多晶体的塑性变形在线视频

同学们

前面我们学习了单晶体的塑性变形

这节课我们学习多晶体的塑性变形

我们知道

面心立方和体心立方材料的滑移系比较多

能够满足5个独立的滑移系的要求

因而面心立方和体心立方

相对于密排六方而言

具有比较好的塑性

密排六方晶体呢滑移系比较少

晶粒间的应变协调能力差

当密排六方单晶体处于软取向的时候

应变可以达到百分之100到200

但是多晶体的塑性变形却比较差

在多晶体中

由于各个晶粒的位向不同

在给定的外力作用下

不能同时变形

处于有利取向的晶粒

它的分切应力较早达到临界分切应力的值

首先发生滑移

在位向有利的晶粒内开始发生塑性变形

意味着其滑移面上的位错源已经开动

源源不断的沿着滑移面发射位错

但是由于周围晶粒的位向不同

滑移塞积造成了很高的应力集中

会使得相邻晶粒中某些滑移系的分切应力

达到临界值而开动

相邻晶粒的滑移会使应力集中松弛

使得原晶粒中位错源重新开始

并使得位错移出这个晶粒

这样变形就可以从一个晶粒

传到另外一个晶粒

并且波及到整个试样

同时多晶体的每个晶粒

都处于其他晶体的包围之中

所以它的变形必须和周围的晶粒

相互的协调配合

否则就不能保持材料的整个的连续性

会造成孔隙而导致材料的破坏

这样就使得多晶体的塑性变形

相比于单晶体来说变得比较困难

它的屈服应力也高于单晶体

我们总结一下多晶体变形的特点

对于多晶体而言

多晶体中的晶粒取向随机

每一个晶粒内部的变形不一致

所以我们需要相邻晶粒的相互协调

它对于独立的滑移系也有要求

要有5个以上的独立的滑移系

对于多晶体而言

晶粒和晶粒之间就有很多晶界

在这样一个双晶粒试样拉伸变形以后

我们发现晶界处呈竹节状

说明晶界附近滑移受阻

变形量较小

这是因为晶界上的原子排列不大规则

杂质和缺陷比较多

能量比较高

会阻碍位错的运动

晶界对塑性变形起到了阻碍的作用

所以晶界越多

晶粒越细

材料的强度越高

这也就是我们通常说的细晶强化的本质

当位错运动到晶界附近的时候

受到晶界的阻碍会堆积起来

称为位错的塞积

要使变形继续进行

就必须提供更大的外力

从而使得金属的变形抗力提高

那么这个

我们可以看一下晶界对塑性变形的影响

位错会源源不断的运动到晶界

晶界会阻碍位错的运动

使得整个材料的变形抗力提高

晶粒的位向差也会影响

整个多晶体的塑性变形

由于各相邻晶粒的位向不同

当一个晶粒发生塑性变形的时候

为了保持整个材料的连续性

周围的晶粒如果不发生塑性变形

就必须要发生弹性变形来和它相协调

这样一种弹性变形

便成为了塑性变形晶粒的变形阻力

由于晶粒间的这种相互约束

使得多晶体金属的塑性变形抗力也会提高

第四晶粒尺寸和强度的关系

那么它符合霍尔佩奇公式

也就是说晶粒越细

晶界的总面积越大

位错运动的障碍越多

需要协调的具有不同位向的晶粒越多

使得金属的变形抗力会越高

由于细晶强化所依赖的前提条件

是晶界阻碍位错的滑移

在温度较低的时候

这样一种现象是存在的

而晶界本质上它是一种缺陷

当温度升高的时候

随着原子活动能力的增加

晶界会变得逐渐不稳定

会导致强化效果逐渐减弱

甚至出现晶界弱化的现象

实际上

在多晶体材料的强度温度关系曲线中

存在一个等强温度

小于这个温度的时候

晶界的强度高于晶内强度

在大于这样一个等强温度的时候

晶内的强度大于晶界的强度

多晶体塑性变形时

裂纹往往起源于晶界

主要有下面两个方面的原因

一晶界阻碍位错运会造成较大的应力集中

二材料中的杂质和第二相

往往优先分布于晶界会使得晶界变脆

由于晶界处的缺陷比较多

原子处于能量比较高的不稳定状态

在一些腐蚀介质的作用下

往往会被优先腐蚀而出现微裂纹

需要注意的是细晶强化

不仅可以提高材料的强度

那么也可以改善材料的塑性和韧性

这是其他的一些强化方法所不具备的

晶粒越细

在一定体积内的晶粒数目越多

在同样的变形量下

变形分散在更多的晶粒内进行变形比较均匀

而且每个晶粒中塞积的位错少

所以应力集中引起的开裂机会较少

有可能在断裂之前可以承受比较大的变形量

也就是说表现出比较高的塑性

细晶粒金属中裂纹不容易萌生

也不容易传播

所以在断裂过程中可以吸收更多的能量

表现出了更高的韧性

所以我们说细晶强化是实际生产中

获得良好的强度韧性配合的

一种重要的强化方法

我们看一下多晶体金属的塑性变形过程

多晶体中首先发生滑移的是滑移系

和外力夹角等于或者接近于45度的晶粒

它们处于软取向的位置

那么当塞积位错前端的应力达到一定程度

加上相邻晶粒之间的转动

使得相邻晶粒中

原来处于不利位向 滑移上的位错开动

从而使得滑移由一个晶粒

传递到了另外一个晶粒

当有大量的晶粒发生滑移以后

金属便显示出了明显的塑性变形

我们在这样一个应力应变曲线上

我们发现有一个屈服平台

在屈服延伸阶段

试样的应变是不均匀的

应力到达上屈服点时

在试样的应力集中处首先开始塑形变形

能在试样表面观察到与纵轴

呈45度交角的应变痕迹

我们把这样一个痕迹称为吕德斯带

同时应力下降到下屈服点

吕德斯带会沿着试样长度方向扩展

这个就是我们的屈服延伸阶段

如果试样上形成几个吕德斯带

在屈服延伸阶段就会有应力波动

当屈服扩展到整个试样标距范围内的时候

屈服延伸阶段就结束

吕德斯带是指退火的低碳钢薄板

在冲压加工的时候

由于局部的突然屈服

产生了不均匀的变形

而在钢板的表面

产生了条带状的褶皱的一种现象

这样一种屈服现象会给工业生产

带来一些问题

比如说生产用的低碳薄钢板

在冲压成型时

会因屈服延伸区的不均匀变形

使得工件表面粗糙不平

为了解决这一问题

我们可以用应变时效的原理

将薄板在冲压之前

进行一道微量的冷轧工序

或者向当中加入少量的钛 铝或者是碳

氮等间隙原子形成化合物

从而消除屈服点

然后再进行冷压成型

就可以保证整个工件表面的平滑光洁

我们看这样三条应力应变曲线

如果我们在实验之前

对试样进行少量的塑性变形

屈服点就不会出现

比如说我们将低碳钢试样拉伸到超过屈服点

产生少量塑性变形以后去除载荷

然后立即重新开始加载进行拉伸

那么拉伸曲线就会是中间这条曲线

那么就没有屈服点

如果将经过预塑性变形的试样

放置一段时间

或者是在200度左右短时间加热以后

再进行拉伸

那么屈服点又会重新出现

也就是C曲线

同时屈服应力也会提高

这个现象我们叫做应变时效

为什么会产生这样的屈服现象呢

有几种解释

第一种气团理论

在固溶体中溶质或者杂质原子

在晶体中造成了点阵畸变

溶质原子的应力场和位错应力场

会发生交互作用

作用的结果就是使得

溶质原子聚集在位错线附近

形成溶质原子气团

也就是我们说的柯氏气团

这样一种机理可以解释大部分晶体中

出现的屈服现象

屈服点的出现通常与金属中

溶有微量杂质原子有关系

由于溶质原子与位错的弹性交互作用

溶质原子总是趋于

聚集在位错线受拉应力的部位

以降低整个体系的畸变能

形成了这样一个柯氏气团

它只有一些钉扎作用

从而使得整个材料的屈服强度升高

位错一旦挣脱气团的钉扎

便可以在较小的应力下继续运动

这时候拉伸曲线上就会出现下屈服点

对于已经屈服的试样

卸载以后立即重新加载拉伸

由于位错已经脱出气团的钉扎

那么就不会再出现屈服点

如果卸载以后放置比较长的时间

或者是再进行加热

拉伸

那么溶质原子又会通过扩散

重新聚集到位错线周围形成气团

所以我们的屈服现象又会重新出现

第二个理论是位错理论

我们说材料的塑性变形的应变速率

和晶体中可动位错的密度

位错运动的平均速度以及位错的柏氏矢量

是成正比的

通过这样一个式子

我们可以发现具有明显屈服现象的材料

一般要具备以下条件

第一个开始变形的时候

晶体中的可动位错密度比较低

所以说随着塑性变形的发生

位错能够迅速增殖

那么应力敏感因子m'比较低

这样一些条件的材料

容易发生屈服现象

好

这就是我们这一节课学习的内容

谢谢大家