材料塑性变形

第 八 章 材 料 的 塑 性 变 形 第 一 节 金 属 变 形 概 述弹 性 变 形 塑 性 变 形 断 裂 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E 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 ：变 形 可 逆 ；应 力 应 变 呈线 性 关 系 。弹 性 模 量 ：原 子 间 结 合力 的 反 映 和度 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 。一 滑 移1 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 ） 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 。 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形 一 滑 移 光 镜 下 ： 滑 移 带 （ 无 重 现 性 ） 。 2 滑 移 的 表 象 学 电 境 下 ： 滑 移 线 。 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形 3 滑 移 的 晶 体 学 滑 移 面 （ 密 排 面 ） （ 1） 几 何 要 素 滑 移 方 向 （ 密 排 方 向 ） 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形 3 滑 移 的 晶 体 学（ 2） 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 的 个 数 :(滑 移 面 个 数 ） （ 每 个 面 上 所 具 有 的 滑 移 方 向 的 个 数 ） Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形 3 滑 移 的 晶 体 学 （ 2） 滑 移 系 滑 移 系 数 目 与 材 料 塑 性 的 关 系 一 般 滑 移 系 越 多 ， 塑 性 越 好 ； 与 滑 移 面 密 排 程 度 和 滑 移 方 向 个 数 有 关 ； 与 同 时 开 动 滑 移 系 数 目 有 关 （ c） 。 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形 3 滑 移 的 晶 体 学（3）滑移的临界分切应力（c） c：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) cscoscos 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形 3 滑 移 的 晶 体 学（3）滑移的临界分切应力（c） c取决于金属的本性，不受，的影响； 或90时，s ；cscoscos s的取值 ，45时， s最小，晶体易滑移； 软取向：值大； 取向因子：coscos 硬取向：值小。 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形 4 滑 移 时 晶 体 的 转 动（ 1） 位 向 和 晶 面 的 变 化 拉 伸 时 ,滑 移 面 和 滑 移 方 向 趋 于 平 行 于 力 轴 方 向 ; 压 缩 时 ， 晶 面 逐 渐 趋 于 垂 直 于 压 力 轴 线 。 几 何 硬 化 ： ， 远 离 45， 滑 移 变 得 困 难 ；（ 2） 取 向 因 子 的 变 化 几 何 软 化 ； ， 接 近 45， 滑 移 变 得 容 易 。 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形 5 多 滑 移 （ 1） 滑 移 的 分 类 多 滑 移 ： 在 多 个 （ 2） 滑 移 系 上 同 时 或 交 替 进 行 的 滑 移 。 双 滑 移 ： 单 滑 移 ： （ 2） 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 。 2h 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形 6 交 滑 移 （ 1） 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 。 （ 2） 机 制 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 ； 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 。 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形 7 滑 移 的 表 面 痕 迹 单 滑 移 ： 单 一 方 向 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 。 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形二 孪 生（ 1） 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 关 系 。 孪 生 面 A1111,A2112,A31012（ 2） 孪 生 的 晶 体 学 孪 生 方 向 A1,A2,A3 孪 晶 区 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形二 孪 生 第 二 节 单 晶 体 的 塑 性 变 形二 孪 生 （3）孪 生 变 形 的 特 点 滑 移 孪 生相 同 点 1 切 变 ； 2 沿 一 定 的 晶 面 、 晶 向 进 行 ； 3 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 第 三 节 多 晶 体 的 塑 性 变 形 第 三 节 多 晶 体 的 塑 性 变 形1 晶 粒 之 间 变 形 的 传 播 位 错 在 晶 界 塞 积 应 力 集 中 相 邻 晶 粒 位 错 源 开 动 相邻 晶 粒 变 形 塑 变 2 晶 粒 之 间 变 形 的 协 调 性 （ 1） 原 因 ： 各 晶 粒 之 间 变 形 具 有 非 同 时 性 。 （ 2） 要 求 ： 各 晶 粒 之 间 变 形 相 互 协 调 。 （ 独 立 变 形 会 导 致 晶 体 分 裂 ） （ 3） 条 件 ： 独 立 滑 移 系 5个 。 （ 保 证 晶 粒 形 状 的 自 由 变 化 ） 第 三 节 多 晶 体 的 塑 性 变 形3 晶 界 对 变 形 的 阻 碍 作 用 （ 1） 晶 界 的 特 点 ： 原 子 排 列 不 规 则 ； 分 布 有 大 量 缺 陷 。 （ 2） 晶 界 对 变 形 的 影 响 :滑 移 、 孪 生 多 终 止 于 晶 界 ,极 少 穿 过 。 第 三 节 多 晶 体 的 塑 性 变 形3 晶 界 对 变 形 的 阻 碍 作 用（ 3） 晶 粒 大 小 与 性 能 的 关 系 a 晶 粒 越 细 ， 强 度 越 高 (细 晶 强 化 ： 霍 尔 配 奇 公 式 )s=0+kd-1/2 原 因 ： 晶 粒 越 细 ， 晶 界 越 多 ， 位 错 运 动 的 阻 力 越 大 。 （ 有 尺 寸 限 制 ） 晶 粒 越 多 ， 变 形 均 匀 性 提 高 由 应 力 集 中 导 致 的 开 裂 机 会 减 少 ， 可 承 受 更 大 的 变 形 量 ， 表 现 出 高 塑 性 。 b 晶 粒 越 细 ， 塑 韧 性 提 高 细 晶 粒 材 料 中 ， 应 力 集 中 小 ， 裂 纹 不 易 萌 生 ； 晶 界 多 ， 裂 纹 不 易 传 播 ， 在 断 裂 过 程 中 可 吸 收 较 多 能 量 ,表 现 高 韧 性 。 第 四 节 合 金 的 塑 性 变 形一 固 溶 体 的 塑 性 变 形 1 固 溶 体 的 结 构 2 固 溶 强 化 （ 1） 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 。 晶 格 畸 变 ， 阻 碍 位 错 运 动 ； （ 2） 强 化 机 制 柯 氏 气 团 强 化 。 第 四 节 合 金 的 塑 性 变 形一 固 溶 体 的 塑 性 变 形 2 固 溶 强 化 （ 3） 屈 服 和 应 变 时 效 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 服现 象 ； 去 载 后 放 置 一 段 时 间 或 200 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 。 4h 第 四 节 合 金 的 塑 性 变 形一 固 溶 体 的 塑 性 变 形 2 固 溶 强 化 （ 4） 固 溶 强 化 的 影 响 因 素 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 ； 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 。 第 四 节 合 金 的 塑 性 变 形二 多 相 合 金 的 塑 性 变 形 1 结 构 ： 基 体 第 二 相 。 2 性 能 （ 1） 两 相 性 能 接 近 ： 按 强 度 分 数 相 加 计 算 。 （ 2） 软 基 体 硬 第 二 相 第 二 相 网 状 分 布 于 晶 界 （ 二 次 渗 碳 体 ） ； a结 构 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 四 节 合 金 的 塑 性 变 形二 多 相 合 金 的 塑 性 变 形2 性 能（ 2） 软 基 体 硬 第 二 相 位 错 绕 过 第 二 相 粒 子 (粒 子 、 位 错 环 阻 碍 位 错 运 动 ) b 弥 散 强 化 位 错 切 过 第 二 相 粒 子 （ 表 面 能 、 错 排 能 、 粒 子 阻 碍 位 错 运 动 ） 第 五 节 塑性变形对材料组织和性能的影响 一 对 组 织 结 构 的 影 响 晶 粒 拉 长 ; 1 形 成 纤 维 组 织 杂 质 呈 细 带 状 或 链 状 分 布 。 第 五 节 塑性变形对材料组织和性能的影响 一 对 组 织 结 构 的 影 响2 形 成 形 变 织 构（ 1） 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 。 丝 织 构 ： 某 一 晶 向 趋 于 与 拔 丝 方 向 平 行 。 （ 拉 拔 时 形 成 ）（ 2） 类 型 板 织 构 ： 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 ） 第 五 节 塑性变形对材料组织和性能的影响 一 对 组 织 结 构 的 影 响2 形 成 形 变 织 构 力 学 性 能 ： 利 :深 冲 板 材 变 形 控 制 ;弊 ： 制 耳 。（ 3） 对 性 能 的 影 响 (各 向 异 性 ) 物 理 性 能 :硅 钢 片 100100织 构 可 减 少 铁 损 。 第 五 节 塑性变形对材料组织和性能的影响 一 对 组 织 结 构 的 影 响 3 形 成 位 错 胞 变 形 量 位 错 缠 结 位 错 胞 （ 大 量 位 错 缠 结 在 胞 壁 ， 胞 内 位 错 密 度 低 。 ) 第 五 节 塑性变形对材料组织和性能的影响 二 对 性 能 的 影 响 1 对 力 学 性 能 的 影 响 （ 加 工 硬 化 ） （ 1） 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 。 第 五 节 塑性变形对材料组织和性能的影响 二 对 性 能 的 影 响 1 对 力 学 性 能 的 影 响 （ 加 工 硬 化 ） 强 化 金 属 的 重 要 途 径 ； 利 提 高 材 料 使 用 安 全 性 ； （ 2） 利 弊 材 料 加 工 成 型 的 保 证 。 弊 变 形 阻 力 提 高 ， 动 力 消 耗 增 大 ； 脆 断 危 险 性 提 高 。 第 五 节 塑性变形对材料组织和性能的影响 二 对 性 能 的 影 响 2 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 ； 结 构 缺 陷 增 多 ， 扩 散 加 快 ； 化 学 活 性 提 高 ， 腐 蚀 加 快 。 第 五 节 塑性变形对材料组织和性能的影响 三 残余应力（约占变形功的10） 第一类残余应力（）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。 1 分类 第二类残余应力（）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。 第三类残余应力（ ）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。80-90%。 第 五 节 塑性变形对材料组织和性能的影响 三 残余应力（约占变形功的10） 利：预应力处理，如汽车板簧的生产。 2 利弊 弊：引起变形、开裂,如黄铜弹壳的腐蚀开裂。 3 消除：去应力退火。 6h