金屬及合金的塑性變形

1、金屬及合金的塑性變形第1頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四本章重點(diǎn)： （1）拉伸曲線及其所反映的常規(guī)機(jī)械性能指標(biāo)； （2）塑性變形的宏觀變形規(guī)律與微觀機(jī)制； （3）加工硬化的本質(zhì)及實(shí)際意義； （4）塑性變形對(duì)金屬與合金組織、性能的影響： （5）金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制。第2頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 理想：“近終形”澆注; 實(shí)際：保持一定的“壓下比” 原因：（1）成形需要； （2）改善鑄態(tài)組織，消除鑄態(tài)缺陷。第3頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四5-1 金屬的變形特性 一 金屬變形的方式及研究方法1 方式：彈性變形 塑性

2、變形 斷 裂成形失效第4頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 2 研究方法 曲線種類： 載荷變形曲線 真應(yīng)力真應(yīng)變曲線 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線 主要研究手段第5頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四拉伸過(guò)程與拉伸曲線示意本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！第6頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線中“頸縮”現(xiàn)象掩蓋了 “加工硬化”頸縮 ：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線Se S e：真應(yīng)力真應(yīng)變曲線第7頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四二 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線 低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線 -典型性 分析變形過(guò)程； 強(qiáng)

3、度、塑性指標(biāo)的意義 e 、 s 、 b 、 、 -1； bse第8頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 1：退火低碳鋼 2：正火中碳鋼 3：高碳鋼 但彈性模量 基本相同1：有機(jī)玻璃：硬而脆2：纖維增強(qiáng)熱固塑料： 硬而強(qiáng)3：尼龍：硬而韌4：聚四氟乙烯：軟而韌形式與材料塑性有關(guān)第9頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四三 彈性模量與剛度 =E；=G；-彈性模量 意義： 拉伸曲線上，斜率； 彈性變形難易； 組織不敏感：取決于原子間結(jié)合力 材料種類；晶格常數(shù)；原子間距 剛度 構(gòu)件剛度：AE 彈性變形難易 材料剛度：E第10頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，

4、13點(diǎn)18分，星期四5-2 單晶體的塑性變形塑性變形研究思路： 基本單元單晶體變形特性 晶界影響多晶體變形特性 相界合金變形特性 塑性變形方式：滑移；孿生 F第11頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四一滑移現(xiàn)象與滑移特點(diǎn) 1 滑移定義：在外力作用下，晶體相鄰二部分沿一定晶面、一定晶向彼此產(chǎn)生相對(duì)的平行滑動(dòng)第12頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四滑移帶滑移線高錳鋼中的滑移帶，500X第13頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 滑移線與滑移帶均為塑變后晶體表面產(chǎn)生的滑移臺(tái)階，但大小不同單晶體滑移示意圖滑移線滑移帶(100個(gè)原子間距

5、)10000個(gè)原子間距第14頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 2 滑移特點(diǎn) 發(fā)生在最密排晶面， 滑移方向?yàn)樽蠲芘啪颍?只在切應(yīng)力下發(fā)生，存在臨界分切應(yīng)力彈性伸長(zhǎng)斷裂彈性歪扭塑性變形（滑移）F第15頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四:拉伸軸線與滑移方向夾角:拉伸軸線與滑移面法向夾角 (Fcos)/(A/cos) F/A （cos cos ) cos cos 分切應(yīng)力取向因子分切應(yīng)力的大小與取向因子直接相關(guān) 什么是分切應(yīng)力：第16頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四臨界分切應(yīng)力(K)： 使滑移系開(kāi)動(dòng)的最小分切應(yīng)力k 的影響因

6、素： 取決于金屬本性，與外力無(wú)關(guān)，取向無(wú)關(guān) 組織敏感參數(shù)：金屬不純，變形速度愈大，變形溫度愈低， k愈大。什么是臨界分切應(yīng)力：第17頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四當(dāng) K時(shí)，發(fā)生滑移 滑移面的取向因子大，則分切應(yīng)力大： 當(dāng)滑移面法線、滑移方向、外力軸三者共面，即 90時(shí)，可能獲最大取向因子： cos cos cos(90) cos 第18頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 45時(shí): 取向因子獲最大值1/2 取向因子大軟取向 或90時(shí): 取向因子為0 ， 0， 取向因子小硬取向cos cos cos(90) cos 第19頁(yè)，共66頁(yè)，2022年

7、，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 與K對(duì)應(yīng)的即為s s的影響因素： 與k有關(guān)； 與外力取向有關(guān): s K/(cos cos )第20頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 滑移兩部分相對(duì)移動(dòng)的距離是原子間距的整數(shù)倍，滑移后滑移面兩邊的晶體位向仍保持一致；第21頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四滑移面滑移前PP滑移后力偶 伴隨晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，滑移面轉(zhuǎn)向與外力平行方向，滑移方向旋向最大切應(yīng)力方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)第22頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四單晶體拉伸變形示意本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！第23頁(yè)，共66頁(yè)，20

8、22年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四意義： 實(shí)際金屬由多晶體構(gòu)成，通過(guò)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，原來(lái)取向有利的晶粒（單晶體）經(jīng)過(guò)一定量塑性變形后取向不利，停止塑性變形；原來(lái)取向不利的晶粒經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動(dòng)取向變?yōu)橛欣?，開(kāi)始塑性變形； 循環(huán)往復(fù)后可使塑性變形更均勻。第24頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 隨滑移加劇，存在多滑移和交滑移現(xiàn)象 多滑移： 在兩個(gè)及以上的滑移系上同時(shí)進(jìn)行的滑移。意義：促進(jìn)加工硬化 滑移的本質(zhì)是借助 位錯(cuò)線的逐步運(yùn)動(dòng)。 多滑移時(shí)不同方向的位錯(cuò)線相交割，互為阻礙難滑移 第25頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四交滑移： 多個(gè)滑移面同時(shí)

9、沿一個(gè)滑移方向進(jìn)行的滑移。鋁單晶體形變出現(xiàn)的 交滑移密排六方晶體沿基面和柱面交滑移的示意圖第26頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四意義： 當(dāng)位錯(cuò)沿一個(gè)滑移面的移動(dòng)受阻時(shí)，可通過(guò)攀移，轉(zhuǎn)移到另一個(gè)面繼續(xù)滑移 易滑移 使滑移方向靈活， 可降低脆性第27頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 不同合金加工硬化效果不同 單系滑移 多系滑移 交滑移 多系滑移第28頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 (1) 滑移系 一個(gè)滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向 稱為 。 每種晶格滑移系數(shù)目的多少可用來(lái)衡量滑移難易 3 滑移系及滑移系數(shù)的實(shí)際意義第29

10、頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 （2）各晶體結(jié)構(gòu)的滑移系 體心立方 (b.c.c)(110)111滑移面：110 (110), (011), (101), (110), (011), (101)滑移方向：111滑移系數(shù)：62=12第30頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 面心立方 (f.c.c) (111)110滑移面：111 (111), (111), (111), (111);滑移方向：110滑移系數(shù): 43=12第31頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四密排六方：滑移面0001滑移方向1120滑移系數(shù)目： 13=3

11、第32頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四（3）滑移系數(shù)目的實(shí)際意義 判斷塑性變形能力 滑移系數(shù)目愈多，塑性愈好； 滑移系數(shù)相同時(shí)，滑移方向多者塑性較好 塑性排序：第33頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 二 滑移機(jī)制原子剛性移動(dòng)模型演示本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！第34頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 理 = G=G/2； 但實(shí) = 10-310-4 G/2； 剛性移動(dòng)模型失敗，應(yīng)有更省力的方式 位錯(cuò)學(xué)說(shuō)的產(chǎn)生 參考（劉國(guó)勛金屬學(xué)原理） 二 滑移機(jī)制根據(jù)原子剛性移動(dòng)模型, 依虎克定律：第35頁(yè)，共66頁(yè)，

12、2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 位錯(cuò)學(xué)說(shuō)滑移臺(tái)階完整晶體有缺陷晶體第36頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四刃位錯(cuò)滑移演示本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！第37頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 1 滑移的本質(zhì)： 位錯(cuò)學(xué)說(shuō)： 晶體內(nèi)部存在某類缺陷位錯(cuò) 塑性變形依靠位錯(cuò)的逐步運(yùn)動(dòng)。非單個(gè)位錯(cuò)原子列作原子間距的完整跳躍，而是位錯(cuò)中心附近少數(shù)原子作遠(yuǎn)小于原子間距的彈性偏移實(shí)現(xiàn) 實(shí) 理的原因 實(shí)際金屬?gòu)?qiáng)度遠(yuǎn)小于理想結(jié)構(gòu)金屬?gòu)?qiáng)度。第38頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四2 滑移過(guò)程中存在位錯(cuò)增殖 背景: 退火

13、態(tài)位錯(cuò)1010m-2； 冷變形: 位錯(cuò)10151016m-2； 位錯(cuò)增殖學(xué)說(shuō)DD位錯(cuò)源弓出蜷曲DD位錯(cuò)環(huán)位錯(cuò)源下圖為Frank-Read位錯(cuò)源增殖機(jī)制第39頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四弗蘭克-瑞德源機(jī)制演示本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！第40頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 意義：引起滑移的位錯(cuò)并不消失反而增殖 位錯(cuò)；位錯(cuò)強(qiáng)化 3 位錯(cuò)在運(yùn)行中產(chǎn)生交割與塞積，位錯(cuò)密度愈高，交割與塞積愈嚴(yán)重。 不在同一滑移面上的位錯(cuò)相遇產(chǎn)生割階 運(yùn)行阻力 位錯(cuò)之間互為阻力 位錯(cuò)使、HB 的主要原因 雜質(zhì)、晶界、固定位錯(cuò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)行 ，導(dǎo)致位錯(cuò)

14、塞積第41頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四三 孿生1 定義： 晶體在切應(yīng)力下其一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分作均勻切變。孿晶帶孿生面孿生面第42頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四孿生與滑移變形比較本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！第43頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四第44頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四2 孿生特點(diǎn)： 孿生前后變形部分晶體位向改變，兩部分之間以孿生面為鏡面對(duì)稱。 切變區(qū)域內(nèi)與孿晶面平行的每層原子的切變量與它距孿晶面的距離呈正比，相鄰原子間的相對(duì)位移為原子間距

15、的分?jǐn)?shù)倍； 存在臨界分切應(yīng)力: 孿 滑 變形速度極快，聲響，變形量小。第45頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四四 影響塑性變形方式的因素 （1）晶體結(jié)構(gòu) 滑 單晶體 原因： 晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)； 位向差晶粒之間須協(xié)調(diào) 意義： 晶界強(qiáng)化金屬材料強(qiáng)化機(jī)制之一 霍耳配奇公式： s 0Kd-1/2第50頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四二 合金塑性變形特點(diǎn)連續(xù)網(wǎng)狀塑性相脆性相 溶質(zhì)原子阻礙變形： 第二相： 與第二相的強(qiáng)塑性、大小、形態(tài)、分布等有關(guān)。固溶強(qiáng)化 第51頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 第二相塑性優(yōu)于基體，則：而； 硬脆

16、相： 分布合理，則 阻礙位錯(cuò) 不合理 ，則 不能塑變 應(yīng)力集中 開(kāi)裂 、ak甚至 第二相強(qiáng)化，彌散強(qiáng)化第52頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四位錯(cuò)與第二相粒子的交互作用 切過(guò)機(jī)制本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！第53頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四位錯(cuò)與第二相粒子的交互作用 繞過(guò)機(jī)制本片選自西安交大范群成先生作品在此表示感謝！第54頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四5-4 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 一 塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)影響 1 晶粒變形：等軸狀拉長(zhǎng) 形成纖維組織、帶狀組織。 性能各向異性第55頁(yè)，共6

17、6頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四原因：位錯(cuò)受阻后塞積、纏結(jié)亞晶界 晶粒分化為許多位向略有差異的小晶塊 變形中的晶粒碎化。晶格較完整的亞晶塊嚴(yán)重畸變區(qū)2 亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化 鑄態(tài)位錯(cuò)密度 d = 10-2 cm； 塑變后位錯(cuò)密度d = 10-410-6 cm第56頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四3 產(chǎn)生形變織構(gòu) 定義： 金屬塑性變形到很大程度(70%)時(shí)，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，各晶粒的位向趨于一致，這種有序化的結(jié)構(gòu)。 另：鑄造織構(gòu) 第57頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 意義：性能各向異性 不利：變形不均勻，“制耳”現(xiàn)象獲特異性能：變壓器鐵

18、芯硅鋼片100 難消除須控制變形量第58頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 二 塑性變形對(duì)金屬性能的影響 1 產(chǎn)生加工硬化 定義： 隨變形度增大，金屬的強(qiáng)硬度顯著增高而塑韌性明顯下降的現(xiàn)象。第59頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 原因：位錯(cuò)增殖 意義： 強(qiáng)化手段形變強(qiáng)化； 有利于塑性變形均勻進(jìn)行 有利于金屬構(gòu)件的工作安全性 不利：再變形難； 加工硬化態(tài)(=10111012cm-2)s 位錯(cuò) 退火態(tài) ( =106108cm-2)理論強(qiáng)度值金屬須 解決辦法：冷加工之間的再結(jié)晶退火第60頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四 第一類內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力 工件不同部位 第二類內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力 晶粒之間或內(nèi)部不同區(qū)域2 產(chǎn)生殘余應(yīng)力 第三類內(nèi)應(yīng)力點(diǎn)陣畸變(位錯(cuò)、空位)1%；造成變形 910%；應(yīng)力集中，造成裂紋 90%；強(qiáng)度、塑性原因第61頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)18分，星期四消除方法： 去應(yīng)力退火殘余應(yīng)力的應(yīng)用： 噴丸處理提高強(qiáng)度拉 s 壓壓拉S第62頁(yè)，共66頁(yè)，2