金屬的塑性變形和加工硬化課件

1、第3章金屬的塑性變形和加工硬化，3.1單晶的塑性變形和加工硬化在金屬的塑性變形中，變形程度增加，其強(qiáng)度和硬度增加，而塑性降低。為什么金屬在冷塑性變形過程中會強(qiáng)化？如何實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化？哪些因素受到影響，其強(qiáng)化的變化規(guī)律如何？1。為了學(xué)習(xí)交流PPT，首先分析了純金屬單晶的塑性變形過程。圖3.1典型金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在各種結(jié)構(gòu)的金屬中，面心立方金屬的硬化機(jī)理得到了深入的研究，并以面心立方金屬為例進(jìn)行了說明。2，學(xué)習(xí)交流PPT，1。面心立方晶格單晶的成形變形1。應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖3.2面心立方單晶的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線，3。學(xué)習(xí)交流PPT，典型曲線有三個(gè)階段特征：第一階段特征：1)加工硬化率低()；2)滑移線細(xì)

2、、長且分布均勻；3)加工硬化速率對晶體取向和雜質(zhì)非常敏感；4)滑移線上的位錯(cuò)數(shù)量可能非常大；5)三種晶體結(jié)構(gòu)中沒有螺旋位錯(cuò)，這可能是由于兩個(gè)不同數(shù)目的螺旋位錯(cuò)在相鄰滑移面相遇時(shí)被湮沒所致。螺旋位錯(cuò)只能在低堆垛層錯(cuò)能的合金中看到(如銅-10%鋁)。位錯(cuò)組態(tài)通常是邊緣位錯(cuò)多極排列。4、學(xué)會交流PPT，第二階段的特點(diǎn)是：1)加工硬化率()很高，且與應(yīng)變呈線性關(guān)系；2)加工硬化速率對金屬或合金成分的種類(只要它是面心立方晶體)和晶體的取向不敏感；3)滑移線長度具有以下隨變量變化的規(guī)律：4)每條滑移線中的位錯(cuò)數(shù)大致不變；5)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)纏結(jié)形成細(xì)胞結(jié)構(gòu)。5，學(xué)會交流PPT，第三階段特征：1)加工硬化率()降

3、低，曲線呈拋物線狀；2)變形溫度和堆垛層錯(cuò)能對第三階段有影響；3)該階段是一個(gè)熱激活過程，隨著溫度的升高，該階段開始時(shí)的應(yīng)力迅速降低；4)內(nèi)部構(gòu)造的變化以滑移帶的出現(xiàn)為特征。隨著變形的增加，滑移集中在滑移區(qū)，滑移區(qū)之間不再出現(xiàn)新的滑移痕跡，但在滑移區(qū)可以看到交叉滑移。6、學(xué)會溝通PPT，在加工硬化的第三階段有軟化現(xiàn)象?？铺乩谞柡退雇锌税l(fā)現(xiàn)，如果純鋁在90K變形到第二階段，然后溫度升高，然后在室溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，會有明顯的產(chǎn)量下降。這表明低溫下的硬化會突然被部分消除，顯然低溫變形時(shí)形成的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，并在室溫下發(fā)生變化。因此，證明了鋁在室溫下的屈服點(diǎn)不是由點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散或雜質(zhì)原子偏析成位錯(cuò)線和釘

4、扎位錯(cuò)引起的。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，易滑移階段只在主滑移系統(tǒng)上移動，次滑移系統(tǒng)上的位錯(cuò)參與了第二階段的滑移變形，螺旋位錯(cuò)的交叉滑移發(fā)生在第三階段。2、影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的主要因素，1)取向的影響面心立方金屬單晶應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀與樣品的取向密切相關(guān)。圖3.3拉伸-室溫下不同取向單晶鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；77K，8，學(xué)習(xí)交換PPT，2)堆垛層錯(cuò)能和金屬純度的影響，堆垛層錯(cuò)能影響第一階段前的變形發(fā)展。對于室溫下具有高堆垛層錯(cuò)能的金屬，擴(kuò)展位錯(cuò)容易成束并產(chǎn)生交叉滑移，其值小于4-5，應(yīng)力-應(yīng)變曲線迅速進(jìn)入第一階段；低堆垛層錯(cuò)能金屬的堆垛層錯(cuò)能大于20，因?yàn)樗茈y捆綁和傳遞位錯(cuò)，也很難產(chǎn)生多系統(tǒng)滑移

5、。雜質(zhì)原子顯然會影響舞臺的長度。主要從兩個(gè)方面：雜質(zhì)原子對堆垛層錯(cuò)能的影響和分散第二相的形成。9，學(xué)會交流PPT，3)溫度的影響，w，10，研究面心立方金屬變形單晶的表面現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)無論堆垛層錯(cuò)能是高還是低，只要它在同一階段發(fā)生變形，它就具有相同的表面現(xiàn)象。各階段的觀察和研究結(jié)果總結(jié)如下：階段1；光學(xué)顯微鏡一般看不到滑移線。階段：暗視野下光學(xué)顯微鏡可以看到滑移線，滑移線長度隨著應(yīng)變的增加而減小。電子顯微鏡觀察到的單滑移線比第一階段的滑移線粗而短。第一階段：出現(xiàn)滑動帶，包括相互靠近的滑移線。當(dāng)應(yīng)變增加時(shí)，在帶之間沒有增加新的線，變形集中在原始帶中，并且?guī)У哪┒吮黄茐?。所謂碎裂現(xiàn)象是指相互連接的滑動

6、帶的橫向運(yùn)動現(xiàn)象。11，學(xué)習(xí)交流PPT，2。BCC晶格單晶的塑性變形，高純BCC金屬在室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與面心立方金屬相似。如果含有少量雜質(zhì)原子或在低溫下變形，會產(chǎn)生明顯的屈服現(xiàn)象，不能得到三階段硬化曲線。圖3.4鈮單晶的加工硬化，12。學(xué)習(xí)交流PPT，3。HCP晶格單晶的塑性變形。HCP金屬應(yīng)力-應(yīng)變曲線第一階段的硬化速率與面心立方金屬相似，但通常限于一組基底滑移，并且出現(xiàn)較長的第一階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他結(jié)構(gòu)的晶體，因此樣品在第一階段充分發(fā)揮作用之前就斷裂了。但當(dāng)條件成熟時(shí)，將有三個(gè)完整的階段。圖3.5鋅單晶的加工硬化，13。學(xué)習(xí)交流PPT，3.2金屬多晶的塑性變形，其中大部分是多晶。多晶是

7、具有不同取向、形狀和尺寸以及不同成分和結(jié)構(gòu)的晶粒通過晶界的集合。多晶的塑性變形是許多單晶塑性變形的集合。然而，由于不同的晶粒取向、晶界和晶粒尺寸，多晶體的塑性變形和強(qiáng)化具有許多不同于單晶的特征。1.晶界在塑性變形中的作用。為了顯示晶界對變形的影響，可以對由幾個(gè)晶粒組成的大晶體進(jìn)行變形，并且可以觀察和測量其變形分布。下圖：圖3.6當(dāng)總變形相同時(shí)，多晶鋁的幾個(gè)晶粒的實(shí)際變形；15.學(xué)習(xí)交流PPT，從圖中可以看出：1)當(dāng)總變形相同時(shí)，不僅每個(gè)晶粒的實(shí)際變形不同，而且每個(gè)晶粒內(nèi)部的實(shí)際變形程度也不一致。2)晶界處的變形程度小于晶粒內(nèi)部的變形程度，表明晶界處很難變形；這也表明晶界在促進(jìn)變形不均勻分布中起

8、著重要作用。16、學(xué)會交換PPT，晶界對塑性變形過程的影響主要是晶界阻礙低溫滑移引起的阻礙強(qiáng)化和變形連續(xù)性所需的晶界附近多系統(tǒng)滑移引起的強(qiáng)化。1.晶界勢壘強(qiáng)化由于晶界兩側(cè)晶粒取向不同，不易從一個(gè)晶?；频较乱粋€(gè)晶粒，晶界具有阻礙塑性變形的作用。為了將塑性變形從一個(gè)晶粒傳遞到下一個(gè)晶粒，需要施加更大的外力，這就是晶界的阻隔強(qiáng)化效應(yīng)。17，學(xué)會交換PPT，2。多系統(tǒng)滑移強(qiáng)化，在多晶材料中，一個(gè)晶粒在不破壞晶界連續(xù)性的情況下產(chǎn)生滑移變形，相鄰晶粒必須有相應(yīng)的協(xié)調(diào)變形。一旦變形擴(kuò)展到相鄰晶粒，多晶的塑性變形產(chǎn)生多系統(tǒng)滑移。位錯(cuò)運(yùn)動比單系統(tǒng)滑移遇到更多的障礙，阻力增加。此外，隨著變形量的增加，阻力迅速增

9、加，這是多系統(tǒng)滑移引起的強(qiáng)化效應(yīng)。在不同的晶體結(jié)構(gòu)中，多系統(tǒng)滑移強(qiáng)化和勢壘強(qiáng)化的效果不同。體心立方和面心立方晶體金屬中有許多滑移系統(tǒng)，多系統(tǒng)滑移強(qiáng)化的效果遠(yuǎn)大于障礙物當(dāng)外力作用在多晶上時(shí)，由于晶粒取向不同，作用在各晶?；葡瞪系募魬?yīng)力也不同，因此各晶粒的變形也不同。在單一晶粒中，在晶界附近很難變形。一般來說，晶界處的變形低于晶粒中心處的變形。與不同尺寸的晶粒相比，細(xì)晶粒具有更大的強(qiáng)化效果。細(xì)晶組織的硬度一般高于粗晶組織，因?yàn)榧?xì)晶組織中的晶界比例大于粗晶組織中的晶界比例。19，學(xué)會交換PPT，2，晶界的本質(zhì)，1，晶界處的晶格畸變大，并且有晶界能；2.晶界原子排列的不規(guī)則性；3.晶界上的原子偏離它

10、們的平衡位置，具有較高的動能；4.晶界上有許多缺陷，如空位和位錯(cuò)。5.原子在晶界的擴(kuò)散速度很快。6.晶界熔點(diǎn)低。20。學(xué)會交換PPT。第三，晶界對晶體強(qiáng)度的影響。多晶和單晶變形的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1)多晶材料有晶界；2)多晶體中各晶粒的取向不同。實(shí)驗(yàn)表明，多晶材料的流變應(yīng)力與晶粒直徑的平方根成反比，即Hall- Petch關(guān)系=* kd-1/2，21，學(xué)習(xí)交替PPT第四，金屬多晶應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該金屬流變曲線很好地表現(xiàn)了金屬塑性變形過程的特征。應(yīng)力應(yīng)變曲線常用于描述金屬在塑性變形過程中的強(qiáng)化規(guī)律。影響金屬變形強(qiáng)化的各種因素(如晶格類型、金屬類型、晶粒尺寸、變形溫度、變形速度、加載方式

11、等)。)會影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征和數(shù)值。22，學(xué)習(xí)交流PPT，1。面心立方晶格金屬多晶的變形、多晶面心立方晶格金屬的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線通常用拋物線來描述。人們經(jīng)常提出不同的關(guān)系表達(dá)式來概括描述它們。典型方程是：圖3.7鋁多晶在77K，23時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。學(xué)習(xí)交流PPT，第一階段，在12%應(yīng)變之前，拋物線關(guān)系是：然后是曲線的直線部分(第二階段)；最后第二個(gè)拋物線部分(第三階段):24，這個(gè)明顯的屈服點(diǎn)是由間隙原子如碳、氮和氧雜質(zhì)的少量富集引起的。體心立方晶格的大部分曲線低于面心立方晶格金屬的曲線，即體心立方晶格金屬的加工硬化率實(shí)際上很低。圖3.8不同溫度下區(qū)域精鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，25。學(xué)習(xí)

12、交流電PPT和BCC晶格金屬的屈服理論。與HCP晶格金屬和面心立方晶格金屬相比，當(dāng)溫度低于0.2Tm左右時(shí)，面心立方晶格金屬對屈服應(yīng)力影響較大，屈服應(yīng)力與應(yīng)變速率明顯相關(guān)。顯然，為了解釋這一現(xiàn)象，有必要解釋與溫度密切相關(guān)的位錯(cuò)釘扎或位錯(cuò)阻塞機(jī)制。解釋屈服應(yīng)力的最重要機(jī)制是：1)間隙原子位錯(cuò)氣團(tuán)；2)位錯(cuò)上的細(xì)小沉淀；3)Peeris-Nabarro力阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，26。學(xué)習(xí)交流PPT，3。致密六方晶格多晶體的塑性變形。密排六方晶格多晶體的塑性變形與單晶的變形方式不同，在多晶體孿晶、扭結(jié)帶形成和非基底滑移中起著基本作用，但沿基底平面很難發(fā)生易滑移。對密排六方晶格金屬雙晶和多晶性能的觀察表明，它們

13、的形變強(qiáng)化主要依賴于非基面滑移的存在。27，學(xué)會交換PPT，晶粒尺寸對六方晶格多晶體的塑性和流動應(yīng)力有影響。在具有緊密六邊形晶格的金屬和合金中，高的Ky值是由滑移系的限制和大的取向因子m決定的。大的取向因子m及其值表明對晶粒尺寸有很強(qiáng)的依賴性。流動應(yīng)力隨著晶粒尺寸的減小而增加，這不是由于晶界的存在，而是由于被晶界分隔的晶粒之間的相互作用。變形的可能性，28，學(xué)習(xí)交流PPT，5。影響多晶體1應(yīng)力-應(yīng)變曲線的主要因素受晶格類型和金屬類型的影響，體心立方金屬的硬化速率大致相同，其硬化效果比面心立方金屬差。然而，也是面心立方晶體的金屬的硬化速率是非常不同的。其原因是體心立方金屬存在許多滑移系，容易產(chǎn)生

14、橫向滑移，這是其硬化率低的主要原因之一。面心立方晶體硬化速率差異很大的現(xiàn)象可能是由于不同的堆垛層錯(cuò)能造成的。29、學(xué)習(xí)交流PPT，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的另一個(gè)特點(diǎn)是明顯的屈服效應(yīng)和體心立方金屬的動態(tài)變形時(shí)效現(xiàn)象。原因是雜質(zhì)原子在晶界附近容易分離。由于溶質(zhì)原子，特別是間隙原子和位錯(cuò)之間的強(qiáng)相互作用，歌迪亞氣團(tuán)被牢牢釘在位錯(cuò)上，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)屈服效應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)溫度從室溫升高時(shí)，發(fā)生動態(tài)變形時(shí)效，上下屈服點(diǎn)反復(fù)出現(xiàn)。這種現(xiàn)象被稱為波特模式李沙特里效應(yīng)。圖3.9鋼的動態(tài)應(yīng)變時(shí)效，30，學(xué)習(xí)PPT，2。變形溫度和應(yīng)變速率的影響，溫度對加工硬化有很大影響。隨著溫度的升高，硬化系數(shù)降低，對應(yīng)于一定變形程度的屈服

15、應(yīng)力也降低。原因是：1)隨著溫度的升高，可能會啟動新的滑移系統(tǒng)；2)隨著溫度的升高，變形過程中會出現(xiàn)回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn)象；3)隨著溫度的升高，可能會出現(xiàn)新的塑性變形機(jī)制。31，學(xué)習(xí)交換PPT，體心立方晶體對溫度的敏感性特別突出。在低溫下，屈服應(yīng)力的上升尤為突出。其原因如下：1)體心立方晶體的晶格電阻更依賴于溫度，其晶格電阻因位錯(cuò)寬度窄而對屈服強(qiáng)度起重要作用。2)體心立方晶體中的位錯(cuò)與溶質(zhì)原子，特別是間隙原子強(qiáng)烈相互作用。在低溫下，體心立方晶體的屈服應(yīng)力值非常高，并且容易發(fā)生脆性斷裂，即，體心立方晶體在低溫下是脆性的。此外，體心立方晶體的屈服效應(yīng)明顯，存在動態(tài)變形時(shí)效溫度范圍。32，學(xué)會交換PPT，

16、應(yīng)變率對加工硬化的影響是雙重的，包括兩個(gè)因素：應(yīng)變率效應(yīng)，它由于應(yīng)變率的增加和軟化機(jī)制的延遲而引起屈服應(yīng)力的增加；在變形過程中，由于高應(yīng)變率(正如變形熱在絕熱過程中損失太晚一樣)，塑性功轉(zhuǎn)變變熱，這增加了變形物體的溫度，并產(chǎn)生降低屈服應(yīng)力的溫度效應(yīng)。法律很復(fù)雜。應(yīng)變速率對加工硬化的影響用屈服應(yīng)力的相對增加值(單位應(yīng)變速率增加時(shí)屈服應(yīng)力增量與原始屈服應(yīng)力值的比值)來表示，稱為速率效應(yīng)。圖3.10溫度對應(yīng)變率效應(yīng)的影響高溫區(qū)(完全軟化區(qū))的應(yīng)變率效應(yīng)影響最大。在此溫度范圍內(nèi)，塑性變形機(jī)制基本上是擴(kuò)散機(jī)制和晶間滑動機(jī)制。過渡區(qū)的應(yīng)變率效應(yīng)在中間。在此溫度范圍內(nèi)，它具有回復(fù)和再結(jié)晶軟化機(jī)制。低溫區(qū)的影響最小，控制該溫度區(qū)的變形機(jī)制是剪切機(jī)制。3.3溫度和應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響。許多金屬晶體的流變應(yīng)力隨著溫度的升高和應(yīng)變率的降低而降低，但當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，流變應(yīng)力不再發(fā)生變化(如果剪切模量不受溫度影響，流變應(yīng)力是一個(gè)恒定值)。西格將流動應(yīng)力分為兩部分：前一