1、1/312022-5-21第五章第五章 材料的變形和再結(jié)晶材料的變形和再結(jié)晶 2/312022-5-221.1.材料應(yīng)力材料應(yīng)力- -應(yīng)變曲線及曲線上所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)。應(yīng)變曲線及曲線上所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)。2.2.材料的彈性和黏彈性。材料的彈性和黏彈性。3.3.晶體的塑性變形晶體的塑性變形( (單晶體、多晶體、合金的塑性變形單晶體、多晶體、合金的塑性變形及塑性變形對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)和性能的影響及塑性變形對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)和性能的影響) )。4.4.冷變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶。冷變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶。5.5.熱變形及動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶。熱變形及動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶。3/312022-5-23 1、認(rèn)識(shí)材料應(yīng)力、認(rèn)

2、識(shí)材料應(yīng)力應(yīng)變曲線及曲線上所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)。應(yīng)變曲線及曲線上所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)。 2、塑性變形的概念和方式、塑性變形的概念和方式滑移、孿生。孿晶；滑移帶、滑移、孿生。孿晶；滑移帶、滑移線、滑移系、滑移面、滑移方向、多滑移與交滑移、軟位滑移線、滑移系、滑移面、滑移方向、多滑移與交滑移、軟位向，硬位向，臨界分切應(yīng)力、取向因子、向，硬位向，臨界分切應(yīng)力、取向因子、PN力；孿晶面、孿力；孿晶面、孿生方向、變形孿晶、生長孿晶、退火孿晶；扭折?；坪蛯\生生方向、變形孿晶、生長孿晶、退火孿晶；扭折。滑移和孿生的主要特點(diǎn)及區(qū)別，滑移系和臨界分切應(yīng)力的公式。的主要特點(diǎn)及區(qū)別，滑移系和臨界分切應(yīng)力的公式。 3、纖維

3、組織與帶狀組織、形變織構(gòu)、板織構(gòu)、絲織構(gòu)、胞、纖維組織與帶狀組織、形變織構(gòu)、板織構(gòu)、絲織構(gòu)、胞狀亞結(jié)構(gòu)、宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)力狀亞結(jié)構(gòu)、宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)力4/312022-5-24 4、位錯(cuò)理論在解釋各類塑性變形等問題的應(yīng)用。如：、位錯(cuò)理論在解釋各類塑性變形等問題的應(yīng)用。如： (1)為何理論臨界應(yīng)力為何理論臨界應(yīng)力實(shí)際測(cè)量的值。實(shí)際測(cè)量的值。 (2)固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、彌散強(qiáng)固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、形變強(qiáng)化化、形變強(qiáng)化(加工硬化加工硬化)及各種強(qiáng)化的強(qiáng)化機(jī)理。及各種強(qiáng)化的強(qiáng)化機(jī)理。 (3)晶體的滑移過程。晶體的滑

4、移過程。 (4)屈服現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，對(duì)生產(chǎn)的影響，如何消除？屈服現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，對(duì)生產(chǎn)的影響，如何消除？ (5)多晶體的塑性變形特點(diǎn)；多晶體的塑性變形特點(diǎn)；Controll氣團(tuán)、聚合型兩相合氣團(tuán)、聚合型兩相合金、彌散型兩相合金；金、彌散型兩相合金； (6)材料塑性變形時(shí)內(nèi)部組織和性能的變化？材料塑性變形時(shí)內(nèi)部組織和性能的變化？ 5/312022-5-25 5、回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大和二次再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力；再結(jié)、回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大和二次再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力；再結(jié)晶溫度及影響因素；回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大的動(dòng)力學(xué)公式晶溫度及影響因素；回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大的動(dòng)力學(xué)公式及應(yīng)用?；貜?fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程中

5、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。及應(yīng)用?；貜?fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。晶粒正常長大、異常長大、多邊化；晶粒正常長大、異常長大、多邊化； 6、結(jié)合熱處理，去應(yīng)力退火與再結(jié)晶退火工藝的應(yīng)用。、結(jié)合熱處理，去應(yīng)力退火與再結(jié)晶退火工藝的應(yīng)用。 7、冷加工、熱加工，臨界變形度；靜態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)回復(fù)、冷加工、熱加工，臨界變形度；靜態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。冷、熱加工處理后對(duì)材料組織和靜態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。冷、熱加工處理后對(duì)材料組織和性能的影響；蠕變和超塑性的概念。性能的影響；蠕變和超塑性的概念。 8、重結(jié)晶、結(jié)晶、再結(jié)晶、二次再結(jié)晶的區(qū)別。、重結(jié)晶、結(jié)晶、再結(jié)晶、二次再結(jié)晶的區(qū)別。 9細(xì)化金

6、屬晶粒的方法。細(xì)化金屬晶粒的方法。6/312022-5-26 材料的各種強(qiáng)化及其本質(zhì)；材料的各種強(qiáng)化及其本質(zhì)； 細(xì)化晶粒可以同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性；細(xì)化晶?？梢酝瑫r(shí)提高強(qiáng)度和韌性；Hall-Ptech公式。細(xì)化公式。細(xì)化金屬材料晶粒的方法；金屬材料晶粒的方法； 材料塑性變形時(shí)內(nèi)部組織和性能的變化；材料塑性變形時(shí)內(nèi)部組織和性能的變化； 冷變形金屬或合金加熱時(shí)組織和性能的變化；冷變形金屬或合金加熱時(shí)組織和性能的變化； 再結(jié)晶的有關(guān)問題。再結(jié)晶的有關(guān)問題。： 滑移起始塑性流變和加工硬化孿生和扭折多晶體形滑移起始塑性流變和加工硬化孿生和扭折多晶體形變織構(gòu)等。變織構(gòu)等。 塑性形變金屬加熱時(shí)回復(fù)再結(jié)晶晶粒長大

7、。塑性形變金屬加熱時(shí)回復(fù)再結(jié)晶晶粒長大。7/312022-5-27： 材料的力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)敏感的材料的力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)敏感的，它和材料的組織和結(jié)構(gòu)有，它和材料的組織和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，如晶體缺陷密度。密切關(guān)系，如晶體缺陷密度。 材料的強(qiáng)度和塑性是兩個(gè)重要的力學(xué)性能材料的強(qiáng)度和塑性是兩個(gè)重要的力學(xué)性能，它決定了零構(gòu)，它決定了零構(gòu)件的加工成形的工藝性能，同時(shí)又是零構(gòu)件的重要使用性能。件的加工成形的工藝性能，同時(shí)又是零構(gòu)件的重要使用性能。 塑性形變的主要機(jī)制是滑移塑性形變的主要機(jī)制是滑移，滑移的臨界分切應(yīng)力可作為，滑移的臨界分切應(yīng)力可作為起始塑性形變切應(yīng)力的估計(jì)，它取決于位錯(cuò)源開動(dòng)所需的力以起始塑性形變

8、切應(yīng)力的估計(jì)，它取決于位錯(cuò)源開動(dòng)所需的力以及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需克服的及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需克服的P-N力等阻力。起始塑性形變所需要的力等阻力。起始塑性形變所需要的切應(yīng)力越高，晶體材料的屈服強(qiáng)度越高。切應(yīng)力越高，晶體材料的屈服強(qiáng)度越高。 研究研究材料在塑性變形中的行為特點(diǎn)材料在塑性變形中的行為特點(diǎn)，分析其變形機(jī)理以及，分析其變形機(jī)理以及影響因素具有十分重要的理論和實(shí)際意義。影響因素具有十分重要的理論和實(shí)際意義。 8/312022-5-28納米銅的室溫超塑性納米銅的室溫超塑性9/312022-5-29 材料在外力作用下，當(dāng)外力較小時(shí)將發(fā)生材料在外力作用下，當(dāng)外力較小時(shí)將發(fā)生彈性變形彈性變形，隨著，隨著外力的逐步

9、增大，進(jìn)而會(huì)發(fā)生外力的逐步增大，進(jìn)而會(huì)發(fā)生永久永久(塑性塑性)變形變形，直至最終，直至最終斷裂斷裂。在這個(gè)過程中，不僅其形狀或尺寸發(fā)生了變化，其內(nèi)部組織以在這個(gè)過程中，不僅其形狀或尺寸發(fā)生了變化，其內(nèi)部組織以及相關(guān)的性能也都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。及相關(guān)的性能也都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。彈性變形與塑性變形10/312022-5-210 金屬的應(yīng)力金屬的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線(F0(F0不變不變) () (拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)) ) 金屬在外力作用下一般經(jīng)金屬在外力作用下一般經(jīng)歷歷彈性變形彈性變形(elastic (elastic deformation)deformation)、塑性變形塑性變形(plasti

10、c deformation)(plastic deformation)和斷和斷裂裂(fracture)(fracture)三個(gè)階段。三個(gè)階段。11/312022-5-211 工程應(yīng)力工程應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變(-)曲線曲線： = P/A0 = (LL0)/ L0 P-為載荷為載荷 A0-原始試樣的截面積原始試樣的截面積 L、L0-變形后和變形前試樣變形后和變形前試樣的長度的長度 低碳鋼低碳鋼-曲線曲線12/312022-5-212 該階段符合虎克定律該階段符合虎克定律 = E或或 = G E、G為為彈性模量彈性模量(modulus of elasticity)：表示金屬材料抵抗表示金屬材料抵抗彈性變形

11、的能力。為彈性變形的能力。為-曲線上曲線上斜率斜率 e：材料彈性極限，是材料保材料彈性極限，是材料保持彈性的最大應(yīng)力。單位：持彈性的最大應(yīng)力。單位：MPa13/312022-5-213 s：材料屈服極限，是開始發(fā)生材料屈服極限，是開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力。塑性變形的最小應(yīng)力。 0.2:材料材料屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度(yield strength)，表示以材料產(chǎn)生表示以材料產(chǎn)生0.2%殘余變形的殘余變形的應(yīng)力值為其屈服極限，又稱應(yīng)力值為其屈服極限，又稱條件條件屈服極限屈服極限。主要用于無明顯屈服。主要用于無明顯屈服的材料的屈服點(diǎn)。的材料的屈服點(diǎn)。 s、0.2表示材料對(duì)開始微量塑性表示材料對(duì)開始微量塑

12、性變形的抗力。變形的抗力。14/312022-5-214 、 b：抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度， 表表示材料最大均勻塑性示材料最大均勻塑性變形的抗力。變形的抗力。15/312022-5-215 b試樣開始發(fā)生不均試樣開始發(fā)生不均勻塑性變形并形成縮頸勻塑性變形并形成縮頸 k：條件斷裂強(qiáng)度條件斷裂強(qiáng)度。表。表示材料對(duì)塑性變形的極限示材料對(duì)塑性變形的極限抗力?？沽?。 塑性斷裂塑性斷裂:產(chǎn)生一定量塑產(chǎn)生一定量塑性變形后的斷裂。性變形后的斷裂。 16/312022-5-2161.屈強(qiáng)度屈強(qiáng)度(yield strength) s：材料屈服極限，是開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力。材料屈服極限，是開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力。

13、 0.2:材料材料屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度(yield strength)，表示以材料產(chǎn)生，表示以材料產(chǎn)生0.2%殘余殘余變形的應(yīng)力值為其屈服極限，又稱條件屈服極限。主要用變形的應(yīng)力值為其屈服極限，又稱條件屈服極限。主要用于無明顯屈服的材料的屈服點(diǎn)。于無明顯屈服的材料的屈服點(diǎn)。 s、0.2表示材料對(duì)開始微量塑性變形表示材料對(duì)開始微量塑性變形的抗力。的抗力。2.抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b：表示材料最大均勻塑性表示材料最大均勻塑性變形的抗力變形的抗力;3.斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度k ：表示材料對(duì)塑性變形的表示材料對(duì)塑性變形的極限抗力。極限抗力。17/312022-5-217塑性指標(biāo)塑性指標(biāo) 伸長率伸長率，表示均勻變形的能

14、力，與加工硬化率，表示均勻變形的能力，與加工硬化率n有關(guān)。有關(guān)。 =(LkLo)/ Lo100% 斷面收縮率斷面收縮率，表示局部變形的能力，與缺口敏感性，表示局部變形的能力，與缺口敏感性(度度)有關(guān)。有關(guān)。 =(FoFk)/ Fo100% 、為塑性指標(biāo)為塑性指標(biāo)塑性的實(shí)際意義塑性的實(shí)際意義 金屬材料的塑性指標(biāo)是安全力學(xué)性能指標(biāo)；金屬材料的塑性指標(biāo)是安全力學(xué)性能指標(biāo)； f 材料均勻變形的能力。材料均勻變形的能力。f 局部變形的能力。局部變形的能力。 塑性對(duì)壓力加工是很有意義的。加工硬化塑性對(duì)壓力加工是很有意義的。加工硬化 塑性大小反映冶金質(zhì)量的好壞，評(píng)定材料質(zhì)量。塑性大小反映冶金質(zhì)量的好壞，評(píng)定

15、材料質(zhì)量。18/312022-5-218 真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變(s-e)曲線曲線 真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力 S=P/F P-瞬時(shí)載荷，瞬時(shí)載荷，F(xiàn)-瞬時(shí)截面積瞬時(shí)截面積 真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變 de=dl/l dl-瞬時(shí)伸長量，瞬時(shí)伸長量，L-瞬時(shí)長度瞬時(shí)長度 總的總的e e = de = ln(l/lo)= ln(1) 通常把均勻塑性變形的通常把均勻塑性變形的真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變(s-e)曲線稱為流變曲線，可曲線稱為流變曲線，可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)：以用以下經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)： S = Ke 19/312022-5-219 下圖為下圖為工程應(yīng)力工程應(yīng)力- -應(yīng)變曲線與真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線與

16、真實(shí)應(yīng)力- -應(yīng)變曲線的比較。應(yīng)變曲線的比較。 曲線中的應(yīng)力是根據(jù)試樣原始截面尺寸計(jì)算的，可稱之為曲線中的應(yīng)力是根據(jù)試樣原始截面尺寸計(jì)算的，可稱之為工程應(yīng)力工程應(yīng)力。由工程應(yīng)力的趨勢(shì)看，隨著縮頸形成，試樣的塑。由工程應(yīng)力的趨勢(shì)看，隨著縮頸形成，試樣的塑性變形抗力是下降的。以試件產(chǎn)生縮頸后的實(shí)際面積來計(jì)算性變形抗力是下降的。以試件產(chǎn)生縮頸后的實(shí)際面積來計(jì)算應(yīng)力，其數(shù)值要大于工程應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力稱為應(yīng)力，其數(shù)值要大于工程應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力稱為真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力。 由圖中可看出由圖中可看出工程應(yīng)力工程應(yīng)力- -應(yīng)變應(yīng)變圖與真實(shí)應(yīng)力圖與真實(shí)應(yīng)力- -應(yīng)變圖的差別應(yīng)變圖的差別。在加載過程中真實(shí)應(yīng)力始終是增在加載

17、過程中真實(shí)應(yīng)力始終是增加的。評(píng)價(jià)材料時(shí)通常采用工程加的。評(píng)價(jià)材料時(shí)通常采用工程應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變曲線。應(yīng)變曲線。20/312022-5-22021/312022-5-221() 彈性變形的原因彈性變形的原因可以用雙可以用雙原子模型來解釋。原子模型來解釋。 彈性的實(shí)質(zhì)彈性的實(shí)質(zhì)是原子作用勢(shì)是原子作用勢(shì)的不對(duì)稱性。的不對(duì)稱性。雙原子模型22/312022-5-222 彈性變形的特征：彈性變形的特征： (1) 理想的彈性變形是理想的彈性變形是可逆變形?？赡孀冃?。去掉外力，變形就消失。去掉外力，變形就消失。 (2) 在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變間服從虎克定律。在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變間服從虎克定律

18、。 式中式中、分別為切應(yīng)力、切應(yīng)變，分別為切應(yīng)力、切應(yīng)變，K體彈性模量、體彈性模量、v泊松泊松比比 (3) 彈性變形量隨材料的不同而異。彈性變形量隨材料的不同而異。一般金屬材料和陶瓷材料一般金屬材料和陶瓷材料的彈性變形很小，高聚物材料的彈性變形可以比較大。的彈性變形很小，高聚物材料的彈性變形可以比較大。 GE)1 (2EG)21 ( 3EK23/312022-5-223 (modulus of elasticity)E = X /X (1) E代表著使原子離開平衡位置的難易程度，是表征晶體代表著使原子離開平衡位置的難易程度，是表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量。 (2

19、) E是組織不敏感參數(shù)是組織不敏感參數(shù)。一般說來，少量的合金元素不影。一般說來，少量的合金元素不影響響E，但大量的合金化，可使，但大量的合金化，可使E發(fā)生顯著變化。這是因?yàn)楣倘馨l(fā)生顯著變化。這是因?yàn)楣倘荏w中溶質(zhì)元素在周圍晶體中引起畸變，從而使體中溶質(zhì)元素在周圍晶體中引起畸變，從而使E下降。加工和下降。加工和熱處理不影響熱處理不影響E。 (3) 對(duì)晶體而言，對(duì)晶體而言，E是各向異性的是各向異性的。在單晶體中沿原子密排。在單晶體中沿原子密排面面E最高，沿原子排列最疏的晶向最高，沿原子排列最疏的晶向E最低。多晶體中最低。多晶體中E各向同性。各向同性。 (4) 工程上，工程上，E是材料剛度的度量是材料

20、剛度的度量。 (5) E與原子序數(shù)呈周期性變化趨勢(shì)與原子序數(shù)呈周期性變化趨勢(shì)。溫度升高，熱振動(dòng)加。溫度升高，熱振動(dòng)加劇，晶格勢(shì)能發(fā)生變化，劇，晶格勢(shì)能發(fā)生變化，E下降下降24/312022-5-224彈性模量與原子序數(shù)的變化關(guān)系彈性模量與原子序數(shù)的變化關(guān)系 25/312022-5-2250.280.350.380.490.3520.7110.310-410-340鋼鋼銅銅聚乙烯聚乙烯橡膠橡膠氧化鋁氧化鋁泊松比泊松比E/ 104MPa材料材料幾種不同材料的彈性模量幾種不同材料的彈性模量26/312022-5-226：G = XY / XY ： G = E/2(1+) K=m/=E/3(1-2)

21、-單位體積變形單位體積變形 技術(shù)意義技術(shù)意義： E，G稱為材料的剛度，它表示材料稱為材料的剛度，它表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力在外載荷下抵抗彈性變形的能力27/312022-5-227 彈性的不完整性包括：彈性的不完整性包括： a.a. 包申格效應(yīng)包申格效應(yīng) b.b. 彈性后效彈性后效 c.c. 彈性滯后彈性滯后 內(nèi)耗內(nèi)耗( (滯彈性滯彈性 anelasticity)anelasticity)： 28/312022-5-228 定義定義：指原先經(jīng)過少量預(yù)變形，指原先經(jīng)過少量預(yù)變形，然后反向加載時(shí)彈性極限然后反向加載時(shí)彈性極限(e)或或屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度(S)降低的現(xiàn)象。降低的現(xiàn)象。實(shí)際材

22、料實(shí)際材料T10鋼的包辛格效應(yīng)鋼的包辛格效應(yīng) 條件條件：T10鋼淬火鋼淬火350回火回火 拉伸時(shí)拉伸時(shí)，曲線曲線1 0.2=1130MPa。 曲線曲線2事先經(jīng)過預(yù)壓變形再拉伸時(shí)，事先經(jīng)過預(yù)壓變形再拉伸時(shí)，0.2 =880M Pa29/312022-5-229 彈性后效彈性后效: :在彈性極限范圍內(nèi)，應(yīng)變落后于外加應(yīng)力，并和在彈性極限范圍內(nèi)，應(yīng)變落后于外加應(yīng)力，并和時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫彈性后效，也稱為滯彈性。時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫彈性后效，也稱為滯彈性。 彈性滯后彈性滯后：在在曲線上加載曲線和卸載曲線不重合而曲線上加載曲線和卸載曲線不重合而形成一個(gè)封閉回線的現(xiàn)象。形成一個(gè)封閉回線的現(xiàn)象。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：滯后環(huán)面積，它可滯后環(huán)面積，它可以減少振動(dòng)，使振動(dòng)幅度很以減少振動(dòng)，使振動(dòng)幅度很快衰減下來