金屬及合金的塑性變形

關于金屬及合金的塑性變形本章重點：（1）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；（3）加工硬化的本質(zhì)及實際意義；（4）塑性變形對金屬與合金組織、性能的影響：（5）金屬材料的強化機制。第2頁,共85頁，2024年2月25日，星期天§4-1金屬的變形特性一金屬變形的方式及研究方法1方式：彈性變形塑性變形斷裂成形失效第3頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

2研究方法曲線種類：①載荷—變形曲線②真應力—真應變曲線③工程應力—應變曲線

┗主要研究手段第4頁,共85頁，2024年2月25日，星期天拉伸過程與拉伸曲線示意第5頁,共85頁，2024年2月25日，星期天工程應力—應變曲線中“頸縮”現(xiàn)象掩蓋了

“加工硬化”頸縮

σ—ε：工程應力應變曲線σ—εS—eσεS—e：真應力真應變曲線第6頁,共85頁，2024年2月25日，星期天二工程應力應變曲線

低碳鋼應力應變曲線--典型性①分析變形過程；②強度、塑性指標的意義σe、σs、σb、δ、ψ

εσbσsσe第7頁,共85頁，2024年2月25日，星期天彈性階段彈性極限e屈服階段屈服極限s強化階段強度極限

b頸縮階段第8頁,共85頁，2024年2月25日，星期天◆屈服點概念：力不增加仍能繼續(xù)伸長時的應力。用符號：

s

表示◆抗拉強度概念：試樣拉斷前所承受的最大拉應力。用符號：

b表示

注：

s、

b是設計與選材的重要依據(jù)另：

e

表示彈性極限。在外力作用下產(chǎn)生彈性變形時所承受的最大拉應力。第9頁,共85頁，2024年2月25日，星期天塑性

plasticity概念：在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。判據(jù)：斷后伸長率、斷后斷面收縮率◆斷后伸長率概念：試樣斷后標準的伸長量與標準的百分比。其中：Lk—斷后試樣長度Lo—試樣原始長度◆斷后斷面收縮率概念：斷后截面處面積的最大縮減量與原始截面面積百分比。說明：伸長率和收縮率在實際應用中，一般是用

表示塑性大小。、Ψ越大，材料的塑性越好。通常認為

<5%脆性材料。第10頁,共85頁，2024年2月25日，星期天1：退火低碳鋼2：正火中碳鋼3：高碳鋼但彈性模量基本相同1：有機玻璃：硬而脆2：纖維增強熱固塑料：硬而強3：尼龍：硬而韌4：聚四氟乙烯：軟而韌σ—ε形式與材料塑性有關第11頁,共85頁，2024年2月25日，星期天三彈性模量與剛度

σ=E·ε；τ=G·γ；----彈性模量意義：⑴拉伸曲線上，斜率；⑵彈性變形難易；⑶組織不敏感：取決于原子間結合力材料種類；晶格常數(shù)；原子間距剛度構件剛度：A·E——彈性變形難易材料剛度：E第12頁,共85頁，2024年2月25日，星期天一、彈性形變的宏觀定律§4-2彈性變形二、彈性變形能三、影響彈性變形的因素第13頁,共85頁，2024年2月25日，星期天一、塑性形變的宏觀特征§4-3塑性形變的表象二、塑性形變在纖維組織中的反映晶粒外形的變化晶粒內(nèi)部的變化第14頁,共85頁，2024年2月25日，星期天§4-4單晶體的塑性變形塑性變形研究思路：①基本單元——單晶體變形特性②晶界影響——多晶體變形特性③相界——合金變形特性塑性變形方式：滑移；孿生F第15頁,共85頁，2024年2月25日，星期天一．滑移現(xiàn)象與滑移特點1滑移定義：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)生相對的平行滑動第16頁,共85頁，2024年2月25日，星期天滑移帶滑移線高錳鋼中的滑移帶，500X第17頁,共85頁，2024年2月25日，星期天②滑移線與滑移帶均為塑變后晶體表面產(chǎn)生的滑移臺階，但大小不同τ單晶體滑移示意圖滑移線滑移帶(~100個原子間距)~10000個原子間距第18頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

2滑移特點

⑴發(fā)生在最密排晶面，

滑移方向為最密排晶向；⑵只在切應力下發(fā)生，存在臨界分切應力σσ彈性伸長斷裂ττ彈性歪扭塑性變形（滑移）στFⅠⅡ第19頁,共85頁，2024年2月25日，星期天λ:拉伸軸線與滑移方向夾角φ:拉伸軸線與滑移面法向夾角τ＝(Fcosλ)/(A/cosφ)＝F/A·（cosλ·cosφ)＝σcosλ·cosφλ分切應力取向因子分切應力的大小與取向因子直接相關什么是分切應力：第20頁,共85頁，2024年2月25日，星期天臨界分切應力(τK)：使滑移系開動的最小分切應力τk的影響因素：①取決于金屬本性，與外力無關，取向無關②組織敏感參數(shù)：金屬不純，變形速度愈大，變形溫度愈低，τk愈大。什么是臨界分切應力：第21頁,共85頁，2024年2月25日，星期天λ當τ>τK時，發(fā)生滑移滑移面的取向因子大，則分切應力大：當滑移面法線、滑移方向、外力軸三者共面，即λ＝90°－φ時，可能獲最大取向因子：cosλ·cosφ＝cos(90°－φ)·cosφ第22頁,共85頁，2024年2月25日，星期天φ＝45°時:取向因子獲最大值1/2取向因子大——軟取向φ或λ＝90°時:取向因子為0，τ＝0，取向因子小——硬取向cosλ·cosφ＝cos(90°－φ)·cosφ第23頁,共85頁，2024年2月25日，星期天與τK對應的σ即為σsσs的影響因素：①與τk有關；②與外力取向有關:σs＝τK/(cosλ·cosφ)第24頁,共85頁，2024年2月25日，星期天⑶滑移兩部分相對移動的距離是原子間距的整數(shù)倍，滑移后滑移面兩邊的晶體位向仍保持一致；ττττ第25頁,共85頁，2024年2月25日，星期天滑移面滑移前PP滑移后力偶⑷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產(chǎn)生轉動第26頁,共85頁，2024年2月25日，星期天單晶體拉伸變形示意第27頁,共85頁，2024年2月25日，星期天滑移時晶體的轉動和旋轉位向和晶面的變化

拉伸時,滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向

壓縮時，滑移面逐漸趨于垂直于壓力軸線。

第28頁,共85頁，2024年2月25日，星期天SingleCrystalSlip第29頁,共85頁，2024年2月25日，星期天意義：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?，開始塑性變形；——循環(huán)往復后可使塑性變形更均勻。第30頁,共85頁，2024年2月25日，星期天⑸隨滑移加劇，存在多滑移和交滑移現(xiàn)象多滑移：在兩個及以上的滑移系上同時進行的滑移。意義：促進加工硬化滑移的本質(zhì)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割，互為阻礙→難滑移第31頁,共85頁，2024年2月25日，星期天交滑移：多個滑移面同時沿一個滑移方向進行的滑移。鋁單晶體形變出現(xiàn)的交滑移密排六方晶體沿基面和柱面交滑移的示意圖第32頁,共85頁，2024年2月25日，星期天意義：當位錯沿一個滑移面的移動受阻時，可通過攀移，轉移到另一個面繼續(xù)滑移→易滑移→使滑移方向靈活，可降低脆性第33頁,共85頁，2024年2月25日，星期天不同合金加工硬化效果不同單系滑移

多系滑移

交滑移多系滑移第34頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

(1)滑移系一個滑移面和該面上的一個滑移方向稱為~。└每種晶格滑移系數(shù)目的多少可用來衡量滑移難易3滑移系及滑移系數(shù)的實際意義第35頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

（2）各晶體結構的滑移系

體心立方(b.c.c)(110)〔111〕滑移面：｛110｝(110),(011),(101),(110),(011),(101)滑移方向：〈111〉滑移系數(shù)：6×2=12第36頁,共85頁，2024年2月25日，星期天面心立方(f.c.c)

(111)〔110〕滑移面：｛111｝(111),(111),(111),(111);滑移方向：〈110〉滑移系數(shù):4×3=12第37頁,共85頁，2024年2月25日，星期天密排六方：滑移面｛0001｝滑移方向〈1120〉滑移系數(shù)目：1×3=3第38頁,共85頁，2024年2月25日，星期天（3）滑移系數(shù)目的實際意義

—判斷塑性變形能力①滑移系數(shù)目愈多，塑性愈好；②滑移系數(shù)相同時，滑移方向多者塑性較好塑性排序：f.c.c>b.c.c>h.c.p第39頁,共85頁，2024年2月25日，星期天二滑移機制原子剛性移動模型演示第40頁,共85頁，2024年2月25日，星期天τ理=G·γ=G/2；但τ實=10-3~10-4G/2；——剛性移動模型失敗，應有更省力的方式——位錯學說的產(chǎn)生——參考（劉國勛《金屬學原理》）二滑移機制根據(jù)原子剛性移動模型,依虎克定律：第41頁,共85頁，2024年2月25日，星期天——位錯學說滑移臺階完整晶體有缺陷晶體第42頁,共85頁，2024年2月25日，星期天刃位錯滑移演示第43頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

1滑移的本質(zhì)：位錯學說：①晶體內(nèi)部存在某類缺陷——位錯②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)——τ實〈〈τ理的原因└實際金屬強度遠小于理想結構金屬強度。第44頁,共85頁，2024年2月25日，星期天滑移是由位錯運動造成的（滑移位錯機制）第45頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共85頁，2024年2月25日，星期天2

滑移過程中存在位錯增殖

背景:退火態(tài)ρ位錯≈1010m-2；冷變形:ρ位錯≈1015~1016m-2；——位錯增殖學說DD′τ位錯源弓出蜷曲DD′位錯環(huán)位錯源——下圖為Frank-Read位錯源增殖機制第47頁,共85頁，2024年2月25日，星期天弗蘭克-瑞德源機制演示第48頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

意義：引起滑移的位錯并不消失反而增殖→ρ位錯↑↑；——位錯強化

3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。①不在同一滑移面上的位錯相遇產(chǎn)生割階→運行阻力↑→位錯之間互為阻力└ρ位錯↑↑使σ、HB↑的主要原因②雜質(zhì)、晶界、固定位錯阻礙位錯運行，導致位錯塞積第49頁,共85頁，2024年2月25日，星期天三孿生1定義：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。孿晶帶孿生面孿生面第50頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共85頁，2024年2月25日，星期天2孿生特點：①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。②切變區(qū)域內(nèi)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，相鄰原子間的相對位移為原子間距的分數(shù)倍；③存在臨界分切應力:τ孿>>τ滑④變形速度極快，聲響，變形量小。第52頁,共85頁，2024年2月25日，星期天孿生與滑移變形比較第53頁,共85頁，2024年2月25日，星期天1.孿生：均勻切變。滑移：塑性變形是不均勺的。2.孿生：各晶面移動量與其離孿晶面距離成正比，相鄰晶團相對移動距離通常只是原子間距的幾分之一。滑移：變形時，滑移距離則是原于間距的整倍數(shù)。3.孿生：晶體變形部分的位向發(fā)生變化，并且孿晶面與未變形部分對稱?；茣r，晶體位向并不發(fā)生變化。4.孿生和滑移一樣并不改變晶體的點陣類型。5.孿生臨界分切應力值大，因此，只在很難滑移的條件下，晶體才發(fā)生孿生?；葡瞪俚拿芘帕浇饘伲Ｒ詫\生方式變形。第54頁,共85頁，2024年2月25日，星期天孿生變形產(chǎn)生的塑性變形量一般不超過10％，但是孿生使晶體位向變化，從而引起滑移系取向變化，能促進滑移的發(fā)生。往往孿生與滑移交替發(fā)生，即可獲得較大的塑性變形量。第55頁,共85頁，2024年2月25日，星期天四影響塑性變形方式的因素

（1）晶體結構

τ滑<<τ孿,足夠滑移系數(shù)目時→滑移f.c.c：滑移；極低溫例外（位錯被釘扎）b.c.c：滑移為主；沖擊或低溫時例外h.c.p：孿生孿生作用：①直接貢獻；②促進滑移。第56頁,共85頁，2024年2月25日，星期天（2）變形速度V變形↑，↑孿生幾率；原因：τ滑↑，τ滑與τ孿差距↓，（3）變形溫度T↓，↑孿生幾率；原因：τ滑↑①V變形↑與低溫綜合作用加劇孿生；②滑移與孿生往往交替進行。第57頁,共85頁，2024年2月25日，星期天§4-5多晶體與合金的塑性變形晶界第58頁,共85頁，2024年2月25日，星期天一多晶體塑性變形特點⑴單個晶粒與單晶體一致；⑵各晶粒的變形具不同時性：分批、逐次。

原因：取向不同⑶變形具不均勻性晶粒內(nèi)部與邊界、晶粒之間（取向）。第59頁,共85頁，2024年2月25日，星期天⑷多晶體變形抗(阻)力>單晶體原因：①晶界阻礙位錯運動；②位向差→晶粒之間須協(xié)調(diào)

意義：

晶界強化——金屬材料強化機制之一

霍耳—配奇公式：σs＝σ0＋Kd-1/2第60頁,共85頁，2024年2月25日，星期天二合金塑性變形特點連續(xù)網(wǎng)狀塑性相脆性相⑴溶質(zhì)原子阻礙變形：⑵第二相：與第二相的強塑性、大小、形態(tài)、分布等有關?！倘軓娀?/p>

第61頁,共85頁，2024年2月25日，星期天①第二相塑性優(yōu)于基體，則：↑δ而↓σ；②硬脆相：分布合理，則→阻礙位錯→↑σ不合理，則→不能塑變→應力集中→開裂→↓δ、ak甚至σ——第二相強化，彌散強化第62頁,共85頁，2024年2月25日，星期天一單相固溶體的塑性變形1固溶體的結構2固溶強化

（1）固溶強化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。

晶格畸變，阻礙位錯運動；

（2）強化機制

氣團（缺陷之間的反應或纏結）。

分類第63頁,共85頁，2024年2月25日，星期天二.兩相合金的塑性變形1結構：基體＋第二相。2性能：（1）兩相性能接近：按強度分數(shù)相加計算。（2）軟基體＋硬第二相第二相網(wǎng)狀分布于晶界（二次滲碳體）；兩相呈層片狀分布（珠光體）；第二相呈顆粒狀分布（三次滲碳體）（彌散強化）。

第64頁,共85頁，2024年2月25日，星期天4.6塑性變形對金屬組織和性能的影響一.塑性變形對金屬組織結構的影響二.塑性變形對金屬對性能的影響三.產(chǎn)生殘余應力第65頁,共85頁，2024年2月25日，星期天一.塑性變形對金屬組織結構的影響

⑴纖維組織形成金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時，隨著變形量的增加晶粒形狀發(fā)生變化，沿變形方向被拉長或壓扁。當拉伸變形量很大時，晶粒變成細條狀，金屬中的夾雜物也被拉長，形成所謂纖維組織。

第66頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

塑性變形對組織結構影響

晶粒變形：等軸狀→拉長形成纖維組織、帶狀組織。└性能各向異性第67頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

⑵亞結構形成金屬經(jīng)大量的塑性變形后，由于位錯密度的增大和位錯間的交互作用，使位錯分布變得不均勻。大量的位錯聚集在局部地區(qū)，并將原晶粒分割成許多位向略有差異的小晶塊，即亞晶粒。

第68頁,共85頁，2024年2月25日，星期天原因：位錯受阻后塞積、纏結→亞晶界→晶粒分化為許多位向略有差異的小晶塊└變形中的晶粒碎化。晶格較完整的亞晶塊嚴重畸變區(qū)亞結構的細化鑄態(tài)位錯密度d=10-2cm；塑變后位錯密度d=10-4~10-6cm第69頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

⑶形變織構的產(chǎn)生由于塑性變形過程中晶粒的轉動，當變形量達到一定程度（70%以上）時，會使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向。擇優(yōu)取向的結果形成了具有明顯方向性的組織，稱為織構。

第70頁,共85頁，2024年2月25日，星期天形變織構

①定義：金屬塑性變形到很大程度(>70%)時，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~。

另：鑄造織構第71頁,共85頁，2024年2月25日，星期天②意義：性能各向異性不利：變形不均勻，“制耳”現(xiàn)象獲特異性能：變壓器鐵芯硅鋼片［100］難消除——須控制變形量第72頁,共85頁，2024年2月25日，星期天二

對性能的影響1對力學性能的影響（加工硬化）

（1）加工硬化（形變強化、冷作強化）：隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。強化金屬的重要途徑；

利

（2）利弊

材料加工成型的保證。

弊

變形阻力提高，動力消耗增大；

脆斷危險性提高。

第73頁,共85頁，2024年2月25日，星期天⑵原因：位錯增殖↑↑⑶意義：①強化手段—形變強化；

②有利于塑性變形均勻進行③有利于金屬構件的工作安全性不利：再變形難；加工硬化態(tài)(ρ=1011~1012cm-2)σs

位錯ρ退火態(tài)

(ρ=106~108cm-2)理論強度值金屬須

└解決辦法：冷加工之間的再結晶退火第74頁,共85頁，2024年2月25日，星期天二

對性能的影響

2對物理、化學性能的影響

導電率、導磁率下降，比重、熱導率下降；

結構缺陷增多，擴散加快；

化學活性提高，腐蝕加快。

第75頁,共85頁，2024年2月25日，星期天塑性變形對材料對性能的影響1）加工硬化：隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高，而塑韌性下降的現(xiàn)象，脆斷危險性提高。變形阻力提高，動力消耗增大。2）對物理、化學性能的影響

導電率、導磁率下降，比重、熱導率下降；

結構缺陷增多，擴散加快；

化學活性提高，腐蝕加快。

？第76頁,共85頁，2024年2月25日，星期天2.隨變形量增加，亞結構細化3.隨變形量增加,空位密度增加4.幾何硬化：由晶粒轉動引起由于加工硬化,使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形,而未變形部分開始變形。沒有加工硬化,金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強化的金屬和合金尤為重要。變形20%純鐵中的位錯未變形純鐵第77頁,共85頁，2024年2月25日，星期天三

殘余應力（約占變形功的10％）

第一類殘余應力（

Ⅰ）：宏觀內(nèi)應力，由整個物體變形不均勻引起。1分類

第二類殘余應力（

Ⅱ）：微觀內(nèi)應力，由晶粒變形不均勻引起。

第三類殘余應力（

Ⅲ）：點陣畸變，由位錯、空位等引起。80-90%