第五章 金屬的塑性變形

1、 本章目的：本章目的： 1 闡明金屬塑性變形的主要特點及本質；闡明金屬塑性變形的主要特點及本質； 2 指出塑性變形對金屬組織和性能的影響；指出塑性變形對金屬組織和性能的影響； 3 揭示加工硬化的本質與意義。揭示加工硬化的本質與意義。第五章第五章 金屬及合金的塑性變形金屬及合金的塑性變形 （1）拉伸曲線及其所反映的常規(guī)機械性能指標；）拉伸曲線及其所反映的常規(guī)機械性能指標； （2）塑性變形的宏觀變形規(guī)律與微觀機制；）塑性變形的宏觀變形規(guī)律與微觀機制； （3）加工硬化的本質及實際意義；）加工硬化的本質及實際意義； （4）塑性變形對金屬與合金組織、性能的影響：）塑性變形對金屬與合金組織、性能的影響：

2、（5）金屬材料的強化機制。）金屬材料的強化機制。本章重點本章重點 理想：理想：“近終形近終形”澆注澆注; 實際：保持一定的實際：保持一定的“壓下比壓下比” 原因：（原因：（1）成形需要；）成形需要； （2）改善鑄態(tài)組織，消除鑄態(tài)缺陷。）改善鑄態(tài)組織，消除鑄態(tài)缺陷。 為什么研究塑性變形？為什么研究塑性變形？5-1 金屬的變形特性金屬的變形特性 一一 金屬變形的方式及研究方法金屬變形的方式及研究方法 1 方式：彈性變形方式：彈性變形 塑性變形塑性變形 斷斷 裂裂成形成形失效失效曲線種類：曲線種類： 載荷載荷變形曲線變形曲線 真應力真應力真應變曲線真應變曲線 工程應力工程應力應變曲線應變曲線 主要研

3、究手段主要研究手段 2 研究方法研究方法二二 工程應力工程應力-應變曲線應變曲線 低碳鋼低碳鋼應力應變曲線應力應變曲線 典型性典型性 分析變形過程；分析變形過程； 強度、塑性指標的意義強度、塑性指標的意義 e、s、b、 bse(1) 工程應力工程應力-工程應變曲線與工程應變曲線與真應力真應力-真應變曲線的差異真應變曲線的差異頸頸縮縮 ：工程應力應變曲線：工程應力應變曲線 S e：真應力真應變曲線：真應力真應變曲線工程應力工程應力應變曲線中應變曲線中“頸縮頸縮”現(xiàn)現(xiàn)象掩蓋了象掩蓋了 “加工硬化加工硬化” 1：退火低碳鋼：退火低碳鋼 2：正火中碳鋼：正火中碳鋼 3：高碳鋼：高碳鋼 但彈性模量基本相

4、同但彈性模量基本相同1：有機玻璃：硬而脆：有機玻璃：硬而脆2：纖維增強熱固塑料：纖維增強熱固塑料： 硬而強硬而強3：尼龍：硬而韌：尼龍：硬而韌4：聚四氟乙烯：軟而韌：聚四氟乙烯：軟而韌(2) 形式與材料塑性有關形式與材料塑性有關三三 彈性模量與剛度彈性模量與剛度 =E；=G；彈性模量彈性模量 意義：意義： 拉伸曲線上，斜率；拉伸曲線上，斜率； 彈性變形難易；彈性變形難易； 組織不敏感：取決于原子間結合力組織不敏感：取決于原子間結合力 材料種類；晶格常數(shù)；原子間距材料種類；晶格常數(shù)；原子間距 剛度剛度 構件剛度：構件剛度：AE 彈性變形難易彈性變形難易 材料剛度：材料剛度：E5-2 單晶體的塑性

5、變形單晶體的塑性變形塑性變形研究思路：塑性變形研究思路： 基本單元基本單元單晶體單晶體變形特性變形特性 晶界晶界影響影響多晶體變形特性多晶體變形特性 相界相界合金變形特性合金變形特性 塑性變形方式：滑移；孿生塑性變形方式：滑移；孿生 F一滑移現(xiàn)象與滑移特點一滑移現(xiàn)象與滑移特點 金屬塑性變形后的滑移現(xiàn)象：金屬塑性變形后的滑移現(xiàn)象：高錳鋼中的滑移帶，高錳鋼中的滑移帶，500X1 滑移定義滑移定義 在外力作用下，晶體相鄰二部分沿一定晶面、在外力作用下，晶體相鄰二部分沿一定晶面、一定晶向彼此產(chǎn)生相對的平行滑動一定晶向彼此產(chǎn)生相對的平行滑動 滑移線與滑移帶滑移線與滑移帶 均為塑變后晶體表面產(chǎn)生的滑移臺均

6、為塑變后晶體表面產(chǎn)生的滑移臺階，但大小不同階，但大小不同單晶體單晶體滑移示意圖滑移示意圖滑移線滑移線滑移帶滑移帶(100個個原子間距原子間距)10000個原子間距個原子間距 2 滑移特點滑移特點 發(fā)生在最密排晶面，滑移方向為最密排晶向；發(fā)生在最密排晶面，滑移方向為最密排晶向； 原因：密排面間原子面結合力最弱原因：密排面間原子面結合力最弱彈彈性性伸伸長長斷斷裂裂彈性歪扭彈性歪扭塑性變形塑性變形（滑移滑移）F 只在切應力下發(fā)生，存在臨界分切應力只在切應力下發(fā)生，存在臨界分切應力 滑移特點之二滑移特點之二:拉伸軸線與滑移方向夾角拉伸軸線與滑移方向夾角:拉伸軸線與滑移面法向夾角拉伸軸線與滑移面法向夾角

7、 (Fcos)/(A/cos) F/A （cos cos ) cos cos 分切分切應力應力 什么是分切應力什么是分切應力 使滑移系開動的最小分切應力使滑移系開動的最小分切應力 當當 K時，發(fā)生滑移時，發(fā)生滑移什么是臨界分切應力什么是臨界分切應力(K) k 的影響因素：的影響因素： 取決于金屬本性，與外力無關，取向無關取決于金屬本性，與外力無關，取向無關 組織敏感參數(shù)：金屬不純，變形速度愈大，組織敏感參數(shù)：金屬不純，變形速度愈大，變形溫度愈低，變形溫度愈低， k愈大。愈大。分切應力分切應力F/A （cos cos ) cos cos 取向因子取向因子 分切應力的大小與其中的分切應力的大小與其

8、中的cos cos 直接相關直接相關稱稱cos cos 為取向因子為取向因子 什么是取向因子什么是取向因子有關取向因子有關取向因子 (1) 滑移面的取向因子大，則滑移面的取向因子大，則分切應力大分切應力大; (2) 當滑移面法線、滑移方向、當滑移面法線、滑移方向、外力軸三者共面，即外力軸三者共面，即 90時，可能獲最大取向因子：時，可能獲最大取向因子： cos cos cos(90) cos (3) 存在軟取向與硬取向存在軟取向與硬取向 45時時: 取向因子獲最大值取向因子獲最大值1/2 取向因子大取向因子大軟取向軟取向 或或90時時: 取向因子為取向因子為0 ， 0， 取向因子小取向因子小硬

9、取向硬取向cos cos cos(90) cos 軟取向與硬取向軟取向與硬取向 當單晶體某晶面的切應力分量達到或超過當單晶體某晶面的切應力分量達到或超過K時，晶體開始發(fā)生滑移，也就意味著屈服的時，晶體開始發(fā)生滑移，也就意味著屈服的開始，此時對應的外應力開始，此時對應的外應力的大小即為的大小即為s 顯而易見，顯而易見，s的影響因素：的影響因素： 與與k有關；有關； 與外力取向有關與外力取向有關: s K/(cos cos )思考：思考： K與與s的影響因素有何不同？的影響因素有何不同？s的影響因素的影響因素 滑移兩部分相對移動的距離是原子間滑移兩部分相對移動的距離是原子間距的整數(shù)倍，滑移后滑移面

10、兩邊的晶距的整數(shù)倍，滑移后滑移面兩邊的晶體位向仍保持一致體位向仍保持一致； 滑移特點之三滑移特點之三 伴隨晶體的轉動和旋轉，滑移面轉向與外力伴隨晶體的轉動和旋轉，滑移面轉向與外力平行方向，滑移方向旋向最大切應力方向平行方向，滑移方向旋向最大切應力方向滑移面滑移面滑移前滑移前PP滑移后滑移后力偶力偶產(chǎn)生產(chǎn)生轉動轉動 滑移特點之四滑移特點之四單晶體拉伸變形示意單晶體拉伸變形示意本片選自西安交大范群成先生作品本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！在此表示感謝！ 實際金屬由多晶體構成，通過晶體的轉動和實際金屬由多晶體構成，通過晶體的轉動和旋轉，原來取向有利的晶粒（單晶體）經(jīng)過一定旋轉，原來取向有

11、利的晶粒（單晶體）經(jīng)過一定量塑性變形后取向不利，停止塑性變形；原來取量塑性變形后取向不利，停止塑性變形；原來取向不利的晶粒經(jīng)過旋轉、轉動取向變?yōu)橛欣?，開向不利的晶粒經(jīng)過旋轉、轉動取向變?yōu)橛欣?，開始塑性變形；始塑性變形； 循環(huán)往復后可使塑性變形更均勻。循環(huán)往復后可使塑性變形更均勻。晶體轉動和旋轉的意義晶體轉動和旋轉的意義 隨滑移加劇，存在隨滑移加劇，存在多滑移多滑移和和交滑移交滑移現(xiàn)象現(xiàn)象 什么是多滑移：在兩個及以上的滑什么是多滑移：在兩個及以上的滑移系上同時進行的滑移。移系上同時進行的滑移。 滑移特點之五滑移特點之五交滑移：交滑移： 多個滑移面同時沿一個滑多個滑移面同時沿一個滑移方向進行的滑移

12、移方向進行的滑移鋁單晶體形變出現(xiàn)鋁單晶體形變出現(xiàn)的交滑移的交滑移密排六方晶體沿基面和柱面密排六方晶體沿基面和柱面交滑移的示意圖交滑移的示意圖什么是交滑移？什么是交滑移？多滑移與交滑移的意義多滑移與交滑移的意義多滑移意義：多滑移意義：滑移的本質是借助位錯線的逐滑移的本質是借助位錯線的逐步運動。多滑移時不同方向的位錯線相交步運動。多滑移時不同方向的位錯線相交割，互為阻礙割，互為阻礙難滑移，難滑移，促進加工硬化促進加工硬化交滑移的意義：交滑移的意義：當位錯沿一個滑移面的移動當位錯沿一個滑移面的移動受阻時，可通過攀移，轉移到另一個面繼受阻時，可通過攀移，轉移到另一個面繼續(xù)滑移續(xù)滑移 易滑移易滑移 使滑

13、移方向靈活，使滑移方向靈活， 可可降低脆性降低脆性 不同合金加工硬化效果不同不同合金加工硬化效果不同 單系滑移單系滑移 多系滑移多系滑移 交滑移交滑移 多系滑移多系滑移 (1) 滑移系滑移系 一個滑移面和該面上的一個滑移一個滑移面和該面上的一個滑移方向方向 稱為稱為 。 每種晶格滑移系數(shù)目的多少每種晶格滑移系數(shù)目的多少可用來衡量滑移難易可用來衡量滑移難易 3 滑移系及滑移系數(shù)的實際意義滑移系及滑移系數(shù)的實際意義 （2）各晶體結構的滑移系）各晶體結構的滑移系 體心立方晶體的滑移系體心立方晶體的滑移系(110)111滑移面：滑移面：110 (110), (011), (101), (110), (

14、011), (101)滑移方向：滑移方向：111滑移系數(shù)：滑移系數(shù)：62=12面心立方晶體的滑移系面心立方晶體的滑移系 (111)110滑移面：滑移面：111 (111), (111), (111), (111);滑移方向：滑移方向：110滑移系數(shù)滑移系數(shù): 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滑移系數(shù)目：滑移系數(shù)目： 13=3密排六方晶體的滑移系密排六方晶體的滑移系 （3）滑移系數(shù)目的實際意義）滑移系數(shù)目的實際意義 判斷塑性變形能力判斷塑性變形能力 滑移系數(shù)目愈多，塑性愈好；滑移系數(shù)目愈多，塑性愈好； 滑移系數(shù)相同時，滑移方向多者塑性較好滑移系數(shù)相同時，

15、滑移方向多者塑性較好 塑性排序：塑性排序：f.c.cb.c.ch.c.p 二二 滑移機制滑移機制原子剛性移動模型原子剛性移動模型 理理 = G=G/2； 但但實實 = 10-310-4 G/2； 剛性移動模型失敗，應有更省力方式剛性移動模型失敗，應有更省力方式 位錯學說的產(chǎn)生位錯學說的產(chǎn)生參考（劉國勛參考（劉國勛金屬學原理金屬學原理） 1 滑移機制滑移機制根據(jù)原子剛性移動模型根據(jù)原子剛性移動模型, 依虎克定律依虎克定律： （1）位錯的猜想與證實）位錯的猜想與證實滑移滑移臺階臺階完整晶體完整晶體有缺陷晶體有缺陷晶體 位錯學說的產(chǎn)生位錯學說的產(chǎn)生刃位錯滑移演示刃位錯滑移演示刃位錯滑移演示刃位錯滑移

16、演示位錯學說：位錯學說： 晶體內部存在某類缺陷晶體內部存在某類缺陷位錯位錯 塑性變形依靠位錯的逐步運動。非單個塑性變形依靠位錯的逐步運動。非單個位錯原子列作原子間距的完整跳躍，而是位錯原子列作原子間距的完整跳躍，而是位錯中心附近少數(shù)原子作遠小于原子間距位錯中心附近少數(shù)原子作遠小于原子間距的彈性偏移實現(xiàn)的彈性偏移實現(xiàn)滑移的本質滑移的本質 實實 理理的原因的原因 實際金屬強度遠小于理想結構金屬強度。實際金屬強度遠小于理想結構金屬強度。 （2） 滑移的本質滑移的本質2 滑移過程中存在位錯增殖滑移過程中存在位錯增殖 （1）位錯增殖理論產(chǎn)生的背景位錯增殖理論產(chǎn)生的背景 退火態(tài)退火態(tài)位錯位錯1010m-2

17、； 塑性變形中位錯運動并最終消失于晶體表塑性變形中位錯運動并最終消失于晶體表面，故冷變形后位錯密度應極大降低。面，故冷變形后位錯密度應極大降低。 實際冷變形后：實際冷變形后：位錯位錯10151016m-2 位錯增殖學說位錯增殖學說弓出弓出蜷曲蜷曲DD位錯源位錯源Frank-Read位錯源增殖機制位錯源增殖機制位錯環(huán)位錯環(huán)DD位錯源位錯源弗蘭克弗蘭克-瑞德源機制演示瑞德源機制演示（3） 位錯增殖的意義位錯增殖的意義 引起滑移的位錯在塑性變形中并引起滑移的位錯在塑性變形中并不消失，反而極大增殖，即不消失，反而極大增殖，即位錯位錯 位錯強化位錯強化 金屬與合金重要的強化機制金屬與合金重要的強化機制

18、不在同一滑移面上的位錯相遇產(chǎn)生割階不在同一滑移面上的位錯相遇產(chǎn)生割階 運行阻力運行阻力 位錯之間互為阻力位錯之間互為阻力 位錯位錯使使、HB 的主要原因的主要原因 雜質、晶界、固定位錯阻礙位錯運行雜質、晶界、固定位錯阻礙位錯運行 ， 導致位錯塞積導致位錯塞積 3 位錯在運行中產(chǎn)生交割與塞積，位位錯在運行中產(chǎn)生交割與塞積，位錯密度愈高，交割與塞積愈嚴重。錯密度愈高，交割與塞積愈嚴重。三三 孿生孿生1 定義：定義： 晶體在切應力下其一部分沿一定的晶面晶體在切應力下其一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分作均勻切變。和晶向相對于另一部分作均勻切變。孿晶帶孿晶帶孿生面孿生面孿生面孿生面孿生與滑移變形比

19、較孿生與滑移變形比較本片選自西安交大范群成先生作品本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！在此表示感謝！2 孿生特點孿生特點 孿生前后變形部分晶體位向改變，兩部分孿生前后變形部分晶體位向改變，兩部分之間以孿生面為鏡面對稱。之間以孿生面為鏡面對稱。 切變區(qū)域內與孿晶面平行的每層原子的切切變區(qū)域內與孿晶面平行的每層原子的切變量與它距孿晶面的距離呈正比，相鄰原子變量與它距孿晶面的距離呈正比，相鄰原子間的相對位移為原子間距的分數(shù)倍；間的相對位移為原子間距的分數(shù)倍； 存在臨界分切應力存在臨界分切應力: 孿孿 滑滑 變形速度極快，聲響，變形量小。變形速度極快，聲響，變形量小。四四 影響塑性變形方式的因

20、素影響塑性變形方式的因素 （1）晶體結構）晶體結構 滑滑 單晶體單晶體二二 合金塑性變形特點合金塑性變形特點連續(xù)網(wǎng)狀連續(xù)網(wǎng)狀塑性相塑性相脆性相脆性相 溶質原子阻礙變形溶質原子阻礙變形 第二相：第二相： 與第二相的強塑性、大小、形態(tài)、與第二相的強塑性、大小、形態(tài)、分布等有關。分布等有關。固溶強化固溶強化 第二相塑性優(yōu)于基體，則：第二相塑性優(yōu)于基體，則：而而第二相強化，彌散強化第二相強化，彌散強化 硬脆相：硬脆相： 分布合理，則分布合理，則 阻礙位錯阻礙位錯 不合理不合理 ， 則則 不能塑變不能塑變 應力集中應力集中 開裂開裂 、ak甚至甚至 位錯與第二相粒子的交互作用位錯與第二相粒子的交互作用

21、切過機制切過機制本片選自西安交大范群成先生作品本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！在此表示感謝！位錯與第二相粒子的交互作用位錯與第二相粒子的交互作用 繞過機制繞過機制本片選自西安交大范群成先生作品本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！在此表示感謝！5-4 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響 一一 塑性變形對組織結構影響塑性變形對組織結構影響 1 晶粒變形：等軸狀晶粒變形：等軸狀拉長拉長 形成纖維組織、帶狀組織形成纖維組織、帶狀組織。 性能各向異性性能各向異性原因：原因： 位錯受阻后塞積、纏位錯受阻后塞積、纏結結亞晶界亞晶界 晶粒分化晶粒分化為許多位向略有

22、差異的為許多位向略有差異的小晶塊小晶塊 變形中的晶粒碎化變形中的晶粒碎化。晶格較完整的亞晶塊晶格較完整的亞晶塊嚴重畸變區(qū)嚴重畸變區(qū)2 亞結構的細化亞結構的細化3 產(chǎn)生形變織構產(chǎn)生形變織構 定義：定義： 金屬塑性變形到很大程度金屬塑性變形到很大程度(70%)時，時，晶粒發(fā)生轉動，各晶粒的位向趨于一致，晶粒發(fā)生轉動，各晶粒的位向趨于一致，這種有序化的結構這種有序化的結構。 另：鑄造織構另：鑄造織構 意義：性能各向異性意義：性能各向異性獲特異性能：變壓器鐵芯硅鋼片獲特異性能：變壓器鐵芯硅鋼片100 難消除難消除須控制變形量須控制變形量 不利：變形不均勻，不利：變形不均勻，“制耳制耳”現(xiàn)象現(xiàn)象二二 塑

23、性變形對金屬性能的影響塑性變形對金屬性能的影響 1 產(chǎn)生加工硬化產(chǎn)生加工硬化 定義：定義： 隨變形度增大，金屬的強硬度顯著增高隨變形度增大，金屬的強硬度顯著增高而塑韌性明顯下降的現(xiàn)象而塑韌性明顯下降的現(xiàn)象。 原因：位錯增殖原因：位錯增殖 強化手段強化手段形變強化；形變強化； 有利于塑性變形均勻進行有利于塑性變形均勻進行 有利于金屬構件的工作有利于金屬構件的工作 安全性安全性 不利：再變形難；不利：再變形難； 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(=10111012cm-2)s 位錯位錯 退火態(tài)退火態(tài) ( =106108cm-2)理論強度值理論強度值金屬須金屬須 解決辦法：冷加工之間解決辦法：冷加工之間的再結晶

24、退火的再結晶退火 意義意義 第一類內應力第一類內應力宏觀內應力宏觀內應力 工件不同部位工件不同部位 第二類內應力第二類內應力微觀內應力微觀內應力 晶粒之間或內部不同區(qū)域晶粒之間或內部不同區(qū)域 2 產(chǎn)生殘余應力產(chǎn)生殘余應力 第三類內應力第三類內應力點陣畸變點陣畸變(位錯、空位位錯、空位)1%；造成變形；造成變形 910%；應力集中，造成裂紋；應力集中，造成裂紋 90%；強度；強度、塑性、塑性原因原因（1）消除方法：去應力退火）消除方法：去應力退火（2）殘余應力的應用：）殘余應力的應用： 噴丸處理噴丸處理提高強度提高強度拉拉 s 壓壓壓壓拉拉S內應力的消除與應用方法內應力的消除與應用方法3 性能出現(xiàn)方向性性能出現(xiàn)方向性 形變織構，形變織構，70%4 其它性能的影響其它性能的影響 物理：電阻物理：電阻，導電、導磁性，導電、導磁性 化學：化學活性化學：化學活性，耐蝕性，耐蝕性 消除：消除： 去應力退火去應力退火 三三 合金中的強化方式合金中的強化方式1 晶界強化晶界強化細晶強化細晶強化 定義：通過細化晶粒，增加晶界，提高定義：通過細化晶粒，增加晶界，提高材料強度的方法。材料強度的方法。 特點：特點： 是唯一同時提高是唯一同時提高、 ak、的機制；的機制；