材料的塑性变形

第七章 材料的塑性变形第一节 金属变形概述第七章塑性变形第一节金属变形概述弹性变形塑性变形断裂弹性变形塑性变形断裂第一节 金属变形概述第七章塑性变形第一节金属变形概述弹性变形弹性变形：变形可逆；变形可逆；应力应变呈应力应变呈线性关系。线性关系。弹性模量弹性模量：原子间结合原子间结合力的反映和力的反映和度量。度量。第二节 单晶体的塑性变形 常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。一一 滑移滑移 1 1 滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。变方式。光镜下：滑移带（无重现性）。光镜下：滑移带（无重现性）。2 2 滑移的表象学滑移的表象学 电境下：滑移线。电境下：滑移线。第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 一一 滑移滑移 光镜下：滑移带（无重现性）。光镜下：滑移带（无重现性）。2 2 滑移的表象学滑移的表象学 电境下：滑移线。电境下：滑移线。第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 滑移面滑移面 （密排面）（密排面）（1 1）几何要素）几何要素 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向）第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系的个数滑移系的个数:(:(滑移面个数）滑移面个数）（每个面上所具有（每个面上所具有的滑移方向的个数）的滑移方向的个数）第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系的个数滑移系的个数:(:(滑移面个数）滑移面个数）（每个面上所具有（每个面上所具有的滑移方向的个数）的滑移方向的个数）第七章塑性变形第二节单晶体塑变晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo体心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （2 2）滑移系）滑移系 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好；滑移系数目与材料塑性的关系：滑移系数目与材料塑性的关系：与滑移面密排程度和滑移方与滑移面密排程度和滑移方 向个数有关；向个数有关；与同时开动滑移系数目有与同时开动滑移系数目有 关（关（c c）。）。第七章塑性变形第二节单晶体塑变晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo体心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（c c）c c：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。外力在滑移方向上的分解。外力在滑移方向上的分解。c c s scoscos coscos 第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（c c）c c取决于金属的本性，不受取决于金属的本性，不受，的影响；的影响；或或 9090 时，时，s s ；c c s scoscos coscos s s的取值的取值 ，4545 时，时，s s最小，晶体易滑移；最小，晶体易滑移；软取向：值大；软取向：值大；取向因子：取向因子：coscos coscos 硬取向：值小。硬取向：值小。第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 4 4 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动 （1 1）位向和晶面的变化）位向和晶面的变化 拉伸时拉伸时,滑移面和滑移方向趋于滑移面和滑移方向趋于 平行于力轴方向平行于力轴方向 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。几何硬化：几何硬化：，远离远离4545，滑移变得困难，滑移变得困难；（2 2）取向因子的变化）取向因子的变化 几何软化；几何软化；，接近接近4545，滑移变得容易，滑移变得容易。第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 5 5 多滑移多滑移 （1）滑移的分类）滑移的分类 多滑移：在多个（多滑移：在多个（22）滑移系上同时或交替进行的滑移。）滑移系上同时或交替进行的滑移。双滑移：双滑移：单滑移：单滑移：（2 2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。夹角分别相等的一组滑移系。第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 6 6 交滑移交滑移 （1 1）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。滑移方向进行的滑移。（2）机制）机制 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程；交的另一滑移面的过程；螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。滑移面的过程。第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 7 滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带；单滑移：单一方向的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；交滑移：波纹状的滑移带。交滑移：波纹状的滑移带。第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生（1 1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。关系。孪生面孪生面 A1111,A2112,A31012A1111,A2112,A31012（2 2）孪生的晶体学）孪生的晶体学 孪生方向孪生方向 A1,A2,A3A1,A2,A3 孪晶区孪晶区 第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生 第七章塑性变形第二节单晶体塑变（3）孪生变形的特点滑移孪生相同点1均匀切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。不同点晶体位向不改变（对抛光面观察无重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）位移量滑移方向上原子间距的整数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，较小。对塑变的贡献很大，总变形量大。有限，总变形量小。变形应力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于滑移变形条件一般先发生滑移滑移困难时发生变形机制全位错运动的结果分位错运动的结果2h第三节 多晶体的塑性变形1 1 晶粒之间变形的传播晶粒之间变形的传播 位错在晶界塞积位错在晶界塞积 应力集中应力集中 相邻晶粒位错源开动相邻晶粒位错源开动 相邻相邻晶粒变形晶粒变形 塑变塑变 2 2 晶粒之间变形的协调性晶粒之间变形的协调性 （1 1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。（2 2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）晶体分裂）（3 3）条件：独立滑移系）条件：独立滑移系 5 5个。（保证晶粒形状的自由变化）个。（保证晶粒形状的自由变化）第七章塑性变形第三节多晶体塑变第三节 多晶体的塑性变形3 3 晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用 （1 1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2 2）晶界对变形的影响）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界滑移、孪生多终止于晶界,极少穿极少穿过。过。（3 3）晶粒大小与性能的关系）晶粒大小与性能的关系 a a 晶粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高(细晶强化细晶强化：由下列霍尔配奇公式：由下列霍尔配奇公式可知可知)s s=0 0+kd+kd-1/2-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）尺寸限制）第七章塑性变形第三节多晶体塑变第三节 多晶体的塑性变形3 3 晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用 晶粒越多，变形均匀性提高由应力集晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中中 导致的开裂机会减少，可承受更大的导致的开裂机会减少，可承受更大的变变 形量，表现出形量，表现出高塑性高塑性。b b 晶粒越细，塑韧性提高晶粒越细，塑韧性提高 细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易易 萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂裂 过程中可吸收较多能量过程中可吸收较多能量,表现出表现出高韧性高韧性。第七章塑性变形第三节多晶体塑变第四节 合晶的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 1 1 固溶体的结构固溶体的结构 2 2 固溶强化固溶强化 （1 1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。度提高而塑性、韧性下降的现象。晶格畸变，阻碍位错运动；晶格畸变，阻碍位错运动；（2 2）强化机制）强化机制 柯氏气团强化。柯氏气团强化。第七章塑性变形第四节合金塑变第四节 合晶的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 2 2 固溶强化固溶强化 （3 3）屈服和应变时效）屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或现象；去载后放置一段时间或200200加热后再加载出现屈服。加热后再加载出现屈服。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。第七章塑性变形第四节合金塑变第四节 合晶的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 2 2 固溶强化固溶强化 （4）固溶强化的影响因素）固溶强化的影响因素 溶质原子含量越多，强化效果越好；溶质原子含量越多，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；价电子数差越大，强化效果越好；价电子数差越大，强化效果越好；间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。第七章塑性变形第四节合金塑变第四节 合晶的塑性变形二二 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形 1 1 结构：基体第二相。结构：基体第二相。2 2 性能性能 （1）两相性能接近：按强度分数相加计算。）两相性能接近：按强度分数相加计算。（2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；a a结构结构 两相呈层片状分布（珠光体）；两相呈层片状分布（珠光体）；第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。第七章塑性变形第四节合金塑变第四节 合晶的塑性变形二二 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形 2 2 性能性能 （2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 弥散强化：位错绕过第二相粒子弥散强化：位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运粒子、位错环阻碍位错运动动)b b强化强化 沉淀强化：位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子沉淀强化：位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍阻碍 位错运动）位错运动）第七章塑性变形第四节合金塑变第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 晶粒拉长晶粒拉长;1 1 形成纤维组织形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。第七章塑性变形第五节组织性能变化第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 2 2 形成形变织构形成形变织构（1 1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。取向的组织。丝织构丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）成）（2 2）常见类型）常见类型 板织构板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向。（轧制时形成）行于主变形方向。（轧制时形成）力学性能：利：深冲板材变形控制；弊：制耳力学性能：利：深冲板材变形控制；弊：制耳。（3 3）对性能的影响）对性能的影响 (各向异性各向异性)物理性能：硅钢片物理性能：硅钢片织构可减少铁损。织构可减少铁损。第七章塑性变形第五节组织性能变化第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 3 3 形成位错胞形成位错胞 变形量变形量 位错缠结位错缠结 位错胞（大量位错缠结在胞壁，位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。）胞内位错密度低。）第七章塑性变形第五节组织性能变化第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化）（1 1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。第七章塑性变形第五节组织性能变化第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化）强化金属的重要途径；强化金属的重要途径；利利 提高材料使用安全性；提高材料使用安全性；（2 2）利弊）利弊 材料加工成型的保证。材料加工成型的保证。弊弊 变形阻力提高，动力消耗增大；变形阻力提高，动力消耗增大；脆断危险性提高。脆断危险性提高。第七章塑性变形第五节组织性能变化第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 2 2 对物理、化学性能的影响对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；结构缺陷增多，扩散加快；结构缺陷增多，扩散加快；化学活性提高，腐蚀加快。化学活性提高，腐蚀加快。第七章塑性变形第五节组织性能变化第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 三三 残余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的1010）第一类残余应力（第一类残余应力（）：宏观内应力，由整个物）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。体变形不均匀引起。1 1 分类分类 第二类残余应力（第二类残余应力（）：微观内应力，由晶粒变）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。形不均匀引起。第三类残余应力（第三类残余应力（）：点阵畸变，由位错、空）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。位等引起。80-90%80-90%。利：预应力处理，如汽车板簧的生产。利：预应力处理，如汽车板簧的生产。2 2 利弊利弊 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。3 3 消除：去应力退火。消除：去应力退火。第七章塑性变形第五节组织性能变化2h