材料科学与工程基础教案第五章 材料的变形
材料科学与工程基础5(上课)
Fe2 O3 ( iron ores 铁矿石 ) + 3CO ( coke 焦炭 ) 2Fe + 3CO2
整理课件
Production of Iron and Steel
整理课件
Properties of pure iron:
low strength and ductility
homogeneous austenite.
• Below eutectoid temperature,
layers of ferrite and cementite
are formed.
Pearlite.
整理课件
Slow Cooling of Plain Carbon Steel (Cont..)
Chapter 5 Engineering Alloys
整理课件
5.1 Introduction
Metals and alloys are the most important engineering materials in industry, which account for about 90% of the world’s production of metals.
• Eutectoid reaction:
7230C
• γAustenite (0.8%C)
α Ferrite(0.02%C) + Fe3C( 6.67%C)
Hypoeutectoid Steel
Less than 0.8%
0.8% C More than 0.8% Hypereutectoid
Eutectoid Steel
Liquid ( 4.3% C ) (2.08% C ) + Fe3 C (6.67%C) * α + Fe3 C : mixture of eutectoid reaction,
材料的塑性变形机理和性能控制
材料的塑性变形机理和性能控制材料是人类社会发展的重要基石，是各种工业产品的基础。
在大多数制造过程中，材料的塑性变形是不可避免的。
而塑性变形机理和性能控制是材料科学与工程中一个重要的研究领域。
一、塑性变形机理塑性变形是指材料在一定条件下受到外力作用形成塑性变形并保持下去的能力。
材料的塑性变形是由其内部结构的变化而引起的。
塑性变形的主要机理就是晶体内部滑移与游移。
晶体内部的晶格缺陷对塑性变形过程中的原子滑移和游移起着关键作用。
对于晶体而言，其内部结构具有规则的排列方式，称为晶格。
而晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
在材料中，当受到外力作用时，原子在晶格内的移动会带来晶体内部结构的变化。
这种移动就是原子的滑移和游移。
滑移是指在相邻原子之间形成一些小的位错（错位点），使得晶体原子发生运动。
游移是指在晶体内部的缺陷上发生原子位移。
这两种运动形式是材料塑性变形的主要机理。
除了晶格缺陷，另一个重要的因素是晶界。
晶界是晶体中不同晶粒之间的界面，其存在会影响材料的特性，例如强度和延展能力等。
总之，塑性变形的机理是一个相对复杂的过程，需要深入研究晶格结构和其缺陷的变化情况。
二、性能控制为了实现工业产品的高效、高质量生产，对材料的性能进行有效控制十分关键。
从塑性变形的角度来看，这包括两个方面：强度和延展能力。
强度是材料阻抗外部应力的能力，在材料的塑性变形方面具有重要作用。
材料的强度受多种因素影响，包括晶粒尺寸、晶格结构和组织等等：例如，晶粒尺寸越小，其阻力就越大，从而提高材料强度。
延展能力是材料在承受应变时的变形程度。
合适的延展能力可以使材料更加可塑，适应更多种形状和用途。
在强度和延展能力之间，需要一个权衡。
例如，当强度越高时，延展性可能越差。
此外，还有一些因素可以通过材料加工和热处理进行控制，例如冷变形、淬火和退火等。
冷变形（例如轧制、拉伸和锻造等）可以增加材料的强度和硬度，从而提高其抵抗变形的能力。
淬火可以使材料更加坚硬，其中的快速冷却过程有助于将晶体结构固态化并提高材料机械性能。
材料的塑性变形
22:10
11
滑移带和滑移线只是晶格滑移结果的表象； 重新抛光后可去除。
光镜下：滑移带。 电境下：滑移线。
22:10
12
问题二：
产生滑移的条件?
滑移面 ：??? 滑移方向：????
22:10
13
产生滑移的条件：
2.1材料的塑性变形机理
面间距大； 滑移矢量（柏氏矢量）小；
＋ ＋ ＋＋＋＋ ＋ ＋ ＋＋＋＋
22:10
49
塑性变形的另一种方式
孪生
2.1材料的塑性变形机理
在切应力作用下，晶体一部分相对于另一部分沿一定
的晶面和晶向发生均匀切变，形成晶体取向的
镜面对称关系。双胞胎!
孪晶的形成 （动画）
孪生动画\孪 生变形.swf 变形
22:10
51
22:10
52
1. 孪生晶体学 晶体的孪晶面和孪生方向与晶体结构类型有关。
滑移面 ：密排面 滑移方向：密排方向
fcc滑移系： 滑移面{111}， 滑移方向<110>； 滑移系
4×3=12个
22:10
Cu,Al,Ni,Au，γ-Fe等 塑性变形能力如何？
17
α-Fe,W,Mo等
塑性变形能力如何？
22:10
18
次滑移系：
Mg,Zn,Ti,Zr等
22:10
塑变能力？ 20
44
☺ 滑移的表面痕迹 : ☺ 单滑移：单一方向的滑移带； ☺ 交滑移：波纹状的滑移带。 ☺ 多滑移：相互交叉的滑移带；
2.1材料的塑性变形机理
奥氏体钢交叉滑移带
问题二：
产生滑移的条件? 结构上
滑移面 ：??? 滑移方向：????
材料科学基础——塑性变形
材料科学基础——塑性变形在材料科学的广阔领域中，塑性变形是一个至关重要的概念。
它不仅影响着材料的性能和应用，还在众多工程和制造领域中发挥着关键作用。
让我们先来理解一下什么是塑性变形。
简单来说，塑性变形就是当材料受到外力作用时，其形状和尺寸发生了永久性的改变，而且在去除外力后，这种改变依然保持。
与弹性变形不同，弹性变形在力去除后材料会恢复到原来的形状和尺寸。
塑性变形的发生通常与材料内部的原子或分子的运动和位错的滑移密切相关。
位错，这是材料科学中的一个重要概念，它就像是材料内部结构中的一种“缺陷”。
但别小看这种缺陷，正是位错的滑移使得塑性变形成为可能。
想象一下，材料内部的原子排列就像是整齐排列的士兵方阵。
当施加外力时，位错就像是方阵中的个别士兵开始“溜号”，它们的滑移带动了周围原子的移动，从而导致了材料整体的变形。
而且，随着外力的增加，位错的滑移会越来越多，塑性变形也就越来越明显。
不同的材料具有不同的塑性变形能力。
像金属材料，通常具有较好的塑性，这使得它们能够通过锻造、轧制、拉伸等工艺被加工成各种形状复杂的零件。
而陶瓷材料，一般塑性较差，在受到外力时更容易发生断裂。
塑性变形对材料性能的影响是多方面的。
首先，它会改变材料的强度。
经过塑性变形，材料内部会产生各种微观结构的变化，比如位错密度的增加、晶粒的细化等，这些都会使材料的强度提高，这就是所谓的加工硬化。
但同时，塑性变形也可能导致材料的韧性下降。
在实际应用中，我们常常利用塑性变形来改善材料的性能。
例如，通过冷加工可以使钢材的强度大幅提高，而通过适当的热处理，可以消除加工硬化带来的不良影响，恢复材料的部分塑性。
此外，塑性变形还与材料的疲劳性能密切相关。
在反复加载的情况下，塑性变形的累积可能导致材料出现疲劳裂纹，最终导致材料失效。
为了研究塑性变形，科学家们使用了各种各样的方法和技术。
其中，电子显微镜是一种非常强大的工具，它可以让我们直接观察到材料内部位错的运动和微观结构的变化。
Ch5材料的变形和再结晶变形
后退 下页
第三节 单晶体的塑性变形
对于单晶体而言，其塑性变形中， 对于单晶体而言，其塑性变形中，滑移是位错在切 应力作用下滑移面及滑移方向进行， 应力作用下滑移面及滑移方向进行，其滑移必须满 足临界分切应力定律， 足临界分切应力定律，即 一、施密特定律
后退 下页
返回
●孪生与滑移的区别 滑移 (1)一部分晶体沿滑移面相 一部分晶体沿滑移面相 对于另一部分晶体作切变, 对于另一部分晶体作切变 切变时原子移动的距离是 滑移方向原子间距的整数 倍。 (2)滑移面两边晶体的位相 滑移面两边晶体的位相 不变。 不变。 孪生 (1)一部分晶体沿挛晶面相 一部分晶体沿挛晶面相 对于另一部分晶体作切变, 对于另一部分晶体作切变 切变时原子移动的距离不 是滑移方向原子间距的整 数倍。 数倍。 (2)挛晶面两边晶体的位相 挛晶面两边晶体的位相 不同，成镜向对称。 不同，成镜向对称。
Gb W= 2π (1 − υ )σ u
理论剪切强度
G b σu = 2π a
τ p−N
2π G −2πW / b e = 1−υ
●位错点阵阻力
τ P−N
2π G = e 1 −ν
2πa − ( 1 −ν ) b
其中， a — 原子间距，
b — 柏氏矢量
ν — 泊松系数
τ 1）a越大，即原子面间距大， P − N 越小，表示点阵 ） 越大 即原子面间距大， 越大， 越小， 阻力小，说明原子面间距越大，位错运动阻力小， 阻力小，说明原子面间距越大，位错运动阻力小， 增大的面即原子最密排面。 而a增大的面即原子最密排面。 增大的面即原子最密排面
P−N
大小本质上取决于晶体结构和键的方向性。 大小本质上取决于晶体结构和键的方向性。
材料科学基础重点总结4 材料形变和再结晶
5 材料的形变和再结晶材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都要受到外力的作用。
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。
本章主要内容：一．晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织与性能的影响二．回复和再结晶冷变形金属在加热时的组织与性能变化回复再结晶晶粒长大再结晶织构与退火孪晶5.1 晶体的塑性变形塑性加工金属材料获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得一定形状、尺寸和机械性能的型材、板材、管材或线材。
塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。
金属在承受塑性加工时，当应力超过弹性极限后，会产生塑性变形，这对金属的结构和性能会产生重要的影响。
5.1.1 单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的两种方式：滑移孪生滑移:滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动。
滑移线：为了观察滑移现象，可将经良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条的细线，通常称为滑移线.滑移带：在宏观及金相观察中看到的滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平行的更细的线所组成的，称为滑移带。
滑移系：塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。
一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。
滑移的临界分切应力τk晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。
滑移的特点晶体的滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动的结果，因此实际滑移的临界分切应力τk 比理论计算的低得多。
（滑移面为原子排列最密的面）单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动。
第五章-金属材料的塑性变形教案资料
coscos
F coscoscoscos
A0
其中：
mc o cso9s 0 ()1 2s i2n
m称为Schmit因子
5 临界分切应力定律（Schmit定律）
实验证明
晶体的取向不同，虽然试 样开始屈服时（即开始滑移 时）的屈服强度变化很大， 但是计算出的分切应力总是 一个定值，这个值称为临界 分切应力，这个规律叫临界 分切应力定律。
应用：去应力退火，用于去除冷塑性变形后的残留应力。
2。再结晶阶段：在再结晶温度（T再）以上的温度。
逐渐形成与原始变形晶粒晶格相同的等轴晶粒，加工硬化、 内应力完全消除。
应用：再结晶退火，用于冷压力加工中的中间退火。
3。晶粒长大阶段：再结晶完成后继续加热。 晶粒不均匀异常长大，使力学性能恶化，应当避免。
0.921 Mpa
2。研究证明： ●滑移是通过位错运动进行的。
●滑移时又会产生大量新的位错， 即位错增殖。
3。任何阻碍位错运动的因素都 使滑移的阻力增大，增加塑 性变形的难度，就可以提高 金属材料的强度。
这就是强化金属的基本原理。
30年代，英国 物理学家Tayler
滑移的实质是位错的运动
大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上的 位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在 切应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一 根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个 原子间距的滑移。
第五章-金属材料的塑性变形
• 其特征是： • 滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍， • 滑移后滑移面两侧的晶体位向保持不变，
• 滑移的结果使晶体产生台阶。
1、单晶体的滑移
铜单晶塑性变形后表面的 滑移带
单晶体塑性变形时滑移带的形成过程
金属相变与热处理理解材料的变形与回复过程
金属相变与热处理理解材料的变形与回复过程金属相变与热处理是材料科学与工程领域中的重要研究内容。
通过研究金属的相变与热处理过程，我们能够深入理解材料的变形与回复过程，为合理设计材料的制备和性能提升提供理论依据。
一、金属相变金属相变是指金属在特定条件下发生晶体结构或物理性质的改变。
常见的金属相变包括固态相变和液态相变。
1. 固态相变固态相变通常发生在固态金属材料中，其晶体结构发生改变。
最常见的固态相变是晶格结构由面心立方(fcc)转变为体心立方(bcc)，或者相反，这被称为共晶相变。
2. 液态相变液态相变是指金属从固态转变为液态状态。
液态相变的温度称为熔点，熔点取决于金属的特性和外界条件。
二、热处理热处理是通过加热和冷却来改变金属材料的性能和组织结构。
热处理可以分为多种方法，如退火、淬火、回火等。
1. 退火退火是将金属材料加热到一定温度，然后缓慢冷却的过程。
退火可以去除材料中的内部应力，并改善材料的塑性和韧性。
2. 淬火淬火是将金属材料加热到临界温度，然后迅速冷却的过程。
淬火可以使金属材料达到高硬度和高强度，但也容易造成变形和开裂。
3. 回火回火是在淬火后将材料再次加热到一定温度，然后进行缓慢冷却。
回火可以减轻淬火过程中的应力和硬度，提高材料的韧性。
三、材料的变形与回复过程金属材料的变形与回复过程是指在外力作用下，材料发生变形后，经过相变和热处理后恢复到初始状态的过程。
1. 变形金属材料在外力作用下会发生塑性变形和弹性变形。
塑性变形是指金属材料在外力作用下发生永久性变形，弹性变形是指金属材料在外力作用下发生可逆性变形。
2. 回复金属材料经过变形后，通过热处理可以实现回复。
回复是指金属材料在退火过程中，内部应力得到释放，晶体结构得到重构，使材料的性能恢复到初始状态。
结论金属相变与热处理对于理解材料的变形与回复过程至关重要。
通过研究金属的相变规律和不同热处理方法的效果，我们可以合理设计材料的制备工艺和改善其性能。
《材料科学基础教案》PPT课件
1学时 1学时 2学时 3学时 2学时 1学时
教材及教学参考书
1.,《材料科学基础教程》 赵品 XX工业大学出版社 2.《材料科学基础教程习题与解答》 赵品 XX工业大学出版社 3.《材料科学基础》 赵品 XX工业大学出版社 1999年 4.《金属学原理》 刘国勋主编 工业冶金出版社 1980年 5.《金属学》 胡庚祥主编 上海科技出版社 1980年 6.《金属学教程》卢光熙主编 机械工业出版社 1985年 7.《金属学原理》 李 超主编 哈工大出版社 1996年 8.《材料科学基础》 马泗春主编 XX科学技术出版社 1998年 9.《材料科学基础》石德珂主编 XX交大出版社 1995年
第二部分 总纲
• 一、课程性质及教学目的 • 二、课程内容 • 三、与其它课程的关系 • 四、教学对象 • 五、教学时间 • 六、教学地点 • 七、教学指导思想 • 八、教学重点 • 九、教学难点 • 十、教学方法 • 十一、学时分配 • 十二、教学过程 • 十三、实验内容 • 十四、教材及教学参考书
编 XX科学技术出版社 1998年
7《材料科学基础》石德珂主编 XX交大出版社
1995年
讲授内容
1、材料在国民经济中的重要地位与作用 2、材料的分类 3、材料的发展历史 4、材料科学的发展方向 5、本课程的任务与内容
材料在国民经济中的重要地位与作用
材料是用来制造各种有用物件的物质. 它是人类生存与发展、征服和改造自然的物质基础,也是 人类社会现代文明的重要支柱.因此史学家将人类发展分为石 器时代、青铜器时代、铁器时代、水泥时代、钢时代、硅时 代和新材料时代.材料科学的发展及进步成为衡量一个国家科 学技术发展的重要标准.材料科学的发展在国民经济中占有极 其重要的地位,因此,材料、能源、信息被誉为现代经济发展 的三大支柱.
材料基础第5章习题课
单晶体的塑性变形 ——孪生
1.定义：是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另 一部分所发生的切变。
2.孪生的特点： ① 孪生使晶格位向发生改变； ② 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; ③ 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距. ④ 孪生变形在应力-应变曲线上也很有特点 ⑤ HCP晶格金属滑移系少， BCC晶格金属只有在低温 或冲击作用下才发生孪生变形，FCC晶格金属，一 般不发生孪生变形。 ⑥ 对塑性变形贡献小
合金的塑性变形——多相合金
１.结构：基体＋第二相。 ２.分类依据：第二相粒子尺寸大小 聚合型两相合金 与基体晶粒尺寸属同一数量级， 两相性能接近：按强度分数相加计算。
弥散分布型两相合金 第二相粒子细小而弥散地分布 在基体晶粒中。 不可变形粒子的强化作用（位错绕过机制） ； 可变形微粒的强化作用（位错切割粒子的机制）。
材料科学与工程学院 材料科学基础
zhanglei.hubu@
1、什么是弹性变形？并用双原子模型来解释其物理本质。 【答】弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形， 可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。 原子处于平衡时，其原子间距为r0，位能U处于最低 位臵，相互作用力为零，这是最稳定的状 态。当原子受力后将偏离其平衡位臵，原 子间距增大时将产生引力；原子间距减小 时将产生斥力。这样，外力去除后，原子 都会恢复其原来的平衡位臵，所产生的变 形便完全消失，这就是弹性变形。
孪生与滑移的异同
滑 移 相同点
晶体位向
孪 生
是塑变的形式；沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构 。
不改变（对抛光面观察无重 现性） 改变，形成镜面对称关系（对 抛光面观察有重现性）
不 同 点