工程材料学第06章塑变

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1、单 晶 体 的 塑 性 变 形 多 晶 体 的 塑 性 变 形 变 形 后 金 属 的 回 复 与 再 结 晶金 属 的 热 塑 性 变 形 一 、 变 形 过 程 中 的 几 个 概 念1. 变 形 ： 物 体 在 外 力 作 用 下 ， 形 状 或 尺 寸 发 生 变 化 的 行 为 。2. 应 力 ： 物 体 内 部 任 一 截 面 单 位 面 积 上 的 所 受 的 作 用 力 。 =F/A 同 截 面 垂 直 的 称 为 “ 正 应 力 ” 或 “ 法 向 应 力 ” ， 正 应 力 通 常 引 起 材 料 的 断 裂 。 同 截 面 相 切 的 称 为 “ 剪 应 力 ” 或 “

2、切 应 力 ” ， 切 应 力 通 常 引 起 材 料 的 变 形 。3. 应 变 ： 物 体 发 生 变 形 的 长 度 除 以 原 始 长 度 。 =l/l 04. 塑 性 变 形 ： 材 料 在 外 力 作 用 下 ， 发 生 的 永 久 变 形 。 在 应 力 低 于 弹 性 极 限 e时 ，材 料 发 生 的 变 形 为 弹 性 变 形 ；应 力 在 e到 b之 间 将 发 生 的 变形 为 均 匀 塑 性 变 形 ； 在 b之 后将 发 生 颈 缩 ； 在 K点 发 生 断 裂 。 弹 性 变 形特 点 ： 服 从 虎 克 定 律 ， 及 应 力 与 应 变 成 正 比 , =E

3、实 质 ： 弹 性 变 形 的 实 质 是 ： 在 应 力 的 作 用 下 ， 材 料 内 部 的 原 子 偏 离 了平 衡 位 置 ， 但 未 超 过 其 原 子 间 的 结 合 力 。 晶 格 发 生 了 伸 长 (缩 短 )或 歪 扭 。 原 子 的 相 邻 关 系 未 发 生 改 变 ， 故 外 力 去 除 后 ， 原 子 间 结 合 力 便 可 以 使 变 形 完 全 恢 复 。 s e 不 能 恢 复 的 永 久 性 变 形 叫塑 性 变 形 。 当 应 力 大 于 弹 性 极限 时 ， 材 料 不 但 发 生 弹 性 变 形 ，而 且 还 发 生 塑 性 变 形 ， 即 在 外力

4、 去 除 后 ， 其 变 形 不 能 得 到 完全 的 恢 复 ， 而 具 有 残 留 变 形 或永 久 变 形 。塑 性 变 形 定 义实 质 ： 塑 性 变 形 的 实 质 是 ： 在 应 力 的 作 用 下 ， 材 料 内 部 原 子 相 邻 关 系已 经 发 生 改 变 ， 故 外 力 去 除 后 ， 原 子 回 到 另 一 平 衡 位 置 ， 物 体 将留 下 永 久 变 形 。 s e 材 料 在 外 力 作 用 下 发 生 塑 性 变 形 的 方 式 有 ： 滑 移 、 （ 孪 生 、 蠕 变 、 流 动 ） 。 滑 移 是 晶 体 材 料 塑 性 变 形 的 基 本 方 式 。

5、 而 流 动 是 非 晶 体材 料 变 形 基 本 方 式 。 一 、 滑 移 概 念 滑 移 ： 是 指 当 应 力 超 过 材 料 的 弹 性 极 限 后 ， 晶 体 的 一 部 分 沿 一定 的 晶 面 （ 滑 移 面 ） 和 一 定 的 晶 向 （ 滑 移 方 向 ） 相 对 于 另 一 部分 发 生 整 体 滑 动 的 现 象 。 o 滑 移 面 ： 滑 移 发 生 的 晶 面 称 为 滑 移 面 ， 通 常 为 晶 体 的 最 密排 晶 面 ； 如 ： fcc 111, bcc110, hcp 001 o 滑 移 方 向 ： 滑 动 的 方 向 称 为 滑 移 方 向 ， 通 常

6、也 为 晶 体 的 最密 排 方 向 ； 如 ， fcc , bcc o 滑 移 系 ： 一 个 滑 移 面 和 该 面 上 的 一 个 滑 移 方 向 构 成 一 个 滑移 系 。 滑 移 系 愈 多 ， 塑 性 变 形 能 力 愈 大 。o 滑 移 带 ： 大 量 晶 面 的 滑 移 将 得 到 宏 观 变 形 效 果 ， 在 晶 体 的表 面 将 出 现 滑 移 台 阶 ， 这 些 滑 移 台 阶 称 为 滑 移 带 。二 、 滑 移 面 、 滑 移 方 向 与 滑 移 系 FCC （ 1） 当 一 个 晶 体 受 到 一 外 力 F作用 ， 在 某 一 晶 面 上 可 分 解 为 正

7、应 力 和 切应 力 。 正 应 力 是 应 力 的 垂 直 分 量 ， 它 直 接 引起 晶 体 的 断 裂 。 切 应 力 是 平 行 分 量 ， 引 起 晶 体 的 滑移 ， 所 以 晶 体 的 滑 移 是 由 切 应 力 引 起 的 。（ 2） 临 界 切 应 力 ： 对 于 某 一 特 定 的 滑移 面 ， 只 有 当 切 应 力 分 量 达 到 某 一 临 界应 力 时 ， 晶 体 才 发 生 滑 移 。 临 界 切 应 力与 位 向 有 关 。 单 晶 体 具 有 各 向 异 性 。 滑 移 方 向 上 的 分 切 应 力 为 ： 位 错 是 晶 体 中 的 一 种 线 缺 陷

8、， 滑 移 是 通 过 位 错 在 滑 移 面 的 运 动 来 实 现 的 ，这 是 因 为 通 过 位 错 运 动 实 现 滑 移 所 需 要 的 切 应 力 最 小 。 如 下 图 所 示 ， 当 滑 移 面 上 存 在 一 个 刃 位 错 ， 在 切 应 力 的 作 用 下 ， 上部 分 晶 体 相 对 于 下 部 分 晶 体 作 整 体 运 动 。 实 际 过 程 是 ： 滑 移 是 通 过 位 错“ 一 步 一 步 ” 向 右 移 动 。 因 为 在 这 种 情 况 下 ， 每 一 步 滑 移 面 上 的 原 子 仅 作少 许 移 动 ， 因 此 所 需 的 切 应 力 最 小 。

9、滑 移 的 结 果 是 在 晶 体 外 表 面 产 生 一 个原 子 间 距 的 台 阶 。 若 在 滑 移 面 上 存 在 大 量 位 错 ， 则 在 晶 体 表 面 产 生 客 观 滑 移 带 。 二 、 多 晶 体 的 塑 性 变 形 协 调 性 多 晶 体 是 由 众 多 取 向 不 一 的 单 晶 体 组 成 。 在 某 一 单向 外 力 作 用 下 各 晶 体 的 滑 移 面 上 的 分 切 应 力 不 同 ， 只 有 一些 达 到 临 界 切 应 力 的 滑 移 系 才 发 生 滑 移 。 由 于 晶 体 之 间 的相 互 制 约 ， 首 先 滑 移 的 晶 体 会 引 起 自

10、身 或 相 邻 晶 体 的 转 动 ，从 而 使 原 来 启 动 的 滑 移 系 偏 离 最 大 切 应 力 方 向 ， 而 停 止 滑移 。 另 一 些 原 来 不 能 启 动 的 滑 移 系 开 动 ， 进 而 使 整 个 晶 体的 塑 性 变 形 协 调 发 展 。 一 、 多 晶 体 是 各 向 同 性 三 、 晶 界 对 滑 移 的 影 响 在 单 晶 体 中 的 滑 移 是 依 靠 位 错 运 动 来 实 现 的 。 对 于 多 晶体 同 样 是 依 靠 位 错 运 动 来 完 成 塑 性 变 形 。 若 运 动 中 的 位 错 遇 到晶 界 ， 位 错 就 不 能 继 续 运 动

11、 ， 而 是 在 晶 界 处 塞 积 ， 要 使 位 错 越过 晶 界 继 续 运 动 ， 需 要 增 加 切 应 力 ， 所 以 晶 界 对 滑 移 有 阻 碍 作用 。 从 宏 观 上 看 ， 晶 界 可 提 高 晶 体 的 强 度 ， 晶 体 大 小 与 强 度 存在 著 名 的 Hall-patch（ 霍 尔 -佩 奇 ） 关 系 ： s= 0+Kd-1/2 (d为 晶 粒 直 径 )晶 体 愈 细 小 ， 晶 界 愈 多 ， 多 晶 体 的 强 度 愈 高 。 一 、 对 组 织 结 构 的 影 响 1、 组 织 纤 维 化 （ 晶 粒 变 形 ） ： 随 着 塑 性 变 形 量 增

12、 大 ， 原 来 的等 轴 晶 相 应 地 被 拉 长 或 压 扁 ， 形 成 长 条 状 或 纤 维 状 ， 使 材料 产 生 各 向 异 性 。 2、 亚 晶 粒 的 增 多 ： 塑 性 变 形 伴 随 着 大 量 位 错 产 生 ， 由 于 位 错 运 动 和 相 互 间交 互 作 用 ， 并 使 晶 粒 “ 碎 化 ” 成 许 多 位 向 略 有 差 异 的 亚 晶 块 （ 或 称 亚 晶粒 ） 。 亚 晶 界 是 由 位 错 堆 积 而 成 的 。 3、 产 生 织 构 ： 金 属 中 的 晶 粒 的 取 向 一 般 是 无 规 则 的 随 机 排 列 ， 尽 管 每 个晶 粒 是

13、各 向 异 性 的 ， 宏 观 性 能 表 现 出 各 向 同 性 。 当 金 属 经 受 大 量 (70%以 上 )的 一 定 方 向 的 变 形 之 后 ,由 于 晶 粒 的 转 动 造 成 晶 粒 取 向 趋 于 一 致 ， 形 成 了 “ 择 优 取 向 ” ， 即 某 一 晶 面 （ 晶 向 ） 在 某 个 方 向 出 现 的 几 率 明显 高 于 其 他 方 向 。 金 属 大 变 形 后 形 成 的 这 种 有 序 化 结 构 叫 做 变 形 织 构 ，它 使 金 属 材 料 表 现 出 明 显 的 各 向 异 性 。 1、 引 起 加 工 硬 化 ：随 塑 性 变 形 量 增

14、加 ， 金 属 强 度 、 硬 度 会 升 高 ， 而 塑 性 、 韧 性 会 降低 ， 这 种 现 象 称 为 加 工 硬 化 。 （ 折 铁 丝 是 一 实 例 ） 产 生 加 工 硬 化 的 原 因 ： 变 形 产 生 位 错 ， 随 着 变 形 量 增 加 ， 位 错 密 度增 高 ， 位 错 发 生 缠 结 和 在 晶 界 上 塞 积 ， 导 致 位 错 运 动 困 难 ， 从 而引 起 加 工 硬 化 。 加 工 硬 化 的 作 用 ： 强 化 材 料 的 一 种 手 段 保 持 材 料 均 匀 形 变 拉 伸 曲 线 中 的 加 工 硬 化2、 产 生 残 余 内 应 力 ：由

15、于 金 属 在 外 力 作 用 下 内 部 形 变 不 均 匀 ， 引 起 内 应 力 。 晶 体 材 料 中 存 在 三 类 内 应 力 ：（ 1） 第 一 类 内 应 力 ： 由 于 材 料 表 层 和 心 部 变 形 不 均 匀 或 这 一 部 分 和 另一 部 分 变 形 不 均 匀 ， 造 成 平 衡 于 它 们 之 间 的 宏 观 内 应 力 ， 称 为 第 一 类 内应 力 。（ 2） 第 二 类 内 应 力 ： 由 于 相 邻 晶 粒 取 向 不 同 引 起 变 形 不 均 匀 ， 或 晶 内 不同 部 位 变 形 不 均 匀 ， 会 造 成 微 观 内 应 力 ， 通 常 称

16、 为 第 二 类 内 应 力 。（ 3） 第 三 类 内 应 力 ： 由 于 位 错 等 缺 陷 的 增 加 ， 会 造 成 晶 格 畸 变 ， 通 常 也称 为 第 三 类 内 应 力 。 其 中 ， 第 三 类 内 应 力 占 绝 大 部 分 ， 这 是 使 变 形 金 属 强 化 的主 要 原 因 。 第 一 、 二 类 内 应 力 占 的 比 例 不 大 ， 内 应 力 太 高 ，会 引 起 材 料 破 坏 。 所 以 一 般 都 要 用 退 火 的 办 法 尽 量 将 内 应力 消 除 。 引 言 金 属 塑 性 变 形 后 ， 出 现 晶 粒 拉 长 ， 位 错增 多 ， 内 应

17、力 升 高 等 现 象 ， 他 们 会 引 起材 料 体 系 能 量 提 高 ， 处 于 一 个 高 能 亚 稳态 ， 有 向 低 能 态 转 变 的 倾 向 。在 加 热 过 程 中 ， 形 变 了 的 材 料 会 发 生 回复 、 再 结 晶 和 晶 粒 长 大 三 个 过 程 ， 如 右图 所 示 。回 复 、 再 结 晶 和 晶 粒 的 长 大 ， 他 们 都 是 减 少 或 消 除 结 构 缺 陷 的 过 程 。 相 应 地 ,材 料 的 结 构 和 性 能 也 发 生 对 应 变 化 。 1、 回 复 概 念经 冷 加 工 的 材 料 在 小 于 0.4Tm （ 以 K表 示 ）

18、以 下 的 温 度 保温 ， 这 时 材 料 发 生 点 缺 陷 消 失 ， 位 错 重 排 ， 内 应 力 下 降 的 过 程为 回 复 。 2、 回 复 引 起 材 料 组 织 和 性 能 变 化 l 宏 观 应 力 （ 第 一 类 应 力 ） 基 本 消 除 ，但 微 观 应 力 （ 第 二 、 第 三 类 ） 仍 然 残存 。l 力 学 性 质 ， 强 度 没 有 明 显 变 化 。 1 再 结 晶 概 念 当 加 热 温 度 达 到 0.4Tm以 上 ， 晶 粒 形 状 开始 发 生 变 化 ， 在 亚 晶 界 或 晶 界 处 形 成 了 新 的结 晶 核 心 ， 并 不 断 以 等

19、 轴 晶 形 式 生 长 ， 取 代被 拉 长 及 破 碎 的 旧 晶 粒 ， 这 一 过 程 称 为 再结 晶 。 如 右 图 所 示 。 2、 再 结 晶 引 起 的 组 织 和 性 能 变 化l 位 错 大 量 消 失 。l 新 晶 粒 形 核 和 长 大 ， 替 代 旧 晶 粒 。l 强 度 和 硬 度 明 显 下 降 ， 塑 韧 性 提 高 ， 加 工 硬 化 现 象 消 除 。 1） 再 结 晶 不 是 一 个 相 变 过 程 。 因 为 在 结 晶 前 后 的 结 构 和成 分 没 有 明 显 变 化 。 它 只 是 一 个 形 态 上 的 变 化 。 （ 物 理 过程 ） 。2

20、） 再 结 晶 没 有 一 个 确 定 的 温 度 ， 当 T0.4Tm即 可 发 生 再 结晶 过 程 。 1 长 大 驱 动 力 再 结 晶 完 成 后 ， 金 属 获 得 均 匀 细 小 的 晶 粒 ， 但 有 长 大 的 趋 势 ，因 为 长 大 有 利 于 减 少 界 面 ， 降 低 界 面 能 。 这 种 自 由 能 的 降 低 即 为 晶 粒长 大 的 驱 动 力 。 2 正 常 长 大 和 非 正 常 长 大 正 常 长 大 ： 再 结 晶 晶 粒 均 匀 长 大 。方 式 ： 相 互 兼 并 ， 组 织 均 匀 。 非 正 常 长 大 ： 一 些 晶 粒 迅 速 长 大 ，并

21、 吞 并 临 近 小 晶 粒 ， 造 成 组 织 不 均 匀 。 3 再 结 晶 晶 粒 大 小 的 影 响 因 素 （ 1） 加 热 温 度 和 时 间 ： 温 度 高 ， 时 间 长 ， 晶 粒 愈 大 。 （ 2） 原 始 形 变 量 ： 形 变 量 愈 大 ， 晶 粒 愈 大 ， 但 形 变 量 有 一 个 临 界 值 ， 当 超 过 这 一 值 后 ， 由 于 再 结 晶 核 心 增 多 ， 相 反 引 起 晶 粒 细 化 。 一 、 热 加 工 与 冷 加 工 区 别1、 概 念 冷 加 工 ： 在 再 结 晶 温 度 以 下 进 行 塑 性 变 形 热 加 工 ： 在 再 结 晶

22、 温 度 以 上 进 行 塑 性 变 形 2、 区 别 冷 加 工 ： 加 工 硬 化 ， 晶 粒 变 形 热 加 工 ： 加 工 硬 化 和 再 结 晶 过 程 同 时 发 生 ， 加 工 硬 化 消 失 3、 为 什 么 进 行 热 加 工 金 属 材 料 的 强 度 和 硬 度 会 随 温 度 的 上 升 而 下 降 ， 塑 性 会随 温 度 的 升 高 而 升 高 ， 因 此 在 较 高 的 温 度 下 进 行 塑 性 变 形 ， 材料 的 抗 力 小 ， 易 成 型 。 1、 提 高 致 密 度 ： 热 加 工 可 使 铸 件 的缩 松 和 气 泡 焊 合 ， 提 高 材 料 的 致

23、 密度 ， 提 高 材 料 性 能 。3、 形 成 合 理 的 纤 维 组 织 ： 各 种 可 变形 的 夹 杂 物 会 沿 形 变 方 向 拉 长 ， 呈流 线 分 布 ， 从 而 造 成 各 向 异 性 。 在流 线 方 向 ， 性 能 较 好 ， 而 在 垂 直 于流 线 方 向 上 性 能 相 对 较 差 （ 见 图 621） 。 2、 细 化 晶 粒 ： 热 加 工 可 以 打 碎 铸件 粗 大 的 枝 晶 和 柱 状 晶 ， 细 化 晶 粒尺 寸 。 一 、 基 本 原 理由 于 塑 性 变 形 的 本 质 是 位 错 的 滑 移 。 因 此 ， 提 高 强 度就 是 设 法 阻

24、止 位 错 运 动 。 主 要 有 以 下 几 种 途 径 ：1、 细 晶 强 化 细 化 晶 粒 依 靠 晶 界 阻 止 位 错 运 动 。 晶 粒 愈 小 ， 强 度 愈 高 。 s= 0+Kd-1/2 (Hall-patch 关 系 式 ) 2、 固 溶 强 化 形 成 固 溶 体 由 于 溶 质 原 子 与 溶 剂 原 子 在 尺 寸 和 性 质 上 的 不同 ， 固 溶 原 子 引 起 晶 格 畸 变 ， 产 生 应 力 场 阻 止 位 错 运 动 。 4、 弥 散 强 化在 基 体 中 形 成 弥 散 分 布 的 第 二 相 质 点 ， 阻 碍 位 错 运 动 。有 时 称 为 沉 淀 强 化 。 第 二 相 ： 固 溶 析 出 相 复 合 材 料 中 的 添 加 物 3、 加 工 硬 化进 行 冷 加 工 ， 使 材 料 位 错 密 度 增 加 ， 发 生 缠 结 ， 阻 碍位 错 运 动 。