材料的塑性變形

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1、第六章材料的塑性變形重點與難點內(nèi)容提要：材料體系的平衡相圖與非平衡狀態(tài)下的動力學(xué)規(guī)律是材料學(xué)家分析材料時手中最主要的兩個工具。擴散是影響材料非平衡過程最巫要的動力學(xué)因素Z—。對固體中擴散的認(rèn)識主要基于兩方面的知識：擴散的宏觀規(guī)律；擴散的微觀機理。山濃度差引起的擴散可以用菲克定律描述。菲克定律的壟礎(chǔ)是擴散速率與濃度梯度成正比H擴散與濃度梯度反向這一基本規(guī)律（菲克笫一定律）；在引入質(zhì)量守恒定律后，菲克第一定律被推廣應(yīng)川丁非穩(wěn)態(tài)過程（菲克第二定律）。擴散物質(zhì)的擴散系數(shù)D是描述英擴散能力的重耍參數(shù)。在發(fā)生互擴散

2、的擴散偶中，由于柯肯道爾效應(yīng)，菲克定律屮應(yīng)采用互擴散系數(shù)。熱力學(xué)理論分析證明，擴散的真正驅(qū)動力是擴散物質(zhì)的熱力學(xué)梯度，即擴散的真正驅(qū)動力是擴散物質(zhì)熱力學(xué)勢的梯度，即擴散的方向和速率取決于擴散物質(zhì)體系小熱力學(xué)勢梯度而不是濃度梯度。熱力學(xué)勢梯度可以由濃度、溫度化學(xué)位、應(yīng)力應(yīng)變、電位等物理最在空間上的差開造成。濃度梯度引起的擴散只是一個最為常見的特例。擴散是擴散物質(zhì)質(zhì)點（原了、離了、分了等）由于熱運動引起的遷移造成的。擴散物質(zhì)質(zhì)點每一次遷移的方向是隨機的。擴散流是無數(shù)擴散物質(zhì)質(zhì)點遷移的統(tǒng)計結(jié)果，因此擴散具有熱

3、激活件質(zhì)。間隙擴散與空位擴散是晶體中最主要的兩種擴散機制，前者的擴散系數(shù)及擴散激活能都耍明顯低于后者。本章以品體中的原子擴散為主線，根據(jù)原子熱運動遷移模型，給出了擴散系數(shù)的計算公式，從而把擴散的宏觀變化規(guī)律與擴散的微觀機理聯(lián)系起來。以上兩方血的知識是在后血幾節(jié)分析復(fù)朵擴散問題及各種因素影響的基礎(chǔ)?；疽螅海?）正確理解菲克定律及其物理實質(zhì)，并能夠較好地應(yīng)用菲克定律解決一些較簡單的擴散問題（2）熟悉掌握擴散的原子模型，能夠根據(jù)這一模型分析擴散問題及各種因素對擴散的影響。（3）了解并掌握以下概念與術(shù)語：擴

4、散、自擴散、互擴散、間隙擴散、空位擴散、上坡擴散、反應(yīng)擴散、穩(wěn)態(tài)擴散、非穩(wěn)態(tài)擴散、擴散系數(shù)、互擴散系數(shù)、擴散激活能、擴散通量、原子的熱運動、原子遷移率、本征擴散、非本征擴散、晶界擴散、表面擴散、柯肯道爾效應(yīng)。本章主耍討論材料的形變行為和微觀機制。6.1彈性變形6.1.1普彈性晶體發(fā)生彈性變形時，應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，去掉外力后，應(yīng)變完全消失，晶體恢復(fù)到末變形狀態(tài)。彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變服從虎克定律。彈性模量是重要的物理和力學(xué)參量，表示使原了肉丿「、1雀位貫的炸易心呵，只収決：晶體原子結(jié)合的本性，不依晶粒

5、大小以及組織變化而變.是一種組織不敏感的性質(zhì)。6.1.2滯彈性在彈性范圍內(nèi)加載或去載，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變不是瞬時達到其平衡值，而是通過一種馳豫過程來完成的，即隨時間的延長，逐步趨于平衡值的，在應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生的彈性應(yīng)變叫滯彈性應(yīng)變。應(yīng)力一應(yīng)變Illi線就成一回線，回線所包圍的面積是應(yīng)力循環(huán)一周所消耗的能量，稱為內(nèi)耗。6.2單晶體的塑性變形工程上應(yīng)用的金屬材料通常是多晶體。金屬的須性變形主要通過滑移方式進行，此外述有學(xué)牛與扭折。高溫變形時，還會以擴散蠕變與晶界滑動方式進行。6.2.1滑移1.滑移現(xiàn)象滑移帶，若用電

6、了顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)每條滑移帶均由許多聚集在一起的相互平行的滑移線所組成。滑移線實際上是晶體表而產(chǎn)生的一個個滑移臺階造成的。在晶體缺陷一章已指岀，室溫下晶體塑變的主要方式是滑移.滑移是靠位錯的運動實現(xiàn)的位錯沿滑移面滑移.當(dāng)移動到晶體表而時，便產(chǎn)生了大小等于柏氏矢量的滑移臺階，如果該沿移面上有大量位錯運動到晶體表面,宏觀匕晶體的一部分相對另一部份沿滑移面發(fā)生了相對位移,這便是滑移，滑移矢量與與柏氏矢量平行。2.滑移系滑移時，滑移面應(yīng)是面間距最大的密排面，滑移方向方向是原子的最密排方向，一個滑移而與其上的一個

7、滑移方向組成一個滑移系。面心立方金屬的滑移面為{111},共有四組，包含三個滑移方向，因此共有12個滑移系。密排六方金屬滑移面為（0001）,滑移方向為<1120>,組滑移面包含2個滑移方向，故也有T2個滑移系。密排六方金屬滑移系少，滑移過程中，可能釆取空間位向少，故塑性差。體心立方金屬得移系較多故比密排六方結(jié)構(gòu)金屬塑性好。但其滑移曲原了密排程度不如面心立方，滑移方向的數(shù)目也少于而心立方，故體心立方金屬不如而心立方金屬塑性好1.滑移的臨界分切應(yīng)力2.滑移時的晶體轉(zhuǎn)動晶體發(fā)生塑性變形時，往往伴隨取向的改變

8、，當(dāng)晶體在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生滑移時.若夾頭不受限制，欲使滑移面的滑移方向保持不變，拉力軸取向必須不斷變化。實際上夾頭固定不動,即拉力軸方向不變，此時品體必須不斷發(fā)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動結(jié)果，使滑移而法線與外力軸夾角增大.使外力與滑移方向夾角變小。3.多滑移與交滑移(1)多滑移對于有多組滑移系的晶體.當(dāng)其與外力軸取向不同時，處于軟位向的一組滑移系首先開動.這便是單滑移。若兩組或兒組滑移系處在同等有利的位向，在滑移時，各滑移系同時開動,或由于滑移過程中晶體