第19講金屬及合金的塑性變形與斷裂Ⅲ

第十九講

金屬及合金的塑性變形與斷裂Ⅰ2/6/20231上講內(nèi)容回顧

單晶體的塑性變形重點：滑移與位錯多晶體的塑性變形2/6/20232第六章金屬及合金的塑性變形與斷裂§6-1金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線§6-2單晶體的塑性變形§6-3多晶體的塑性變形§6-4合金的塑性變形§6-5塑性變形對金屬組織和性能的影響§6-6金屬的斷裂（自學(xué)內(nèi)容）

作業(yè)2/6/20233§6-4合金的塑性變形合金的基本相是固溶體和金屬化合物，因此合金可能是：單相固溶體、多相固溶體的混合物、固溶體與化合物的混合物（以固溶體為基體，化合物量少作為第二相）。

1.單相固溶體的塑性變形

2.多相合金的塑性變形返回2/6/202341.單相固溶體的塑性變形單相固溶體塑性變形與純金屬多晶體塑性變形相似，區(qū)別在于溶質(zhì)原子的存在，引起晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場，對位錯運(yùn)動產(chǎn)生額外阻力。溶質(zhì)原子在位錯線附近的偏聚，形成柯氏氣團(tuán)。圖6-14溶質(zhì)原子在位錯附近的分布溶質(zhì)原子大于溶劑原子溶質(zhì)原子小于溶劑原子間隙固溶體2/6/20235置換固溶體中小原子溶質(zhì)存在于刃型位錯受擠壓部位，大原子及間隙原子往往擴(kuò)散到位錯受拉應(yīng)力部位，這樣，偏聚于位錯周圍的原子好象形成了一個溶質(zhì)原子的氣團(tuán)，稱為“柯氏氣團(tuán)”，柯氏氣團(tuán)的形成，減小了晶格畸變能，降低了位錯的易動性，對位錯起了釘扎作用，位錯運(yùn)動阻力增加，強(qiáng)度、硬度增加，而塑性韌性降低——固溶強(qiáng)化。2/6/20236合金元素形成固溶體時，固溶強(qiáng)化的規(guī)律如下：⑴在溶解度范圍內(nèi)，合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，其強(qiáng)化作用也越大；⑵溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，強(qiáng)化效果越大；⑶形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素的強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體的元素。當(dāng)兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時，前者的強(qiáng)化效果比后者大10～100倍；⑷溶質(zhì)原子與溶劑原子的價電子數(shù)相差越大，則強(qiáng)化作用越大。返回2/6/202372.多相合金的塑性變形多相合金也是多晶體，只是其中的有些晶粒是另一相，有些界面是相界面。

⑴合金中兩相的性能相近

⑵合金中兩相的性能相差很大返回2/6/20238⑴合金中兩相的性能相近合金中兩相的含量相差不大，且兩相的變形性能相近，則合金的變形性能為兩相的平均值。即

σ=ψaσa＋ψbσb

（線性關(guān)系）

σa和σb：強(qiáng)度極限，ψa和ψb：體積分?jǐn)?shù)。返回2/6/20239⑵合金中兩相的性能相差很大此類情況通常是固溶體與化合物的混合物?；衔镆话阌捕啵男阅?、數(shù)量、大小、形態(tài)、分布對合金的變形和性能影響很大。

①硬而脆的第二相以連續(xù)網(wǎng)狀分布在基體的晶界上

②脆性相以層片狀均勻分布在固溶體基體內(nèi)

③脆性相以粒狀分布在固溶體基體上返回2/6/202310①硬而脆的第二相以連續(xù)網(wǎng)狀分布在基體的晶界上這種分布情況最惡劣。因為脆性相割裂了基體相，使基體的變形能力無從發(fā)揮，當(dāng)位錯在晶界塞積造成的應(yīng)力集中時，易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。因而使塑性韌性顯著降低，強(qiáng)度也下降。如鋼中的二次滲碳體在晶界呈網(wǎng)狀析出。返回2/6/202311②脆性相以層片狀均勻分布在固溶體基體內(nèi)變形主要在基體中進(jìn)行，第二相起阻止位錯運(yùn)動的作用（類似晶界的作用，可應(yīng)用霍爾-配奇公式

進(jìn)行描述），因而起強(qiáng)化作用，但脆化不明顯。變形大時，第二相也被切斷破碎，但因不連續(xù)不會導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)展。如鋼中的珠光體組織。返回2/6/202312③脆性相以粒狀分布在固溶體基體上一是質(zhì)點可變形，位錯線相遇時切過質(zhì)點。位錯切過第二相粒子時必須作額外的功，消耗足夠大的能量，從而提高合金的強(qiáng)度—沉淀強(qiáng)化；二是質(zhì)點不可變形，位錯線相遇時繞過質(zhì)點。這需要克服位錯線張力使其彎曲，增加一個附加的切應(yīng)力：使強(qiáng)度硬度顯著提高，而塑性韌性降低較小—彌散強(qiáng)化。顯然第二相質(zhì)點越細(xì)越多越均，強(qiáng)化效果越顯著。生產(chǎn)中應(yīng)用這一機(jī)理加一定合金元素，形成強(qiáng)化相，通過熱處理使強(qiáng)化相彌散分布。返回2/6/202313§6-5塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形在明顯改變金屬外形的同時，也深刻地影響金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和宏觀性能，主要表現(xiàn)在以下三方面：

一、金屬組織和結(jié)構(gòu)的變化

二、加工硬化

三、殘余內(nèi)應(yīng)力返回2/6/202314一、金屬組織和結(jié)構(gòu)的變化1.晶粒變形2.亞結(jié)構(gòu)形成3.織構(gòu)返回2/6/2023151.晶粒變形金屬塑性變形時，內(nèi)部晶粒的形狀也發(fā)生變化。通常是晶粒沿變形方向被壓扁或拉長（圖6-15）。變形度愈大，晶粒形狀變化愈大。變形量很大時，晶粒變成細(xì)條狀，金屬中的夾雜物也被拉長，形成纖維組織（圖6-16），使金屬的性能產(chǎn)生各向異性，例如沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性明顯高于垂直方向的。返回圖6-15變形前后晶粒形狀變化示意圖圖6-16銅的纖維組織2/6/2023162.亞結(jié)構(gòu)形成金屬經(jīng)大的塑性變形時，由于位錯的密度增大和發(fā)生交互作用，大量位錯堆積在局部地區(qū)，并相互纏結(jié)，形成不均勻的分布，使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶決，而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶粒。圖6-17金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu)返回低位錯密度亞晶粒

高位錯密度亞晶界

銅經(jīng)大變形后的電子顯微組織示意圖

2/6/2023173.織構(gòu)金屬塑性變形到很大程度（70%以上）時，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，使各晶粒的位向趨近于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。絲織構(gòu)：各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，稱為絲織構(gòu)，例如低碳鋼經(jīng)高度冷拔后，其〈110〉平行于拔絲方向。板織構(gòu)：各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向，稱為板織構(gòu)，低碳鋼的板織構(gòu)為｛001｝〈110〉。圖6-18形變織構(gòu)示意圖

2/6/202318形變織構(gòu)的形成，使金屬呈現(xiàn)明顯的各向異性，這在多數(shù)情況下是不利的。在某些情況下，織構(gòu)也有好處。制造變壓器鐵芯的硅鋼片，因沿［l00］方向最易磁化，采用這種織構(gòu)可使鐵損大大減小，變壓器的效率大大提高?？棙?gòu)形成后很難消除。工業(yè)生產(chǎn)中為了避免織構(gòu)，零件較大的變形量往往分幾次變形來完成，并進(jìn)行中間退火。返回2/6/202319二、加工硬化1.概念加工硬化是隨變形度的增大，金屬的強(qiáng)度和硬度顯著提高而塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。它是塑性變形對金屬性能的最重要的影響，也稱作形變強(qiáng)化（圖6-19）。圖6-19低碳鋼的加工硬化現(xiàn)象

2/6/2023202.金屬加工硬化現(xiàn)象的實際意義⑴

冷加工（變形）不僅是一種重要的成形方法，而且是一種重要的強(qiáng)化方法，是目前實際生產(chǎn)中獲得最高強(qiáng)度的方法。圖6-20金屬的強(qiáng)度與位錯密度之間的關(guān)系由于難以獲得較大尺寸的晶體，用降低位錯密度的方法來提高金屬強(qiáng)度，不是主要的方向?，F(xiàn)在，主要的方向還是用增加位錯密度的方法特別是加工硬化的辦法來提高金屬的強(qiáng)度。2/6/202321⑵

加工硬化是冷成形均勻塑變的條件正因為有加工硬化現(xiàn)象，先變形處硬化，變形轉(zhuǎn)移到其它處逐步均勻變形，這才有直徑均勻的鋼絲和各種沖壓容器。⑶加工硬化是偶然過載的安全保障一般受載零件按正常載荷設(shè)計，再考慮特殊情況取安全系數(shù)加大尺寸，但偶然過載使局部超過設(shè)計允許值時，材料先塑性變形，進(jìn)而強(qiáng)化，這就是要求有一定塑性韌性的原因。2/6/202322⑷加工硬化還可以改善高塑性材料的切削加工性能高塑性低硬度的材料難以切削（切屑不易斷，光潔度差，易磨損），經(jīng)冷變形后適當(dāng)提高硬度，降低塑性，可以改善切削性。當(dāng)冷變形量很大時，因硬化而無法變形，需要分幾次變形，中間增加再結(jié)晶退火工序，給生產(chǎn)過程帶來麻煩。2/6/2023233.加工硬化的原因一方面，由于位錯增殖，使位錯密度不斷增高，位錯間的交互作用增強(qiáng)，大量形成纏結(jié)、割階、不動位錯和胞狀結(jié)構(gòu)等障礙，造成位錯運(yùn)動阻力的增大，引起塑性變形抗力提高。另一方面，位錯運(yùn)動阻力的增大，反過來使位錯的密度加快增大。依靠塑性變形時位錯密度提高和變形抗力增大兩方面的不斷相互促進(jìn)，很快導(dǎo)致金屬強(qiáng)度和硬度的提高。2/6/202324塑性變形不僅使金屬機(jī)械性能顯著變化，也明顯改變金屬的物理、化學(xué)性能，例如使電阻增大，導(dǎo)磁性和耐腐蝕性降低等。返回2/6/202325三、殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力是指在沒有外力作用下殘留于且平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力。主要是金屬內(nèi)部變形不均勻引起的：第一類內(nèi)應(yīng)力：在宏觀范圍內(nèi)平衡的內(nèi)應(yīng)力，又稱為

宏觀內(nèi)應(yīng)力；

第二類內(nèi)應(yīng)力：相鄰晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均造成的內(nèi)應(yīng)力，又稱為微觀內(nèi)應(yīng)力；

第三類內(nèi)應(yīng)力：位錯、空位等晶體缺陷的增多所造成的晶格畸變應(yīng)力，即點陣畸變。2/6/202326塑性變形時外力所作功的絕大部分轉(zhuǎn)化成熱而散耗，只有不到10%的功轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力而殘留在金屬中，使內(nèi)能增加。第三類內(nèi)應(yīng)力占絕大部分（90%以上），是使金屬強(qiáng)化的主要因素。第一、二類內(nèi)應(yīng)力占的比例不大，但常使金屬受力時因內(nèi)、