第六章_金屬及合金的塑性變形與斷裂.ppt

1、第六章 金屬的塑性變形與斷裂,塑性變形及隨后的加熱對(duì)金屬材料組織和性能有顯著的影響. 了解塑性變形的本質(zhì),塑性變形及加熱時(shí)組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝.,5萬(wàn)噸水壓機(jī),第一節(jié) 金屬的變形特性,金屬在外力的作用下的變形過(guò)程可分為彈性變形、彈塑性變形和斷裂三個(gè)連續(xù)階段。 一、應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn),(1) 屈服點(diǎn) 試樣屈服時(shí)的應(yīng)力為材料的屈服點(diǎn) 產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值.,屈服點(diǎn)（強(qiáng)度）,（2）屈服強(qiáng)度( 塑性變形量為0.2%，微量塑性變形),試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形,屈服點(diǎn) s 、屈服強(qiáng)度0.2是零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)；也是評(píng)定金屬?gòu)?qiáng)度的重要指標(biāo)之一。,塑性：指材料在載荷作用

2、下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。,評(píng)定塑性的指標(biāo)： (1)斷面收縮率: 指試樣拉斷處橫截面積的收縮量 S與原始橫截面積S0之比。,(2)伸長(zhǎng)率:是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量 L 與原始標(biāo)距L 0之比。,S0 - S 1 = - 100% S0,塑性指標(biāo),l 1 - l0 = - 100% l0,塑性指標(biāo)不直接用于計(jì)算，但任何零件都需要一定塑性， 防止過(guò)載斷裂；塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。,二、真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn),三、金屬的彈性變形,2）.彈性極限: Fe 彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面(mm2 ),E= / ,1）.彈性:金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)

3、生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來(lái)形狀及尺寸的性能。,彈性變形: 隨載荷撤除而消失的變形。,2）剛度：將材料抵抗彈性變形的能力稱(chēng)為剛度。 彈性模量：彈性下應(yīng)力與應(yīng)變的比值，表示材料抵抗彈性變形的能力。 即： E= / 切變模量：G/ 材料的E越大，剛度越大； E對(duì)組織不敏感； 零件的剛度主要決定于E，也與形狀、截面等有關(guān) 、 分別是正應(yīng)變和切應(yīng)變 E、 G是表征材料抵抗彈性變形能力和衡量材料“剛度”的指標(biāo)。,第二節(jié) 單晶體的塑性變形,單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。,單晶體金屬的塑性變形,一、

4、 滑移 （一）滑移及滑移帶 滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。,塑性變形的形式：滑移和孿生。 金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。,滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是原子間距的整數(shù)倍. 滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱(chēng)滑移線(xiàn)，若干條滑移線(xiàn)組成一個(gè)滑移帶。,銅拉伸試樣表面滑移帶,1、滑移變形的特點(diǎn) ： 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱(chēng)臨界切應(yīng)力.,正應(yīng)力作用.swf, 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。,沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常

5、是晶體中的密排面和密排方向。,一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。,（二）滑移系,滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。 因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格, 體心立方晶格好于密排六方晶格。,（三）滑移的臨界分切應(yīng)力,在剪切應(yīng)力作用下位錯(cuò)線(xiàn)滑移，并在表面形成臺(tái)階，這就是塑性變形后在表面形成滑移帶的本質(zhì)。那麼在拉伸外力作用下，如何能導(dǎo)致位錯(cuò)線(xiàn)滑移？ 圖給出了拉伸外力P與任一晶面上的剪切應(yīng)力大小的關(guān)系。外力P作用在面積為A的圓柱體上，在滑移面上產(chǎn)生的分切應(yīng)力,F在滑移方向上的分切應(yīng)力為,只有值大于和等于某一個(gè)臨界值，柱體的上下兩

6、部分才會(huì)相對(duì)的滑移，產(chǎn)生宏觀的塑性變形。這個(gè)分切應(yīng)力就稱(chēng)為臨界分切應(yīng)力c。,（四）切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動(dòng),滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。,自由滑移變形.swf,轉(zhuǎn)動(dòng)的原因：晶體滑移后使正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶.,當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈45角時(shí)，滑移,方向上切應(yīng)力最大，因而最容易發(fā)生滑移. 滑移后, 滑移面兩側(cè)晶體的位向關(guān)系未發(fā)生變化。,A0,自由滑移變形.swf 受夾具限制時(shí)代變形.swf 壓縮時(shí)的晶面轉(zhuǎn)動(dòng).swf,幾何軟化 幾何硬化 壓縮時(shí)的晶面轉(zhuǎn)動(dòng).swf,韌性斷口,2、滑移的機(jī)理

7、 把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(dòng)所需的理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測(cè)量臨界切應(yīng)力值大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。滑移是通過(guò)滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,晶體通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)，它們移動(dòng)的距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱(chēng)作位錯(cuò)的易動(dòng)性。,（五）多滑移系,在兩個(gè)或更多的滑移系上進(jìn)行的滑移系稱(chēng)為多滑移系，簡(jiǎn)稱(chēng)多滑移。,（六）交滑移,兩個(gè)或多個(gè)滑移面沿共同的滑移方向同時(shí)或交替地滑移，稱(chēng)為交滑移。兩個(gè)或多個(gè)滑移面沿共同的滑移方向同時(shí)或交替地滑移，稱(chēng)為交滑移。,1.位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與晶體的滑移刃型位錯(cuò)的滑移,螺型位錯(cuò)的滑移：,在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，有使晶

8、體的左右部分發(fā)生上下移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中有一螺型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中向后發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)的區(qū)間右邊晶體向下移動(dòng)一柏氏矢量。,2.位錯(cuò)的增殖,位錯(cuò)增值模型.swf 螺位錯(cuò)雙交滑移增殖模型.swf,3.位錯(cuò)的交割與塞積,位錯(cuò)的塞積位錯(cuò)塞積形成裂紋.swf 整個(gè)塞積群對(duì)位錯(cuò)源有一反作用力。當(dāng)塞積位錯(cuò)的數(shù)目達(dá)到n時(shí)，這種反作用力與外加切應(yīng)力可能達(dá)到平衡。此時(shí)，位錯(cuò)源則會(huì)關(guān)閉；要想繼續(xù)滑移，就必須增大外力，這就是應(yīng)變硬化的機(jī)制之一。,位錯(cuò)在障礙物前的塞積,當(dāng)兩條位錯(cuò)線(xiàn)交割時(shí)，每條位錯(cuò)線(xiàn)上都可能出現(xiàn)長(zhǎng)度相當(dāng)于另一條位錯(cuò)線(xiàn)b的割階,這就增加了位錯(cuò)長(zhǎng)度，是位錯(cuò)能量升高，是變形所需的總能量升高； 另外，當(dāng)割

9、階垂直于滑移面時(shí)，此割階有阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，會(huì)使晶體進(jìn)一步滑移的抗力增加，這是加工硬化的主要原因。,小結(jié)： 交滑移與多滑移不同，后者是由完全不同的兩個(gè)滑移系分別或交替進(jìn)行滑移；而交滑移是由具有同一滑移方向的兩個(gè)或多個(gè)滑移系同時(shí)啟動(dòng)而進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，只有螺位錯(cuò)可以引起交滑移。,二、孿生 孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。,單晶體孿生.swf,發(fā)生切變的部分稱(chēng)孿生帶或?qū)\晶帶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱(chēng)孿生面。 孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱(chēng)。,孿晶組織,孿生示意圖,與滑移相比： 孿生使晶格位向發(fā)生改變； 所需切應(yīng)力比滑移大得多, 變形速度極快, 接近聲速; 孿生時(shí)

10、相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距.,密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過(guò)程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱(chēng)退火孿晶。,第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形,單個(gè)晶粒變形與單晶體相似,滑移、孿晶兩種方式。但多晶體變形比單晶體復(fù)雜。 晶界及晶粒位向差的影響 1、晶界的影響 當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來(lái),稱(chēng)位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行, 則必須增加外力, 從而使金屬的變形抗力提高。,晶界對(duì)塑性變形的影響,Cu-4.5Al合金晶界的位錯(cuò)塞積,2、晶

11、粒位向的影響 由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周?chē)木ЯＨ舨话l(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來(lái)與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形,便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。, 多晶體金屬的塑性變形過(guò)程 多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45的晶粒。當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來(lái)處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)，從而使滑移由,一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。, 晶粒大小對(duì)塑性變形的影響 金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高細(xì)晶強(qiáng)

12、化。 因?yàn)榻饘倬ЯＴ?細(xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。,晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度關(guān)系,金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。 因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變,形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加,金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。,通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱(chēng)細(xì)晶強(qiáng)化。,第四節(jié) 合金的塑性變形,合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種.合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同.,一、單相固溶體合金的塑性變形與固溶強(qiáng)化 單相固溶體合金組

13、織與純金屬相同，其塑性變形過(guò)程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱(chēng)固溶強(qiáng)化。,固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì),固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。即溶質(zhì)原子與位錯(cuò)彈性交互作用的結(jié)果，如下圖所示，使溶質(zhì)原子趨于聚集在位錯(cuò)的周?chē)?，以減小畸變，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，此即稱(chēng)為柯氏(cotrell)氣團(tuán)。顯然，柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)有“釘扎”作用。為了使位錯(cuò)掙脫氣團(tuán)而運(yùn)動(dòng)，必須施加更大的外力。因此，固溶體合金的塑性變形抗力要高于純金屬。,二、多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化 當(dāng)合金的組織由多相混合物組成時(shí)，合金的塑性變,形除與合金基體的性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、

14、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。,+鈦合金(固溶體第二相),當(dāng)在晶界呈網(wǎng)狀分布時(shí)，對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性不利； 當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度，但會(huì)降低塑性和韌性；,珠光體,當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時(shí)，第二相顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強(qiáng)化方法稱(chēng)彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化。 彌散強(qiáng)化的原因是由于硬的顆粒不易被切變，因而阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了變形抗力。,顆粒釘扎作用的電鏡照片,第五節(jié) 塑性變形對(duì)組織和性能的影響,一、塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也

15、相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。 當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變,得模糊不清。 塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。,工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化,塑性變形對(duì)金屬組織的影響,晶粒拉長(zhǎng)，纖維組織 各向異性 (沿纖維方向的強(qiáng)度、塑性最大）,變形10% 100,變形40% 100,變形80%纖維組織100,工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織,由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱(chēng)織構(gòu)或擇優(yōu)取向。,形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生,“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。,織構(gòu),絕大部分晶粒的某一位向與外

16、力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。,晶粒拉長(zhǎng)，但未出現(xiàn)織構(gòu)。,晶粒拉長(zhǎng)，且出現(xiàn)織構(gòu)。,軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象,二、加工硬化,隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱(chēng)加工硬化。,冷塑性變形與性能關(guān)系,產(chǎn)生加工硬化的原因是: 1、隨變形量增加, 位錯(cuò)密度增加，由于位錯(cuò)之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加.,2. 隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 3. 隨變形量增加, 空位密度增加 4. 幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)引起 由于加工硬化, 使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形, 而未變形部分開(kāi)始變形。沒(méi)有加工硬化, 金屬就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。 加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對(duì)于不能熱處

17、理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。,三、殘余內(nèi)應(yīng)力,內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時(shí), 內(nèi)部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時(shí),外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中. 內(nèi)應(yīng)力分為三類(lèi)： 第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間 (宏觀內(nèi)應(yīng)力)。 第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間, (微觀內(nèi)應(yīng)力)。 第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。,第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬?gòu)?qiáng)化的主要原因。而第一、二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力都使金屬?gòu)?qiáng)度降低。,內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過(guò)程中的變形和開(kāi)裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火,處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。,晶界位錯(cuò)塞積所引起的應(yīng)力集中,6-6 金屬的斷裂,斷裂是金屬材料在外力的作用下喪失連續(xù)性的過(guò)程，它包括裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展兩個(gè)基本過(guò)程。 斷裂的研究涉及斷裂力學(xué)、斷裂物理、斷裂化學(xué)及斷口學(xué)等幾個(gè)方面。,一、塑性斷裂,塑性斷裂又稱(chēng)為延性斷裂，斷裂前發(fā)生大量的宏觀塑性變形，斷裂時(shí)承受的工程應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度。 塑性和韌性好的金屬，通常以穿晶方式發(fā)生塑性斷裂，在斷口附近會(huì)觀察到大量的塑性變形的痕跡，如縮頸。 斷口形貌：韌窩，包括等軸韌窩和剪切韌窩。,韌窩,等軸韌窩,剪切韌窩,二、脆性斷裂,斷裂