塑性成形原理2

材料成形原理C

PrincipleofMaterialFormingC材料工程學(xué)院2011.7

金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)

金屬的晶體結(jié)構(gòu)

單晶體的塑性變形

位錯(cuò)理論的基本概念

多晶體的塑性變形

塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)基本概念

晶胞結(jié)構(gòu)

實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

基本概念晶體:原子按一定的幾何規(guī)律在空間作周期性排列

晶格:用直線將原子中心連接起來(lái)，構(gòu)成的空間格子空間點(diǎn)陣：在空間由點(diǎn)排列起來(lái)的無(wú)限陣列，其中每一個(gè)點(diǎn)都與其它所有的點(diǎn)都具有相同的環(huán)境。晶胞：只包含一個(gè)陣點(diǎn)的六面體

晶界:晶粒和晶粒之間的界面

晶面:晶體中，由原子組成的平面晶向:由原子組成的直線，GrainorCrystallineStructureGrainBoundaryCrystals晶胞結(jié)構(gòu)面心立方:AlNiCuγ-Fe

體心立方:CrVMoWα-Feβ-Ti

密排六方:ZnMgBeα-Tiα-Co等c/a=1.57-1.64

實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體:各方向上的原子密度不同——各向異性

多晶體:晶粒方向性互相抵消——各向同性存在著一系列缺陷:點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷材料理論強(qiáng)度（G/30)/Gpa實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度/MPa理論強(qiáng)度/實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度銀鋁銅鎳鐵鉬鈮鎘鎂（柱面滑移）鈦（柱面滑移）鈹（基面滑移）鈹（柱面滑移）2.642.374.106.707.1011.333.482.071.473.5410.3210.320.370.780.493.2~7.3527.571.633.30.5739.213.71.375.2738

232144382一些金屬材料的實(shí)驗(yàn)屈服強(qiáng)度和理論屈服強(qiáng)度常見(jiàn)的缺陷

點(diǎn)缺陷：包括空位、間隙原子、異質(zhì)原子?；靖拍?/p>

線缺陷（位錯(cuò)）刃型位錯(cuò)S：位錯(cuò)線長(zhǎng)度，V：體積，P：位錯(cuò)密度。一般退火晶體：P=106-108/cm2超薄單晶體：P≦103/cm2冷變形金屬：P=1011-1012/cm2

M.F.AshbyandD.R.H.Jones,EngineeringMaterials1,2nded.(2002)螺型位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)周?chē)脑优帕校瑘A點(diǎn)代表圖面之上的原子，實(shí)點(diǎn)代表圖面之下的原子螺位錯(cuò)軸b混合型位錯(cuò)（螺型+刃型）面缺陷

堆垛層錯(cuò)（stackingfault）抽出型層錯(cuò)插入型層錯(cuò)如面心立方：ABCA（B）CABC抽出ABC（B）ABCABC插入

晶界晶界上的原子平均能量高于晶內(nèi)原子，高出的能量稱(chēng)為晶界能。

小角度晶界

孿晶界亞晶界

扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界面心立方結(jié)構(gòu)中的(001)面相符扭轉(zhuǎn)晶界u2.2單晶體的塑性變形

1、滑移:晶體一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對(duì)另一部分發(fā)生相對(duì)移動(dòng)和切變。產(chǎn)生宏觀的塑性變形。

滑移面：原子排列密度最大的晶面?；品较颍涸优帕忻芏茸畲蟮姆较?。滑移系:一種滑移面及其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成3.25%Si-Fe單晶體中的平直滑移帶。[取自Hull,proc.Roy,Soc.A274,5(1963).](b)垂直于(a)中所示表面，且通過(guò)滑移帶的截面示意圖。每條滑移帶是由平行于滑移面，且緊密排列的大量滑移臺(tái)階所構(gòu)成。滑移帶ab滑移面的表示：，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ分別為滑移面與晶軸的截距，ａ，ｂ，ｃ為晶格常數(shù)。對(duì)于體心立方、面心立方，ａ＝ｂ＝ｃ

Gold(Au)-fccIron(Fe),Vanadium(V),Chromium(Cr)-bcc滑移時(shí)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

一個(gè)位錯(cuò)移到晶體表面時(shí)，便形成一個(gè)原子間距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位錯(cuò)移到晶體表面時(shí)，則形成一條滑移線。

剪切力

ｖ：波松比ａ：滑移平面間的距離ｂ：沿滑移方向原子間的距離

臨界剪切應(yīng)力

晶體進(jìn)入塑性時(shí)，在滑移面上，沿滑移方向的剪應(yīng)力稱(chēng)為臨界剪應(yīng)力

取向因子

[uvw]isperpendicularto(uvw)2、孿生

面心立方晶體孿生變形示意a)孿生面和孿生方向a)孿生變形時(shí)原子的移動(dòng)孿生面孿生面孿生方向?qū)\生方向?qū)\生區(qū)域2.3位錯(cuò)理論的基本概念１、柏氏矢量（BurgersVector）和位錯(cuò)環(huán)

（a）圍繞一刃型位錯(cuò)的柏氏迥路；（b）完整晶體中的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量。（a）圍繞一刃型位錯(cuò)的柏氏迥路；（b）完整晶體中的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量?；旌衔诲e(cuò)(b)未滑移區(qū)(a)BbbACA滑移區(qū)B2、Climb（位錯(cuò)攀移）

正攀移：位錯(cuò)縮短，空位遷移負(fù)攀移：位錯(cuò)加長(zhǎng)，間隙原子遷移

3、位錯(cuò)交割(a),(b)刃型位錯(cuò)上的彎節(jié)；(c),(d)刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)上的割節(jié)，陰影部分為滑移面刃型+刃型割階繼續(xù)滑移刃型+螺型割階繼續(xù)滑移螺型+螺型割階不能繼續(xù)滑移

柏氏矢量b(a)(b)(c)(d)bbb4、位錯(cuò)源和位錯(cuò)增殖

DislocationLoop:FrankReed

bLTTR/2/2RLFrank-ReadsourcesinSiDash,DislocationandMechanicalPropertiesofCrystals,Wiley(1957).5交滑移（CrossSlip）

螺型位錯(cuò)在滑移過(guò)程中，軸到相交的滑移面，能夠在相交的滑移面上繼續(xù)滑移，稱(chēng)交滑移。

3.25%硅鐵單晶拋光表面上的交滑移線6位錯(cuò)塞積

2.4多晶體的塑性變形

變形方式:滑移和孿生,基本與單晶體相同變形特點(diǎn):晶界（雜質(zhì)、排列紊亂）位向晶粒大小變形不均勻晶界（雜質(zhì)、排列紊亂）位向位向基本相同—→變形易傳遞位向差別大，滑移系多—→變形易傳遞，滑移系少—→