材料科學(xué)基礎(chǔ)I第九章(金屬與合金的塑性變形)

1、第九章第九章 金屬與合金的塑性變形金屬與合金的塑性變形一、彈性變形與塑性變形一、彈性變形與塑性變形 金屬材料在外力作用下會發(fā)生金屬材料在外力作用下會發(fā)生變形變形。當(dāng)外力較小時(shí)變形是彈。當(dāng)外力較小時(shí)變形是彈性的，即撤去外力（卸載）后變形消失。這種可恢復(fù)的變形稱性的，即撤去外力（卸載）后變形消失。這種可恢復(fù)的變形稱為為彈性變形彈性變形。 1、彈性變形、彈性變形 彈性變形階段，彈性變形階段，應(yīng)力應(yīng)力（單位面積上承受的作用力）和（單位面積上承受的作用力）和應(yīng)變應(yīng)變（拉伸時(shí)單位長度變形量）成直線關(guān)系。這就是著名的（拉伸時(shí)單位長度變形量）成直線關(guān)系。這就是著名的虎克定虎克定律律。單向拉伸：單向拉伸： =E

2、 剪切變形：剪切變形： =G 虎克定律：虎克定律：拉應(yīng)力拉應(yīng)力伸長應(yīng)變伸長應(yīng)變E楊氏模量楊氏模量FFl0lAAF00lll 剪應(yīng)力剪應(yīng)力剪應(yīng)變剪應(yīng)變G剪切模量剪切模量3、塑性變形、塑性變形拉伸曲線拉伸曲線2、拉伸曲線、拉伸曲線 從拉伸曲線看，當(dāng)應(yīng)力超過一從拉伸曲線看，當(dāng)應(yīng)力超過一定值，應(yīng)力與應(yīng)變不再成直線關(guān)定值，應(yīng)力與應(yīng)變不再成直線關(guān)系。此時(shí)，已開始塑性變形。系。此時(shí)，已開始塑性變形。塑性變形是塑性變形是永久性變形永久性變形，外力撤去后變形也不能恢復(fù)。，外力撤去后變形也不能恢復(fù)。塑性變形常用單向拉伸時(shí)的塑性變形常用單向拉伸時(shí)的延伸率延伸率和和斷面收縮斷面收縮率表示：率表示：%10000lll%

3、10000AAA延伸率延伸率斷面收縮斷面收縮塑性變形的方式：塑性變形的方式： 宏觀上宏觀上：伸長，縮短，彎曲，扭轉(zhuǎn)，等。：伸長，縮短，彎曲，扭轉(zhuǎn)，等。微觀上微觀上： 單晶體只有單晶體只有滑移滑移和和孿生孿生二種。滑移和孿生都是剪應(yīng)變，二種?；坪蛯\生都是剪應(yīng)變，即在剪應(yīng)力作用下晶體的一部分相對于另一部分發(fā)生了平移。即在剪應(yīng)力作用下晶體的一部分相對于另一部分發(fā)生了平移。單晶鋅變形后產(chǎn)生的滑移帶單晶鋅變形后產(chǎn)生的滑移帶（采自著采自著 The Dislocation of Metal Crystals Oxfold University press,1935）動畫動畫一、滑移一、滑移1、滑移現(xiàn)象、滑

4、移現(xiàn)象2、滑移系、滑移系滑移晶面與其上面的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移晶面與其上面的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系滑移系?；泼媸亲蠲芘琶?，滑移方向也是最密排晶向?；泼媸亲蠲芘琶?，滑移方向也是最密排晶向。三種常見金屬晶體的滑移系：三種常見金屬晶體的滑移系： 滑移系數(shù)越多的晶體，塑性越好?；葡禂?shù)越多的晶體，塑性越好。BCC與與FCC都是都是12個(gè)滑移個(gè)滑移系，但是系，但是FCC的塑性要好一些。的塑性要好一些。HCP晶體的滑移系只有晶體的滑移系只有3個(gè)，個(gè)，所以，塑性較差。所以，塑性較差。3、滑移的臨界分切應(yīng)力、滑移的臨界分切應(yīng)力Schmid定律定律 當(dāng)晶體受到外力作用時(shí)，無論當(dāng)晶體受到外力作用時(shí)，無

5、論外力方向、大小和作用方式如何，外力方向、大小和作用方式如何，都可以將其分解成垂直于某一晶都可以將其分解成垂直于某一晶面（滑移面）的正應(yīng)力和沿此晶面（滑移面）的正應(yīng)力和沿此晶面的切應(yīng)力。面的切應(yīng)力。如圖：如圖：coscoscoscoscoscosAPAP式中式中cos cos稱為稱為取向因子取向因子，或，或Schmid因子。因子。 當(dāng)當(dāng) = s（屈服強(qiáng)度）時(shí)，微觀上晶體開始滑移，宏觀上開（屈服強(qiáng)度）時(shí)，微觀上晶體開始滑移，宏觀上開始塑性變形，此時(shí)對應(yīng)著始塑性變形，此時(shí)對應(yīng)著 = c。 c稱為臨界分切應(yīng)力稱為臨界分切應(yīng)力。其大小。其大小取決于結(jié)合鍵特征、晶體結(jié)構(gòu)類型、純度、溫度等因素。取決于結(jié)合

6、鍵特征、晶體結(jié)構(gòu)類型、純度、溫度等因素。coscossc 對于一定的晶體，對于一定的晶體， c為定值。取向因子為定值。取向因子cos cos的值越大，的值越大，則則s越小，晶體越容易滑移。當(dāng)越小，晶體越容易滑移。當(dāng)和和都接近都接近45時(shí)，取向因子時(shí)，取向因子cos cos=0.5(極大值極大值)， s最小，晶體最容易滑移。此位向稱最小，晶體最容易滑移。此位向稱為為軟位向軟位向。同理，。同理， 90則稱為則稱為硬位向硬位向，此時(shí)，此時(shí)s趨近于無窮大。趨近于無窮大。一些金屬單晶體的臨界分切應(yīng)力一些金屬單晶體的臨界分切應(yīng)力c金屬金屬晶體晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)純度純度%滑移系滑移系c(MN/m2)AlCuNiF

7、CC-99.999.81111100.790.493.247.17FeNbBCC99.96-110，11211111011127.4433.80MgTiHCP99.9599.99（0001）11-2010-1011-200.8113.70 右圖為右圖為Mg單晶拉伸時(shí)，與晶單晶拉伸時(shí)，與晶體取向的關(guān)系，曲線為計(jì)算結(jié)果，體取向的關(guān)系，曲線為計(jì)算結(jié)果，圓點(diǎn)為實(shí)測值，兩者非常一致。圓點(diǎn)為實(shí)測值，兩者非常一致。4、滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動、滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動 隨著滑移進(jìn)行，不僅滑移面轉(zhuǎn)動，滑移方向也在旋轉(zhuǎn)，故晶隨著滑移進(jìn)行，不僅滑移面轉(zhuǎn)動，滑移方向也在旋轉(zhuǎn)，故晶體的位向在不斷改變。原來處于軟位向的滑移系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

8、硬體的位向在不斷改變。原來處于軟位向的滑移系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛参幌颍◣缀斡不瓉淼奶幱谟参幌虻幕葡祫t可能逐步位向（幾何硬化），而原來的處于硬位向的滑移系則可能逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檐浳幌颍◣缀诬浕Ｒ虼?，轉(zhuǎn)變?yōu)檐浳幌颍◣缀诬浕?。因此，單晶體的滑移是在不同的單晶體的滑移是在不同的滑移系之間相互轉(zhuǎn)化的滑移系之間相互轉(zhuǎn)化的。5、多滑移和交滑移、多滑移和交滑移 若有二組或幾組滑移系同時(shí)處于軟位若有二組或幾組滑移系同時(shí)處于軟位向，則可以同時(shí)進(jìn)行滑移，這就是向，則可以同時(shí)進(jìn)行滑移，這就是多滑多滑移移。 發(fā)生多滑移時(shí)，發(fā)生多滑移時(shí)，在晶體表面可以看在晶體表面可以看到二組或多組交叉到二組或多組交叉的滑移線。的滑移線

9、。二、孿生（晶）二、孿生（晶） 孿生孿生通常是在晶體通常是在晶體難以滑移時(shí)而發(fā)生的難以滑移時(shí)而發(fā)生的另一種另一種塑性變形方式塑性變形方式。密排六方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)的金屬，如的金屬，如Zn，Cd，Mg等常常以孿生方等常常以孿生方式進(jìn)行塑性變形。式進(jìn)行塑性變形。 BCC和和FCC結(jié)構(gòu)的金屬在變形溫度很低、變形速度很快時(shí)，結(jié)構(gòu)的金屬在變形溫度很低、變形速度很快時(shí)，也會通過孿生方式進(jìn)行塑性變形。也會通過孿生方式進(jìn)行塑性變形。1、孿生的晶體學(xué)、孿生的晶體學(xué) 晶體的孿生面和孿晶體的孿生面和孿生方向與其晶體結(jié)構(gòu)生方向與其晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。類型有關(guān)。BCC：FCC：HCP：圖示說明：版面為圖示說明：

10、版面為 晶面，孿晶面為晶面，孿晶面為(111)晶面，兩面交線晶面，兩面交線為孿生方向?yàn)閷\生方向 。孿生變形時(shí)，變形區(qū)域作均勻切變，每層。孿生變形時(shí)，變形區(qū)域作均勻切變，每層(111)面相對其相鄰晶面沿面相對其相鄰晶面沿 方向移動距離方向移動距離小于一個(gè)原子間距小于一個(gè)原子間距。孿晶面兩側(cè)呈鏡面對稱孿晶面兩側(cè)呈鏡面對稱。 )( 2、孿生變形的特點(diǎn)、孿生變形的特點(diǎn)孿生與滑移的差別孿生與滑移的差別：孿生使一部分晶體發(fā)生了均勻切變，而滑移只集中在一些滑移孿生使一部分晶體發(fā)生了均勻切變，而滑移只集中在一些滑移 面上進(jìn)行；面上進(jìn)行；孿生后晶體的變形部分的位向發(fā)生了改變，而滑移后晶體各部孿生后晶體的變形部分

11、的位向發(fā)生了改變，而滑移后晶體各部 分位向均未改變；分位向均未改變；孿生面、孿生方向與晶體孿生面、孿生方向與晶體 結(jié)構(gòu)有關(guān)；結(jié)構(gòu)有關(guān)；孿生的應(yīng)力孿生的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變曲線與 滑移的不同，有鋸齒狀波動?；频牟煌袖忼X狀波動。 孿生對塑性變形的直接貢獻(xiàn)比滑孿生對塑性變形的直接貢獻(xiàn)比滑移小得多，但孿生改變了晶體位向，移小得多，但孿生改變了晶體位向，使硬位向的滑移系轉(zhuǎn)到軟位向，利使硬位向的滑移系轉(zhuǎn)到軟位向，利于滑移的進(jìn)行。于滑移的進(jìn)行。多晶銅試樣拉伸后形成的滑多晶銅試樣拉伸后形成的滑移帶移帶, , 173 ( (采自采自C.Brady,美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局) )。 實(shí)際使用的絕

12、大多數(shù)金屬都是多實(shí)際使用的絕大多數(shù)金屬都是多晶體。多晶體的基本變形方式與單晶體。多晶體的基本變形方式與單晶體相同：晶體相同：滑移，孿生滑移，孿生。 區(qū)別在于區(qū)別在于晶界對位錯運(yùn)動有阻礙晶界對位錯運(yùn)動有阻礙作用作用，不同晶粒之間的位向不同不同晶粒之間的位向不同。晶界的影響晶界的影響晶界強(qiáng)化晶界強(qiáng)化1、位錯塞積、位錯塞積 位錯運(yùn)動受到晶界的阻礙將在晶界處造成塞積。位錯的應(yīng)力場位錯運(yùn)動受到晶界的阻礙將在晶界處造成塞積。位錯的應(yīng)力場疊加，造成應(yīng)力集中。位錯運(yùn)動受阻，塑性變形需要更大的外力疊加，造成應(yīng)力集中。位錯運(yùn)動受阻，塑性變形需要更大的外力才能進(jìn)行，結(jié)果使多晶體材料的屈服強(qiáng)度增高。才能進(jìn)行，結(jié)果使多

13、晶體材料的屈服強(qiáng)度增高。 隨位錯數(shù)量增加，應(yīng)力集中隨位錯數(shù)量增加，應(yīng)力集中加劇，在外加切應(yīng)力的共同作加劇，在外加切應(yīng)力的共同作用下，相鄰晶粒的滑移啟動。用下，相鄰晶粒的滑移啟動?；瓶梢栽诓煌ЯＶg交替滑移可以在不同晶粒之間交替進(jìn)行。晶粒越細(xì)小，發(fā)生滑移進(jìn)行。晶粒越細(xì)小，發(fā)生滑移的晶粒數(shù)越多，總的塑性變形的晶粒數(shù)越多，總的塑性變形量越大。所以，量越大。所以，細(xì)化晶粒不僅細(xì)化晶粒不僅可以提高強(qiáng)度，而且還可以提可以提高強(qiáng)度，而且還可以提高塑性高塑性。2、強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系、強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系Hall-Petch公式公式21Kdisi 和和K是與材料有關(guān)的兩個(gè)常數(shù)，是與材料有關(guān)的兩個(gè)常數(shù)，d是

14、晶粒直徑。是晶粒直徑。d 越小，越小， s 越大。越大。此關(guān)系式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值此關(guān)系式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值非常吻合。非常吻合。 由于晶界阻礙位錯運(yùn)動，晶界處由于晶界阻礙位錯運(yùn)動，晶界處變形困難而出現(xiàn)竹節(jié)狀。變形困難而出現(xiàn)竹節(jié)狀。一、塑性變形對金屬組織的影響一、塑性變形對金屬組織的影響顯微組織的變化顯微組織的變化晶粒中出現(xiàn)大量的滑移帶或?qū)\晶帶；晶粒中出現(xiàn)大量的滑移帶或?qū)\晶帶；晶粒形狀由原來的等軸晶沿變形方向伸長；晶粒形狀由原來的等軸晶沿變形方向伸長；晶粒破碎，形成亞晶粒；晶粒破碎，形成亞晶粒；形成纖維組織；形成纖維組織；位錯密度劇增，出現(xiàn)位錯纏結(jié)，產(chǎn)生胞狀亞結(jié)構(gòu)。位錯密度劇增，出現(xiàn)位錯纏結(jié)

15、，產(chǎn)生胞狀亞結(jié)構(gòu)。隨著變形量增隨著變形量增大，銅的顯微大，銅的顯微組織的變化組織的變化二、塑性變形對金屬性能的影響二、塑性變形對金屬性能的影響1、應(yīng)變硬化、應(yīng)變硬化 金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形，變形后硬度、強(qiáng)度升金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形，變形后硬度、強(qiáng)度升高，塑性、韌性降低的現(xiàn)象稱為高，塑性、韌性降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化，或，或加工硬化加工硬化。 原因：原因：位錯密度劇增；位錯密度劇增；晶粒破碎，晶界增多，造成晶界強(qiáng)化；晶粒破碎，晶界增多，造成晶界強(qiáng)化；1) 3) 吸收、存儲部分變形能，有殘余應(yīng)力存在。吸收、存儲部分變形能，有殘余應(yīng)力存在。2、各向異性、各向異性 當(dāng)變形量很

16、大，有纖維組織形成時(shí)，金屬出現(xiàn)各向異性。當(dāng)變形量很大，有纖維組織形成時(shí)，金屬出現(xiàn)各向異性。一、固溶體的塑性變形一、固溶體的塑性變形1、固溶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化 溶質(zhì)原子溶入基體金屬形溶質(zhì)原子溶入基體金屬形成固溶體。隨著溶質(zhì)原子含成固溶體。隨著溶質(zhì)原子含量的增加，固溶體的強(qiáng)度、量的增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度升高，塑性下降。硬度升高，塑性下降。例如：例如：Cu-Ni固溶體，右圖固溶體，右圖Mg-Al固溶體，下頁左圖固溶體，下頁左圖 不同的溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效應(yīng)是不同的，例如單晶銅中溶入不同不同的溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效應(yīng)是不同的，例如單晶銅中溶入不同的原子對臨界分切應(yīng)力的影響相差很大。見上右圖。的原子對臨界分切應(yīng)力的

17、影響相差很大。見上右圖。2、影響固溶強(qiáng)化的主要因素：、影響固溶強(qiáng)化的主要因素： 溶質(zhì)原子的濃度：溶質(zhì)原子的濃度： 溶質(zhì)原子的濃度越高強(qiáng)化作用越大，但不保持正比，低濃度時(shí)溶質(zhì)原子的濃度越高強(qiáng)化作用越大，但不保持正比，低濃度時(shí)強(qiáng)化效應(yīng)更為顯著。強(qiáng)化效應(yīng)更為顯著。 原子的相對尺寸因素：原子的相對尺寸因素： 溶質(zhì)、溶劑原子尺寸相差越大，強(qiáng)化作用越大。溶質(zhì)、溶劑原子尺寸相差越大，強(qiáng)化作用越大。 固溶體類型：固溶體類型： 置換固溶體溶劑原子強(qiáng)化作用較??；置換固溶體溶劑原子強(qiáng)化作用較小； 間隙固溶體溶劑原子強(qiáng)化作用較強(qiáng)。間隙固溶體溶劑原子強(qiáng)化作用較強(qiáng)。 電子濃度因素：電子濃度因素： 電子濃度越大，固溶強(qiáng)化作

18、用越大。電子濃度越大，固溶強(qiáng)化作用越大。二、多相合金的塑性變形二、多相合金的塑性變形 實(shí)際使用的金屬材料幾乎都是兩相或多相合金。這是因?yàn)閱蜗鄬?shí)際使用的金屬材料幾乎都是兩相或多相合金。這是因?yàn)閱蜗嗪辖痣m然能利用固溶強(qiáng)化來提高強(qiáng)度，但固溶強(qiáng)化程度畢竟是有合金雖然能利用固溶強(qiáng)化來提高強(qiáng)度，但固溶強(qiáng)化程度畢竟是有限的，遠(yuǎn)不能滿足需要，故必須進(jìn)一步以第二相或更多的相來強(qiáng)限的，遠(yuǎn)不能滿足需要，故必須進(jìn)一步以第二相或更多的相來強(qiáng)化。第二相一般是靠加入合金元素（形成金屬間化合物）并通過化。第二相一般是靠加入合金元素（形成金屬間化合物）并通過適當(dāng)?shù)臒崽幚矶纬?。適當(dāng)?shù)臒崽幚矶纬伞?多相合金的塑性變形不僅決定于

19、基體相的性質(zhì)，而且更決定于多相合金的塑性變形不僅決定于基體相的性質(zhì)，而且更決定于第二相的存在情況。第二相的存在情況。包括包括：第二相的力學(xué)性能，尺寸，形狀，數(shù)：第二相的力學(xué)性能，尺寸，形狀，數(shù)量，分布狀況；兩相之間的界面情況，如界面能、接觸角等。量，分布狀況；兩相之間的界面情況，如界面能、接觸角等。1、聚合型兩相合金的塑性變形、聚合型兩相合金的塑性變形第二相晶粒與基體相晶粒尺寸屬同一數(shù)量級時(shí)，稱為聚合型。第二相晶粒與基體相晶粒尺寸屬同一數(shù)量級時(shí)，稱為聚合型。 聚合型合金的兩相都具有塑性，則合金的聚合型合金的兩相都具有塑性，則合金的力學(xué)性能力學(xué)性能決定于兩決定于兩相的體積分?jǐn)?shù)。如黃銅，右圖。相的

20、體積分?jǐn)?shù)。如黃銅，右圖。 一個(gè)是塑性相而另一個(gè)是硬脆相時(shí)，則合金的一個(gè)是塑性相而另一個(gè)是硬脆相時(shí)，則合金的力學(xué)性能力學(xué)性能主要主要取決于硬脆相的存在情況。如珠光體取決于硬脆相的存在情況。如珠光體(F+Fe3C)，左圖。，左圖。2、彌散分布型兩相合金的塑性變形、彌散分布型兩相合金的塑性變形 當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，將產(chǎn)生顯著的分布于基體相中時(shí)，將產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。強(qiáng)化作用。沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化：第二相微粒通過對過飽：第二相微粒通過對過飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀析出，和固溶體的時(shí)效處理而沉淀析出，并產(chǎn)生強(qiáng)化。也稱為并產(chǎn)生強(qiáng)化。也稱為時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化。

21、彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化：第二相微粒（高硬度）：第二相微粒（高硬度）借粉末冶金方法加入而起強(qiáng)化作用。借粉末冶金方法加入而起強(qiáng)化作用。3、第二相粒子強(qiáng)化機(jī)理、第二相粒子強(qiáng)化機(jī)理 位錯繞過機(jī)制位錯繞過機(jī)制 不可變形不可變形的第二相粒子，阻礙位錯運(yùn)的第二相粒子，阻礙位錯運(yùn)動，運(yùn)動的位錯會繞過粒子并留下位錯動，運(yùn)動的位錯會繞過粒子并留下位錯環(huán)。增大了晶體滑移的應(yīng)力，增加了位環(huán)。增大了晶體滑移的應(yīng)力，增加了位錯密度，從而產(chǎn)生了強(qiáng)化效果。粒子間錯密度，從而產(chǎn)生了強(qiáng)化效果。粒子間距離越小，強(qiáng)化效果越好。距離越小，強(qiáng)化效果越好。繞過機(jī)制由繞過機(jī)制由E.Orowan首先提首先提出，故也稱為奧羅萬機(jī)制。出，故也稱為奧羅萬

22、機(jī)制。 由于位錯線具有線張力由于位錯線具有線張力(T)，要使位錯線彎曲必須克服其線張，要使位錯線彎曲必須克服其線張力的作用。力的作用。 線張力為單位長度位錯線的能量：線張力為單位長度位錯線的能量：T= a Gb2 (見P.249)位錯線繞過間距位錯線繞過間距為的粒子時(shí)，需要的切應(yīng)力為的粒子時(shí)，需要的切應(yīng)力為：為：GbbTbT22G剪切模量剪切模量b柏氏矢量柏氏矢量粒子間距粒子間距a 系數(shù)，系數(shù)，0.51，取，取0.5 可見，粒子間距越小，強(qiáng)化效果越好?？梢?，粒子間距越小，強(qiáng)化效果越好。 另外，第二相粒子的體積分?jǐn)?shù)在一定范圍內(nèi)越大強(qiáng)化效果越另外，第二相粒子的體積分?jǐn)?shù)在一定范圍內(nèi)越大強(qiáng)化效果越好。但過大時(shí)，材料塑性太低，容易脆斷。好。但過大時(shí)，材料塑性太低