塑性變形機制

緒論§0.1材料加工在國民經(jīng)濟中的地位特點§0.2材料加工的內(nèi)涵§0.3金屬塑性加工§0.4塑性加工理論的發(fā)展概況§0.5本課程的任務(wù)§0.6金屬材料加工的主要方向5/8/20241塑性變形機制§0.1材料加工在國民經(jīng)濟中的地位特點金屬采用塑性加工方法成材，不僅以其原材料消耗少、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，而且能有效地改善和控制金屬的組織與性能，在國民經(jīng)濟與國防建設(shè)中占有十分重要的地位。5/8/20242塑性變形機制1、航空航天5/8/20243塑性變形機制2、武器裝備5/8/20244塑性變形機制3、交通運輸5/8/20245塑性變形機制4、建筑5/8/20246塑性變形機制5、家用電器5/8/20247塑性變形機制§0.2材料加工的內(nèi)涵1.材料加工采用一定的加工方法和技術(shù)，使材料達到與原材料不同的狀態(tài)(化學成分上完全相同),使其具有更優(yōu)良的物理性能、化學性能和力學性能。5/8/20248塑性變形機制2.材料的可加工性材料對加工成形和工藝所表現(xiàn)出來的特性，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能等。5/8/20249塑性變形機制3.材料加工需考慮的基本原則使用性能：高強、高韌、耐蝕等工藝性能：軋、擠、拉、鍛、焊等環(huán)保性能：放射性、毒氣、“三廢”等經(jīng)濟性：成本、性價比等5/8/202410塑性變形機制4.金屬材料加工所涉及的內(nèi)容(1)液態(tài)金屬的熔煉與鑄造；(2)金屬塑性加工與熱處理；(3)復合材料與層狀復合材料加工；(4)材料連接；(5)材料切削加工；(6)粉末冶金；(7)CVD(chemicalvapourdeposition),PVD(phsicalvapourdeposition)等5/8/202411塑性變形機制5.小結(jié)金屬材料在國民經(jīng)濟、國防軍工建設(shè)中占有極其重要戰(zhàn)略地位，金屬塑性加工原理這門課程旨在講述有關(guān)高性能材料設(shè)計、成形制備、性能表征與評價以及應(yīng)用方面的重要專業(yè)基礎(chǔ)知識。5/8/202412塑性變形機制金屬坯料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，從而獲得具有一定幾何形狀，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法?！?.3金屬塑性加工1.材料加工鋼、鋁、銅、鈦等及其合金。2.適用范圍5/8/202413塑性變形機制3.主要加工方法(1)軋制：金屬通過旋轉(zhuǎn)的軋輥受到壓縮，橫斷面積減小，長度增加的過程。(可實現(xiàn)連續(xù)軋制)縱軋、橫軋、斜軋。舉例：汽車車身板、煙箔等；其它：多輥軋制(24輥)、孔型軋制等。5/8/202414塑性變形機制3.主要加工方法(2)擠壓：金屬在擠壓筒中受推力作用從?？字辛鞒龆迫「鞣N斷面金屬材料的加工方法。舉例：管、棒、型；其它：異型截面。正擠反擠5/8/202415塑性變形機制3.主要加工方法臥式擠壓機5/8/202416塑性變形機制3.主要加工方法(4)鍛造：鍛錘錘擊工件產(chǎn)生壓縮變形A.自由鍛：金屬在上下鐵錘及鐵砧間受到?jīng)_擊力或壓力而產(chǎn)生塑性變形的加工我國自行研制的萬噸級水壓機5/8/202417塑性變形機制3.主要加工方法B.模鍛：金屬在具有一定形狀的鍛模膛內(nèi)受沖擊力或壓力而產(chǎn)生塑性變形的加工。舉例：飛機大梁，火箭捆挷環(huán)等萬噸級水壓機模鍛的飛機大梁、火箭捆挷環(huán)5/8/202418塑性變形機制3.主要加工方法(5)沖壓：金屬坯料在沖模之間受壓產(chǎn)生分離或變形的加工方法。5/8/202419塑性變形機制4.特點(1)質(zhì)量比鑄件好(尺寸精度高，表面質(zhì)量好、性能好)；a.細化晶粒；b.消除微觀缺陷。(2)不產(chǎn)生切削，金屬利用率高；(3)易實現(xiàn)連續(xù)化、自動化、高速、大批量生產(chǎn)；(4)設(shè)備較龐大，相對鑄造能耗較高。5/8/202420塑性變形機制2.塑性變形機制PlasticDeformationMechanism5/8/202421塑性變形機制晶體的塑性變形

PlasticDeformationofCrystal

－－金屬的重要特性之一彈性變形（ElasticDeformation）：材料尺寸只發(fā)生暫時性改變。拉伸:σ=Eε，E-楊氏模數(shù)；剪切，τ=Gγ，G-切變模數(shù)。具有可逆性.金屬彈性變形的本質(zhì)：金屬原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移。塑性變形（PlasticDeformation）：應(yīng)力超過彈性極限，材料發(fā)生的不可逆的永久變形。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系偏離虎克定律。先發(fā)生彈性變形，后發(fā)生塑性變形。形狀和尺寸的不可逆變化是通過原子的定向位移實現(xiàn)的．塑性變形的主要機制:位錯的運動5/8/202422塑性變形機制塑性變形機制

MechanismofPlasticDeformation滑移(Slip)：最重要的變形方式孿生(Twinning)：

低溫高速，對稱性較低的密排六方金屬不對稱變形(AsymmetricalDeformation）：

變形協(xié)調(diào)機制非晶機制(AmorphousMechanism)：高溫晶界滑移(GrainBoundarySlip)：高溫5/8/202423塑性變形機制2.1滑移（Slip）

在300℃拉伸的鋅單晶體

▲晶體的塑性變形，是通過平行于一定晶體學平面（即滑移面）的滑移引起的。▲滑移的機制就是位錯在滑移面內(nèi)的運動。▲塑性變形的結(jié)果，使原來光滑的單晶試樣的表面變成臺階狀，這些臺階是由大量位錯(Dislocation)滑出晶體所形成的。這些線條稱為滑移線，一系列滑移線聚成一束，組成滑移帶．5/8/202424塑性變形機制滑移線（SlipLine）：滑移帶中的細線．

滑移層(SlipBand)：相鄰滑移線間的晶體片層．

滑移量(

Slippage)：每條滑移線所產(chǎn)生的臺階高度．滑移帶示意圖5/8/202425塑性變形機制滑移(Slip):定義:晶體在外力作用下，其中一部分相對另一部分，沿一定的晶面和該晶面上的一定晶向產(chǎn)生的平移滑動.當應(yīng)力超過晶體的彈性極限后，晶體中就會產(chǎn)生層片之間的相對滑移，大量的層片間滑動的累積就構(gòu)成晶體的宏觀塑性變形?；品謩e集中在某些晶面上，滑移帶和滑移線間的晶體片層并未發(fā)生塑性變形，僅僅發(fā)生了相對滑動．滑移面(SlipPlane)和滑移方向(SlipDirection):塑性變形時位錯只沿著一定的晶面和晶向運動，晶體沿某些特定的晶面及方向相對錯開，這些晶面和晶向分別稱“滑移面”和“滑移方向”。滑移面與滑移方向稱為滑移要素

滑移面和滑移方向是金屬晶體中原子排列最密的晶面和晶向.

5/8/202426塑性變形機制滑移系(SlipSystem):

■一個滑移面和此面上的一個滑移方向組成一個滑移系.

■滑移面數(shù)×滑移方向數(shù)=滑移系數(shù)。

■滑移系愈多，滑移過程可能采取的空間取向便愈多，滑移愈容易進行，塑性愈好。如：面心立方金屬比密排六方金屬塑性好.

■對一定結(jié)構(gòu)晶體,滑移方向隨變形溫度不變,但滑移面隨變形溫度有所改變.如變形溫度較高時，Al的滑移面可能改變?yōu)椋?00），Mg的滑移面可能變?yōu)椤?/8/202427塑性變形機制金屬的主要滑移面、滑移方向和滑移系5/8/202428塑性變形機制橫截面A0上的正應(yīng)力:滑移面A上的全應(yīng)力:滑移面上沿滑移方向的分切應(yīng)力:滑移面上的正應(yīng)力:臨界切應(yīng)力（CriticalShearStress):外力在滑移方向的分切應(yīng)力cosψcosλ稱取向因子（或Schmid因子）能夠引起滑移系開動的分切應(yīng)力,決定滑移系能否開動.

沿滑移面滑移方向上的分切應(yīng)力

S5/8/202429塑性變形機制Schmid定律:

金屬在一定變形溫度和變形速度條件下,開始發(fā)生滑移變形所需的臨界切應(yīng)力為常數(shù),與取向因子無關(guān).室溫下鐵單晶體切應(yīng)力切應(yīng)變曲線a、b…i表示從不同方向?qū)﹁F單晶體的拉伸5/8/202430塑性變形機制對任意給定的ψ，λ＝90°-ψ時,取向因子最大.滑移面法線、滑移方向、外力處于同一平面，則：時,達到時,最小,且等于與趨近此方位稱為有利方位或軟取向;遠離此方向稱為不利方向或硬取向;處于軟取向的滑移首先發(fā)生滑移.取向因子越大，分切應(yīng)力也越大．拉伸時Mg單晶體的取向因子與屈服應(yīng)力的關(guān)系只有一定時與才構(gòu)成如圖關(guān)系5/8/202431塑性變形機制影響臨界切應(yīng)力的因素滑移的物理本質(zhì):晶體中的位錯在切應(yīng)力作用下逐步移動。所有造成位錯移動阻力的因素均會使臨界切應(yīng)力提高。影響因素：1)金屬的種類(晶體的類型)：原子間結(jié)合力↑，位錯移動的點陣阻力↑；2)化學成分：溶質(zhì)原子產(chǎn)生固溶強化，位錯運動受阻；不同溶質(zhì)原子固溶強化效應(yīng)不同；3)變形溫度：溫度↑，↓，因為原子動能增大，原子間結(jié)合力減弱；但高溫時，溫度↑，不變；4)變形速度：速度↑，↓，因為單位時間內(nèi)更多位錯線移動，加工硬化率較快；速度與依賴性極弱；5)變形方式、組織結(jié)構(gòu)（加工和處理狀態(tài)）等。5/8/202432塑性變形機制固溶原子對銅單晶臨界分切應(yīng)力的影響三類常用金屬的臨界應(yīng)力隨溫度變化的關(guān)系臨界切應(yīng)力，×10MPa固溶原子(原子)，％5/8/202433塑性變形機制化學成分和溫度對純銅的臨界分切應(yīng)力的影響鎘速率的關(guān)系單晶的臨界切應(yīng)力與溫度和應(yīng)變(X比+應(yīng)變速率大100倍)5/8/202434塑性變形機制滑移時晶體的轉(zhuǎn)動（RotationofCrystal)

滑移面上最大分切應(yīng)力與滑移方向一致時，晶體的轉(zhuǎn)動5/8/202435塑性變形機制滑移面上最大分切應(yīng)力與滑移方向不一致時，拉伸時晶體的轉(zhuǎn)動5/8/202436塑性變形機制▲壓縮時晶面的轉(zhuǎn)動：

與拉伸時相反,滑移面逐漸轉(zhuǎn)向與壓力軸線垂直.

▲幾何硬化:

原晶體位向是處于軟取向,經(jīng)滑移和轉(zhuǎn)動后,取向因子變小,σs增大,使滑移困難,產(chǎn)生硬化效果。

▲幾何軟化:反之。

壓縮時晶體轉(zhuǎn)動示意圖5/8/202437塑性變形機制滑移的基本類型單滑移(SingleSlip)：外加切應(yīng)力>τc,開動一組滑移系；特征：表面平行的滑移線;發(fā)生在滑移系較少或塑性變形開始階段。多滑移(MultipleSlip)：外力軸與幾個滑移系取向相同,多個滑移系同時開動；由于位錯交割、纏結(jié)，導致加工硬化。特征：兩組或多組交叉的滑移線；交滑移(CrossSlip)：螺位錯滑移受阻時，離開原滑移面沿另一晶面繼續(xù)滑移；b不變，所以滑移方向和大小不變。變形溫度越高，變形量越大，交滑移越顯著。特征：折線或波紋狀滑移線。5/8/202438塑性變形機制Cu的單滑移,x500Al的多滑移,x145Al單晶的交滑移,x2605/8/202439塑性變形機制多系滑移對于具有多組滑移系的晶體，滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切應(yīng)力最大）中進行，但由于變形時晶面轉(zhuǎn)動的結(jié)果，另一組滑移面上的分切應(yīng)力也可能逐漸增加到足以發(fā)生滑移的臨界值以上，于是晶體的滑移就可能在兩組或更多的滑移面上同時進行或交替地進行，從而產(chǎn)生多系滑移。滑移的位錯機制實際測得晶體滑移的臨界分切應(yīng)力值較理論計算值低3～4個數(shù)量級，表明晶體滑移并不是晶體的一部分相對于另一部分沿著滑移面作剛性整體位移，而是借助位錯在滑移面上運動來逐步地進行的。5/8/202440塑性變形機制2.2孿生(Twinning)

孿生(Twinning):塑性變形的另一種重要方式,常作為滑移不易進行時的補充.形成孿晶的過程.晶體在切應(yīng)力的作用下,一部分沿一定的晶面和一定的晶向相對于另一部分發(fā)生的均勻切變.孿晶(Twins):

相對某一特定晶面兩邊原子排列成鏡像對稱的一對晶體.孿生的產(chǎn)物.孿生的形成方式:

1)晶體生長,如退火孿晶;2)塑性變形,稱變形孿晶.5/8/202441塑性變形機制孿生的一般特點:

1)均勻切變,即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離。

2)具有晶體學要素:孿生面和孿生方向,統(tǒng)稱孿生系;3)作用:調(diào)整晶體位向(孿晶面兩側(cè)晶體形成鏡面對稱),激發(fā)進一步滑移,使滑移與孿生交替進行,從而獲得較大變形。

4)不改變晶體的點陣類型;5)相鄰層間相對切變量相等且小于一個原子間距,每層總切變量與它和孿生面的距離成正比;6)所產(chǎn)生的形變較小,但便于隨后的變形;7)具有可逆性:應(yīng)力反向時,去孿,且去孿易于孿生5/8/202442塑性變形機制現(xiàn)象:透鏡狀或片狀.(a)拉伸試驗中產(chǎn)生的孿晶(b)拉伸試驗后長大的孿晶變形Zn中的透鏡狀孿晶5/8/202443塑性變形機制面心立方晶體的孿生變形（a）孿晶面和孿生方向（b）孿生變形時原子的移動5/8/202444塑性變形機制孿生的位錯機制

▲孿生與滑移最大的區(qū)別在于孿生要引起堆垛層錯的改變.

▲孿晶形成的位錯機制:

由肖克萊不全位錯運動掃過相繼的層面造成的均勻切變.

5/8/202445塑性變形機制

■不同結(jié)構(gòu)金屬:

fcc、bcc:易滑移,難孿生,低溫、高速；

hcp：易孿生.

■孿生難于滑移.

孿生前有滑移產(chǎn)生,即在已產(chǎn)生一定形變的情況下才開始:

孿生位錯是在一定內(nèi)應(yīng)力下由部分滑移位錯轉(zhuǎn)變而成.

孿晶應(yīng)力高于滑移.

■產(chǎn)生孿晶的應(yīng)力隨層錯能提高而增加。

■在高應(yīng)力下形核后在遠小于孿晶萌生的應(yīng)力下沿孿生面和垂直孿生面兩方向同時極快(聲速)擴展.

■切變量隨孿生區(qū)的增長而增大.彈性應(yīng)變大,需要其他變形機制協(xié)調(diào),否則出現(xiàn)裂縫,變形終止.

■加載方式以沖擊最有利

發(fā)生孿生的條件5/8/202446塑性變形機制孿生與滑移的區(qū)別孿生滑移臨界切應(yīng)力大小切變均勻性均勻不均勻切變量原子間距的非整數(shù)倍原子間距的整數(shù)倍位的變化改變不變拋光后浸蝕后可見不可見發(fā)生難易程度不易（低溫、高速）易5/8/202447塑性變形機制2.3不對稱轉(zhuǎn)變2.3.1扭折帶（Kinkband）■扭折：是滑移受到約束或阻礙時,為適應(yīng)外力作用而產(chǎn)生的一種不均勻變形方式?！雠ふ凼蔷植烤Ц窭@某一軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生,其出現(xiàn)是突然的.■扭折帶：相對于母晶取向發(fā)生不對稱變化的晶體區(qū)域。■扭折帶晶體位向的突然改變是滑移受阻引起的位錯堆積.從未變形區(qū)到扭折帶的過渡是由一系列同號刃型位錯排列的結(jié)果?！鍪悄芰枯^低的結(jié)構(gòu)形式?！雠ふ蹘У漠a(chǎn)生與晶體純度、變形溫度、晶體取向有關(guān)?！霈F(xiàn)象：表面上滑移線呈S形。單晶鎘被壓縮時的扭折扭折狀態(tài)扭折示意圖5/8/202448塑性變形機制■扭折帶作用：

1)協(xié)調(diào)變形:適應(yīng)變形條件的約束,能引起應(yīng)力松弛，使晶體不致斷裂。

2)促進變形:改變?nèi)∠?有可能處于軟取向,促進滑移,進一步激發(fā)變形。（a)孿生的作用使試樣端部趨于產(chǎn)生相對位移；（b)協(xié)調(diào)扭折帶的形成容許試樣適應(yīng)試驗條件的約束伴隨孿晶的形成而產(chǎn)生的協(xié)調(diào)扭折帶的示意圖5/8/202449塑性變形機制2.3.2形變帶(DeformationBand)點陣相對原來點陣發(fā)生轉(zhuǎn)動而形成.取向轉(zhuǎn)動不同于扭折帶,不是突變,而是漸變.轉(zhuǎn)動程度取決于變形量.形貌不同于滑移帶,形狀不規(guī)則:邊界彎曲,并沿主變形方向延伸.由于晶界的阻礙易在一個晶內(nèi)引起取向的不同,因此多晶材料形成形變帶的傾向大.5/8/202450塑性變形機制α-Fe的形變帶Al的形變帶5/8/202451塑性變形機制形變帶的位錯機制:

平行滑移面內(nèi)的異號刃型位錯（EdgeDislocation)交互作用的結(jié)果(位錯塞積).形變帶形成的位錯示意圖5/8/202452塑性變形機制2.4其他變形機制非晶機制晶界滑動各種變形機制常常聯(lián)合發(fā)生作用:

孿生與扭折;

滑移與孿生交替5/8/202453塑性變形機制2.5多晶體(polycrystal)塑性變形的特點2.5.1變形的不均勻性（Inhomogeneous）▲多晶體的特點:

1)晶粒間存在晶界(GrainBoundary);2)每個晶粒與相鄰晶粒的取向(Orientation)不同.▲多晶體變形的特點:1)受到晶界的阻礙和位向不同的晶粒的影響;2)任何一個晶粒的塑性變形都不處于獨立的自由變形狀態(tài),需要其周圍的晶粒同時發(fā)生相適應(yīng)的變形來配合,以保持晶粒之間的結(jié)合和整個物體的連續(xù)性.5/8/202454塑性變形機制▲多晶體變形的不均勻性：

同一晶粒不同位置及不同晶粒間實際變形量都不同:

晶界附近變形量小,晶粒內(nèi)部變形量大.

幾個晶粒多晶體拉伸時的竹節(jié)現(xiàn)象5/8/202455塑性變形機制多晶體Al的幾個晶粒各處的應(yīng)變量

虛線：晶界；線上數(shù)字：總變形量5/8/202456塑性變形機制◆每個晶粒的變形都要受到相鄰晶粒的制約，并與相鄰晶粒相協(xié)調(diào)。

晶