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材料科学基础Fundamentals of Materials Science 第7章 材料的变形与再结晶Chapter 7 Deformation and recrystallization of materials 7.1 弹性变形 7.2 晶体塑性变形 7.3 回复和再结晶 7.4 金属的热加工 小结 思考题 材料的变形 材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形，外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。 不同材料变形时其应力-应变曲线和试样形貌不同。如：普碳钢和灰铸铁。 变形可分为三个阶段：弹性变形、塑性变形和断裂。 7.1　弹性变形 1. 弹性变形特征 (1) 变形是可逆的； (2) 应力与应变保持单值线性函数关系，服从Hooke定律： σ＝Eε，τ＝Gγ。 (3) 弹性变形量随材料的不同而异。多数金属材料的弹性变形量小，而橡胶类高分子材料的弹性变形量大。 　　工程上应用的材料为多晶体，内部存 在各种类型的缺陷，弹性变形时，可能出 现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟 不上应力的变化等现象，称为弹性的不完 整性，包括包申格效应、弹性后效、弹性 滞后等。 (1) 包申格效应 材料经预先加载产生少量塑性变形，然后同向加载则σe升高，反向加载则σe降低的现象,称为包申格效应。 理想晶体 (3) 弹性滞后 由于应变落后于应力，在σ－ε曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后。 弹性滞后表明：加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称为内耗，大小＝弹性滞后环面积。 实际应用的金属材料有的要求高内耗，有的要求低内耗，如制作钟、乐器的材料，要求低内耗，消振能力低，声音好听；制作机座、汽轮机叶片的材料，要求高内耗，以消除振动。 7.2.1 单晶体的塑性变形 1. 滑移 在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶 面（滑移面）和一定晶向（滑移方向）相对另一 部分发生相对位移的现象。 切应力作用下晶体滑移示意图（微观） 滑移系 一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来称为一个滑移系，可用{hkl}uvw来表示，见图6.5。 判断下列晶面及晶向是否构成滑移系？并说明原因。BCC中(110)[111]、 。FCC中(111)[110]、 。 滑移的临界分切应力 不是有切应力作用就能产生滑移，只有在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到一定值时，才能发生滑移。能引起滑移的最小分切应力称为临界分切应力，用τk表示。 以单晶体拉伸为例，求τk＝？ 见图镁单晶拉伸时屈服应力与晶体取向的关系。 由图可见： 当外力与滑移面平行（φ＝90°）或垂直（λ＝90°）时，取向因子最小，σS为无限大，不可能产生滑移，此时的位向称为硬位向； 当外力与滑移面和滑移方向的夹角都接近45°时，取向因子最大，σS最小，容易产生滑移，此时的位向称为软位向。 图 屈服应力与晶体取向的关系 3. 扭折 对那些既不能进行滑移也不能进行孪生的地方，为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时晶体将会产生局部弯曲，这种变形方式称为扭折，见图7-20。 扭折是一种协调性变形，它能引起应力松弛，使晶体不致断裂。扭折后，晶体取向与原取向不再相同，有可能使该区域内的滑移系处于有利取向，而发生滑移。 2. 晶粒在变形中的作用 多晶体的屈服强度σS与晶粒平均直径d的关系可用著名的霍尔－佩奇（Hall-Petch）公式表示： σs＝σo＋Kd-1/2 式中: σo反映晶内对变形的阻力，相当于单晶体的屈服强度；K反映晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关。 由此可知：σS∝d-1/2 即d↓，σS↑，细晶强化。 实验表明：晶粒越细，不仅强度高，而且塑韧性也好。强度高，是因为晶粒细，单位面积上的晶粒数多，晶界的总面积大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数多，对塑性变形的抗力大；塑韧性好，是因为晶粒细，单位体积中的晶粒数越多，变形可在更多的晶粒中发生，且比较均匀，减少了应力集中，使金属发生很大的塑性变形也不断裂。 多晶体是由单晶体组成的，在同样的外力作用下，不同晶粒滑移系上的切应力不一样，处于软位向的首先开始滑移，如：A晶粒，它周围的晶粒B、C处于硬位向，未发生塑性变形，只能以弹性变形来协调已变形晶粒A，因