工程材料学第05章 塑变-new

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1、第四章 金属材料的塑性变形 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 变形后金属的回复与再结晶 金属的热塑性变形第一节 概 述一、变形过程中的几个概念1.变形：物体在外力作用下，形状或尺寸发生变化的行为。2.应力： 物体内部任一截面单位面积上的所受的作用力。=F/A 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，正应力通常引起材料的断裂。 同截面相切的称为“剪应力”或“切应力”，切应力通常引起材料的变形。3.应变：物体发生变形的长度除以原始长度。 =l/l04.4. 塑性变形：材料在外力作用下，发生的永久变形。 二、变形宏观过程在应力低于弹性极限e时 ，材料发生的变形为弹性变形 ；应力在e到b之间将发生

2、的 变形为均匀塑性变形；在b之 后将发生颈缩；在K点发生断裂 。 弹性变形特点：服从虎克定律，及应力与 应变成正比, =E 实质：弹性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部的原子偏离了 平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶格发生了伸长(缩短)或 歪扭。原子的相邻关系未发生改变，故外力去除后，原子间结合力 便可以使变形完全恢复。 se三、塑性变形不能恢复的永久性变形叫 塑性变形。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 完全的恢复，而具有残留变形 或永久变形。塑性变形定义实质：塑性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部原子相邻关系 已

3、经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物体将留 下永久变形。 se四、塑性变形的方式材料在外力作用下发生塑性变形的方式有：滑移、（孪生、蠕变、流动）。滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。而流动是非晶体材料变形基本方式。第二节 单晶体的滑移 一、滑移概念 滑移：是指当应力超过材料的弹性极限后，晶体的一部分沿一 定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）相对于另一部 分发生整体滑动的现象。 o滑移面：滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密 排晶面；如：fcc 111, bcc110, hcp 001 o滑移方向：滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最 密排方向；如，fcc , bcc

4、 o滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑 移系。滑移系愈多，塑性变形能力愈大。o滑移带：大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的 表面将出现滑移台阶，这些滑移台阶称为滑移带。二、滑移面、滑移方向与滑移系体心立方中原子排列面心立方中原子排列三、滑移与晶体结构的关系FCC四、滑移与切应力关系 （1） 当一个晶体受到一外力F作 用，在某一晶面上可分解为正应力和切 应力。正应力是应力的垂直分量，它直接引 起晶体的断裂。切应力是平行分量，引起晶体的滑移 ，所以晶体的滑移是由切应力引起的。（2）临界切应力：对于某一特定的滑 移面，只有当切应力分量达到某一临界 应力时，晶体才发生滑移。临界切

5、应力 与位向有关。单晶体具有各向异性。 滑移方向上的分切应力为： 五、滑移与位错的关系 位错是晶体中的一种线缺陷，实验表明滑移是通过位错在滑移面的运动来 实现的，这是因为通过位错运动实现滑移所需要的切应力最小。如下图所示，当滑移面上存在一个刃位错，在切应力的作用下，上部 分晶体相对于下部分晶体作整体运动。实际过程是：滑移是通过位错“一 步一步”向右移动。因为在这种情况下，每一步滑移面上的原子仅作少许 移动，因此所需的切应力最小。滑移的结果是在晶体外表面产生一个原子 间距的台阶。若在滑移面上存在大量位错，则在晶体表面产生客观滑移带 。 第三节 多晶体的塑性变形 二、多晶体的塑性变形协调性 多晶体

6、是由众多取向不一的单晶体组成。在某一单向外力作用下各晶体的滑移面上的分切应力不同，只有一些达到临界切应力的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或相邻晶体的转动，从而使原来启动的滑移系偏离最大切应力方向，而停止滑移。另一些原来不能启动的滑移系开动，进而使整个晶体的塑性变形协调发展。 一、多晶体是各向同性 三、晶界对滑移的影响 在单晶体中的滑移是依靠位错运动来实现的。对于多晶体同样是依靠位错运动来完成塑性变形。若运动中的位错遇到晶界，位错就不能继续运动，而是在晶界处塞积，要使位错越过晶界继续运动，需要增加切应力，所以晶界对滑移有阻碍作用。从宏观上看，晶界可提高晶体的强

7、度，晶体大小与强度存在著名的 Hall-patch（霍尔-佩奇）关系：s=0+Kd-1/2 (d为晶粒直径)晶体愈细小，晶界愈多，多晶体的强度愈高。第四节 塑性变形对组织、性能的影响一、对组织结构的影响 1、组织纤维化（晶粒变形）：随着塑性变形量增大，原来的 等轴晶相应地被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材 料产生各向异性。 2、亚晶粒的增多：塑性变形伴随着大量位错产生，由于位错运动和相互间 交互作用，并使晶粒“碎化”成许多位向略有差异的亚晶块（或称亚晶 粒）。亚晶粒间界是由位错堆积而成的。 3、产生织构：金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶 粒是各向异性的，宏观性能表现出各

8、向同性。当金属经受大量(70%以 上)的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致， 形成了“择优取向”，即某一晶面 （晶向）在某个方向出现的几率明显 高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构， 它使金属材料表现出明显的各向异性。 Small angle grain boundary二、对性能的影响 1、引起加工硬化： 随塑性变形量增加，金属强度、硬度会升高，而塑性、韧性会降 低，这种现象称为加工硬化。（折铁丝是一实例）产生加工硬化的原因：变形产生位错，随着变形量增加，位错密度 增高，位错发生缠结和在晶界上塞积，导致位错运动困难，从而 引起加工硬化。加工硬化的作用

9、： 强化材料的一种手段保持材料均匀形变拉伸曲线中的加工硬化2、产生残余内应力：由于金属在外力作用下内部形变不均匀，引 起内应力。晶体材料中存在三类内应力：（1） 第一类内应力：由于材料表层和心部变形不均匀或这一部分和另 一部分变形不均匀，造成平衡于它们之间的宏观内应力，称为第一类内 应力。（2）第二类内应力：由于相邻晶粒取向不同引起变形不均匀，或晶内不 同部位变形不均匀，会造成微观内应力，通常称为第二类内应力。（3）第三类内应力：由于位错等缺陷的增加，会造成晶格畸变，通常也 称为第三类内应力。其中，第三类内应力占绝大部分，这是使变形金属强化的 主要原因。第一、二类内应力占的比例不大，内应力太高

10、 ，会引起材料破坏。所以一般都要用退火的办法尽量将内 应力消除。第五节 变形后金属的加热变化 (回复与再结晶 )引言金属塑性变形后，出现晶粒拉长，位错 增多，内应力升高等现象，他们会引起 材料体系能量提高，处于一个高能亚稳 态，有向低能态转变的倾向。在加热过程中，形变了的材料会发生回 复、再结晶和晶粒长大三个过程，如右 图所示 。回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应 地,材料的结构和性能也发生对应变化。加热促使转变进行一、回复 1、回复概念经冷加工的材料在在小于0.4Tm （以K表示）以下的温度 保温， 这时材料发生点缺陷消失，位错重排，应力下降的过程 为回复。 2

11、、回复引起材料组织和性能变化 l 宏观应力（第一类应力）基本消除，但 微观应力（第二、第三类）仍然残存。l 力学性质，如强度没有明显变化。二、再结晶1再结晶概念 当加热温度达到0.4Tm以上，晶粒形状开始发生变化，在亚晶界或晶界处形成了新的结晶核心，并不断以等轴晶形式生长，取代被拉长及破碎的旧晶粒， 这一过程称为再结晶。如右图所示。 2、再结晶引起的组织和性能变化l 强度和硬度明显下降，塑韧性提高，加工硬化现象消除 。l 新晶粒形核和长大，替代旧晶粒。l 位错大量消失 。再结晶过程再结晶过程再结晶特点 1） 再结晶不是一个相变过程。因为在结晶前后的结构和 成分没有明显变化。它只是一个形态上的变

12、化。 （物理过 程） 。2）再结晶没有一个确定的温度，当T0.4Tm即可发生再结 晶过程。三、晶粒长大1长大驱动力 再结晶完成后，金属获得均匀细小的晶粒，但有长大的趋势， 因为长大有利于减少界面，降低界面能。这种自由能的降低即为晶粒长 大的驱动力。 2正常长大和非正常长大 正常长大：再结晶晶粒均匀长大。 方式：相互兼并，组织均匀。 非正常长大：一些晶粒迅速长大， 并吞并临近小晶粒，造成组织不均匀。 3再结晶晶粒大小的影响因素 （1） 加热温度和时间：温度高，时间长，晶粒愈大。（2）原始形变量：形变量愈大，晶粒愈大，但形变量有一个临界值，当超过这一值后，由于再结晶核心增多，相反引起晶粒细化。 第

13、六节 金属的热塑性变形（热加工）一、热加工与冷加工区别1、概念冷加工：在再结晶温度以下进行塑性变形热加工：在再结晶温度以上进行塑性变形 2、区别 冷加工：加工硬化，晶粒变形 热加工：加工硬化和再结晶过程同时发生，加工硬化消失 3、为什么进行热加工 金属材料的强度和硬度会随温度的上升而下降，塑性会 随温度的升高而升高，因此在较高的温度下进行塑性变形，材 料的抗力小，易成型。二、热加工对材料组织性能的影响1、提高致密度：热加工可使铸件的 缩松和气泡焊合，提高材料的致密 度，提高材料性能。3、形成合理的纤维组织：各种可变 形的夹杂物会沿形变方向拉长，呈 流线分布，从而造成各向异性。在 流线方向，性能

14、较好，而在垂直于 流线方向上性能相对较差（见图6 21）。 2、细化晶粒：热加工可以打碎铸 件粗大的枝晶和柱状晶，细化晶粒 尺寸。三、强化金属的基本原理和方法一、基本原理由于塑性变形的本质是位错的滑移。因此，提高强度 就是设法阻止位错运动。主要有以下几种途径：1、细晶强化细化晶粒 依靠晶界阻止位错运动。晶粒愈小，强度愈高。s=0+Kd-1/2 (Hall-patch 关系式) 2、固溶强化形成固溶体 由于溶质原子与溶剂原子在尺寸和性质上的不 同，固溶原子引起晶格畸变，产生应力场阻止位错运动。 4、弥散强化 在基体中形成弥散分布的第二相质点，阻碍位错运动 。有时称为沉淀强化。第二相：固溶析出相复合材料中的添加物 3、加工硬化 进行冷加工，使材料位错密度增加，发生缠结，阻碍 位错运动。