金屬學(xué)變形物理基礎(chǔ)

1、University Of Science and Technology BeijingUSTB本課程講授的主要內(nèi)容：本課程講授的主要內(nèi)容：相變規(guī)律、位錯及擴散相變規(guī)律、位錯及擴散晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)變形物理基礎(chǔ)變形物理基礎(chǔ)軋制過程的金屬學(xué)原理軋制過程的金屬學(xué)原理University Of Science and Technology BeijingUSTB2變形物理基礎(chǔ)變形物理基礎(chǔ)切應(yīng)力及滑移加工硬化與孿生扭折帶和形變帶復(fù)相合金的塑性形變織構(gòu)與殘余內(nèi)應(yīng)力影響冷形變金屬微觀組織的因素University Of Science and Technology BeijingUSTB3 材料的強度和塑性

2、是兩個重要的力學(xué)性能，它決定了零構(gòu)件的加工成形的工藝性能，同時又是零構(gòu)件的重要使用性能。材料的力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)敏感的，它和材料的組織和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，如晶體缺陷密度。塑性形變的主要機制是滑移，滑移的臨界分切應(yīng)力可作為起始塑性形變切應(yīng)力的估計，它取決于位錯源開動所需的力以及位錯運動所需克服的P-N力等阻力。起始塑性形變所需要的切應(yīng)力越高，晶體材料的屈服強度越高。研究金屬形變的意義University Of Science and Technology BeijingUSTB4 位錯核心結(jié)構(gòu)對晶體的塑性變形影響很大。只有位錯核心在滑移面上是二維分布的場合，例如FCC及HCP在基面滑移的金屬，才遵守S

3、chmid定律，且臨界分切應(yīng)力與溫度的相關(guān)性不大。位錯核心不在滑移面二維分布時，如BCC螺位錯核心以及HCP在棱柱面滑移的螺位錯的核心作非共面擴展，這時偏離Schmid定律，并且臨界分切應(yīng)力與溫度的相關(guān)性很大。臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力University Of Science and Technology BeijingUSTB5位錯核心結(jié)構(gòu)對塑性變形的影響螺位錯核心的非共面擴展的難易c與溫度的關(guān)系c對溫度不敏感 c對溫度敏感能量c對溫度的相關(guān)性及對應(yīng)的位錯能示意圖University Of Science and Technology BeijingUSTB6兩個或多個滑移面共同按1個滑移方

4、向滑移稱交滑移交滑移。交滑移形成的滑移線（帶）是折線形狀。交滑移不是幾個面“同時”，而是“順序”滑動。 對低層錯能材料，位錯很難交滑移，位錯運動是平面型的，稱平面滑動。對高層錯能材料，位錯容易交滑移，滑移線呈波紋狀，稱波紋滑動。交滑移容易與否，對材料的應(yīng)變硬化有很大的影響。層錯能越低，位錯不易通過交滑移越過遇到的障礙，從而加大了應(yīng)變硬化。交滑移交滑移University Of Science and Technology BeijingUSTB7多系滑移多系滑移 當(dāng)外力的取向使2個或多個滑移系上的分切應(yīng)力均達(dá)到臨界分切應(yīng)力值時，這些滑移系可以同時開動而發(fā)生多系滑移。以fcc結(jié)構(gòu)為例討論力軸在不

5、同取向下發(fā)生的多系滑移。fcc結(jié)構(gòu)的(001)標(biāo)準(zhǔn)極射赤面圖-滑移系的尋找方法把3個001面的極點標(biāo)為w，把6個滑移方向的極點分別標(biāo)上I、II、III、IV、V、VI；把4個111滑移面分別標(biāo)上A、B、C、D記號。則一滑移系可表示為:BIVUniversity Of Science and Technology BeijingUSTB8開動的具體滑移系及數(shù)目與力軸的關(guān)系：三角形內(nèi)：個；邊上：個；次軸上：個；三次軸上：個；次軸上：個；University Of Science and Technology BeijingUSTB9 發(fā)生多系滑移時，在拋光表面看到不止一組的滑移線，而是兩組或多組交

6、叉的滑移線。由于多個滑移系開動，位錯交截產(chǎn)生割階及位錯帶著割階運動等原因使位錯運動阻力增加，因而強度也增加。外力軸處于只有1個滑移系開動的取向，材料的強度是比較低的，這樣的取向稱為軟取向；外力軸處于易多滑移的取向稱為硬取向。University Of Science and Technology BeijingUSTB10臨界分切應(yīng)力與溫度間的關(guān)系臨界分切應(yīng)力與溫度間的關(guān)系 長程交互作用引起的阻力隨溫度的變化是很小的。對于如位錯和林位錯相截形成割階或帶著割階滑動等短程交互作用引起的阻力，因為這些過程只涉及幾個原子間距，熱激活對這些過程會有很大作用。溫度上升使這些過程易于進行，所以臨界分切應(yīng)力隨

7、溫度上升而降低。當(dāng)溫度高時，熱激活提供足夠的能量，使得臨界分切應(yīng)力不再隨溫度變化。鎘單晶基面滑移 鎂單晶University Of Science and Technology BeijingUSTB11單晶體的應(yīng)力單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及加工硬化應(yīng)變曲線及加工硬化加工硬化現(xiàn)象：材料加工時強度和硬度隨應(yīng)變加大而增加；應(yīng)力-應(yīng)變曲線：是定量描述加工硬化性質(zhì)的依據(jù)。真應(yīng)變與工程應(yīng)變曲線的差異University Of Science and Technology BeijingUSTB12加工硬化理論加工硬化理論多種機制：(1)位錯滑動和林位錯交割，增加阻力。(2)林位錯使F-R源產(chǎn)生割階，帶割階

8、的位錯運動阻力加大。(3)形成的L-C不動位錯增大了形變的抗力。(4)由局部應(yīng)力場（短程交互作用）引起硬化。影響加工硬化行為的因素內(nèi)部因素晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向或織構(gòu)、堆垛層錯能、化學(xué)成分、顯微組織的幾何形狀和尺寸以及位錯亞結(jié)構(gòu)。外部因素溫度、應(yīng)變速率、形變模式。University Of Science and Technology BeijingUSTB13單晶應(yīng)力單晶應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線它是定量描述加工硬化性質(zhì)的依據(jù)。前提：初始取向下只有1個滑移系開動。單晶 多晶University Of Science and Technology BeijingUSTB14第I階段，斜率很低（10-4

9、G），-易滑移階段。該階段終止在應(yīng)變約處。第II階段，線性特征，斜率比第I階段約大30倍，它與試樣相對于力軸的取向、溫度甚至合金度等關(guān)系不大，-線性硬化階段。分為三個階段：第III階段，拋物線；加工硬化率減少。-拋物線(動態(tài)回復(fù))階段。在應(yīng)變處開始，與試驗溫度有關(guān)。FCC單晶典型的t-g曲線University Of Science and Technology BeijingUSTB15影響因素：第I,II和III階段存在范圍的大小取決于金屬的純度、形變溫度（和形變速度）、晶體的原始取向、晶體的大小和形狀等因素。溫度很低時第III階段會消失。金屬越純，第I階段越短，但1變化不大。力軸相對于晶

10、體是軟取向時（單滑移時），第I階段比較長，并且1 較??；力軸為硬取向時，特別在取向三角形靠近111和001邊上時， 1較大。力軸取向?qū)I也有類似影響，但不如對1的影響大。形變溫度越低，第I、II階段越長，但1和II與溫度無關(guān)。第階段開始時的應(yīng)力tIII對溫度非常敏感，溫度越高，tIII越小。形變速率的影響和溫度的影響相反，降低溫度的影響相當(dāng)于增加形變速率的影響。University Of Science and Technology BeijingUSTB16箭頭為第三階段開始的位置，注意層錯能的影響。University Of Science and Technology BeijingU

11、STB17形變溫度對應(yīng)力應(yīng)變曲線三階段的影響University Of Science and Technology BeijingUSTB18上下屈服點效應(yīng)如果體心立方金屬含有微量的如碳、氮等間隙原子，不論它是單晶體或多晶體，它的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都會出現(xiàn)一個上屈服點和下屈服點。原因：溶質(zhì)氣團；University Of Science and Technology BeijingUSTB19對性能的影響:工件表面質(zhì)量;呂德斯帶;低碳鋼的拉伸曲線防止方法:去除C，N(IF鋼)；預(yù)變形使位錯擺脫釘扎。University Of Science and Technology BeijingUSTB2

12、0形變孿生形變孿生研究的意義：形變的另一種機制；在HCP金屬中尤其重要；孿生現(xiàn)象/孿晶-對稱孿晶特點：原子排列以某一晶面成鏡面對稱。孿晶形成過程：形變、晶體生長、退火及相變。(a)天然石英的孿晶的外形，(b)沿圖中方解石體對角線加壓力形成的孿晶。University Of Science and Technology BeijingUSTB21宏觀外形看不出孿生或?qū)ΨQ關(guān)系微觀原子排列顯示出孿生關(guān)系University Of Science and Technology BeijingUSTB22面心立方晶體孿晶的高分辨率電鏡照片-實驗證實University Of Science and Te

13、chnology BeijingUSTB23孿生和滑移的差別：孿生和滑移的差別：(1)滑移使滑移面兩側(cè)相對滑動一個完整的平移矢量（柏氏矢量），而孿生則在孿晶內(nèi)所有的面都滑動，滑動的距離并非是完整的平移矢量，每個面的滑動量和距孿生面的距離成正比。(2)滑移后整個晶體的位向沒有改變，而孿生則使孿晶部分的位向與基體成對稱。(3)滑移使表面出現(xiàn)臺階（滑移線），表面重新拋光后，滑移線消失；孿生則使表面出現(xiàn)浮凸，因?qū)\晶與基體的取向不同，表面重新拋光后并浸蝕后仍能看到。孿生 滑移University Of Science and Technology BeijingUSTB24鋅形變組織 (a)拋光后變形；

14、滑移、孿生都可看到； (b)再拋光并浸蝕；滑移看不見，孿晶仍存在；University Of Science and Technology BeijingUSTB25一些合金的孿生元素注意：切變后要保持原子對稱的關(guān)系、同時晶體結(jié)構(gòu)又不能改變，孿生只能在特定面和方向進行。University Of Science and Technology BeijingUSTB26孿生的一般特點(1)出現(xiàn)的頻率和尺寸取決于晶體結(jié)構(gòu)和層錯能的大小。(2)常在高應(yīng)力集中處形核，出現(xiàn)孿生時s-e曲線有突然下降。Cu-Si合金中的層錯和孿晶fcc(a)Cd；(b)Au-Ag合金；University Of Scie

15、nce and Technology BeijingUSTB27(3)根據(jù)孿晶幾何的分析，孿生區(qū)域應(yīng)由2個與基體共格的孿生面為邊界。非共格孿晶界孿生導(dǎo)致裂紋(4)由孿生提供的形變量是很小的，特別是在六方結(jié)構(gòu)晶體中。University Of Science and Technology BeijingUSTB28扭折帶和形變帶扭折帶和形變帶扭折：塑性形變的一種形式。出現(xiàn)條件:滑移和孿生困難時發(fā)生。壓縮方向平行于滑移面，不容易滑移的，為松弛外力，局部晶格繞某軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)而形成扭折。在扭折帶中包含大量不均勻堆積的滑移位錯，在扭折面K兩邊的滑移線雖然是鏡面對稱的，但晶格卻并非是對稱的。鎘單晶體壓縮時出

16、現(xiàn)扭折帶外貌及示意圖University Of Science and Technology BeijingUSTB29鋅單晶在拉伸形變時出現(xiàn)的扭折帶外貌和描述扭折帶的示意圖。University Of Science and Technology BeijingUSTB30形變帶：晶粒局部轉(zhuǎn)動使晶體從單一的取向分裂成兩種互補的取向的局部區(qū)域。形變前的單晶相對于模子的取向是：001平行于壓縮軸方向，110和110分別平行于槽的縱向(X1)和槽的橫向(X3)。70%壓縮后，晶體取向以X3軸相對轉(zhuǎn)動分裂成兩種取向：一種是(112)面平行于壓縮面，111平行于X1軸，另一種是(112)面平行于壓縮面

17、，111平行于X1軸。鋁單晶Channel Die壓縮時形成形變帶University Of Science and Technology BeijingUSTB31 形變帶和扭折帶都是在特殊條件下滑移的表現(xiàn)，它們都是因形變形成取向與晶體其余部分不同的區(qū)域，在它們的邊緣并不是晶界，它有一定的寬度，是取向逐漸過渡的區(qū)域，稱這個過渡的邊界為過渡（Transition Band）。形變鋁中的過渡帶University Of Science and Technology BeijingUSTB32在很多立方系結(jié)構(gòu)金屬形變時都觀察到形變帶，但在六方結(jié)構(gòu)金屬形變時卻很少出現(xiàn)形變帶。鎂合金形變時易出現(xiàn)切變帶

18、，隨后的形變集中在切變帶內(nèi)；過度的切動造成裂紋的形成。University Of Science and Technology BeijingUSTB33形變織構(gòu)形變織構(gòu)織構(gòu)(擇優(yōu)取向)的概念：多晶體晶粒取向集中分布在某一個或某些取向附近的現(xiàn)象。晶粒取向隨機分布晶粒取向擇優(yōu)分布各向異性多晶體、各向異性、晶粒取向的關(guān)系University Of Science and Technology BeijingUSTB34出現(xiàn)織構(gòu)的原因： 形變總是在取向有利的滑移系和孿生系上發(fā)生，結(jié)果使得形變后晶體的取向并非是任意的。隨著形變進行，各晶粒的取向會逐漸轉(zhuǎn)向某一個或多個穩(wěn)定的取向，這些穩(wěn)定的取向取決于金屬

19、材料的晶體結(jié)構(gòu)及形變方式。例：拉伸時，滑移方向力圖與力軸平行，應(yīng)是；兩個同時開動時可以是；孿生時則有一固定轉(zhuǎn)動關(guān)系，如FCC是72o，HCP是o；都導(dǎo)致取向擇優(yōu)。University Of Science and Technology BeijingUSTB35晶體取向的描述晶體取向：指晶體的3個晶軸在給定參考坐標(biāo)系內(nèi)的相對方位。1個晶軸的方向在坐標(biāo)系中由3個變量（晶軸單位矢量在3個坐標(biāo)軸的分量）確定。3個晶軸共有九個參量，但這9個參量并非完全獨立的。例如，單位矢量在3個坐標(biāo)軸的分量的平方和等于1，這樣就有3個約束條件；另外，晶系的3個晶軸之間也有確定的關(guān)系，例如立方系3個晶軸相互垂直，這樣它

20、們也有3個約束條件。所以只需3個獨立的參數(shù)就可以描述晶體的取向。University Of Science and Technology BeijingUSTB36復(fù)相合金的塑性形變復(fù)相合金的塑性形變?nèi)Q于基體的性能及第二相的性質(zhì)、數(shù)量、形狀和分布。當(dāng)兩個相的塑性較好時，一般有兩種近似處理方法：(1)設(shè)兩相具有同樣的應(yīng)變，設(shè)兩相具有同樣的應(yīng)變，s1和和s2必不同，平均應(yīng)力為：必不同，平均應(yīng)力為：(2)設(shè)兩相應(yīng)力相同，應(yīng)變設(shè)兩相應(yīng)力相同，應(yīng)變e1和和e2必不同，平均應(yīng)變?yōu)椋罕夭煌骄鶓?yīng)變?yōu)椋篣niversity Of Science and Technology BeijingUSTB37 實

21、際上，這兩種假設(shè)都不完全正確。形變過程中各晶粒中的形變已是極不均勻的，第二相的存在更加大了這種不均勻性，所以，第一種應(yīng)變相同的假設(shè)與實際不符；按第二種應(yīng)力相同的假設(shè)，兩相間應(yīng)變必不連續(xù)分布，則在界面處會出現(xiàn)裂縫，這也是和實際不符。實際情況是，形變總是從較弱的相開始，隨著形變量的增加，在某些界面處的應(yīng)力集中導(dǎo)致較硬的相形變。在形變過程要求跨過相界面的應(yīng)力和應(yīng)變都要保持連續(xù)性。University Of Science and Technology BeijingUSTB38另一相是脆性相，則除兩相的相對量外，脆性相的形狀和分布對合金塑性起重大作用。三種情況：(1)脆性相連續(xù)地沿塑性相晶界分布；(2)脆性相不連續(xù)地分布在塑性相的晶界上；(3)脆性相不連續(xù)地分布在塑性相內(nèi)。實例：Bi在Cu、Au中的膜狀分布；Fe3C在鋼中的網(wǎng)狀分布；硬粒子周圍的高形變區(qū)University Of Science and Technology BeijingUSTB39形變后的殘余內(nèi)應(yīng)力形變后的殘余內(nèi)應(yīng)力金屬形變時，外力作功的大部分以熱的形式散掉，只有一小部分（約10%15%）以殘余內(nèi)應(yīng)力的方式儲存在形變金屬中（稱儲存能），