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1、 金属的变形概述 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 合金的塑性变形 塑性变形对组织性能的影响 内容目录 纳米铜的室温超塑性 弹性变形弹塑性变形断裂 e y IIIIIIIV 第一节 金属的变形概述 1) 应力：作用在材料任一截面单位面积上的力。 正应力: 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力” 剪应力: 同截面相切的称为“剪应力”或“切应力” 2) 应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。 线应变: 物体内部某处的线段在变形后长度的改变 值同线段原长之比值 剪应变: 物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的 改变值 体积应变: 变形后物体内任一微小单元体体积的改 变同原单位体积之比值 1.1 变形
2、过程中的名词概念 弹性变形阶段 I： e，-e为线性关系； 屈服阶段 II 弹塑性变形阶段 III： 应力在e到b之间发生均匀 塑性变形； 颈缩阶段 IV：b之后； 断裂：发生在K点。 e y IIIIIIIV 1.2 变形过程 p 变变形可逆，去除外力后完全 恢复，变变形消失。 p 特点：服从胡克定律，即应应 力与应变应变 成正比 p E为弹为弹 性模量、G称为为切变变模 量，反映材料对弹对弹 性变变形的 抗力，代表材料的“刚刚度” 。 e y I IIIII IV 1.3 弹性变形 I 当应力大于弹性极限时 ，材料不但发生弹性变 形，而且还发生塑性变 形，即在外力去除后， 其变形不能得到完
3、全的 恢复，而具有残留变形 或永久变形。 塑性变形 不能恢复的永久性变形 1.4 塑性变形 1) 屈服：材料开始发生塑性 变形。 2) 屈服特点：即使外力不再 增加，试样也会继续变形 ，这种变形属于塑性变形 ，在拉伸曲线上会出现锯 齿状的平台。这是部分材 料所具有的特征。 退火低碳钢的拉伸应力应变曲线 1.4.1 塑性变形过程II 屈服 e y I IIIII IV 对具有屈服现象的材料用屈服现象发生时 对应的应力表示； 对屈服现象不明显的材料，则以所产生的 塑性应变达0.2%时的应力值表示。 屈服强度 材料开始发生微量塑性变形的抗力 ，也称为屈服极限，用y表示 在屈服后的变形阶 段，试样整体
4、进行 均匀的塑性变形。 如果不再增加外力 ，材料的变形将不 能继续下去。 1.4.2 塑性变形过程 III 均匀变形 e y I IIIII IV e y IIIIIIIV 已经发生变形处的强度提 高，进一步变形困难，即 变形要在更大的应力作用 下才能进行。下一步的变 形发生在未变形或变形相 对较小的位置，达到同样 变形后，在更大的应力作 用下发生变形。 维持材料均匀变形的原因 是材料发生了加工硬化。 1)颈缩：试样开始发生不均匀的塑 性变形，产生颈缩，即塑性变形 集中在一局部区域进行。 2)特点：宏观表现为外力在下降， 工程应力在减小，但颈缩区的材 料承受的真实应力依然在上升。 3)极限强度
5、：开始发生颈缩时对应 的工程应力b ，这时试样出现 失稳，颈缩真实应力依然在上升 ，但能承受的总外力在下降。 e y IIIIIIIV 1.4.3 塑性变形过程 IV颈缩 1) 变形量大至K点，试 样发生断裂。 2) 断裂的实质是原子 间承受的力超出最 大吸引力，原子间 的结合受到破坏而 分离。 e y IIIIIIIV 1.4.4 塑性变形过程 K断裂 l 脆性断裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂” ，断口凹凸不平； l 脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为“穿 晶断裂”，断口比较平坦。 韧性断 裂 在断裂前有明显塑性变形后发 生的断裂叫“韧性断裂” l 在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长 成
6、为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。 脆性断 裂 断裂前因并未经过明显塑性变形， 故其断口常具有光泽。 依材料的性质、外 界环境和受力方式不同 ，材料在外力作用下发 生塑性变形的方式也不 相同，通常发生塑性变 形的方式有：滑移、孪 生、蠕变、流动。 1.5 塑性变形的方式 切应力作用下，晶体的 一部分相对于另一部分 沿着一定的晶面（滑移 面）和晶向(滑移方向） 产生相对位移，且不破 坏晶体内部原子排列规 律的塑变方式叫滑移。 Zn 单晶的滑移 第二节 单晶体的塑性变形 2.1 滑移 光学显微镜：滑移带 电子显微镜：每条个滑移带由许多平行滑移线组成 对于Al单晶：每根滑移线的滑移量为100200n
7、m；两滑移线间距 20nm；滑移带之间2000nm 2.1.1 滑移的表象 切应力的作用下，晶格发生弹性外扭，进一步将使晶格 发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置 ，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大 量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出 现滑移产生的台阶。 2.1.2 滑移变形过程 作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大， 不能使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置 ，不能产生塑性变形；正应力达到破坏原子间的 吸引力，晶格分离，材料则出现断裂。 材料在正应力作用下，在应力方向虽然不 能发生塑性变形，但正应力的分量在另一 方向就有切应力，可使晶格沿另外的方
8、向 上发生滑移。 l 滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体 的最密排晶面； l 滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为 晶体的最密排方向； l 一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成 一个可以滑移的方式称为“滑移系”。 2.1.3 滑移的晶体学特征 FCC 滑移系对性能的影响 晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈 大，材料的塑性愈好。 滑移面密排程度高，滑移面上滑移方向个数越多 ，材料塑性越好。 bcc的a-Fe与fcc的Al及Cu，虽然都有12个滑移系 ，但其滑移面密排程度较面心立方晶格低，且滑 移面上滑移方向少，所以塑性不如铜及铝；具有 hcp晶格的Mg、Zn等，滑移系仅有3个，因此塑性
9、 较立方晶系金属差。 左图中单晶体受拉应力F作用，滑 移面法线方向N与F夹角为f，滑 移方向和F夹角为；注意：滑移 方向S、拉力轴F和滑移面的法线 N三者不必在同一平面，即 f+900 。 2.1.4 滑移的临界分切应力施密特定律 推动滑移的是在滑移方向上的分 切应力。同一外加应力作用下， 不同滑移系因取向不同，对应的 分切应力也不相同。 滑移方向上的分切应 力为： 其中： 称为取向因子或施密特因 子。当 f+ = 900，取向因 子有最大值0.5。 当t达到某一临界值tc时，晶体 产生滑移变形，这时对应的正应 力为单晶体的屈服应力y，称 为施密特定律。 y = c/cosf cosl 滑移方
10、向上 切应力t为： c是一常数，称为临界分切应力 施密特定律 c取决于金属的本性，不受f、的影响；屈服强 度y则随拉力轴相对于晶体的取向不同而不同， 即晶体材料存在各向异性。 y = c/cosfcosl f或90时，取向因子M最小，y ；这时 的取向称为硬取向。 f，45时，取向因子M最大，y最小，晶体 最易滑移；这时的取向称为软取向。 2.1.6 滑移时晶体的转动 当外力作用于单晶体试样上时 ，它在某些相邻层晶面上所分解的 切应力使晶体发生滑移，而正应力 和垂直滑移方向的另一正应力因滑 移错开组成一力偶，使晶体在滑移 的同时向外力方向发生转动。 2.1.6 滑移时晶体的转动 转动的趋势为滑
11、移面趋于平行拉 力方向，滑移方向也趋于平行拉 力方向。 2.1.7 滑移变形的主要特点 l滑移只能在切应力的作用下发生。 l滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。 因为在最密晶面之间的面间距最大，原子面之 间的结合力最弱；沿最密晶向滑移步长最小， 滑移所需外加切应力最小。 l滑移时晶体的一部分相对另一部分的滑移距离为原 子间距的整数倍，在晶体表面形成台阶。 l滑移的同时必然伴随有晶体的转动。 滑移的实质是位错的运动 位错的增殖 位错的交割 位错的塞积 2.1.8 滑移的位错机制 大量的理论研究证明，滑移是由于滑移面上位错运 动而造成的。上图分别表示一刃型和螺型位错在切应 力的作用下的运动
12、过程，通过一根位错从滑移面的一 侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。 t t A. 滑移的实质是位错的运动 塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移台 阶，但位错的数量(位错密度)却在不断的增加，这是因 为在外应力作用下发生塑性变形时位错会发生增殖。 例如： B. 位错的增殖 利用Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上有一段 位错，CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位错应向右移 动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号位错相消，产生一 位错环，内部CD段还存在。反复可生成一系列的位错环， 扩展到晶体外产生的滑移台阶可为柏氏矢量的整数倍。 B. 位错的增殖 根据计算,使两端固定的位错线
13、弯曲到曲率半径为R圆弧所需 切应力为: F-R源模型中，直线时曲率半径为无穷大，使其弯曲所需应 力很小，当半径为L/2时，曲率半径最小，所需应力最大，继 续向外扩展时，曲率半径又增大，切应力又减小，因此开动F- R位错源所需的临界切应力为： L B. 位错的增殖 b1 b2 扭折 C. 位错的交割 图示例子表示如果位错AB向下 运动扫过位错CD，由于扫过区 间的晶体两边发生了柏氏矢量 大小的滑移，在位错CD上产生 了EF转折。 不在同一个滑移面上的两 刃型位错运动的过程中可 发生交割。 b1 b2 扭折 C. 位错的交割 由于EF的出现，增加了位错线的 长度，需要消耗一定的能量；此 外位错交截
14、后会产生一种位错难 以运动的固定割阶，成为后续位 错运动的阻碍。金属冷加工硬化 、强度提高，塑性下降就与此相 关，称为割阶强化。 EF是一段新的短位错线，长 度为AB的柏氏矢量，它的柏 氏矢量与CD的柏氏矢量相同 位错运动时，在其前沿如果有障碍(如晶界、不可 变形的硬质点)，就停留不能前进，若同一位错源 不断产生一系列位错源源而来，在此将产生前密后疏的 位错排列组态，称为“塞积群”。 障碍物 位错源 D. 位错的塞积 可见见位错错塞积处产积处产 生很大应应力集中，可能带带 来的后果有： 螺位错错可改变变滑移面而发发生交滑移； 晶界处处的应应力可能迫使相邻邻晶粒中的位错错运 动动来松弛应应力；
15、无法松弛就有可能在此处处造成裂纹纹。 障碍物 位错源 t=nt0 外加切应力t0 作用在塞积 群每个位错上的力为t0b， 则加在塞积群中n个位错 的作用力为nt0b。 外力作用下，以切变生成“孪晶”而发生塑性 变形方式称为“孪生”。 2. 2 孪生变形 晶体的一部分相对于一定的晶面(孪生面)，沿着一定的方 向(孪生方向)发生切变，形成对称的晶格排列，发生切变 部分叫做孪生带，或简称为孪晶。切变部分和未切变部分 呈镜面对称，对称面为孪生面。 (111) 孪晶面 (I0)面 (10) A A C C E E A C E G A C E G 孪生区域 p 孪生需要的临界切应力很大，仅在滑移困难时才会发 生。一般孪生出现在滑移系很少的晶体结构的材料中 (如密排六方晶格金属)； p 某些容易发生滑移的立方材料仅在低温度滑移困难或 受冲击时来不及滑移时才可能产生孪生。 p 孪晶带中，每层原子面对于相邻原子面的移动量都相 同，其移动量不是原子间距的整倍数(一般为原子间 距的分数)，但它们在孪生后各自移动的距离和离孪 生面的距离成正比。 2.2.1 孪生变形的特点 p 孪生带的晶格位向发生了变化，抗腐蚀性和光学反射性与 母体不同。 p 孪生变形的速度很快，接近于声速
