材料科學(xué)基礎(chǔ)-材料的塑形變形

材料科學(xué)基礎(chǔ)-材料的塑形變形.第一頁，共65頁。塑性變形引言塑性變形是塑性材料的一個(gè)極其重要的性能，也是材料成型的一種重要加工方法。大多數(shù)金屬均具有良好的塑性變形能力，這也是金屬材料獲得廣泛應(yīng)用的重要原因之一。塑性變形可以改變金屬的外形，也是塑性材料成形的主要方法之一。同時(shí)塑性變形也會改變材料的內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)，從而影響到它的宏觀性能，可使材料的某些性能如強(qiáng)度等得到顯著的提高。但在塑性變形的同時(shí)，也會給材料的組織和性能帶來某些不利的影響，為了消除塑性變形(冷加工)這些不利的影響，在加工之后或加工過程中，通常還對材料進(jìn)行加熱，使其內(nèi)部發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶過程。所以，塑性變形和再結(jié)晶是材料研究中的重要問題。

第一頁第二頁，共65頁。第一節(jié)變形概述名詞概念變形過程

彈性變形

塑性變形

塑性變形的方式

第二頁第三頁，共65頁。變形過程中的名詞概念變形：物體在外力的作用下，其形狀和尺寸的改變。應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截面垂直的稱為“正應(yīng)力”或“法向應(yīng)力”，同截面相切的稱為“剪應(yīng)力”或“切應(yīng)力”。應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)生的相對改變。物體內(nèi)部某處的線段在變形后長度的改變值同線段原長之比值稱為“線應(yīng)變”；物體內(nèi)兩互相垂直的平面在變形后夾角的改變值稱為“剪應(yīng)變”或“角應(yīng)變”；變形后物體內(nèi)任一微小單元體體積的改變同原單位體積之比值稱為“體積應(yīng)變”。第三頁第四頁，共65頁。變形過程低碳鋼的拉伸曲線如圖所示。

在應(yīng)力低于彈性極限σe時(shí)，材料發(fā)生的變形為彈性變形；應(yīng)力在σe到σb之間將發(fā)生的變形為均勻塑性變形；在σb之后將發(fā)生頸縮；在K點(diǎn)發(fā)生斷裂。第四頁第五頁，共65頁。彈性變形定義：變形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢復(fù)，變形消失。

特點(diǎn)：服從虎克定律，及應(yīng)力與應(yīng)變成正比比例系數(shù)E稱為彈性模量G稱為切變模量，它反映材料對彈性變形的抗力，代表材料的“剛度”。實(shí)質(zhì)：彈性變形的實(shí)質(zhì)是在應(yīng)力的作用下，材料內(nèi)部原子間距就偏離了平衡位置，但未超過其原子間的結(jié)合力。晶體材料反應(yīng)為晶格發(fā)生了伸長(縮短)或歪扭。原子的相鄰關(guān)系還未發(fā)生改變，故外力去除后，原子間結(jié)合力便可以使變形完全恢復(fù)。第五頁第六頁，共65頁。塑性變形定義：不能恢復(fù)的永久性變形叫塑性變形。當(dāng)應(yīng)力大于彈性極限時(shí)，材料不但發(fā)生彈性變形，而且還發(fā)生塑性變形，即在外力去除后，其變形不能得到完全的恢復(fù)，而具有殘留變形或永久變形。塑性：是指材料能發(fā)生塑性變形的量或能力，用伸長率(δ%)或斷面減縮率(ψ%)表示。實(shí)質(zhì)：塑性變形的實(shí)質(zhì)是在應(yīng)力的作用下，材料內(nèi)部原子相鄰關(guān)系已經(jīng)發(fā)生改變，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物體將留下永久變形。第六頁第七頁，共65頁。塑性變形過程－－屈服屈服：材料開始發(fā)生塑性變形。

屈服現(xiàn)象：即使外力不再增加，試樣也會繼續(xù)變形，這種變形屬于塑性變形，在拉伸曲線上會出現(xiàn)鋸齒狀的平臺。這是部分材料所具有的特征。

屈服強(qiáng)度：表示材料對開始發(fā)生微量塑性變形的抗力，也稱為屈服極限，用σs表示。對具有屈服現(xiàn)象的材料用屈服現(xiàn)象發(fā)生時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力表示；對屈服現(xiàn)象不明顯的材料，則以所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變答0.2%時(shí)的應(yīng)力值表示。

第七頁第八頁，共65頁。塑性變形過程－－均勻變形均勻變形：在屈服后的變形階段，試樣整體進(jìn)行均勻的塑性變形。如果不再增加外力，材料的變形將不能繼續(xù)下去。原因：維持材料均勻變形的原因是材料發(fā)生了加工硬化。已經(jīng)發(fā)生變形處的強(qiáng)度提高，進(jìn)一步變形困難，即變形要在更大的應(yīng)力作用下才能進(jìn)行。下一步的變形發(fā)生在未變形或變形相對較小的位置，達(dá)到同樣變形后，在更大的應(yīng)力作用下發(fā)生變形。第八頁第九頁，共65頁。塑性變形過程－－頸縮頸縮：試樣將開始發(fā)生不均勻的塑性變形，產(chǎn)生了頸縮，即塑性變形集中在一局部區(qū)域進(jìn)行。特點(diǎn)：頸縮發(fā)生后，宏觀表現(xiàn)為外力在下降，工程應(yīng)力在減小，但頸縮區(qū)的材料承受的真實(shí)應(yīng)力依然在上升。極限強(qiáng)度：材料開始發(fā)生頸縮時(shí)對應(yīng)的工程應(yīng)力σb，這時(shí)試樣出現(xiàn)失穩(wěn)，頸縮真實(shí)應(yīng)力依然在上升，但能承受的總外力在下降。第九頁第十頁，共65頁。塑性變形過程－－斷裂斷裂：變形量大至K點(diǎn)，試樣發(fā)生斷裂。實(shí)質(zhì)：斷裂的實(shí)質(zhì)原子間承受的力超出最大吸引力，原子間的結(jié)合破壞而分離。韌性斷裂：在斷裂前有明顯塑性變形后發(fā)生的斷裂叫“韌性斷裂”。在晶體構(gòu)成的材料中，內(nèi)部的晶粒都被拉長成為細(xì)條狀，斷口呈纖維狀，灰暗無光。脆性斷裂：斷裂前因并未經(jīng)過明顯塑性變形，故其斷口常具有閃爍的光澤，這種斷裂叫“脆性斷裂”。脆性斷裂可沿晶界發(fā)生，稱為“晶間斷裂”，斷口凹凸不平；脆性斷裂也可穿過各個(gè)晶粒發(fā)生，稱為“穿間斷裂”，斷口比較平坦。

第十頁第十一頁，共65頁。塑性變形的方式 材料在外力作用下發(fā)生塑性變形，依材料的性質(zhì)、外界環(huán)境和受力方式不同，進(jìn)行塑性變形的方式也不相同，通常發(fā)生塑性變形的方式有：滑移、孿生、蠕變、流動。 其中滑移是晶體材料塑性變形的基本方式。而非晶體材料原子為無規(guī)則堆積，像液體一樣只能以流動方式來進(jìn)行，衡量變形的難易程度的參數(shù)為粘度。在重力作用下能發(fā)生流動的為液體，可以維持自己形狀的位固體、第十一頁第十二頁，共65頁。第二節(jié)單晶體的滑移滑移概念

過程說明

滑移系施密特定律

臨界分切應(yīng)力滑移變形的主要特點(diǎn)

第十二頁第十三頁，共65頁?；聘拍罨疲夯剖窃谕饬ψ饔孟?，晶體的一部分沿著一定的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相對于晶體的另一部分發(fā)生的相對滑動第十三頁第十四頁，共65頁?；七^程說明

在切應(yīng)力的作用下，先使晶格發(fā)生彈性外扭，進(jìn)一步將使晶格發(fā)生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶體不能恢復(fù)到原來的形狀，而保留永久的變形。大量晶面的滑移將得到宏觀變形效果，在晶體的表面將出現(xiàn)滑移產(chǎn)生的臺階。

作用在晶格上的正應(yīng)力只能使晶格的距離加大，不能使原子從一個(gè)平衡位置移動到另一平衡位置，不能產(chǎn)生塑性變形；正應(yīng)力達(dá)到破壞原子間的吸引力，晶格分離，材料則出現(xiàn)斷裂。

材料在正應(yīng)力作用下，在應(yīng)力方向雖然不能發(fā)生塑性變形，但應(yīng)力的分解在另一方向就有切應(yīng)力，可使晶格沿另外的方向上發(fā)生滑移。第十四頁第十五頁，共65頁。滑移系滑移發(fā)生的晶面稱為滑移面，通常為晶體的最密排晶面；滑移滑動的方向稱為滑移方向，通常也為晶體的最密排方向；一種滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)可以滑移的方式稱為“滑移系”。

第十五頁第十六頁，共65頁。典型晶格的滑移系FCC第十六頁第十七頁，共65頁?；葡祵π阅艿挠绊懢w中滑移系愈多，晶體發(fā)生滑移的可能性便愈大，材料的塑性愈好，并且，其中一個(gè)滑移面上存在的滑移方向數(shù)目比滑移面數(shù)目的作用更大。

在金屬材料中，具有體心立方晶格的鐵與具有面心立方晶格的銅及鋁，雖然它們都具有12個(gè)滑移系，但鐵的塑性不如銅及鋁，而具有密排六方晶格的鎂及鋅等，因其滑移系僅有3個(gè)，故其塑性遠(yuǎn)較具有立方晶格的金屬差。

第十七頁第十八頁，共65頁。施密特定律

直接推動滑移的是在滑移方向上的分切應(yīng)力。在同一外加應(yīng)力作用下，不同的滑移系因自己的取向不同，對應(yīng)的分切應(yīng)力也不相同。圖示一單晶體單向拉伸，滑移面法線方向與外力的夾角為φ，滑移方向和拉力軸的夾角為λ，注意到滑移方向、拉力軸和滑移面的法線三者一般不在一平面，即

φ+λ≠900。第十八頁第十九頁，共65頁。施密特定律

滑移方向上的分切應(yīng)力為：

其中稱為取向因子或施密特因子。當(dāng)φ+λ=900，取向因子有最大值0.5。第十九頁第二十頁，共65頁。施密特定律

滑移方向上的分切應(yīng)力為：

稱為施密特定律，τc是一常數(shù)，但材料的屈服強(qiáng)度σs則隨拉力軸相對于晶體的取向不同而不同，即晶體材料存在各向異性。第二十頁第二十一頁，共65頁。臨界分切應(yīng)力與首開滑移系

臨界分切應(yīng)力：當(dāng)外力在某個(gè)滑移面的滑移方向上的分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，這個(gè)滑移系開始出現(xiàn)滑移，材料開始發(fā)生塑性變形，這個(gè)切應(yīng)力值叫臨界分切應(yīng)力，它是決定材料強(qiáng)度的直接因素。首開滑移系:在某一外力作用下，取向因子最大的滑移系將有最大的分切應(yīng)力，外力加大，它將首先達(dá)到臨界分切應(yīng)力，開始發(fā)生滑移，所以把取向因子最大的滑移系稱為這個(gè)外力下的首開滑移系。等效滑移系:在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系將有相同分切應(yīng)力，外力加大，它將同時(shí)達(dá)到臨界分切應(yīng)力，開始發(fā)生滑移，所以把取向因子相同滑移系稱為這個(gè)外力下的等效滑移系。

第二十一頁第二十二頁，共65頁?；谱冃蔚闹饕攸c(diǎn)

滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生?；瞥Ｑ鼐w中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。這是因?yàn)橹挥性谧蠲芫嬷g的面間距最大，原子面之間的結(jié)合力最弱，沿最密晶向滑移的步長最小，因此這種滑移所需要的外加切應(yīng)力最小?；茣r(shí)晶體的一部分相對于另一部分沿滑移方向的距離為原子間距的整數(shù)倍，滑移的結(jié)果會在晶體的表面上造成臺階。

滑移的同時(shí)必然伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動。

第二十二頁第二十三頁，共65頁?；谱冃蔚闹饕攸c(diǎn)

滑移變形在晶體表面形成的滑移線第二十三頁第二十四頁，共65頁?；茣r(shí)晶體的轉(zhuǎn)動

當(dāng)外力作用于單晶體試樣上時(shí)，它在某些相鄰層晶面上所分解的切應(yīng)力使晶體發(fā)生滑移，而正應(yīng)力和垂直滑移方向的另一分切應(yīng)力因滑移錯開組成一力偶，使晶體在滑移的同時(shí)向外力方向發(fā)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的趨勢為滑移面趨于平行拉力方向，滑移方向也趨于平行拉力方向。第二十四頁第二十五頁，共65頁。第三節(jié)滑移的位錯理論分析滑移的實(shí)質(zhì)是位錯的運(yùn)動位錯的增殖

位錯的交割位錯的塞積加工硬化第二十五頁第二十六頁，共65頁。滑移的實(shí)質(zhì)是位錯的運(yùn)動大量的理論研究證明，滑移原來是由于滑移面上的位錯運(yùn)動而造成的。圖示例子表示一刃型位錯在切應(yīng)力的作用下在滑移面上的運(yùn)動過程，通過一根位錯從滑移面的一側(cè)運(yùn)動到另一側(cè)便造成一個(gè)原子間距的滑移。

第二十六頁第二十七頁，共65頁?；频膶?shí)質(zhì)是位錯的運(yùn)動對應(yīng)于位錯運(yùn)動，在滑移的過程中，只需要位錯中心上面的兩列原子（實(shí)際為兩個(gè)半原子面）向右作微量的位移，位錯中心下面的一列原子向左作微量的位移，位錯中心便會發(fā)生一個(gè)原子間距的右移。由此可見，通過位錯運(yùn)動方式的滑移，并不需要整個(gè)晶體上半部的原子相對于其下半部一起位移，而僅需位錯中心附近的極少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的臨界切應(yīng)力便遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整體剛性滑移。

第二十七頁第二十八頁，共65頁?；频膶?shí)質(zhì)是位錯的運(yùn)動

位錯的滑移面就是晶體的滑移面，柏氏矢量的方向就是晶體的滑移方向。為了使位錯的能量較低，在結(jié)構(gòu)容許的條件下，盡量減小柏氏矢量，所以原子的密排方向就成為了位錯的柏氏矢量的方向。

第二十八頁第二十九頁，共65頁。位錯的增殖塑性變形的過程中，盡管位錯移出晶體產(chǎn)生滑移臺階，但位錯的數(shù)量(位錯密度)卻在不斷的增加，這是因?yàn)樵谕鈶?yīng)力作用下發(fā)生塑性變形時(shí)位錯會發(fā)生增殖。

例如第二十九頁第三十頁，共65頁。位錯的增殖利用Fnak-Read源說明增殖的過程。若滑移面上有一段位錯，CD兩點(diǎn)釘住不可滑移，在外力作用下位錯應(yīng)向右移動，這段位錯將彎曲、擴(kuò)張，相遇為異號位錯相消，產(chǎn)生一位錯環(huán)，內(nèi)部CD段還存在。反復(fù)可生成一系列的位錯環(huán)，擴(kuò)展到晶體外的產(chǎn)生滑移臺階可為柏氏矢量的整數(shù)倍。

第三十頁第三十一頁，共65頁。位錯的交割不在同一個(gè)滑移面上的兩位錯運(yùn)動的過程中可發(fā)生交割。圖示例子表示如果位錯AB向下運(yùn)動掃過位錯CD，由于掃過區(qū)間的晶體兩邊發(fā)生了柏氏矢量大小的滑移，在位錯CD上產(chǎn)生了EF轉(zhuǎn)折，EF長度為AB的柏氏矢量，EF位錯的柏氏矢量不發(fā)生變化，位錯的性質(zhì)和原來可能不一樣。第三十一頁第三十二頁，共65頁。位錯的交割

若AB為一個(gè)源發(fā)出的一批位錯，EF則為多倍長。如果CD為如圖的刃位錯，AB上也留下一轉(zhuǎn)折。轉(zhuǎn)折的性質(zhì)不一樣，有的在位錯的線張力作用下可消失，或以相同滑移方向一起滑移的稱為扭折；有的不僅不能消失，而且滑移面也不同而不能一起運(yùn)動，這種稱為割階。割階成為位錯運(yùn)動的阻礙。

第三十二頁第三十三頁，共65頁。位錯的塞積位錯運(yùn)動時(shí)，在其前沿如果有障礙(如晶界、不可變形的硬質(zhì)點(diǎn)……)，就停留不能前進(jìn)，若同一位錯源不斷產(chǎn)生一系列位錯源源而來，在此將產(chǎn)生塞積。位錯的塞積在該處產(chǎn)生大的應(yīng)力，可能帶來的后果有：①螺位錯可改變滑移面而發(fā)生交滑移；②晶界處的應(yīng)力可能迫使相鄰晶粒中的位錯運(yùn)動來松弛應(yīng)力；③無發(fā)松弛就有可能在此處造成裂紋。

第三十三頁第三十四頁，共65頁。加工硬化材料在變形后，強(qiáng)度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。這種加工硬化的作用在拉伸時(shí)的應(yīng)力--應(yīng)變曲線中可看出，材料屈服后要繼續(xù)變形只有不斷增加外力。原因：塑性變形是通過位錯的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，位錯運(yùn)動一旦受阻，塑性變形就難以進(jìn)行，要繼續(xù)進(jìn)行變形只有增加外力。分析：變形過程中，位錯沿滑移面運(yùn)動，各種位錯會頻繁相遇，發(fā)生一系列復(fù)雜的交割作用，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)等等現(xiàn)象，使位錯的運(yùn)動受阻，位錯源不斷發(fā)出的位錯不能順利地移出晶體，發(fā)生位錯地塞積，造成位錯密度的逐漸增大。變形量越大，位錯密度就越大，變形的抗力也越就大。隨著位錯密度的升高，位錯之間的平均距離減小，它們之間的相互干擾和交互作用進(jìn)一步增強(qiáng)，因而強(qiáng)度和硬度也就越來越大。返回第三十四頁第三十五頁，共65頁。第四節(jié)多晶體的塑性變形晶界和晶粒位向的影響

變形的傳遞

變形的協(xié)調(diào)

多晶體的塑性變形過程

塑性變形過程的不均勻性 晶粒的位向同時(shí)也在發(fā)生轉(zhuǎn)動

晶粒大小對材料強(qiáng)度與塑性的影響 強(qiáng)度

塑性

第三十五頁第三十六頁，共65頁。變形的傳遞 當(dāng)一個(gè)晶粒在某一滑移系發(fā)生滑移動作，即位錯發(fā)生運(yùn)動，位錯遇到晶界時(shí)，由于各個(gè)晶粒的位向不同，不能直接從一個(gè)晶粒移動到另一晶粒，便塞積起來；加之晶界處的雜質(zhì)原子也往往較多，增大其晶格畸變，在滑移時(shí)位錯運(yùn)動的阻力較大，難以發(fā)生變形，可見晶界的存在可以提高材料的強(qiáng)度。 位錯在晶界處的塞積產(chǎn)生了大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中能使相鄰晶粒的位錯源開動，相鄰取向不利的晶粒也能開始變形，相鄰晶粒的變形也使位錯塞積產(chǎn)生的應(yīng)力集中得以松弛，原來變形的晶?？梢赃M(jìn)一步的變形，這就是滑移的傳播過程。第三十六頁第三十七頁，共65頁。變形的協(xié)調(diào) 多晶體的變形中要保持晶界處的連續(xù)性，即晶界處的原子既不能堆積也不能出現(xiàn)空隙或裂縫，晶界兩邊的變形需要達(dá)到互相協(xié)調(diào)。 晶界兩邊的晶粒取向不一樣，靠單一的滑移系的動作將不能保證這種協(xié)調(diào)，為了適應(yīng)變形協(xié)調(diào)，不僅要求鄰近晶粒的晶界附近區(qū)域有幾個(gè)滑移系動作，就是已變形的晶粒自身，除了變形的主滑移系統(tǒng)外，在晶界附近也要有幾個(gè)滑移系統(tǒng)同時(shí)動作。第三十七頁第三十八頁，共65頁。變形的協(xié)調(diào) 為了滿足變形協(xié)調(diào)，理論計(jì)算本應(yīng)有6個(gè)獨(dú)立的滑移系，以保證6個(gè)獨(dú)立的應(yīng)變分量使晶粒的形狀自由變化，在體積不變的情況下，有實(shí)際只有5個(gè)變量是獨(dú)立的。對面心和體心立方金屬，是容易滿足這個(gè)變形協(xié)調(diào)條件的，但對密排六方金屬，由于滑移系一般只有三個(gè)，為了實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)，有兩種方式：一種是在晶界附近區(qū)域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱錐面等較難滑移的晶面作為滑移面；另一種則是產(chǎn)生孿晶變形，孿晶和滑移結(jié)合起來，連續(xù)地進(jìn)行變形。

至少應(yīng)有5個(gè)獨(dú)立的滑移系才能協(xié)調(diào)多晶體的塑性變形。第三十八頁第三十九頁，共65頁。塑性變形過程的不均勻性 在多晶體金屬中，由于每個(gè)晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力作用下，每個(gè)晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切應(yīng)力便不同。凡滑移面和滑移方向處于或接近于與外力成45度，即施密特因子較大(接近1/2)，必將首先發(fā)生滑移變形，通常稱這種位向的晶粒為處于“軟位向”；而滑移面或滑移方向處于或接近于與外力相平行或垂直，即施密特因子較小(接近0)的晶粒則處于“硬位向”，它們所受的分切應(yīng)力將較小，較難發(fā)生滑移。由此可見，由于多晶體金屬中每個(gè)晶粒所取的位向不同，金屬的塑性變形將會在不同晶粒中逐批發(fā)生，是個(gè)不均勻的塑性變形過程。第三十九頁第四十頁，共65頁。晶粒的位向的影響作用分批滑移：多晶體材料在外力作用下，當(dāng)首批處于軟位向的晶粒發(fā)生滑移時(shí)，由于晶界的影響及其周圍處于硬位向的晶粒尚不能發(fā)生滑移而只能以彈性變形相適應(yīng)，便會在首批晶粒的晶界附近造成位錯堆積，隨著外力增大至應(yīng)力集中達(dá)到一定程度，形變才會越過晶界，傳遞到另一批晶粒中。晶粒的轉(zhuǎn)動：隨著滑移的發(fā)生，伴隨晶粒的轉(zhuǎn)動會使其位向同時(shí)也在變化，有的位向在硬化，有的位向在軟化，軟位向的晶粒開始滑移變形。所以，多晶體的塑性變形是一批批晶粒逐步地發(fā)生，從少量晶粒開始逐步擴(kuò)大到大量的晶粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻的變形，變形過程要比單晶體中復(fù)雜得多。第四十頁第四十一頁，共65頁。晶粒大小對材料強(qiáng)度的影響 材料的塑性變形抗力，不僅與其原子間的結(jié)合力有關(guān)，而且還與材料的晶粒度有關(guān)，即材料的晶粒愈細(xì)，材料的強(qiáng)度愈高。因?yàn)椴牧暇ЯＳ?xì)，晶界總面積愈大，晶界對變形的阻礙作用愈明顯，對塑性變形的抗力也便愈大。對純金屬、單相合金或低碳鋼都發(fā)現(xiàn)室溫屈服強(qiáng)度和晶粒大小有以下關(guān)系：式中的d為晶粒的平均直徑，k為比例常數(shù)。這是個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，但又表達(dá)了一個(gè)普遍規(guī)律。該公式常稱為霍爾-佩奇(Hall-Petch)關(guān)系。第四十一頁第四十二頁，共65頁。晶粒大小對材料塑性的影響

效果：塑性材料的晶粒愈細(xì)，不僅強(qiáng)度愈高，而且塑性與韌性也較高。原因：因?yàn)榫ЯＳ?xì)，單位體積中晶粒數(shù)量便愈多，變形時(shí)同樣的形變量便可分散在更多的晶粒中發(fā)生，晶粒轉(zhuǎn)動的阻力小，晶粒間易于協(xié)調(diào)，產(chǎn)生較均勻的變形，不致造成局部的應(yīng)力集中，而引起裂紋的過早產(chǎn)生和發(fā)展。因而斷裂前便可發(fā)生較大的塑性形變量，具有較高的沖擊載荷抗力。意義：所以在工業(yè)上通過各種方法(凝固、壓力加工、熱處理)使材料獲得細(xì)而均勻的晶粒，使目前提高材料力學(xué)性能的有效途徑之一。第四十二頁第四十三頁，共65頁。第五節(jié)其他塑性變形方式

孿生

蠕變

粘滯性流動第四十三頁第四十四頁，共65頁。在切應(yīng)力作用下的變形第四十四頁第四十五頁，共65頁。孿生變形孿晶：晶體的一部分相對于一定的晶面(孿生面)，沿著一定的方向(孿生方向)發(fā)生切變，形成對稱的晶格排列，發(fā)生切變部分叫做孿生帶，或簡稱為孿晶。切變部分和未切變部分呈鏡面對稱，對稱面為孿生面。孿生：在外力作用下，以切變生成孿晶而發(fā)生塑性變形方式稱為“孿生”。產(chǎn)生條件：孿生僅在滑移困難時(shí)才會發(fā)生。一般孿生出現(xiàn)在滑移系很少的晶體結(jié)構(gòu)的材料中(如密排六方晶格金屬)；此外在某些容易發(fā)生滑移的晶格材料僅在較低溫度或受沖擊時(shí)因來不及滑移又有較大的應(yīng)力作用時(shí)才可能產(chǎn)生孿生。

第四十五頁第四十六頁，共65頁。孿生變形面心立方孿生變形發(fā)生時(shí)原子的遷移與晶格對稱圖第四十六頁第四十七頁，共65頁。孿生變形特點(diǎn)在孿晶帶中，每層原子面對于相鄰原子面的移動量都相同，其移動量不是原子間距的整倍數(shù)(一般為原子間距的分?jǐn)?shù))，但它們在孿生后各自移動的距離和離孿生面的距離成正比。孿生帶的晶格位向發(fā)生了變化，抗腐蝕性和光學(xué)反射性也也將有差異，拋光腐蝕后在顯微鏡下可見到孿晶組織。孿生變形在晶體表面可形成浮凸。孿生是在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，但產(chǎn)生孿生所需要的切應(yīng)力比滑移要大得多。第四十七頁第四十八頁，共65頁。孿生變形特點(diǎn)孿生變形得速度很快，接近于聲速。孿生變形會在周圍得晶格中引起很大得畸變，因此所產(chǎn)生的塑性變形總量不大，一般不超過10%。孿生對變形的作用另一方面還表現(xiàn)在生成的孿生改變了晶體的位向而幫助滑移。在外力作用下以孿生方式生成的孿晶稱為變形孿晶變形孿晶：第四十八頁第四十九頁，共65頁。變形孿晶組織形貌鋅中的孿晶

第四十九頁第五十頁，共65頁。滑移與孿生在晶體表面變化第五十頁第五十一頁，共65頁。蠕變

蠕變：所謂蠕變是指材料在高溫下(高于0.3Tm)的變形不僅與應(yīng)力有關(guān)，而且和應(yīng)力作用的時(shí)間有關(guān)。

蠕變過程：整個(gè)的蠕變過程可分為三個(gè)階段。由蠕變速率(dε/dτ)逐漸減慢的第一階段到恒速蠕變的第二階段。在蠕變過程后期，蠕變速率加快直至斷裂，視為蠕變第三階段。隨著溫度與應(yīng)力的提高，蠕變的第二階段漸短，金屬的蠕變很快由第一階段過渡到第三階段，使高溫下服役的零件壽命大大減少。

第五十一頁第五十二頁，共65頁。蠕變

蠕變機(jī)理：蠕變過程是一熱激活過程，蠕變現(xiàn)象可看著在應(yīng)力作用下原子流的擴(kuò)散。原子的定向流動本身可造成材料的變形。借助原子的擴(kuò)散會發(fā)生位錯的攀移，位錯滑移產(chǎn)生的加工硬化和由位錯攀移產(chǎn)生的高溫回復(fù)，這兩個(gè)過程的速率相等，便形成了恒定的蠕變速率過程。所有影響自擴(kuò)散系數(shù)的因數(shù)均按相同的方式影響蠕變速率。

第五十二頁第五十三頁，共65頁。粘滯性流動粘滯性流動：在液體狀態(tài)下，原子呈無規(guī)則排列，沒有固定的形狀，處于可流動的狀態(tài)。液體的流動性用黏度來度量，當(dāng)黏度大到可以維持自己的形狀時(shí)，材料就處于固態(tài)。在固態(tài)下處于非晶態(tài)的材料可以看著是過冷的液體，在外力作用下，非晶態(tài)的材料當(dāng)能克服黏度的阻力時(shí)，可以象液體那樣發(fā)生流動，自己的形狀和尺寸發(fā)生變化，材料的性質(zhì)未發(fā)生改變，可視為一種塑性變形。

變形實(shí)例：非晶態(tài)材料處于玻璃化溫度Tg以上可以發(fā)生塑性變形的方式。多晶體材料的晶界滑動。

第五十三頁第五十四頁，共65頁。第六節(jié)塑性變形對組織

性能的影響冷變形對力學(xué)性能影響

塑性變形對組織和結(jié)構(gòu)的影響可能出現(xiàn)變形織構(gòu)殘余內(nèi)應(yīng)力

第五十四頁第五十五頁，共65頁。冷變形對力學(xué)性能影響產(chǎn)生加工硬化：材料在變形后，強(qiáng)度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降。（前面已分析）加工硬化的工程意義：加工硬化是強(qiáng)化材料的重要手段，尤其是對于那些不能用熱處理方法強(qiáng)化的金屬材料。加工硬化有利于金屬進(jìn)行均勻變形。因?yàn)榻饘僖炎冃尾糠之a(chǎn)生硬化，將使繼續(xù)的變形主要在未變形或變形較少的部分發(fā)展。加工硬化給金屬的繼續(xù)變形造成了困難，加速了模具的損耗，在對材料要進(jìn)行較大變形量的加工中將是不希望的，在金屬的變形和加工過程中常常要進(jìn)行“中間退火”以消除這種不利影響，因而增加了能耗和成本。第五十五頁第五十六頁，共65頁。塑性變形對組織和結(jié)構(gòu)的影響

晶粒變形：金屬塑性變形時(shí)，隨著外形的改變，內(nèi)部晶粒的形狀也相應(yīng)變化。通常晶粒沿變形方向被拉長(拉伸)或壓扁(壓縮)。變形的程度愈大，則晶粒形狀的代表也愈大。第五十六頁第五十七頁，共65頁。塑性變形對組織和結(jié)構(gòu)的影響

晶界模糊：當(dāng)變形量很大時(shí)，晶界變得模糊不清，這是由于位錯移出晶粒在邊界造成的臺階使晶界交錯，同時(shí)也進(jìn)一步降低了晶界的耐腐蝕性。纖維組織：在金屬變形較大時(shí)，材料中的夾雜物也沿變形方向被拉長，形成了纖維組織。纖維組織的出現(xiàn)造成材料在不同方向上表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，即產(chǎn)生一定程度的各向異性，一般沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)大于垂直方向，等等。第五十七頁第五十八頁，共65頁。塑性變形對組織和結(jié)構(gòu)的影響

亞結(jié)構(gòu)形成：在金屬未變形或少量變形時(shí)，位錯密度的分布一般是均勻的。但在大量變形之后，由于位錯的運(yùn)動和交互作用，位錯不均勻分布，并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。亞晶粒邊界上聚集大量位錯，而內(nèi)部的位錯密度相對低得多。隨著變形量的增大，產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)也越細(xì)。整個(gè)晶粒內(nèi)部的位錯密度的提高將降低了材料的耐腐蝕性。

第五十八頁第五十九頁，共65頁。變形織構(gòu)的產(chǎn)生變形織構(gòu)：金屬晶粒的取向一般是無規(guī)則的隨機(jī)排列，盡管每個(gè)晶粒有各向異性，所以宏觀性能表現(xiàn)出各向同性。但是當(dāng)金屬經(jīng)受大量(7