工程材料學(xué)金屬材料的塑性變形(修)

1、 第六章第六章 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形6 1 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形 塑性變形的基本方式方式塑性變形的基本方式方式:滑移和孿生滑移和孿生一、滑移一、滑移1。在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)另一部。在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。 此晶面稱滑移面，此晶向稱滑移方向，通常是晶體中原子排列最此晶面稱滑移面，此晶向稱滑移方向，通常是晶體中原子排列最緊密的晶面和晶向。緊密的晶面和晶向。 在滑移面及滑移方向上的切應(yīng)力達(dá)到一定大小（臨界值），滑移在滑移面及滑移方向上的切應(yīng)力達(dá)到一定大小（臨界值）

2、，滑移就開(kāi)始進(jìn)行。就開(kāi)始進(jìn)行。 第六章第六章 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形6 1 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形一、滑移一、滑移 其特征是： 滑移量是滑移方向上原子間距的整數(shù)倍， 滑移后滑移面兩側(cè)的晶體位向保持不變， 滑移的結(jié)果使晶體產(chǎn)生臺(tái)階。 1、單晶體的滑移銅單晶塑性變形后表面的銅單晶塑性變形后表面的滑移帶滑移帶單晶體塑性變形時(shí)滑移帶的形成過(guò)程單晶體塑性變形時(shí)滑移帶的形成過(guò)程2、晶體中的孿生：2、孿生晶體孿生示意圖滑移與孿生后表面形貌的差別?；葡??；葡?晶體中的一個(gè)滑移面加上此面上的一個(gè)滑移方向合稱一晶體中的一個(gè)滑移面加上此面上的一個(gè)滑移方向合稱一個(gè)滑移系。個(gè)滑移系。 滑移系

3、的數(shù)目越多，一個(gè)滑移面上的滑移方向越多，則滑移系的數(shù)目越多，一個(gè)滑移面上的滑移方向越多，則晶體的塑性越好。故金屬材料中晶體的塑性越好。故金屬材料中 fcc 的塑性最好，的塑性最好，bcc次次之，之，hcp最差。最差。4 滑移的臨界分切應(yīng)力1、作用在滑移面上的剪切應(yīng)力為：coscoscoscoscoscoscos/cos 00AFAF29021sin)cos(cos m其中：故當(dāng)=45時(shí)m有最大值1/2。 m稱為Schmit因子5 臨界分切應(yīng)力定律（Schmit定律）晶體的取向不同，雖然試樣開(kāi)始屈服時(shí)（即開(kāi)始滑移時(shí)）的屈服強(qiáng)度變化很大，但是計(jì)算出的分切應(yīng)力總是一個(gè)定值，這個(gè)值稱為臨界分切應(yīng)力，這

4、個(gè)規(guī)律叫臨界分切應(yīng)力定律。臨界分切應(yīng)力是真正表示晶體屈服實(shí)質(zhì)的一個(gè)物理量，它不隨試樣的取向而變化，只決定于晶體內(nèi)部的實(shí)際狀況。實(shí)驗(yàn)證明二、滑移的本質(zhì)二、滑移的本質(zhì)1。實(shí)際金屬滑移所需的切應(yīng)力比理論值低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，如：。實(shí)際金屬滑移所需的切應(yīng)力比理論值低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，如： 金屬金屬 滑移理論切應(yīng)力滑移理論切應(yīng)力 滑移實(shí)測(cè)切應(yīng)力滑移實(shí)測(cè)切應(yīng)力 Cu 6272 MPa 0.98 MPa Ag 4410 MPa 0.588 Mpa Zn 4704 Mpa 0.921 Mpa2。研究證明：。研究證明： 滑移是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的。滑移是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的。 滑移時(shí)又會(huì)產(chǎn)生大量新的位錯(cuò)，滑移時(shí)又會(huì)產(chǎn)生大量新的

5、位錯(cuò)，即位錯(cuò)增殖。即位錯(cuò)增殖。3。任何阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素都。任何阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素都使滑移的阻力增大，增加塑使滑移的阻力增大，增加塑性變形的難度，就可以提高性變形的難度，就可以提高金屬材料的強(qiáng)度。金屬材料的強(qiáng)度。 這就是強(qiáng)化金屬的基本原理。這就是強(qiáng)化金屬的基本原理。30年代，英國(guó)物理學(xué)家Tayler滑移的實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)滑移的實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)大量的理論研究證明，滑移原來(lái)是由于滑移面上的大量的理論研究證明，滑移原來(lái)是由于滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成的。圖示例子表示一刃型位錯(cuò)在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成的。圖示例子表示一刃型位錯(cuò)在切應(yīng)力的作用下在滑移面上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)一切應(yīng)力的作用下在滑移面上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)一

6、根位錯(cuò)從滑移面的一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)便造成一個(gè)根位錯(cuò)從滑移面的一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)便造成一個(gè)原子間距的滑移。原子間距的滑移。 在這張照片中,“菱型”為位錯(cuò)在樣品中的位置. 放大倍數(shù)為750. 材料為L(zhǎng)iF6 2 多晶體金屬的塑性變形多晶體金屬的塑性變形一、多晶體塑性變形的特點(diǎn)一、多晶體塑性變形的特點(diǎn)多晶體受外力作用時(shí)，各晶粒的滑移系上均受到分多晶體受外力作用時(shí)，各晶粒的滑移系上均受到分切應(yīng)力的作用，但切應(yīng)力的作用，但1。各晶粒的滑移系所受分切應(yīng)力的大小不一，達(dá)到。各晶粒的滑移系所受分切應(yīng)力的大小不一，達(dá)到臨界值的先后不一，故變形不均勻。臨界值的先后不一，故變形不均勻。2。因晶界及晶粒取向的影響，變形更

7、困難。因晶界及晶粒取向的影響，變形更困難。 1、不均勻的塑性變形過(guò)程首先“開(kāi)動(dòng)”的是“軟取向”，同時(shí)這些晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而變成“硬取向”。2、晶粒間位向差阻礙滑移進(jìn)行3、晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)多晶體的塑性變形過(guò)程多晶體的塑性變形過(guò)程二、細(xì)晶粒鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能二、細(xì)晶粒鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化 1。晶粒越細(xì)，則晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更困難，強(qiáng)度就。晶粒越細(xì)，則晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更困難，強(qiáng)度就越高。越高。 Hall-Petch公式：公式： s =0 + Kd 1/22。晶粒越細(xì)，變形分散，應(yīng)力集中小，裂紋不易產(chǎn)生。晶粒越細(xì)，變形分散，應(yīng)力集中小，裂紋不易產(chǎn)生和發(fā)和發(fā) 展，塑性和韌性就

8、越好。展，塑性和韌性就越好。三、塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響三、塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響1。對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 產(chǎn)生纖維組織產(chǎn)生纖維組織 晶粒及夾雜物沿變形方向伸長(zhǎng)及分布，使縱向力學(xué)性晶粒及夾雜物沿變形方向伸長(zhǎng)及分布，使縱向力學(xué)性能大于橫向。能大于橫向。 亞結(jié)構(gòu)細(xì)化亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 因塑性變形時(shí)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增殖和其間復(fù)雜的交互作因塑性變形時(shí)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增殖和其間復(fù)雜的交互作用，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生位錯(cuò)纏結(jié)，使晶粒碎化成更用，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生位錯(cuò)纏結(jié)，使晶粒碎化成更小的亞晶粒。小的亞晶粒。 （）產(chǎn)生形變織構(gòu)2。對(duì)力學(xué)性能的影響。對(duì)力學(xué)性能的影響加工硬化：塑性變形使金屬的強(qiáng)加工硬化：

9、塑性變形使金屬的強(qiáng)度、硬度上升，塑性、韌性下降度、硬度上升，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 原因：塑性變形使位錯(cuò)密度增大，原因：塑性變形使位錯(cuò)密度增大，晶粒碎化，晶格嚴(yán)重畸變，位錯(cuò)晶粒碎化，晶格嚴(yán)重畸變，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)越來(lái)越困難。加工硬化也稱運(yùn)動(dòng)越來(lái)越困難。加工硬化也稱位錯(cuò)強(qiáng)化。位錯(cuò)強(qiáng)化。 應(yīng)用：應(yīng)用：提高金屬?gòu)?qiáng)度。提高金屬?gòu)?qiáng)度。 使冷變形產(chǎn)品得到均勻使冷變形產(chǎn)品得到均勻 的變形。的變形。 因變形不均勻，殘留內(nèi)應(yīng)力，易變形開(kāi)裂，且耐因變形不均勻，殘留內(nèi)應(yīng)力，易變形開(kāi)裂，且耐蝕性下降。蝕性下降。塑性變形對(duì)性能的影響： 6 3 塑性變形后金屬在加熱時(shí)的變化塑性變形后金屬在加熱時(shí)的變化一、塑性變形后金屬的

10、狀態(tài)一、塑性變形后金屬的狀態(tài) 塑性變形后金屬加工硬化且有內(nèi)應(yīng)力殘留，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。加塑性變形后金屬加工硬化且有內(nèi)應(yīng)力殘留，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。加熱促使原子運(yùn)動(dòng)，使以下轉(zhuǎn)變得以進(jìn)行。熱促使原子運(yùn)動(dòng)，使以下轉(zhuǎn)變得以進(jìn)行。二、塑性變形后金屬加熱時(shí)的組織性能變化二、塑性變形后金屬加熱時(shí)的組織性能變化 按加熱溫度的不同，可分為三個(gè)階段：按加熱溫度的不同，可分為三個(gè)階段：回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大1、再結(jié)晶溫度： T = 0.4Tm再結(jié)晶過(guò)程中顯微組織的變化再結(jié)晶過(guò)程中顯微組織的變化冷加工(35%變形)后晶粒580C加熱3秒鐘后出現(xiàn)非常細(xì)小的晶粒再結(jié)晶過(guò)程中顯微組織的變化580C加熱4秒后

11、,部分變形區(qū)域的晶體被再結(jié)晶晶粒取代580C加熱8秒后,再結(jié)晶晶粒全部取代了變形晶粒再結(jié)晶過(guò)程中顯微組織的變化580C加熱15分后,晶粒長(zhǎng)大700C加熱10分后,晶粒變的粗大再結(jié)晶過(guò)程中顯微組織的變化 鋁合金板材經(jīng)過(guò)85%的冷加工并加熱后的組織，(a) 85%冷加工的組織；(b)在3021小時(shí)的組織，此時(shí)可見(jiàn)組織中開(kāi)始再結(jié)晶；(c)316加熱1小時(shí)的組織，可見(jiàn)再結(jié)晶的晶粒及未發(fā)生再結(jié)晶的晶粒。 （a） (b) (c)1。回復(fù)階段回復(fù)階段：在再結(jié)晶溫度（：在再結(jié)晶溫度（T再再一般一般大于大于0.4Tm ）以下）以下的溫度。的溫度。只發(fā)生晶格內(nèi)部的變化，變形晶粒外形不變，加工硬化保只發(fā)生晶格內(nèi)部的

12、變化，變形晶粒外形不變，加工硬化保留，但內(nèi)應(yīng)力下降。留，但內(nèi)應(yīng)力下降。應(yīng)用：去應(yīng)力退火，用于去除冷塑性變形后的殘留應(yīng)力。應(yīng)用：去應(yīng)力退火，用于去除冷塑性變形后的殘留應(yīng)力。2。再結(jié)晶階段再結(jié)晶階段：在再結(jié)晶溫度（：在再結(jié)晶溫度（T再再）以上的溫度。）以上的溫度。逐漸形成與原始變形晶粒晶格相同的等軸晶粒，加工硬化、逐漸形成與原始變形晶粒晶格相同的等軸晶粒，加工硬化、內(nèi)應(yīng)力完全消除。內(nèi)應(yīng)力完全消除。應(yīng)用：再結(jié)晶退火，用于冷壓力加工中的中間退火。應(yīng)用：再結(jié)晶退火，用于冷壓力加工中的中間退火。3。晶粒長(zhǎng)大階段晶粒長(zhǎng)大階段：再結(jié)晶完成后繼續(xù)加熱。：再結(jié)晶完成后繼續(xù)加熱。晶粒不均勻異常長(zhǎng)大，使力學(xué)性能惡化，

13、應(yīng)當(dāng)避免。晶粒不均勻異常長(zhǎng)大，使力學(xué)性能惡化，應(yīng)當(dāng)避免。晶粒的異常長(zhǎng)大再結(jié)晶后的晶粒尺寸再結(jié)晶后的晶粒尺寸 1 1、預(yù)先變形量、預(yù)先變形量一般一般隨隨著變形量的增加，再結(jié)晶后著變形量的增加，再結(jié)晶后的晶粒尺寸不斷減小的晶粒尺寸不斷減小 2 2、退火溫度和時(shí)間、退火溫度和時(shí)間： 其他條件相同時(shí)，其他條件相同時(shí)，退火退火溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)，溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)，所得到的晶粒尺寸愈大所得到的晶粒尺寸愈大。再結(jié)晶退火一般均采用再結(jié)晶退火一般均采用保溫保溫 2 2小時(shí)小時(shí)三、金屬熱加工的作用三、金屬熱加工的作用1。熱加工的概念。熱加工的概念在再結(jié)晶溫度（在再結(jié)晶溫度（T再再）以下的加工變形稱為冷加工，冷）

14、以下的加工變形稱為冷加工，冷加工會(huì)產(chǎn)生加工硬化和內(nèi)應(yīng)力。加工會(huì)產(chǎn)生加工硬化和內(nèi)應(yīng)力。在再結(jié)晶溫度（在再結(jié)晶溫度（T再再）以上的加工變形稱為熱加工，熱）以上的加工變形稱為熱加工，熱加工時(shí)再結(jié)晶同時(shí)發(fā)生，形成等軸晶粒，加工硬化和加工時(shí)再結(jié)晶同時(shí)發(fā)生，形成等軸晶粒，加工硬化和內(nèi)應(yīng)力會(huì)同時(shí)消除。內(nèi)應(yīng)力會(huì)同時(shí)消除。2。金屬熱加工（鍛造）的作用。金屬熱加工（鍛造）的作用消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷（晶粒粗大、不致密等）。消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷（晶粒粗大、不致密等）。形成合理的纖維組織，即熱加工流線。當(dāng)流線與零件形成合理的纖維組織，即熱加工流線。當(dāng)流線與零件承受的主要應(yīng)力方向一致時(shí)，可提高零件的壽命。承受的主要應(yīng)力方向一致時(shí)，可提高零件的壽命。 6-4 強(qiáng)化金屬的基本原理和方法強(qiáng)化金屬的基本原理和方法一、基本原理一、基本原理 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使滑移困難，金屬得到強(qiáng)化。阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使滑移困難，金屬得到強(qiáng)化。二、主要方法二、主要方法1。細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化：晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)提高塑性、韌性。：晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)提高塑性、韌性。2。固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化：溶質(zhì)原子使晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。：溶質(zhì)原子使晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。3。