合金的塑性变形课件

合金的塑性合金的塑性变形形提高材料提高材料强度的另一种方法是度的另一种方法是合金化合金化。合金元素在基体中有两种存在方式：合金元素在基体中有两种存在方式：与基体金属与基体金属形成固溶体形成固溶体；形成第二相形成第二相。合金塑性合金塑性变形的形的基本方式基本方式仍然是仍然是滑移和滑移和孪生生，但由于，但由于组织、结构的构的变化，其塑性化，其塑性变形各有特点。形各有特点。合金的塑性变形提高材料强度的另一种方法是合金化。一、固溶体的塑性一、固溶体的塑性变形形固溶固溶强化：化：溶溶质原子溶入基体后，使其原子溶入基体后，使其强度、硬度提高度、硬度提高，塑性、塑性、韧性下降性下降的的现象。象。溶溶质原子的加入，提高屈服原子的加入，提高屈服应力力-应变水平，曲水平，曲线上移。上移。一、固溶体的塑性变形固溶强化：溶质原子溶入基体后，使其强度、影响固溶影响固溶强化的因素：化的因素：溶溶质原子的原子的浓度越高度越高，强化作用越大化作用越大，但不保，但不保持持线形关系，低形关系，低浓度度时，强化效化效应更更显著。著。溶溶质原子与基体金属原子与基体金属原子尺寸相差越大原子尺寸相差越大，强化化作用也越大作用也越大。形成形成间隙固溶体的溶隙固溶体的溶质元素元素比形成置比形成置换固溶体固溶体的溶的溶质元素的元素的强化作用大化作用大。溶溶质原子与基体金属的原子与基体金属的价价电子数相差越大子数相差越大，强化作用越大化作用越大。影响固溶强化的因素：溶质原子的浓度越高，强化作用越大，但不保固溶固溶强化的机制化的机制溶溶质原子与位原子与位错的的弹性交互作用性交互作用、电交互作交互作用用及及化学交互作用化学交互作用，阻碍了位阻碍了位错的运的运动(提高屈提高屈服服强度度)，增加了位增加了位错运运动的摩擦阻力的摩擦阻力(提高整个提高整个应力力-应变水平水平)。固溶强化的机制溶质原子与位错的弹性交互作用、电交互作用及化学溶溶质原子在晶体中造成点原子在晶体中造成点阵畸畸变，产生生应力力场，该应力力场与位与位错的的应力力场发生生弹性交互作用。性交互作用。柯垂柯垂尔(Cotrell)气气团：溶溶质原子原子与位与位错发生交互作用，生交互作用，集聚在位集聚在位错线附近附近，以降低体系的畸，以降低体系的畸变能所能所形成的溶形成的溶质原原子气子气团。溶质原子在晶体中造成点阵畸变，产生应力场，该应力场与位错的应柯氏气柯氏气团对位位错有有“钉扎扎”作用，作用，为使位使位错挣脱气脱气团的的“钉扎扎”而运而运动或拖着气或拖着气团运运动，必必须施加施加更大的外力更大的外力。因此，因此，固溶体合金的塑性固溶体合金的塑性变形抗力要高于形抗力要高于纯金属金属，即，即强度提高了。度提高了。柯氏气团对位错有“钉扎”作用，为使位错挣脱气团的“钉扎”而运屈服和屈服和应变时效效现象：象：低碳低碳钢拉伸拉伸时有上、下屈服点和屈服有上、下屈服点和屈服延伸延伸现象。象。试样在上屈服点出在上屈服点出现明明显塑性塑性变形，同形，同时应力突然下降到下屈服点。力突然下降到下屈服点。在下屈服点在下屈服点发生生连续变形，而形，而应力并不升高力并不升高或出或出现微小波微小波动，即出，即出现屈服平台。屈服平台。屈服和应变时效现象：低碳钢拉伸时有上、下屈服点和屈服延伸现象在在屈屈服服延延伸伸阶段段，试样的的应变不不均均匀匀，应力力达达到到上上屈屈服服点点，在在试样应力力集集中中处首首先先开开始始塑塑性性变形形，能能在在试样表表面面观察察到到与与纵轴呈呈约45交交角角的的应变痕痕迹迹吕德斯德斯带。此此时，应力力下下降降到到下下屈屈服服点点，吕德德斯斯带沿沿试样长度度方方向向扩展展开开来。来。如如果果试样上上形形成成几几个个吕德德斯斯带，在在屈屈服服延延伸伸阶段段就就会会有有应力力波波动，当当屈屈服服扩展展到到整整个个试样标距范距范围，屈服延伸，屈服延伸阶段段结束。束。在屈服延伸阶段，试样的应变不均匀，应力达到上屈服点，在试样应应变时应变时效效效效应变时效效：经过预变形形的金属的金属放置一段放置一段时间后后，屈服屈服应力提高力提高的的现象。象。若在拉伸前，若在拉伸前，对试样先先进行少量的行少量的预塑性塑性变形形，则屈服点可屈服点可暂时不出不出现。试样放置一段放置一段较长时间或或经200左右短左右短时加加热，再拉伸，再拉伸，则屈服点又重新屈服点又重新出出现，且，且屈服屈服应力提高力提高。应变时效应变时效：经过预变形的金属放置一段时间后，屈服应力提现象的解象的解释：屈服点屈服点的出的出现通常通常与与金属中溶有金属中溶有微量的微量的杂质(或溶或溶质)原原子有关子有关。如将低碳。如将低碳钢经700湿湿氢处理，理，去除去除N、C原子后原子后拉伸，拉伸，屈服点不出屈服点不出现，去，去N、C原子的原子的试样稍稍许渗入些渗入些C原原子子再拉伸，再拉伸，屈服屈服现象又出象又出现。原因：微量溶原因：微量溶质原子集聚在位原子集聚在位错周周围，形成的，形成的柯垂柯垂尔气气团，对位位错有有“钉扎扎”作用作用。位位错脱脱钉所需的所需的应力力上屈服点上屈服点；已脱已脱钉的位的位错继续运运动所需所需应力力下屈服点下屈服点。已已经屈服屈服的的试样，卸卸载后立即重新拉伸后立即重新拉伸，位位错已脱已脱钉，不出不出现屈服点屈服点；但但卸卸载后放置后放置较长时间或或稍加稍加热后再拉伸后再拉伸，溶，溶质原子已原子已经通通过扩散散又重新集聚到位又重新集聚到位错线周周围形成了气形成了气团，故，故屈服屈服现象又重新出象又重新出现。现象的解释：屈服点的出现通常与金属中溶有微量的杂质(或溶质)屈服屈服现象象给生生产带来的来的问题深冲用低碳深冲用低碳钢薄板在冲薄板在冲压成型成型时，会因屈服延伸区，会因屈服延伸区的不均匀的不均匀变形（形（吕德斯德斯带）而使工件表面粗糙不平。）而使工件表面粗糙不平。使屈服点消除的措施：使屈服点消除的措施：预冷冷轧（12%的的压下量）后，下量）后，再冲再冲压；加少量加少量Ti、Nb、V、Al等与等与C、N形成化合物。形成化合物。屈服现象给生产带来的问题深冲用低碳钢薄板在冲压成型时，会因屈二、多相合金的塑性二、多相合金的塑性变形与第二相形与第二相强化化单相合金借固溶相合金借固溶强化提高化提高强度的作用有限，度的作用有限，两相或多相合金的两相或多相合金的强化作用更化作用更显著。著。聚合型多相合金聚合型多相合金：第二相的尺寸：第二相的尺寸与基体晶与基体晶粒尺寸属同一数量粒尺寸属同一数量级。弥散型多相合金弥散型多相合金：第二相粒子很：第二相粒子很细小，且小，且弥散分布于基体晶粒内弥散分布于基体晶粒内。二、多相合金的塑性变形与第二相强化单相合金借固溶强化提高强度(一一)聚合型两相合金的聚合型两相合金的变形形1 1、两相都有塑性：、两相都有塑性：只有只有第二相第二相较强时，合金才能合金才能强化化。合金的合金的变形阻力决定于两相的体形阻力决定于两相的体积分数，滑分数，滑移首先移首先发生于生于较弱一相中。弱一相中。如如较强相占到相占到30%（体（体积），），两相以接近相两相以接近相等的等的应变发生生变形形，较强相占到相占到70%时，以它，以它为主。主。(一)聚合型两相合金的变形1、两相都有塑性：2、第二相、第二相为硬脆相：硬脆相：合金的性能主要取决于合金的性能主要取决于脆性相的形状和分布脆性相的形状和分布。硬脆相硬脆相呈呈连续网状分布在网状分布在塑性相的塑性相的晶界上晶界上，降低合金塑性降低合金塑性，强度也降低度也降低。如。如Fe3C呈网状分布呈网状分布时。硬脆相硬脆相呈片状分布在基体相中呈片状分布在基体相中，提高合金提高合金强度度，片，片层越越细，强化效果越好，化效果越好，塑性也塑性也较好好（类似于似于细晶晶强化）。如化）。如P，变形集中在基体相中，位形集中在基体相中，位错的移的移动被限制在被限制在Fe3C片片层之之间很很短的距离内，增加了短的距离内，增加了继续变形的阻力，使形的阻力，使钢强度提高。度提高。厚厚Fe3C片易断裂片易断裂，薄片反而能承受一些，薄片反而能承受一些变形。形。硬脆相硬脆相呈呈较粗粗颗粒分布在基体相中粒分布在基体相中，强度降低度降低，塑性、塑性、韧性提高性提高。如。如过共析共析钢经球化退火后的球状球化退火后的球状Fe3C，因基体，因基体连续，Fe3C对基体基体变形的阻碍作用大大减弱。形的阻碍作用大大减弱。2、第二相为硬脆相：冷加工后珠光体中渗碳体片的断裂和变形冷加工后珠光体中渗碳体片的断裂和变形 1500015000a)a)断裂；断裂；b)b)变形变形冷加工后珠光体中渗碳体片的断裂和变形 15000(二二)弥散型合金的塑性弥散型合金的塑性变形形第二相以第二相以细小弥散的微粒均匀分布小弥散的微粒均匀分布在基体中，在基体中，将将产生生显著的著的弥散弥散强化化作用。作用。第二相可从第二相可从过饱和固溶体中析出，也可由粉和固溶体中析出，也可由粉末冶金方法加入。末冶金方法加入。第二相分第二相分类：不可不可变形微粒形微粒，可可变形微粒形微粒。(二)弥散型合金的塑性变形第二相以细小弥散的微粒均匀分布在基1 1、不可、不可变形微粒的形微粒的强化作用化作用移移动位位错与不可与不可变形形 微粒相遇：位微粒相遇：位错线将将饶过粒子粒子，留下留下包包围着微粒的着微粒的位位错环，位，位错线其余部分其余部分则越越过粒子粒子继续移移动。有有实验观察察证实。位位错按此方式移按此方式移动时受到的受到的阻力很大阻力很大，强度度显著提高著提高。1、不可变形微粒的强化作用移动位错与不可变形 微粒相遇：位错黄铜中围绕着黄铜中围绕着AlAl2 2O O3 3粒子粒子的位错环（透射电镜像）的位错环（透射电镜像）黄铜中围绕着Al2O3粒子的位错环（透射电镜像）粒子粒子间距及尺寸距及尺寸对强化的影响化的影响位位错绕过间距距为的第二相微粒所需的的第二相微粒所需的切切应力力为：即：即：越小越小，强化效果越化效果越显著著。减小粒子尺寸减小粒子尺寸（在同（在同样体体积分数分数时，粒子越小，粒，粒子越小，粒子子间距越小）或距越小）或提高粒子的体提高粒子的体积分数分数，都使，都使合金的合金的强度度提高提高。此机制称此机制称奥奥罗万机制万机制，计算和算和实测值相符。相符。粒子间距及尺寸对强化的影响位错绕过间距为的第二相微粒所需的2、可、可变形微粒的形微粒的强化作用化作用第二相第二相为可可变形微粒形微粒时，位，位错将将切切过粒子粒子，使其，使其与基与基体一起体一起变形形，增加了位增加了位错运运动的阻力的阻力，使，使材料的材料的强度提高度提高。此此现象也有象也有电镜观察察证实。位位错切切过粒子，粒子，产生的生的强化因素化因素有：有：粒子粒子结构与基体不同，在其滑移面上构与基体不同，在其滑移面上造成原子造成原子错排排，要求要求错排能排能。使粒子使粒子生成生成宽为b的台的台阶，需，需表面能表面能。粒子周粒子周围的的弹性性应力力场与位与位错交互作用交互作用，阻碍位阻碍位错运运动。各因素各因素综合作用使合金合作用使合金强度提高度提高。增大体增大体积分数分数或或增大粒子尺寸增大粒子尺寸都都有利于提高有利于提高强度度。2、可变形微粒的强化作用第二相为可变形微粒时，位错将切过粒子位位错运运动遇到遇到细小弥散分布的第二相小弥散分布的第二相质点点时，无，无论是是绕过去或切去或切过去，都要受到很大的去，都要受到很大的阻力，将引起金属的阻力，将引起金属的显著著强化。化。弥散弥散强化化：弥散分布的：弥散分布的细小第二相小第二相质点阻点阻碍位碍位错的运的运动，引起合金引起合金显著著强化化的的现象。象。位错运动遇到细小弥散分布的第二相质点时，无论是绕过去或切过去合金的塑性变形课件启启启启动动F-RF-R源所需要的切源所需要的切源所需要的切源所需要的切应应力力力力当外加切当外加切应力力作用作用时，CD上将受到的力有：上将受到的力有：f=b：驱动力力，使位使位错向前弯曲向前弯曲。线张力力T：T=(1/2)Gb2，使位，使位错变直直。平衡平衡时有：有：fds=2Tsin(d/2)ds=rd，sin(d/2)d/2平衡半径平衡半径：r=Gb/2使位使位错弯曲到半径弯曲到半径r所需的切所需的切应力力：=Gb/2r半半圆时：r最小最小，最大最大。设CD间的的距离距离为L，rmin=L/2，启启动F-R源所需的源所需的临界切界切应力力：max=Gb/L fd/2d/2启动F-R源所需要的切应力当外加切应力作用时，CD上将受到