金属及合金的塑性变形

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1、 本章目的：本章目的：1 1 阐明金属塑性变形的主要特点及本质；阐明金属塑性变形的主要特点及本质；2 2 指出塑性变形对金属组织和性能的影响；指出塑性变形对金属组织和性能的影响；3 3 揭示加工硬化的本质与意义。揭示加工硬化的本质与意义。金属及合金的塑性变形金属及合金的塑性变形本章重点：本章重点：（1 1）拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指）拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标；标；（2 2）塑性变形的宏观变形规律与微观机制；）塑性变形的宏观变形规律与微观机制；（3 3）加工硬化的本质及实际意义；）加工硬化的本质及实际意义；（4 4）塑性变形对金属与合金组织、性能的影）塑性变形对金属与合金组织

2、、性能的影响：响：（5 5）金属材料的强化机制。）金属材料的强化机制。5-1 金属的变形特性金属的变形特性 一一 金属变形的方式及研究方法金属变形的方式及研究方法1 方式：弹性变形方式：弹性变形 塑性变形塑性变形 断断 裂裂成形成形失效失效 2 研究方法研究方法 曲线种类：曲线种类：载荷载荷变形曲线变形曲线 真应力真应力真应变曲线真应变曲线 工程应力工程应力应变曲线应变曲线 主要研究手段主要研究手段Se颈颈缩缩：工程应力应变曲线：工程应力应变曲线 工程应力工程应力应变曲线中应变曲线中“颈缩颈缩”现现象掩盖了象掩盖了“加工硬化加工硬化”S e：真应力真应变曲线：真应力真应变曲线二二 工程应力应变

3、曲线工程应力应变曲线 低碳钢应力应变曲线低碳钢应力应变曲线 -典型性典型性 分析变形过程；分析变形过程；强度、塑性指标的意义；强度、塑性指标的意义；e、s、-1、b；、bse 1：退火低碳钢：退火低碳钢 2：正火中碳钢：正火中碳钢 3：高碳钢：高碳钢但弹性模量基本相但弹性模量基本相同同1：有机玻璃：硬而脆：有机玻璃：硬而脆2：纤维增强热固塑料：纤维增强热固塑料：硬而强硬而强3：尼龙：硬而韧：尼龙：硬而韧4：聚四氟乙烯：软而韧：聚四氟乙烯：软而韧形式与材料塑性有关形式与材料塑性有关三三 弹性模量与刚度弹性模量与刚度 =E；=G；-弹性模量弹性模量 意义：意义：拉伸曲线上，斜率；拉伸曲线上，斜率；

4、弹性变形难易弹性变形难易；组织不敏感：取决于原子间结合力组织不敏感：取决于原子间结合力 材料种类；晶格常数；原子间距材料种类；晶格常数；原子间距 刚度刚度 构件刚度：构件刚度：AE 弹性变形难易弹性变形难易 材料刚度：材料刚度：E5-2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形塑性变形研究思路：塑性变形研究思路：基本单元基本单元单晶体单晶体变形特性变形特性 晶界晶界影响影响多晶体多晶体变形特性变形特性 相界相界合金合金变形特性变形特性 塑性变形方式：塑性变形方式：滑移滑移；孪生；孪生 F一滑移现象与滑移特点一滑移现象与滑移特点 1 滑移定义滑移定义：在外力作用下，晶体相邻二：在外力作用下，晶体相邻二部

5、分沿一定晶面、一定晶向彼此产生相对部分沿一定晶面、一定晶向彼此产生相对的平行滑动的平行滑动滑移带滑移带滑移线滑移线高锰钢中的滑移带，高锰钢中的滑移带，500X 滑移线与滑移带滑移线与滑移带均为塑变后晶体表面产生的滑移台阶，但大小不均为塑变后晶体表面产生的滑移台阶，但大小不同同单晶体单晶体滑移示意图滑移示意图滑移线滑移线滑移带滑移带(100个原个原子间距子间距)10000个原子间距个原子间距 2 滑移特点滑移特点 发生在发生在最密排晶面最密排晶面，滑移方向为滑移方向为最密排晶向最密排晶向；弹弹性性伸伸长长弹性歪扭弹性歪扭断断裂裂塑性变形塑性变形（滑移滑移）只在切应力下发生，存在只在切应力下发生，

6、存在临界分切应力。临界分切应力。F:拉伸轴线与滑移方向夹角拉伸轴线与滑移方向夹角:拉伸轴线与滑移面法向夹角拉伸轴线与滑移面法向夹角 (Fcos)/(A/cos)F/A（cos cos)cos cos 分切应力分切应力取向因子取向因子分切应力的大小与取向因子分切应力的大小与取向因子直接相关直接相关 什么是分切应力：什么是分切应力：临界分切应力临界分切应力(K)：使滑移系开动的最小分切应力使滑移系开动的最小分切应力k 的影响因素：的影响因素：取决于金属本性，与外力无关，取向无关取决于金属本性，与外力无关，取向无关 组织敏感参数：金属不纯，变形速度愈大，组织敏感参数：金属不纯，变形速度愈大，变形温度

7、愈低，变形温度愈低，k愈大。愈大。什么是临界分切应力：什么是临界分切应力：当当 K时，发生滑移时，发生滑移 滑移面的取向因子大，滑移面的取向因子大，则分切应力大：则分切应力大：当滑移面法线、滑移方当滑移面法线、滑移方向、外力轴三者共面，即向、外力轴三者共面，即 90时，可能获最大时，可能获最大取向因子：取向因子：cos cos cos(90)cos 45时时:取向因子获最大值取向因子获最大值1/2 取向因子大取向因子大软取向软取向 或或90时时:取向因子为取向因子为0，0，取向因子小取向因子小硬取向硬取向cos cos cos(90)cos 与与K对应的对应的即为即为s s的影响因素：的影响因

8、素：与与k有关；有关；与外力取向有关与外力取向有关:s K/(cos cos)滑移两部分相对移动的距离是原子间距滑移两部分相对移动的距离是原子间距的整数倍，滑移后滑移面两边的晶体位向的整数倍，滑移后滑移面两边的晶体位向仍保持一致；仍保持一致；滑移面滑移面滑移前滑移前PP滑移后滑移后力偶力偶 伴随晶体的转动和旋转，滑移面转向与外力伴随晶体的转动和旋转，滑移面转向与外力平行方向，滑移方向旋向最大切应力方向平行方向，滑移方向旋向最大切应力方向产生产生转动转动单晶体拉伸变形单晶体拉伸变形意义：意义：实际金属由多晶体构成，通过晶体实际金属由多晶体构成，通过晶体的转动和旋转，原来取向有利的晶粒（单的转动和

9、旋转，原来取向有利的晶粒（单晶体）经过一定量塑性变形后取向不利，晶体）经过一定量塑性变形后取向不利，停止塑性变形；原来取向不利的晶粒经过停止塑性变形；原来取向不利的晶粒经过旋转、转动取向变为有利，开始塑性变形；旋转、转动取向变为有利，开始塑性变形；循环往复后可使塑性变形更均匀。循环往复后可使塑性变形更均匀。随滑移加剧，存在随滑移加剧，存在多滑移多滑移和和交滑移交滑移现象现象 多滑移多滑移：在两个及以上的滑移系上同时进行的滑移。在两个及以上的滑移系上同时进行的滑移。意义：促进加工硬化意义：促进加工硬化 滑移的本质是借助滑移的本质是借助 位错线的逐步运动。位错线的逐步运动。多滑移时不同方向的位多滑

10、移时不同方向的位错线相交割，互为阻错线相交割，互为阻碍碍难滑移难滑移 交滑移交滑移：多个滑移面同时沿一个滑移方向进行的滑移。多个滑移面同时沿一个滑移方向进行的滑移。铝单晶体形变出现的铝单晶体形变出现的 交滑移交滑移密排六方晶体沿基面和密排六方晶体沿基面和柱面交滑移的示意图柱面交滑移的示意图意义：意义：当位错沿一个滑当位错沿一个滑移面的移动受阻时，移面的移动受阻时，可通过攀移，转移到可通过攀移，转移到另一个面继续滑移另一个面继续滑移 易滑移易滑移 使滑移方向灵活，使滑移方向灵活，可降低脆性可降低脆性 不同合金加工硬化效果不同不同合金加工硬化效果不同 单系滑移单系滑移 多系滑移多系滑移 交滑移交滑

11、移 多系滑移多系滑移 (1)滑移系滑移系 一个滑移面和该面上的一个滑移一个滑移面和该面上的一个滑移方向方向 称为称为 。每种晶格滑移系数目的多少每种晶格滑移系数目的多少可用来衡量滑移难易可用来衡量滑移难易 3 滑移系及滑移系数的实际意义滑移系及滑移系数的实际意义 （2）各晶体结构的滑移系）各晶体结构的滑移系 体心立方体心立方()(110)111滑移面：滑移面：110 (110),(011),(101),(110),(011),(101)滑移方向：滑移方向：111滑移系数：滑移系数：62=12 面心立方面心立方(f.c.c)(111)110滑移面：滑移面：111 (111),(111),(111

12、),(111);滑移方向：滑移方向：110滑移系数滑移系数:43=12密排六方密排六方：滑移面滑移面0001滑移方向滑移方向1120滑移系数目：滑移系数目：13=3（3）滑移系数目的实际意义）滑移系数目的实际意义 判断塑性变形能力判断塑性变形能力 滑移系数目愈多，塑性愈好；滑移系数目愈多，塑性愈好；滑移系数相同时，滑移方向多者塑性较好滑移系数相同时，滑移方向多者塑性较好 塑性排序：塑性排序：理理=G=G/2；但但实实=10-310-4 G/2；刚性移动模型失败，应有更省力的方刚性移动模型失败，应有更省力的方式式 位错学说的产生位错学说的产生 二二 滑移机制滑移机制根据原子刚性移动模型根据原子刚

13、性移动模型,依虎克定律依虎克定律：位错学说位错学说滑移滑移台阶台阶完整晶体完整晶体有缺陷晶体有缺陷晶体 1 滑移的本质：滑移的本质：位错学说：位错学说：晶体内部存在某类缺陷晶体内部存在某类缺陷位错位错 塑性变形依靠位错的逐步运动。非单个塑性变形依靠位错的逐步运动。非单个位错原子列作原子间距的完整跳跃，而是位错原子列作原子间距的完整跳跃，而是位错中心附近少数原子作远小于原子间距位错中心附近少数原子作远小于原子间距的弹性偏移实现的弹性偏移实现 实实 理理的原因的原因 实际金属强度远小于理想结构金属强度。实际金属强度远小于理想结构金属强度。2 滑移过程中存在位错增殖滑移过程中存在位错增殖 背景背景:

14、退火态退火态位错位错1010m-2；冷变形冷变形:位错位错10151016m-2；位错增殖学说位错增殖学说DD位错源位错源弓出弓出蜷曲蜷曲DD位错环位错环位错源位错源下图为下图为Frank-Read位错源增殖机制位错源增殖机制弗兰克弗兰克-瑞德源机制演示瑞德源机制演示本片选自西安交大范群成先生作品本片选自西安交大范群成先生作品在此表示感谢！在此表示感谢！意义：引起滑移的位错并不消失反而增殖意义：引起滑移的位错并不消失反而增殖 位错位错；位错强化位错强化 3 位错在运行中产生交割与塞积，位错密位错在运行中产生交割与塞积，位错密度愈高，交割与塞积愈严重。度愈高，交割与塞积愈严重。不在同一滑移面上的

15、位错相遇产生割阶不在同一滑移面上的位错相遇产生割阶 运行阻力运行阻力 位错之间互为阻力位错之间互为阻力 位错位错使使、HB 的主要原因的主要原因 杂质、晶界、固定位错阻碍位错运行杂质、晶界、固定位错阻碍位错运行，导致位错塞积导致位错塞积三三 孪生孪生1 定义：定义：晶体在切应力下其一部分沿一定的晶面晶体在切应力下其一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分作均匀切变。和晶向相对于另一部分作均匀切变。孪晶带孪晶带孪生面孪生面孪生面孪生面2 孪生特点：孪生特点：孪生前后变形部分晶体位向改变，两部孪生前后变形部分晶体位向改变，两部分之间以孪生面为镜面对称。分之间以孪生面为镜面对称。切变区域内与孪晶面平行

16、的每层原子的切变区域内与孪晶面平行的每层原子的切变量与它距孪晶面的距离呈正比，相切变量与它距孪晶面的距离呈正比，相邻原子间的相对位移为原子间距的分数邻原子间的相对位移为原子间距的分数倍；倍；存在临界分切应力存在临界分切应力:孪孪 滑滑 变形速度极快，声响，变形量小。变形速度极快，声响，变形量小。四四 影响塑性变形方式的因素影响塑性变形方式的因素（1）晶体结构）晶体结构 滑滑 单晶体单晶体 原因：原因：晶界阻碍位错运动；晶界阻碍位错运动；位向差位向差晶粒之间须协调晶粒之间须协调 意义：意义：晶界强化晶界强化金属材料强化机制之一金属材料强化机制之一 霍耳霍耳配奇公式：配奇公式：s 0Kd-1/2二

17、二 合金塑性变形特点合金塑性变形特点连续网状连续网状塑性相塑性相脆性相脆性相 溶质原子阻碍变形：溶质原子阻碍变形：第二相：第二相：与第二相的强塑性、大小、形与第二相的强塑性、大小、形态、分布等有关。态、分布等有关。固溶强化固溶强化 第二相塑性优于基体，则：第二相塑性优于基体，则：而而；硬脆相：硬脆相：分布合理，则分布合理，则 阻碍位错阻碍位错 不合理不合理，则，则 不能塑变不能塑变 应力集中应力集中 开裂开裂 、ak甚至甚至 第二相强化，弥散强化第二相强化，弥散强化位错与第二相粒子的交互作用位错与第二相粒子的交互作用 切过机制切过机制本片选自西安交大范群成先生作品本片选自西安交大范群成先生作品

18、在此表示感谢！在此表示感谢！位错与第二相粒子的交互作用位错与第二相粒子的交互作用 绕过机制绕过机制本片选自西安交大范群成先生作品本片选自西安交大范群成先生作品在此表示感谢！在此表示感谢！5-4 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 一一 塑性变形对组织结构影响塑性变形对组织结构影响 1 晶粒变形晶粒变形：等轴状：等轴状拉长拉长 形成纤维组织、带状组织。形成纤维组织、带状组织。性能各向异性性能各向异性原因：原因：位错受阻后塞积、缠结位错受阻后塞积、缠结亚晶界亚晶界 晶粒分化为许多位向略有差异的小晶块晶粒分化为许多位向略有差异的小晶块 变形中的晶粒碎化。变形中的晶粒碎化。晶

19、格较完整晶格较完整的亚晶块的亚晶块严重畸变区严重畸变区2 亚结构的细化亚结构的细化 铸态位错密度铸态位错密度 d =10-2 cm；塑变后位错密度塑变后位错密度d =10-410-6 cm3 产生形变织构产生形变织构 定义定义：金属塑性变形到很大程度金属塑性变形到很大程度(70%)时，晶粒发生转动，各晶粒的位向时，晶粒发生转动，各晶粒的位向趋于一致，这种有序化的结构趋于一致，这种有序化的结构。另：铸造织构另：铸造织构 意义意义：性能各向异性：性能各向异性 不利：变形不均匀，不利：变形不均匀，“制耳制耳”现现象象获特异性能：变压器铁芯硅钢片获特异性能：变压器铁芯硅钢片100 难消除难消除须控制变

20、形量须控制变形量 二二 塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响 1 产生加工硬化产生加工硬化 定义定义：随变形度增大，金属的强硬度随变形度增大，金属的强硬度显著增高而塑韧性明显下降的现象显著增高而塑韧性明显下降的现象。原因原因：位错增殖：位错增殖 意义：意义：强化手段强化手段形变强化；形变强化；有利于有利于塑性变形均匀塑性变形均匀进行进行 有利于金属构件的工作有利于金属构件的工作安安全性全性 不利：再变形难；不利：再变形难；加工硬化态加工硬化态(=10111012cm-2)s 位错位错 退火态退火态 (=106108cm-2)理论强度值理论强度值金属须金属须 解决办法：冷加工之间的再

21、结晶退火解决办法：冷加工之间的再结晶退火 第一类内应力第一类内应力宏观内应力宏观内应力 工件不同部位工件不同部位 第二类内应力第二类内应力微观内应力微观内应力 晶粒之间或内部不同区域晶粒之间或内部不同区域2 产生残余应力产生残余应力 第三类内应力第三类内应力点阵畸变点阵畸变(位错、空位位错、空位)1%；造成变形；造成变形910%；应力集中，造成裂纹；应力集中，造成裂纹 90%；强度；强度、塑性、塑性原因原因消除方法：消除方法：去应力退火去应力退火残余应力的应用：残余应力的应用：喷丸处理喷丸处理提高强度提高强度拉拉 s 压压压压拉拉S3 性能出现方向性性能出现方向性 形变织构，形变织构，70%4 其它性能的影响其它性能的影响 物理物理：电阻：电阻，导电、导磁性，导电、导磁性 化学化学：化学活性：化学活性，耐蚀性，耐蚀性 消除：消除：去应力退火去应力退火 三三 合金中的强化方式合金中的强化方式 1 晶界强化晶界强化 定义：通过细化晶粒，增加晶界，提定义：通过细化晶粒，增加晶界，提高材料强度的方法。高材料强度的方法。特点：特点：强化程度与晶粒大小有关：强化程度与晶粒大小有关：d,霍耳霍耳 配奇关系式：配奇关系式：s=0+kd-1/2；是唯一同时提高是唯一同时提高、ak、的机制的机制 只适于常温条件只适于常温条件 2 固溶强化；固溶强化；3 位错强化；位错强化；4 第二相强第二相强化化