塑性變形講解課件

1、第六章 塑性變形本章介紹的內(nèi)容：由簡單到復(fù)雜單晶體塑性變形單相多晶體塑性變形合金塑性變形塑性變形組織及性能多相機(jī)理1一 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線拉伸試驗(yàn)基本過程：將GB6397-86制作的標(biāo)準(zhǔn)試樣（長試樣l10d和短試樣l=5d）放在拉伸試驗(yàn)機(jī)上緩慢拉伸，試樣在載荷P下緩慢伸長，直至斷裂。得到工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。第一節(jié) 金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線2典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線34彈性：即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。指標(biāo)為彈性極限e。剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E： 彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢?/p>

2、通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。 5強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。屈服強(qiáng)度s：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。條件屈服強(qiáng)度0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值?？估瓘?qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。0.26塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標(biāo)為： 斷面收縮率 ：拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象伸長率 ：拉伸前斷裂后7二 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線真實(shí)應(yīng)力應(yīng)是瞬時(shí)載荷P與瞬時(shí)面積F之比真應(yīng)變e應(yīng)是瞬時(shí)伸長量除以瞬時(shí)長度，即 8均勻塑性變形階段的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，稱為流變曲線： N形變強(qiáng)化指數(shù)，值越大，變形時(shí)的強(qiáng)化效果越明顯 9第二節(jié) 單晶體的塑性變形常溫下塑性變形的主

3、要方式：滑移、孿生、扭折。一 滑移1 滑移現(xiàn)象定義：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對位移。10特點(diǎn)：晶體結(jié)構(gòu)類型并未改變 ?；频慕M織形態(tài)：光鏡下：滑移帶（無重現(xiàn)性）電境下：滑移線。顯微組織特點(diǎn)：拋光后可能看不見。11122 滑移系 滑移是沿著特定的晶面 和 晶向進(jìn)行的。 滑移面 （密排面）滑移方向(密排方向)滑移系：一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系13每一種晶格類型的金屬都具有特定的滑移系。滑移系的多少在一定程度上決定了金屬塑性的好壞。 滑移系的個(gè)數(shù):(滑移面?zhèn)€數(shù)）（每個(gè)面上所具有的滑移方向的個(gè)數(shù)）14(a)示意圖 (b

4、)晶體外表面的滑移痕跡單晶體的滑移15在其他條件相同時(shí)，金屬塑性的好壞不只取決于滑移系的多少，還與滑移面原子密排程度及滑移方向的數(shù)目等因素有關(guān) 晶體結(jié)構(gòu)滑移面滑移方向滑移系數(shù)目常見金屬面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106 212Fe,W,Mo體心立方12112 112Fe,W12324 124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti1617183 臨界分切應(yīng)力滑移是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的滑移發(fā)生的力學(xué)條件：當(dāng)外力P一定時(shí)，作用于滑移系上的分切應(yīng)力與晶體受力的位向有關(guān)。19當(dāng)外加應(yīng)力等于屈服強(qiáng)度時(shí)：宏觀上：晶體出現(xiàn)塑性變形。微觀上：晶體開始滑

5、移。此時(shí)滑移方向上的分切應(yīng)力達(dá)到臨界值，稱為臨界分切應(yīng)力。k：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應(yīng)力。 20m稱為取向因子，或稱施密特因子（Schmid）。m與塑性變形：m越大，越有利于滑移。 軟取向、硬取向 k的特點(diǎn)：1)臨界分切應(yīng)力的大小主要取決于金屬的本性，與外力無關(guān)。當(dāng)條件一定時(shí)，各種晶體的臨界分切應(yīng)力各有其定值2)是一個(gè)組織敏感參數(shù)。 214 滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動1）位向和晶面的變化滑移過程中，滑移面和滑移方向的轉(zhuǎn)動必然導(dǎo)致取向因子的改變。 2）取向因子的變化幾何硬化幾何軟化225 多滑移1）單滑移：只有一組滑移系處于最有利的取向（m最大）時(shí)，分切應(yīng)力最大，便進(jìn)行單系滑移。 2）多滑

6、移：在多個(gè)（2）滑移系上同時(shí)或交替進(jìn)行的滑移。發(fā)生多滑移時(shí)會出現(xiàn)幾組交叉的滑移帶。3）交滑移 交滑移：晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的滑移。 23多滑移24交滑移25交滑移和多滑移的區(qū)別：多滑移是由完全不同的兩個(gè)滑移系分別或交替進(jìn)行滑移；交滑移是由具有同一滑移方向的兩個(gè)或多個(gè)滑移系同時(shí)啟動而進(jìn)行發(fā)生多滑移時(shí)會出現(xiàn)幾組交叉的滑移帶；發(fā)生交滑移時(shí)會出現(xiàn)曲折或波紋狀的滑移帶。交滑移必須是純螺型位錯(cuò)，因其滑移面不受限制?？梢酝瑫r(shí)進(jìn)行共向滑移。26多 腳 蟲 的 爬 行6 滑移的位錯(cuò)機(jī)制 把滑移設(shè)想為剛性整體滑動所需的理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測量臨界切應(yīng)力值大3-4個(gè)數(shù)量級。滑移是通過滑移

7、面上位錯(cuò)的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。27刃位錯(cuò)的運(yùn)動2829二 孿生1 孿生現(xiàn)象在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對稱關(guān)系。30變形部分與未變形部分以孿晶面為準(zhǔn)，構(gòu)成鏡面對稱，形成孿晶。孿晶在顯微鏡下呈帶狀或透鏡狀。 2 孿生變形的特點(diǎn)1）孿生使一部分晶體發(fā)生了均勻的切變，而滑移是不均勻的，只集中在一些滑移面上進(jìn)行。2）孿生后晶體變形部分與未變形部分成鏡面對稱關(guān)系，位向發(fā)生變化。315）由于孿生變形時(shí)，局部切變可達(dá)較大數(shù)量，所以在變形試樣的拋光表面上可以看到浮凸，經(jīng)重新拋光后，雖然表面浮凸可以去掉，但因已變形區(qū)的晶體位向不同，所以在偏光下或浸蝕后仍

8、能看到孿晶。而滑移變形后的試樣經(jīng)拋光后滑移帶消失。3）孿生比滑移的臨界分切應(yīng)力高，萌發(fā)于滑移受阻因其的局部應(yīng)力集中區(qū)。4）孿生對塑性變形的貢獻(xiàn)比滑移小得多。孿生改變了晶體位向32第三節(jié) 多晶體的塑性變形多晶體塑性變形的基本方式也是滑移和孿生。一、晶粒取向的影響1 變形過程332 晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性 （1）原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。 （2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會導(dǎo)致晶體分裂） （3）條件：獨(dú)立滑移系35個(gè)。（保證晶粒形狀的自由變化34二、晶界的影響1多晶體變形的現(xiàn)象2晶粒大小與性能的關(guān)系 晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高，塑性韌性越好。351）對強(qiáng)度的影響細(xì)晶強(qiáng)化霍爾配奇公式:

9、HALL-PETCH公式s= 0+kd-1/22）對塑性、韌性的影響36第四節(jié) 合金的塑性變形提高強(qiáng)度的另一方法是合金化。合金塑性變形的基本方式仍是滑移和孿生，但因組織、結(jié)構(gòu)的變化，塑性變形各有特點(diǎn)。 一、固溶體的塑性變形1 固溶強(qiáng)化現(xiàn)象372 強(qiáng)化機(jī)制1)晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動；2）柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化。38二、 屈服和應(yīng)變時(shí)效1 屈服現(xiàn)象呂德斯帶呂德斯帶擴(kuò)展呂德斯帶危害：因屈服延伸區(qū)的不均勻變形（呂德斯帶）使工件表面粗糙不同。 392 應(yīng)變時(shí)效原因：柯氏氣團(tuán)的存在、破壞和重新形成。低碳鋼時(shí)效圖40三 多相合金的塑性變形單相合金的強(qiáng)化：加入第二相形成多相合金。第二相可通過相變熱處理（沉淀強(qiáng)化，時(shí)效強(qiáng)

10、化）或粉末冶金方法（彌散強(qiáng)化）獲得 多相合金根據(jù)第二相粒子的尺寸大小分類多相合金聚合型 彌散型 第二相的尺寸與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級 第二相很細(xì)小，且彌散分布于基體晶粒內(nèi) 411 聚合型兩相合金的變形 性能按下列方法估計(jì)1）兩相都具有較好的塑性，合金的變形阻力決定于兩相的體積分?jǐn)?shù)。422）軟基體硬第二相合金的性能除與兩相的相對含量有關(guān)外，在很大程度上取決于脆性相的形狀和分布。 第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）,易沿晶脆斷；原因：因塑性相晶粒被脆性相包圍分割，少量塑變即脆斷43兩相呈層片狀分布（珠光體）特點(diǎn)：變形主要集中在基體相中，位錯(cuò)的移動被限制在很短的距離內(nèi)，增加了繼續(xù)變形的阻力，使其強(qiáng)

11、度提高。片層間距越小，其強(qiáng)度越高 第二相呈顆粒狀分布（球狀滲碳體）。強(qiáng)度降低，塑性、韌性得到改善 44二 彌散型合金的塑性變形1 不可變形微粒的強(qiáng)化作用 位錯(cuò)繞過第二相粒子(粒子、位錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動)位錯(cuò)克服第二粒子的阻礙作用，克服位錯(cuò)環(huán)對位錯(cuò)源的反向應(yīng)力。繼續(xù)變形時(shí)必須增大外應(yīng)力，從而使流變應(yīng)力迅速提高452 可變形微粒的強(qiáng)化作用 當(dāng)?shù)诙噘丝勺冃挝⒘r(shí)，位錯(cuò)將切過粒子使其與基體一起變形46第五節(jié) 冷變形金屬的組織與性能 一、對顯微組織的影響1 形成纖維組織塑性變形量很大時(shí)，各晶粒已不能分辨而成為一片如纖維狀的條紋，稱為纖維組織 1）晶粒拉長;2）雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布。纖維組織具有明顯的各

12、向異性，縱向的強(qiáng)度和塑性高于橫向。472 形成大量亞結(jié)構(gòu)48二 變形織構(gòu)1 變形織構(gòu)擇優(yōu)取向：塑性變形過程中晶粒的轉(zhuǎn)動，使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致的現(xiàn)象變形織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。特征:各向異性 492 類型絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向。（軋制時(shí)形成）503 對性能的影響 不利：造成變形不均勻，制耳。 有利：硅鋼片織構(gòu)可減少鐵損51三、殘余應(yīng)力（約占變形功的10）儲存能塑性變形中還有約10%的變形功被保留于金屬內(nèi)部。 1 第一類殘余應(yīng)力（彈性應(yīng)變）宏觀內(nèi)應(yīng)力:由整個(gè)物

13、體變形不均勻引起。作用：表面殘留壓應(yīng)力，可顯著提高其疲勞強(qiáng)度 522 第二類殘余應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力:由晶粒變形不均勻引起。作用：造成顯微裂紋并導(dǎo)致工件的破壞 3 第三類殘余應(yīng)力：點(diǎn)陣畸變:由位錯(cuò)、空位等引起。80-90%。作用：使金屬處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，是“回復(fù)和再結(jié)晶”的驅(qū)動力 53四 塑性變形對性能的影響1 應(yīng)變硬化（加工硬化）542 加工硬化的作用對一些不能用熱處理強(qiáng)化（固態(tài)下無相變）的材料重要強(qiáng)化手段。使塑性變形均勻，不致集中在某些局部區(qū)域而引起破裂。加工硬化還可以提高零件或構(gòu)件在使用中的安全性。加工硬化使金屬在冷加工過程中，變形抗力會不斷增加，增加動力及設(shè)備消耗。553 加工硬化曲線

14、1）典型的單晶體加工硬化曲線易滑移階段 特點(diǎn)：斜率很小。線性硬化階段。 特點(diǎn)：斜率幾乎恒定且最大值。第階段：拋物線硬化階段。 56572）解釋：位錯(cuò)的運(yùn)動易滑移階段:應(yīng)力低，少量的軟取向滑移系開動位錯(cuò)受阻礙少，易運(yùn)動。流變較大。 線性硬化階段：多滑移，位錯(cuò)間的交互作用導(dǎo)致位錯(cuò)交割，塞積等作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，加工硬化率高。 拋物線硬化階段：應(yīng)力極高，位錯(cuò)通過交滑移繞過障礙，異號位錯(cuò)抵消等，降低位錯(cuò)密度，加工硬化率下降。583）不同晶格類型的單晶體加工硬化曲線面心立方晶體為典型的三階段加工硬化特征 4）多晶體加工硬化曲線因其變形中晶界的阻礙作用和晶粒之間的協(xié)調(diào)配合要求，其加工硬化曲線通常更陡，加工

15、硬化速率更高。5960 61重要公式1. 滑移的臨界分切應(yīng)力（schmid定律）及外力在滑移方向上的分切應(yīng)力表達(dá)式為 =coscos (6-1)當(dāng)達(dá)到臨界值c時(shí)，宏觀上金屬開始屈服，故 =s,上式即為k=scoscos(6-2) 式中 外力軸與滑移面法線之間的夾角； 外力軸與滑移方向之間的夾角。622. 霍爾-配奇（Hall-petch）公式 s= 0+kd-1/2(6-4)式中0常數(shù)（相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度）；d 多晶體晶粒的平均直徑；K表征晶界對強(qiáng)度影響程度的常數(shù)。63 第六節(jié) 聚合物的變形聚合物的變形特點(diǎn)：強(qiáng)烈地依賴于T和t，表現(xiàn)為彈性材料和黏彈性流體性質(zhì)一、熱塑性聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線 64AYBYielding point 屈服點(diǎn)Point of elastic limit 彈性極限點(diǎn)Breaking point 斷裂點(diǎn)Strain softening 應(yīng)變軟化plastic deformation塑性形變Strain hardening 應(yīng)變硬化非晶態(tài)聚合物在玻璃態(tài)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線yOND65應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型Types of stress-strain curve 軟硬：模量 強(qiáng)弱：屈服強(qiáng)度 韌脆：斷裂能66聚合物具有黏彈性，其應(yīng)力應(yīng)變行