移带呈交叉状。
在晶体中,两个或两个以上滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移,这种现象称为交滑移。交滑移的滑移带呈波纹或曲折状。交滑移是在沿着某个晶面滑移受阻时产生的。沿新滑移面进行滑移再次受阻时,又会重新更换滑移面,沿着与初始滑移面平行的平面滑移。只有纯螺型位错才能产生交滑移,因为其柏氏矢量与位错线平行,滑移面不受限制。交滑移对晶体的塑性变形也有很大贡献。
孪生
在金属的塑性变形中,另一种较常见的形变方式为孪生,它常作为滑移不易进行时的补充。一些具有密排六方结构的金属,如镉、锌、镁、铍等,塑性变形常常部分的以孪生的方式进行;而铋、锑金属的塑性变形几乎完全以孪生的方式进行。对于有体心立方及面心立方结构的金属,当变形温度很低,形变速度极快,或由于其它原因使滑移过程难以进行时,也会通过孪生的方式进行塑性变形。孪生就是在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面与晶向产生的一种均匀切变过程。在孪生变形中,已发生均匀切变的那部分晶体称为孪晶;均匀切变区与未切变区的分界面称为孪晶界;发生均匀切变的那个晶面称为孪生面;孪生面切动的方向则为孪生方向。
孪生面孪生方向
(111) [112]
孪生区域
A C E G
A′ C′
E′
B
D
F
H
面心立方晶体(110)晶面的孪生变形过程示意图
和滑移相比,孪生有具如下特点:
(1)一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切变,切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍。
(2)孪晶面两边晶体的位向不同,呈镜面对称形式。
(3)由于孪生改变了晶体的取向,因此孪晶经抛光和浸蚀后仍不能去除。
(4)孪晶变形是一种均匀的切变,即在切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其相邻的晶面沿孪生方向产生了一定位移。
(5)孪生比滑移的临界分切应力高得多,因此孪生常萌发于滑移受阻引起的局部应力集中区。
同时,孪生对塑性变形的直接贡献比滑移小得多,但孪生改变了晶体位向,使原来取向不利于滑动的滑移系逐渐转到有利的取向而产生滑移,这种机制对密排六方金属的变形非常重要。
滑移的位错机制
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