金属材料塑性变形机制与特点

http:/ 3.1.1 金 属 晶 体 塑 性 变 形 的 机 制 3.1.2 多 晶 体 材 料 塑 性 变 形 特 点 http:/ 3.1.1 金 属 晶 体 塑 性 变 形 的 机 制 定 义 fcc: 111 ; bcc: 110 112 123 滑 移 系 hcp: 0001 定 义 hcp 滑 移 系 少 ， 故 常 以 孪 生 方 式 进 行 fcc bcc 孪 生 变 形 量 是 很 有 限 的 ， 它 的 作 用 改 变 晶 体 取向 ， 以 便 启 动 新 的 滑 移 系 统 ， 或 使 难 于 滑 移 的 取 向改 变 为 易 于 滑 移 的 取 向 。 0211滑 移孪 生 低 温 下 ， 高 速 变 形 条 件 下 进 行 http:/ v 各 晶 粒 塑 变 的 不 同 时 性 和 不 均 匀 性v 各 晶 粒 塑 变 的 相 互 制 约 与 协 调 http:/ 3.2.1 物 理 屈 服 现 象3.2.2 屈 服 现 象 的 本 质 http:/ v 像 低 碳 钢 这 类 材 料 ， 从 弹 性 变 形 阶 段 同 塑性 变 形 阶 段 过 度 十 分 明 显 。 表 现 在 应 力 增 加 到一 定 数 值 时 突 然 下 降 ， 随 后 ， 在 应 力 不 增 加 或应 力 在 一 微 小 范 围 内 波 动 的 情 况 下 ， 变 形 继 续增 大 ， 这 便 是 屈 服 现 象 。v 它 标 志 着 材 料 的 力 学 响 应 由 弹 性 变 形 阶 段进 入 塑 性 变 形 阶 段 ， 这 一 变 化 属 于 质 的 变 化 ，有 特 定 的 物 理 含 义 ， 因 此 称 为 物 理 屈 服 现 象 。 http:/ v 屈 服 间 段 的 变 形 是 不 均 匀 的 ， 从 上 屈 服 点下 降 到 下 屈 服 点 时 ， 在 试 样 局 部 区 域 开 始 形 成与 拉 伸 轴 成 45度 的 皱 纹 形 带 状 变 形 区 域（ luders带 ） ， 然 后 沿 试 样 长 度 方 向 逐 渐 扩 展 ，当 luders带 布 满 整 个 试 样 长 度 时 ， 屈 服 伸 长 结束 。 试 样 进 入 均 匀 塑 性 变 形 阶 段 ， 屈 服 现 象 不仅 在 退 火 、 正 火 、 调 质 的 中 低 碳 钢 中 有 ， 在 铜及 其 合 金 中 也 有 。v 这 种 屈 服 现 象 还 有 时 效 效 应 。 如 果 在 屈 服一 定 的 塑 性 变 形 处 卸 载 。 随 后 立 即 再 拉 伸 ， 则屈 服 现 象 不 出 现 。 若 卸 载 后 在 室 温 停 留 较 长 时间 ， 或 在 较 高 温 度 留 一 定 时 间 后 ， 再 拉 伸 ， 则曲 线 上 屈 服 现 象 又 重 新 出 现 ， 且 新 的 屈 服 平 台高 于 卸 载 时 的 曲 线 应 变 时 效 。 http:/ v 低 碳 钢 的 屈 服 与 时 效 现 象 可 由 cottrell提 出的 气 团 概 念 来 解 释 。 v 退 火 低 碳 钢 的 屈 服 过 程 ， 如 图 3 1所 示 ，属 于 物 理 屈 服 的 典 型 情 况 。 塑 性 变 形 在 试 样 中 的迅 速 传 播 开 始 于 A点 ， 伴 随 着 明 显 的 载 荷 降 落 ，由 A陡 降 到 B。 与 屈 服 传 播 相 对 应 的 应 力 应 变 曲线 为 BC， 成 一 平 台 ， 或 成 锯 齿 状 ， 至 C点 屈 服 过程 结 束 ， 并 由 此 进 入 形 变 强 化 阶 段 。 与 最 高 屈 服应 力 相 对 应 的 A点 称 为 上 屈 服 点 ， 屈 服 平 台 BC对应 的 力 称 为 下 屈 服 点 ， BC段 长 度 对 应 的 应 变 量 称为 屈 服 应 变 。 http:/ http:/ v 物 理 屈 服 现 象 首 先 在 低 碳 钢 中 发 现 ， 尔 后 在 含 有微 量 间 隙 溶 质 原 子 的 体 心 立 方 金 属 ， 如 Fe、 Mo、Nb 、 Ta等 ， 以 及 密 排 六 方 金 属 ， 如 Cd和 Zn中 也发 现 有 屈 服 现 象 。v 对 屈 服 现 象 的 解 释 ， 早 期 比 较 公 认 的 是 溶 质 原 子形 成 Cottrell气 团 对 位 错 钉 扎 的 理 论 。 以 后 在 共价 键 晶 体 如 硅 和 锗 ， 以 及 无 位 错 晶 体 如 铜 晶 须 中也 观 察 到 物 理 屈 服 现 象 。v 这 些 事 实 说 明 ， 晶 体 材 料 的 屈 服 是 带 有 一 定 普 遍性 的 现 象 ， 对 屈 服 的 理 解 也 比 当 初 复 杂 一 些 。 http:/ v 其 中 材 料 的 塑 性 应 变 速 率 b 柏 氏 矢 量 可 动 位 错 密 度 位 错 运 动 速 度v 位 错 运 动 速 度 ， 又 决 定 于 它 所 承 受 的 应 力 。 m 材 料 本 身 的 应 力 敏 感 系 数 。 o使 位 错 得 到 单 位 运 动 速 度 所 需 的 应 力 。 b m)( 0 http:/ v 材 料 在 变 形 前 可 动 位 错 密 度 很 小 （ 或 虽 有大 量 位 错 但 被 钉 扎 住 ） ;v 随 塑 性 变 形 发 生 ， 位 错 能 快 速 增 殖 ;v 位 错 运 动 速 率 与 外 力 有 强 烈 依 存 关 系 。 http:/ 3.3.1 冷 变 形 金 属 的 真 应 力 -应 变 关 系3.3.2 颈 缩 条 件 分 析3.3.3 韧 性 的 概 念 及 静 力 韧 度 分 析 http:/ v 当 应 力 超 过 屈 服 强 度 之 后 ， 塑 性 变 形并 不 像 屈 服 平 台 那 样 连 续 流 变 下 去 ， 而 需要 继 续 增 加 外 力 才 能 继 续 进 行 ， 于 是 应 力-应 变 曲 线 上 表 现 为 流 变 应 力 不 断 上 升 ，出 现 了 所 谓 形 变 强 化 现 象 。 材 料 在 形 变 强化 阶 段 的 变 形 规 律 用 其 应 力 -应 变 曲 线（ 也 叫 流 变 曲 线 ） 描 述 。v 其 应 力 S=P/A 其 应 变 0ln llhttp:/ v （ 因 为 条 件 应 力 条 件 应 变 不 能 真 实 反 映 变 形 过程 中 的 应 力 应 变 的 变 化 ）v图 3-3比 较 了 S-和 -曲 线 ， 从 应 力 的 变 化 就可 直 观 地 看 出 使 用 S-曲 线 更 为 合 理 。v 在 -曲 线 中 ， 当 载 荷 达 到 最 大 值 时 试 样 开 始 发生 颈 缩 。 此 后 虽 然 实 际 应 力 是 在 不 断 提 高 ， 但 条件 应 力 却 在 下 降 ， 致 使 断 裂 应 力 反 比 抗 拉 强 度b低 ， 这 显 然 是 不 真 实 的 ， 实 际 上 在 应 力 达 到Sb（ 对 应 b的 真 应 力 ） 之 后 ， 几 乎 是 按 线 形 关系 增 加 到 断 裂 为 止 。 相 对 于 条 件 应 力 应 变 曲 线 ，其 应 力 应 变 曲 线 整 个 地 向 左 上 方 移 动 了 ， 在 试样 发 生 颈 缩 前 两 者 差 别 不 太 大 ， 在 此 以 后 -就完 全 不 能 采 用 了 。 http:/ http:/ 从 屈 服 点 到 颈 缩 之 间 的 形 变 强 化 规 律 ，可 以 用 Hollomon公 式 S=Kn 其 中 K强 度 系 数 n立 变 强 化指 数 真 实 塑 性 应 变 n的 大 小 表 示 材 料 的 应 变 强 化 能 力 或 对 进 一 步 塑 变的 抗 力 。 n=0 理 想 塑 性 材 料 n=1 理 想 弹 性 材 料 http:/ v 在 双 对 数 坐 标 上 ,这 一 关 系 表 现 为 一 直线 ,它 的 斜 率 等 于 n, v 在 S/相 同 的 条 件 下 ,n , S-曲 线越 陡 ,对 n值 较 小 的 材 料 ,当 S/较 大 时 ,也 可以 有 较 高 的 形 变 强 化 速 率 snddsddssd sdn lnln dds dds/ http:/ 颈 缩 前 ： 形 变 强 化 起主 要 作 用 。颈 缩 后 ： 截 面 减 小 使承 载 力 下 降 。当 出 现 颈 缩 时 ：所 以 ， 可 得 到 颈 缩 判 据 ： 即 颈 缩 开 始 于 应 变强 化 速 率 与 真 应 力 相 等 的 时 刻 。 dsAdAsdPsAPAPs 0 dPdAsdsA 0 dPdsAdAs 0dP dAdAsds sdds dds/ http:/ 韧 性 :材 料 断 裂 前 吸 收 塑 性 变 形 功 和 断 裂 功 的 能 力 。 韧 度 :度 量 材 料 韧 性 的 力 学 性 能 指 标 。 v 只 有 强 度 与 塑 性 具 有 较 好 的 配 合 时 ,才 能 获 得较 高 的 韧 性 。 选 材 原 则 :强 度 与 塑 性 的 最 佳 配 合 。静 力 韧 度 :静 拉 伸 应 力 -应 变 曲 线 下 所 包 围 的 面 积 减 去断 裂 前 吸 收 的 弹 性 能 。 这 个 指 标 即 包 含 强 度 ,又 包含 塑 性 ,是 一 典 型 的 从 属 性 指 标 。 由 其 应 力 -真 应变 曲 线 ,其 斜 率 为 形 变 强 化 量 （ 图 3 7） http:/ http:/ v 静 力 韧 度 W可 用 图 中 梯 形 面 积 来 近 似 计 算 : 所 以 ， 当 SK一 定 时 : v 而 W随 断 裂 时 其 应 力 SK增 加 而 显 著 增 大 。v 许 多 实 验 结 果 表 明 ,由 于 材 料 塑 性 不 足 而引 起 的 早 期 断 裂 往 往 和 SK较 低 有 关 。2 )( 2.0 KKsW KKsD 2.0DsW K 2 22.02 W 2.0http:/ v 3.4.1加 载 方 式 和 应 力 状 态 软 性 系 数v 3.4.2金 属 静 拉 伸 力 学 性 能 扭 转 http:/ 切 应 力 -引 起 塑 性 变 形 和 导 致 韧 性 断 裂 正 应 力 -容 易 导 致 脆 性 断 裂 v 研 究 金 属 的 变 形 与 断 裂 特 征 ,需 要 研 究 在 不 同 加载 形 式 下 ,切 应 力 和 正 应 力 的 相 对 大 小 。v 在 一 般 复 杂 应 力 状 态 下 ,最 大 切 应 力 ,而 按 最 大 正 应 变 条 件 计 算 得的 等 效 最 大 应 力 )(21 3max 1 )( 321max http:/ v 则 定 义 二 者 的 比 值 : 软 性 系 数 , max应 力 状 态 越 软 ,金 属 易 于 先 产 生 塑 性 变 形 。 应 力 状 态 越 硬 金 属 易 于 产 生 脆 性 断 裂 。v 测 硬 度 时 ,其 应 力 状 态 相 当 于 三 向 不 等压 缩 ,因 此 ,硬 度 试 验 时 的 加 载 方 式 属 于 很软 的 应 力 状 态 。 )(2 321 31maxmax http:/ 单 向 静 拉 伸 最 广 泛 的 力 学 性 能 试验 方 法 之 一 ,揭 示 过 量 弹 变 塑 变 断裂 三 种 失 效 形 式 ， 得 到 s 、 b 、 、等 构 件 的 设 计 计 算 依 据 ,又 是 评 定 和选 用 金 属 材 料 及 其 加 工 工 艺 的 主 要 依 据 。 http:/ 没 有 颈 缩 现 象 ; 最 大 正 应 力 和 最 大 切 应 力 相 等 ， =0; 横 截 面 上 沿 直 径 方 向 的 切 应 力 分 布 不 均 匀 ,表 面 应 力 最 大 ; 扭 转 试 验 可 很 好 地 测 定 塑 性 材 料 (塑 性 较好 )直 到 断 裂 前 的 应 力 应 变 关 系 ; 扭 转 可 灵 敏 地 反 映 材 料 的 表 面 缺 陷 。 http:/ 扭 转 比 例 极 限 : p= Mp / W ( W截 面 抗 扭模 量 ， 实 心 圆 杆 w =d03 / 16) MP扭 转 曲 线 开 始 偏 离 直 线 时 的 扭 距 。 扭 转 屈 服 强 度 : 0.3 = M 0.3/ W M 0.3残 余 扭 转 切 应 变 为 0.3 时 的 扭 距 。 扭 转 强 度 : b= Mb / W http:/