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1、第3章金属的塑性变形与再结晶 3 1金属的塑性变形3 2金属及合金的回复与再结晶3 3金属的热塑性加工 3 1金属的塑性变形3 1 1单晶体金属的塑性变形1 滑移在切应力的作用下 晶体的一部分会沿着一定晶面 滑移面 上的一定方向 滑移方向 相对于另一部分发生滑动 这种现象称为滑移 1 滑移的特征 1 滑移线与滑移带 使抛光的铜单晶试样产生适当的塑性变形 然后在宏观及金相显微镜下可以观察到试样的表面有许多呈一定角度阶梯状的互相平行的线条 通常称为滑移带 图3 1 用电子显微镜可以观察到该滑移带并不是一条线 而是由一系列相互平行的细线所组成 把组成滑移带的那些细线称为滑移线 单晶塑性变形时滑移线和
2、滑移带的形成示意图如图3 2所示 滑移带是金属沿其滑移面的某些晶面发生滑移后所形成的 在塑性的单晶体中 如铜和铝中 滑移可在多个晶体表面上发生 这样其表面滑移带的形貌相对较均匀 图3 1 如果在高倍显微镜下仔细观察其表面 会发现滑移带由许多小的滑移台阶组成 图3 2 这些小台阶称为滑移线 滑移线之间的间隔一般为100 1000原子间距 而滑移带之间的间距约为10000原子间距 图3 1铜单晶塑性变形后表面的滑移带形貌 250 图3 2单晶塑性变形时滑移线和滑移带的形成示意图 a 变形前 b 变形时 c 滑移线和滑移带示意 滑移线及滑移带的出现说明在塑性变形中 金属内部产生了分层的相对移动 当金
3、属内部的滑移层移到金属表面时 便会在抛光面上造成一系列高低不平的台阶 这便是所看到的滑移线及滑移带 众多大小不同的滑移带的综合效果在宏观上的体现就是晶体的塑性变形 对变形后的晶体作X 射线衍射结构分析后发现 金属的晶体结构类型并没有发生变化 滑移带两侧的晶体取向也未改变 因此 晶体在滑移过程中并未改变晶体的结构和晶格的取向 只是晶体在切应力的作用下 一部分沿着某一滑移面上的某一晶向相对于另一部分发生滑动而已 2 滑移系 金属塑性变形后所出现的滑移线及滑移带 它们或者相互平行或者互成一定角度 这表明金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的 这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向 滑移面和滑
4、移方向往往是金属晶体中原子面密度最大的晶面 密排面 和其上线密度最大的方向 密排方向 这是因为晶体中原子密度最大的晶面和晶向上 原子的结合力最强 而密排面之间 密排方向之间的间距却最大 结合力最弱 所以滑移往往沿晶体的密排面和该面的密排方向进行 表3 1三种常见金属晶体结构的滑移系 3 滑移的临界切应力 当金属晶体受外力作用时 无论外力的方向 大小与作用方式如何 在晶体内部都可分解为垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力 滑移面上沿着滑移方向的分切应力达到某一临界值时 晶体开始滑移 临界切应力的计算方法如图3 3所示 设有一圆柱形的金属单晶体试样受到轴向拉伸外力P的作用 晶体的横截面积为F P
5、与滑移方向的夹角为 与滑移面法线的夹角为 则滑移面的面积A为F cos 外力P对该滑移面的作用力可分解为垂直于此面的分力和平行于此面的分力 该晶面对应的应力为正应力 和切应力 图3 3 正应力 只能使试样弹性伸长 当 足够大时试样将发生断裂 切应力 则使试样沿该晶面滑移 这样 外力P在滑移方向上的分力为Pcos 则外力P在滑移方向上的分切应力为 图3 3单晶体滑移变形时的应力分解图 当滑移开始时 式 3 1 中的 达到临界值 C 此时宏观上金属开始屈服 P F应当等于 s 将其代入式 3 1 即得式中 C称为金属晶体的临界分切应力 其数值取决于金属的晶体临界切应力的因素主要有金属的类型 成分
6、试验温度和加载速度 而与加载的方向 方式及数值无关 cos cos 称为取向因子或史密特 Schmid 因子 记为m 取向因子大的称软取向 取向因子小的称硬取向 3 1 C scos cos 显然 当P一定时 作用于滑移系上的分切应力与晶体的取向有关 取向因子m愈大 则分切应力 也愈大 可以理解 对任何 值 当 90 时 该方向上的分切应力最大 即只有当滑移面法线及外力轴三者共面时 才可能获得最大的取向因子 此时m cos cos 90 sin2 2 故当 45 时 有最大值1 2 实验证明 在外力一定的条件下 滑移面法线与外力 的夹角 等于或接近45 时 金属的 s最小 即外力作用下滑移最容
7、易进行 金属最易产生塑性变形并可表现出最大的塑性 当滑移面与外力平行 0 或垂直 90 时 无论 C的数值如何 金属的 s都为无穷大 晶体不可能滑移 即外力作用下金属不会产生任何塑性变形 直至断裂 4 滑移时晶面的转动 随着滑移的进行 金属晶体还会产生转动 从而使金属晶体的空间取向发生变化 如图3 4 a 所示 不难看出 在拉伸时 晶体转动的结果是使其滑移方向逐渐转到与应力轴相平行的方向 而在压缩时 晶体转动是使其滑移面逐渐转到与应力轴相垂直的方向 在单晶体试样拉伸过程中 由于发生滑移后的晶体使试样两端拉力不再处于同一直线上 图3 4 b 因此产生一个力矩迫使滑移面产生趋向与外力平行的方向转动
8、 使试样两端拉力重新作用于一条直线上 因此金属单晶体在拉伸过程中除了发生滑移外 也同时发生转动 图3 4金属晶体在滑移时的转动 a 拉伸时 b 压缩时 2 滑移的机理最早曾设想滑移的过程是晶体的一部分相对于另一部分沿滑移面作整体刚性滑移 但是由此计算出的滑移所需最小切应力与实际测量的结果相差很大 经多年研究证明 由于晶体中存在着位错 滑移实质上是位错在切应力作用下沿滑移面运动的结果 在切应力的作用下 晶体中形成一个正刃位错 这个多出的半原子面会由左向右逐步移动 当这个位错移到晶体的右边缘时 移出晶体的上半部就相对于下半部移动了一个原子间距的滑移量 并在晶体表面形成一个原子间距的滑移台阶 同一滑
9、移面上若有大量的位错不断地移出晶体表面 滑移台阶就不断增大 直到在晶体表面形成显微观察到的滑移线和滑移带 位错在晶体中移动时所需切应力很小 因为位错的运动实质上是原子的运动 它不是整个滑移面上全部原子一起运动 而是通过位错中心少数原子的逐一递进 像接力赛跑一样 由一个平衡位置转移到另一个平衡位置而进行 而且其位移量都不大 形成逐步滑移 图3 5 通过位错的逐步滑移比整体移动所需的临界切应力要小得多 这称为 位错的易动性 正是位错运动的这一特点 使金属晶体具有良好的塑性变形能力 图3 5位错运动造成滑移 滑移所需的临界切应力 C实际上是滑移面内一定数量的位错移动时所需的切应力 其大小取决于位错滑
10、动时所要克服的阻力 这些阻力对单晶体来说 主要由晶体内位错的密度及其分布特征所决定 如果晶体内存在少量的位错 滑移易于进行 因此金属晶体的强度也就比较低 但是 当位错数目超过一定范围时 随着位错密度的增加 由于位错之间以及位错与其他缺陷之间存在着相互的牵制作用 使位错的运动受阻 结果金属的强度和硬度又逐渐增加 金属材料的冷加工硬化现象就是在加工过程中 金属内部位错密度的增大而引起的金属材料硬化 2 孪生晶体中第二个重要的塑性变形是孪生 即在切应力作用下晶体的一部分原子相对于另一部分原子沿一定晶面 孪生面 和晶向 孪生方向 发生切变的变形过程 发生切变 位向改变的这一部分称为孪晶 孪晶与未变形部
11、分晶体原子分布形成所谓的镜面对称 孪生所需的临界切应力比滑移的大得多 孪生只在滑移很难进行的情况下才发生 一些具有密排六方结构的金属 如锌 镁 铍等的塑性变形常常以孪生的方式进行 而铋 锑等金属的塑性变形几乎完全以孪生的方式进行 体心立方及面心立方结构金属 当形变在温度很低 速度极快等条件下难以滑移时 也会通过孪生的方式进行塑性变形 通常认为 孪生是一个发生在金属晶体内局部区域的均匀切变过程 切变区的宽度较小 在金相显微镜下一般呈带状 有时呈透镜状 称为孪晶带 且切变区的晶体取向 与未变形区的晶体取向互成镜面对称关系 现以面心立方结构金属为例 分析孪生过程的形成机制 图3 6为FCC晶格中孪生
12、过程示意图 孪生与滑移一样 图中晶体学对称面称为孪生面 孪生与滑移一样 也是发生在一定的方向上 这个方向称为孪生方向 在滑移中 滑移部分的所有原子所移动的距离是相同的 而在孪生过程中 变形部分的原子移动距离是不相同的 其大小与变形原子距孪生面的距离成比例 图3 6FCC晶格中孪生过程示意图 图3 7示意地说明了滑移与孪生发生后金属表面的形貌差别 滑移之后将产生一些前面所提到的台阶 而孪生则留下的是细小的变形区 在金属晶体中 由于外加载荷的方向不易开动滑移系 即当滑移不易进行时 晶体则以孪生的形式产生形变 因此孪生的萌生一般需要较大的应力 但随后的长大所需应力较小 其拉伸曲线一般呈锯齿状 图3
13、7滑移与孪生发生后金属表面的形貌差别示意图 a 滑移 b 孪生 由于实际测得的数据比较分散 不像滑移的临界分切应力那么明确 有人怀疑孪生的发生是否存在临界切应力 另外 形变孪晶常见于室温条件下HCP金属的变形过程中 因为它们的滑移系相对较少 在BCC金属中 如Fe Mo W Ta 一般在很低温下形变时才会以孪生的形式进行形变 在室温条件下 只有在很高的应变速率情况下BCC金属中才会出现孪生现象 由于有较多的滑移系 FCC金属中发生孪生的趋势是很小的 当然如果形变速率很高 而且温度也很低 此时在FCC金属中也可能发生孪生形变 例如FCC的铜晶体在温度为4K条件下 同时应变速率很高时 也会出现孪生
14、现象 尽管有孪生的帮助 HCP金属如Zn的变形能力总是比FCC晶体及BCC金属差 通常孪生在整个晶体中只占有较小的比例 即孪生在整个晶体中只产生小的形变 尽管如此 孪生在晶体的变形中仍起着重要的作用 因为孪生发生后 改变了晶体的取向 这样一来为新的滑移系的开动提供了晶体取向的条件 使得滑移能够发生 面心和体心立方金属 尤其是密排六方金属通过单纯的孪生过程所能得到的变形量是极有限的 例如锌单晶 即使完全变为孪晶 伸长量也不过7 2 但是通过孪生可以改变晶体的取向 使晶体的滑移系由原来难于滑动的取向转到易于滑动的取向 从而使滑移过程得以继续进行 因此孪生变形虽然对金属变形能力的直接贡献很小 但间接
15、的贡献却很大 3 1 2多晶体金属的塑性变形工程上使用的金属材料大多数是由多晶体组成的 实验证明 虽然多晶体塑性变形主要也是以滑移和孪生的方式进行的 但多晶体是由许多形状 大小 位向都不同的晶粒所组成的 晶粒之间以晶界相连 晶界处原子排列又不规则 因此 多晶体塑性变形除了要考虑到单晶体塑性变形的因素外 还要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用以及晶界对塑性变形的影响 从而使多晶体的变形变得更为复杂 并具有一些新的特点 1 多晶体塑性变形的特点1 多晶体金属的变形过程多晶体在受到外力作用时 由于位向不同的各个晶粒所受的力不一样 而作用在各晶粒的滑移系上的分切应力更是相差很大 因此 各晶粒并非
16、同时开始变形 而是优先在处于软位向的A晶粒产生滑移变形 而且由于不同位向晶粒的滑移系取向不同 滑移方向也不同 故滑移不可能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中 这样就会使位错在晶界附近聚集塞积起来 图3 8 产生了很大的应力集中 只有进一步增大外力 变形才能继续进行 图3 8多晶体的滑移示意图 随着变形度加大 晶界处聚集的位错数目不断增多 应力集中也逐渐增加 当应力集中达到一定程度时 会使附近的晶粒B和C中某些滑移系中的位错源也开动起来而发生相应的滑移 由于B和C晶粒的滑移会使位错塞积群前端的应力松弛 因此A中的位错又重新开动 并进而使位错移出这个晶体 变形就是从一个晶粒传递到另一个晶粒 从一批晶粒扩展到另一批晶粒 如此逐一传递下去 最终变形波及整个晶体 由上述可知 多晶体的塑性变形是在各晶粒之间互相影响 互相制约的条件下 从少量晶粒开始 分批进行 逐步扩大到其他晶粒 以及从不均匀的变形逐步发展到均匀的变形 通过多晶体变形过程的分析可以看出 由于晶界的阻碍和邻近不同位向晶粒的相互制约和协调作用 多晶体的塑性变形抗力通常比单晶体的要高 这对具有密排六方结构的锌尤为显著 图3 9分别是锌和铝多
