材料科學(xué)基礎(chǔ)-第6章

河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)基礎(chǔ)FoundationsofMaterialsScienceSchoolofMaterialScienceandEngineeringHenanPolytechnicUniversity

任課教師：崔紅?！?單晶體金屬的塑性變形

§2多晶體的塑性變形

§3合金的塑性變形

§4金屬塑性變形后的組織與性能

塑性成形PlasticityDeformation基本要求１．熟悉滑移、孿生變形的重要特點、滑移系的概念、滑移的位錯機(jī)制；２．熟悉多晶體塑性變形的特點及塑性變形對金屬組織與性能的影響；３．掌握冷變形金屬加熱時組織與性能的變化；４．了解熱加工的概念，掌握熱加工對金屬組織與性能的影響。

第六章金屬的塑性變形與再結(jié)晶鍛壓的優(yōu)缺點能改善金屬的組織，提高金屬的機(jī)械性能。節(jié)約金屬材料和切削加工工時。具有較高的生產(chǎn)率。不能直接鍛制成形狀復(fù)雜的零件。尺寸精度不高。需要重型的機(jī)器設(shè)備和復(fù)雜的工模具。生產(chǎn)現(xiàn)場勞動條件較差。滑移（slip)孿晶(twin)一、塑性變形的基本形式

常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生一滑移1滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。

SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E6.1.1單晶體的塑性變形滑移帶和滑移線1.滑移1.滑移

3滑移的晶體學(xué)滑移面（密排面）（1）幾何要素滑移方向（密排方向）

1.滑移滑移面：原子間距小滑移方向：原子排列密度最大滑移系：一個面＋一個方向1.滑移

3滑移的晶體學(xué)（2）滑移系滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合?；葡档膫€數(shù):(滑移面?zhèn)€數(shù)）×（每個面上所具有的滑移方向的個數(shù)）1.滑移（1）fcc滑移系滑移方向<110>，滑移面一般為{111}面心立方結(jié)構(gòu)共有四個不同的{111}晶面，每個滑移面上有三個<110>晶向，故共有4×3=12個滑移系。體心立方：6個面×2個方向＝12面心立方：4個面×3個方向＝12密排六方：1個面×3個方向＝3滑移系越多材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明顯！

3滑移的晶體學(xué)（2）滑移系

滑移系數(shù)目與材料塑性的關(guān)系

1.一般滑移系越多，塑性越好；

2.與滑移面密排程度和滑移方向個數(shù)有關(guān)；

3.與同時開動滑移系數(shù)目有關(guān)（

c）。2.滑移系3、滑移臨界分切應(yīng)力任何應(yīng)力都可以分解為：一個正應(yīng)力(

)一個切應(yīng)力(

)正應(yīng)力___伸長、斷裂切應(yīng)力___滑移變形3、滑移臨界分切應(yīng)力

3滑移的晶體學(xué)（3）滑移的臨界分切應(yīng)力（

c）

c：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應(yīng)力。

(外力在滑移方向上的分解)

c＝

scos

cos

3．臨界分切應(yīng)力應(yīng)力與外力F方向相同，可分解為兩個分應(yīng)力，一個為垂直于滑移面的分正應(yīng)力，另一個為分切應(yīng)力。分切應(yīng)力τ作用在滑移方向使晶體產(chǎn)生滑移，其大小為：

稱為取向因子，或稱施密特因子（Schmid）,取向因子越大，則分切應(yīng)力越大。對于任一給定的φ值，取向因子的最大值出現(xiàn)在

λ=90o-φ時：

當(dāng)φ=45o時（也為45o），取向因子有最大值1/2，此時，得到最大分切應(yīng)力。（2）能使晶體滑移的力是外力在滑移系上的分切應(yīng)力。通常把給定滑移系上開始產(chǎn)生滑移所需分切應(yīng)力稱為臨界分切應(yīng)力。（3）在拉伸時，可以粗略認(rèn)為金屬單晶體在外力作用下，滑移系一開動就相當(dāng)于晶體開始屈服，此時，對應(yīng)于臨界分切應(yīng)力的外加應(yīng)力就相當(dāng)于屈服強(qiáng)度σS

。

單晶體的屈服強(qiáng)度隨取向因子而改變

φ=45o時，，取向因子達(dá)到最大值，產(chǎn)生拉伸變形的屈服應(yīng)力最小。

φ=90o或0o時,σS=∞,晶體不能沿該滑移面產(chǎn)生滑移。

3滑移的晶體學(xué)（3）滑移的臨界分切應(yīng)力（

c）

c取決于金屬的本性，不受

，

的影響；

或

＝90

時，

s

；

c＝

scos

cos

s的取值

，

＝45

時，

s最小，晶體易滑移；

軟取向：值大；

取向因子：cos

cos

硬取向：值小。

4滑移時晶體的轉(zhuǎn)動（1）位向和晶面的變化拉伸時,滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向;

壓縮時，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。（2）取向因子的變化幾何硬化：

，

遠(yuǎn)離45

，滑移變得困難；幾何軟化；

，

接近45

，滑移變得容易。4滑移時晶體的轉(zhuǎn)動4、滑移時晶體的轉(zhuǎn)動4滑移時晶體的轉(zhuǎn)動5．多系滑移與交滑移

（1）多系滑移。單滑移：只有一個特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先開動時，形成單滑移。（2）多系滑移：由于變形時晶體轉(zhuǎn)動的結(jié)果，有兩組或幾組滑移面同時轉(zhuǎn)到有利位向，使滑移可能在兩組或更多的滑移面上同時或交替地進(jìn)行，形成“雙滑移”或“多滑移”?！と绻l(fā)生雙滑移或多系滑移，會出現(xiàn)交叉形的滑移帶交叉形的滑移帶Al易交滑移，產(chǎn)生波紋狀滑移帶Cu不易交滑移，無波紋狀滑移帶

·交滑移是純螺位錯的運動，當(dāng)螺位錯分解為擴(kuò)展位錯時，欲交滑移，必須先束集為全螺位錯，此過程與層錯能有關(guān)（層錯能越低，越難束集，難以發(fā)生交滑移），還可因熱激活而得到促進(jìn)。理論滑移力與實際滑移力（Cu）

理＝6400N/mm2

實＝1.0N/mm2

滑移機(jī)理示意圖6滑移的位錯機(jī)制7.位錯增殖機(jī)制8位錯交割和塞積18Cr-8Ni不銹鋼薄膜中的平面排列的位錯(b)薄膜中排列在滑移面上的位錯的示意圖(a)18Cr-8Ni不銹鋼薄膜中平面排列的位錯(b)薄膜中排列在滑移面上的位錯示意圖8位錯交割和塞積6.1.1單晶體的塑性變形二孿生（1）孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對稱關(guān)系。孿生面A1{111},A2{112},A3{1012}（2）孿生的晶體學(xué)孿生方向A1<112>,A2<111>,A3<1011>

孿晶區(qū)

FCC晶體的孿生變形過程示意圖6.1.1單晶體的塑性變形6.1.1單晶體的塑性變形2．孿生的特點（1）孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切變，切變時原子移動的距離是孿生方向原子間距的分?jǐn)?shù)倍；孿生是部分位錯運動的結(jié)果；孿晶面兩側(cè)晶體的位向不同，呈鏡面對稱；孿生是一種均勻的切變；孿晶浸蝕后有明顯的襯度，經(jīng)拋光與浸蝕后仍能重現(xiàn)。

6.1.1單晶體的塑性變形二孿生6.1.1單晶體的塑性變形

滑移孿生相同點1切變；2沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；3不改變結(jié)構(gòu)。不同點

晶體位向不改變（對拋光面觀察無重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對稱關(guān)系（對拋光面觀察有重現(xiàn)性）位移量滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時發(fā)生變形機(jī)制全位錯運動的結(jié)果分位錯運動的結(jié)果6.1.1單晶體的塑性變形6.1.2多晶體的塑性變形1晶粒之間變形的傳播位錯在晶界塞積應(yīng)力集中相鄰晶粒位錯源開動相鄰晶粒變形塑變

2晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性（1）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。（2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨立變形會導(dǎo)致晶體分裂）（3）條件：獨立滑移系

5個。（保證晶粒形狀的自由變化）

6.1.2多晶體的塑性變形3晶界對變形的阻礙作用（1）晶界的特點：原子排列不規(guī)則；分布有大量缺陷。（2）晶界對變形的影響:滑移、孿生多終止于晶界,極少穿過。

6.1.2多晶體的塑性變形3晶界對變形的阻礙作用（3）晶粒大小與性能的關(guān)系

a晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高(細(xì)晶強(qiáng)化：霍爾－配奇公式)

s=

0+kd-1/2

原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯運動的阻力越大。（有尺寸限制）

晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂機(jī)會減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。

b晶粒越細(xì)，塑韌性提高細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量,表現(xiàn)高韌性。6.1.2多晶體的塑性變形一、晶界阻滯效應(yīng)和取向差效應(yīng)1．晶界阻滯效應(yīng)：90%以上的晶界是大角度晶界，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由約幾個納米厚的原子排列紊亂的區(qū)域與原子排列較整齊的區(qū)域交替相間而成，這種晶界本身使滑移受阻而不易直接傳到相鄰晶粒6.1.2多晶體的塑性變形2．取向差效應(yīng)：

多晶體中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能從一個晶粒直接延續(xù)到另一晶粒中。

6.1.2多晶體的塑性變形多晶體金屬塑性變形的特點1．各晶粒變形的不同時性和不均勻性。2．各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性，需要五個以上的獨立滑移系同時動作。由于晶界阻滯效應(yīng)及取向差效應(yīng)，變形從某個晶粒開始以后，不可能從一個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒之中，但多晶體作為一個連續(xù)的整體，每個晶粒處于其它晶粒的包圍之中，不允許各個晶粒在任一滑移系中自由變形，否則必將造成晶界開裂，為使每一晶粒與鄰近晶粒產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形，VonMises指出：晶粒應(yīng)至少能在五個獨立的滑移系上進(jìn)行滑移。

fcc和bcc金屬能滿足五個以上獨立滑移系的條件，塑性通常較好；而hcp金屬獨立滑移系少，塑性通常不好。6.1.2多晶體的塑性變形二、多晶體金屬塑性變形的特點3．滑移的傳遞，必須激發(fā)相鄰晶粒的位錯源。4．多晶體的變形抗力比單晶體大，變形更不均勻。由于晶界阻滯效應(yīng)及取向差效應(yīng)，使多晶體的變形抗力比單晶體大，其中，取向差效應(yīng)是多晶體加工硬化更主要的原因，一般說來，晶界阻滯效應(yīng)只在變形早期較重要。5．塑性變形時，導(dǎo)致一些物理、化學(xué)性能的變化。6．時間性。

hcp系的多晶體金屬與單晶體比較，前者具有明顯的晶界阻滯效應(yīng)和極高的加工硬化率，而在立方晶系金屬中，多晶和單晶試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線就沒有那么大的差別。

單相合金（singlephasealloys)多相合金（multiplephasealloy)L2相a相Al-17.5wt%In合金定向凝固組織三相共晶:

L

+

+

一固溶體的塑性變形(plasticdeformationofsolidsolution)

1固溶體的結(jié)構(gòu)

2固溶強(qiáng)化（solutionstrength)（1）固溶強(qiáng)化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。晶格畸變，阻礙位錯運動；（2）強(qiáng)化機(jī)制柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化。6.1.3

合金的塑性變形

注意！固溶強(qiáng)化的本質(zhì)1·單相固溶體合金塑性變形的特點對于同一溶質(zhì)，固溶體的屈服強(qiáng)度一般與其含量成直線關(guān)系。單相固溶體合金塑性變形的特點2．屈服點現(xiàn)象試樣開始屈服時對應(yīng)的應(yīng)力稱為上屈服點載荷首次降低的最低載荷或不變載荷稱為下屈服點，試樣繼續(xù)伸長，應(yīng)力保持為定值或有微小的波動，在拉伸曲線上出現(xiàn)一個應(yīng)力平臺區(qū)，試樣在此恒定應(yīng)力下的伸長稱為屈服伸長?！でF(xiàn)象的解釋解釋：

溶質(zhì)原子與位錯的應(yīng)力場發(fā)生彈性交互作用，形成氣團(tuán)釘扎位錯運動，必須在更大的應(yīng)力作用下才能產(chǎn)生新的位錯或使位錯脫釘，表現(xiàn)為上屈服點；一旦脫釘，使位錯繼續(xù)運動的應(yīng)力就不需開始時那么大，故應(yīng)力值下降到下屈服點，試樣繼續(xù)伸長，應(yīng)力保持為定值或有微少的波動?！蜗喙倘荏w合金塑性變形的特點之----3．應(yīng)變時效將低碳鋼試樣拉伸到產(chǎn)生少量預(yù)塑性變形后卸載，然后重新加載，試樣不發(fā)生屈服現(xiàn)象，但若產(chǎn)生一定量的塑性變形后卸載，在室溫停留幾天或在低溫（如150℃）時效幾小時后再進(jìn)行拉伸，此時屈服點現(xiàn)象重新出現(xiàn)，并且上屈服點升高，這種現(xiàn)象即應(yīng)變時效。應(yīng)變時效原因室溫長期停留或低溫時效期間，溶質(zhì)原子C、N又聚集到位錯線周圍重新形成氣團(tuán)所致。

二多相合金的塑性變形

1結(jié)構(gòu)：基體＋第二相（matrix+secondphase)。

2性能（1）(聚合性合金）兩相性能接近：按強(qiáng)度分?jǐn)?shù)相加計算。

6.1.3

合金的塑性變形

2多相合金的塑性變形2性能（2）軟基體＋硬第二相位錯繞過第二相粒子(粒子、位錯環(huán)阻礙位錯運動)b彌散強(qiáng)化位錯切過第二相粒子（表面能、錯排能、粒子阻礙位錯運動）

變形前后晶粒形狀變化示意圖6.2

金屬塑性變形后的組織與性能

1.顯微組織的變化一對組織結(jié)構(gòu)的影響晶粒拉長;1形成纖維組織雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布。6.2

金屬塑性變形后的組織與性能

1.顯微組織的變化塑性變形對顯微組織的影響H62黃銅擠壓的帶狀組織1.顯微組織的變化

2形成位錯胞變形量位錯纏結(jié)位錯胞（大量位錯纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯密度低。)

形變亞結(jié)構(gòu)（形變亞晶）1．定義：多晶體中位向不同的晶粒取向變成大體一致，這個過程稱為“擇優(yōu)取向”。擇優(yōu)取向后的晶體結(jié)構(gòu)稱為“織構(gòu)”，由變形引起的織構(gòu)稱為變形織構(gòu)。2．絲織構(gòu)在拉絲時形成，使各個晶粒的某一晶向轉(zhuǎn)向與拉伸方向平行，以與線軸平行的晶向<uvw>表示。3.變形織構(gòu)

變形織構(gòu)之--3．板織構(gòu)

軋制時，使晶粒的某一晶向趨向于與軋制方向平行，某一晶面趨向于與軋制面平行，以與軋面平行的晶面{hkl}和與軋向平行的晶向<uvw>表示，記為{hkl}<uvw>。一對組織結(jié)構(gòu)的影響2形成形變織構(gòu)（1）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。

絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時形成）（2）類型板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向。（軋制時形成）

變形織構(gòu)之--5．織構(gòu)利弊

織構(gòu)的形成使材料的性能出現(xiàn)各向異性。

例1:制耳

例2：硅鋼片高斯織構(gòu)（110）[001]

立方織構(gòu)（100）[001]

這兩種織構(gòu)使其磁化性能得到改善。6.2

塑性變形對材料組織和性能的影響

金屬塑性變形時，外力所作的功除了轉(zhuǎn)化為熱量之外，還有一小部分被保留在金屬內(nèi)部，表現(xiàn)為殘余應(yīng)力。按照殘余應(yīng)力平衡范圍的不同，通常將其分為三類：1．第一類內(nèi)應(yīng)力，又稱宏觀殘余應(yīng)力2．第二類內(nèi)應(yīng)力，屬微觀內(nèi)應(yīng)力3．第三類內(nèi)應(yīng)力，即晶格畸變應(yīng)力4、變形后金屬中的殘余應(yīng)力變形后金屬中的殘余應(yīng)力-----1．第一類內(nèi)應(yīng)力又稱宏觀殘余應(yīng)力，作用范圍為整個工件，它是由金屬材料（或零件）各個部分（如表面和心部）的宏觀形變不均勻而引起的。第一類內(nèi)應(yīng)力使工件尺寸不穩(wěn)定，嚴(yán)重時甚至使工件在受力之下變形產(chǎn)生斷裂。變形后金屬中的殘余應(yīng)力-----2．第二類內(nèi)應(yīng)力

微觀內(nèi)應(yīng)力作用尺度與晶粒尺寸為同一數(shù)量級，往往在晶粒內(nèi)或晶粒之間保持平衡，是由于晶?；騺喚ЯＶg變形不均勻而引起的。第二類內(nèi)應(yīng)力使金屬更容易腐蝕，以黃銅最為典型，加工以后由于內(nèi)應(yīng)力存在，于春季或潮濕環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。變形后金屬中的殘余應(yīng)力-----3．第三類內(nèi)應(yīng)力即晶格畸變應(yīng)力屬微觀內(nèi)應(yīng)力。塑性變形時產(chǎn)生大量空位和位錯，其周圍產(chǎn)生了點陣畸變和應(yīng)力場，此時的內(nèi)應(yīng)力是在幾百或幾千個原子范圍內(nèi)保持平衡，其中占主要的又是由于生成大量位錯所形成的應(yīng)力。第三類內(nèi)應(yīng)力是產(chǎn)生加工硬化的主要原因。三

殘余應(yīng)力（約占變形功的10％）

第一類殘余應(yīng)力（

Ⅰ）：宏觀內(nèi)應(yīng)力，由整個物體變形不均勻引起。

1分類

第二類殘余應(yīng)力（

Ⅱ）：微觀內(nèi)應(yīng)力，由晶粒變形不均勻引起。

第三類殘余應(yīng)力（

Ⅲ）：點陣畸變，由位錯、空位等引起。80-90%。

Ⅰ三

殘余應(yīng)力（約占變形功的10％）

利：預(yù)應(yīng)力處理，如汽車板簧的生產(chǎn)。

2利弊

弊：引起變形、開裂,如黃銅彈殼的腐蝕開裂。

3消除：去應(yīng)力退火。

6h二對性能的影響（Theeffectofplasticdeformationontheproperties)

1對力學(xué)性能的影響（1）加工硬化（work-hardening）：隨變形量的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。

二對性能的影響

1對力學(xué)性能的影響（加工硬化）

強(qiáng)化金屬的重要途徑；利提高材料使用安全性；（2）利弊材料加工成型的保證。弊變形阻力提高，動力消耗增大；脆斷危險性提高。

深沖冷帶鋼深沖鋁合金件回復(fù)（recovery)：冷變形金屬在低溫加熱時，其顯微組織無明顯變化，但其物理、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過程。(回復(fù)階段只有亞結(jié)構(gòu)和發(fā)生變化，新的無畸變晶粒沒有出現(xiàn)）再結(jié)晶(recrystallization)：冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時，在變形組織內(nèi)部新的無畸變