【正文】 1 第五章 材料的變形和再結(jié)晶 2 第五章 材料的變形和再結(jié)晶 納米銅的室溫超塑性 3 盧柯院士在多年研究工作的基礎(chǔ)上 ， 利用傳統(tǒng)電解 沉積技術(shù) ， 優(yōu)化工藝參數(shù) ， 成功地制備出致密 、 高 純度的 塊狀納米晶體 Cu樣品 ， 晶粒尺寸為 30nm， 純度高于 %， 密度可達(dá)普通純 Cu理論密度 的 %。 在室溫 (僅為熔點(diǎn)的 22%)下軋制該納米 晶 Cu樣品 ， 其延伸率可高達(dá) 5100%， 而沒(méi)有產(chǎn)生 明顯的加工硬化效應(yīng) ， 并發(fā)現(xiàn)冷變形過(guò)程中晶粒尺 寸保持不變 。 初步分析表明 ， 在納米晶 Cu的變形中 晶界運(yùn)動(dòng)起重要作用 。 這表明金屬納米材料具有與 普通多晶體材料完全不同的力學(xué)性能和加工行為 。 4 金屬變形概述 彈性變形－塑性變形－斷裂 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. 5 晶體的彈性和材料的微觀組織（或結(jié)構(gòu)）關(guān)系不大，因而和成分、熱處理的關(guān)系也不大，屬于對(duì)結(jié)構(gòu)不敏感的性能。 而晶體的塑性和強(qiáng)度（主要是屈服強(qiáng)度）則對(duì)微觀組織（結(jié)構(gòu)）十分敏感，屬于對(duì)結(jié)構(gòu)敏感的性能。 6 第一節(jié) 彈性和粘彈性 一、彈性變形的本質(zhì) 彈性變形是指外力去除后能夠完全恢復(fù)到的那部分變形。 彈性變形量一般很小，一般不超過(guò) %~% 晶體內(nèi)原子間的結(jié)合能和結(jié)合力是原子間距的函數(shù)。 7 二、彈性變形的特征和彈性模量 理想的彈性變形是可逆的，加載時(shí)變形，卸載時(shí)變形消失并恢復(fù)原狀。 不管是加載或卸載，在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力 — 應(yīng)變之間保持線性關(guān)系，即符合虎克定律。 σ=Eε τ=Gγ 彈性模量是表征晶體原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量，代表原子離開(kāi)平衡位置的難易程度。是屬于對(duì)組織結(jié)構(gòu)不敏感的參數(shù)量。 在工程上，彈性模量是剛度的度量。 彈性模量隨材料的不同也不一樣。 8 三、彈性的不完整性 完全（或完整）的彈性體變形只與載荷大小有關(guān)，而與加載方向和加載時(shí)間無(wú)關(guān)。 多數(shù)工程上應(yīng)用的材料為多晶體甚至為非晶態(tài)或者是兩者皆有的物質(zhì)，其內(nèi)部存在各種類(lèi)型的缺陷。 實(shí)際上，金屬?gòu)椥宰冃螘r(shí)，可能出現(xiàn)加載與卸載線不重合、應(yīng)變的發(fā)展跟不上應(yīng)力的變化等有區(qū)別于理想彈性變形特點(diǎn)的現(xiàn)象，稱為 彈性的不完整性 。 彈性不完整性的現(xiàn)象包括： 包申格效應(yīng)、彈性后效、彈性滯后和循環(huán)韌性。 9 現(xiàn)象：材料經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（小于 4%），然后 同向加載則彈性極限 σe升高，反向 σe則下降。 如 :下圖為退火軋制黃銅在不同載荷條件下彈性極限的變化情況。 曲線 A：初次拉伸曲線， σe＝ 240Pa 曲線 B：初次壓縮曲線， σe＝ 178Pa 曲線 C： B再壓縮曲線， σe↑， σe＝ 278Pa 曲線 D：第二次拉伸曲線， σe↓， σe＝ 85Pa 可見(jiàn)： B、 C為同向加載， σe↑； C、 D為反向加載， σe↓。 B C 10 2．彈性后效 ? 一些實(shí)際晶體，在加載或卸載時(shí)，應(yīng)變不是瞬時(shí)達(dá)到其平衡值，而是通過(guò)一種弛豫過(guò)程來(lái)完成其變化的。這種在彈性極限 σe范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，并和時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱為彈性后效或滯彈性。 理想晶體 實(shí)際金屬 11 由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，在 σe 曲線上使加載線與卸 載線不重合而形成一封閉回線，稱之為彈性滯后。 彈性滯后表明加載時(shí)消耗于材料的變形功大于卸載 時(shí)材料恢復(fù)所釋放的變形功，多余的部分被材料內(nèi) 部所消耗，稱之為內(nèi)耗，其大小即用彈性滯后環(huán)面 積度量。 實(shí)際應(yīng)用的金屬材料有的要求高內(nèi)耗，有的要求低 內(nèi)耗，如制作鐘、樂(lè)器的材料，樂(lè)器低內(nèi)耗，消振 能力低，聲音好聽(tīng)；制作機(jī)座、汽輪機(jī)葉片的材 料，要求高內(nèi)耗，以消除振動(dòng)。 12 四、粘彈性 ? 變形形式除了彈性變形、塑性變形外還有一種粘性流動(dòng)。所謂粘性流動(dòng)是指非晶態(tài)固體和液體在很小外力作用下便會(huì)發(fā)生沒(méi)有確定形狀的流變，并且在外力去除后，形變不能回復(fù)。 ? 純粘性流動(dòng)服從牛頓粘性流動(dòng)定律： ? 式中 σ為應(yīng)力； ε為應(yīng)變速率； η稱為粘度系數(shù)，反映了流體的內(nèi)摩擦力，即流體流動(dòng)的難易程度，其單位為 Pas。 ? 一些非晶體，有時(shí)甚至多晶體，在比較小的應(yīng)力時(shí)可以同時(shí)表現(xiàn)出彈性和粘性，這就是粘彈性現(xiàn)象。 ? 粘彈性變形的特點(diǎn)是應(yīng)變落后于應(yīng)力。當(dāng)加上周期應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線就成一回線，所包含的面積即為應(yīng)力循環(huán)一周所損耗的能量，即內(nèi)耗。 dtd ??? ?13 第二節(jié) 單晶體的塑性變形 常溫下塑性變形的主要方式： 滑移 、 孿生 、 扭折 。 高溫下： 擴(kuò)散變形 和 晶界滑動(dòng)和移動(dòng) 一 滑移 1 滑移：在切應(yīng)力作用下 ， 晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面 （ 滑移面 ） 和晶向 (滑移方向 ） 產(chǎn)生相對(duì)位移 ,且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式 。 如果將拋光的單晶體金屬棒試樣拉伸 ,產(chǎn)生變形后 ,可看到金屬表面的一條一條的細(xì)線，稱為劃移線。 14 15 在高倍顯微鏡下觀察 ， 劃移帶不是一條單線 ， 而是由一系列相互平行的滑移線組成 。 滑移變形是不均勻的 ， 常集中在一部分晶面上 ， 而處于各滑移帶或滑移線之間的晶體沒(méi)有產(chǎn)生滑移 。 滑移帶的發(fā)展過(guò)程 ， 首先是出現(xiàn)細(xì)滑移線 ， 后來(lái)才發(fā)展成帶 ， 而且 ， 滑移線的數(shù)目隨應(yīng)變程度的增大而增多 ， 它們之間的距離則在縮短 。 ~20nm 滑移線 滑移帶 16 17 2 滑移系 （ 1）滑移要素： 滑移面： 晶體的滑移通常是沿著一定的晶面發(fā)生的，此組晶面稱為滑移面； 滑移方向： 滑移是沿著滑移面上一定的晶向進(jìn)行的，此晶向稱為滑移方向。 滑移面與滑移方向大致是最密排面和最密排方向，因?yàn)榇藭r(shí)派納力最小。 b：柏氏矢量 G：切變模量 γ：泊松比 a：滑移面的面間距 ??????????baGP )1(2e x p12???? 18 （ 2） 滑移系 滑移系：