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1、第六章 金属及合金的塑性变形,金属在外力作用下的变形过程分为：弹性变形、弹塑性变形、断裂三个连续阶段 研究金属的受力变形特性，一般采用拉伸实验测得的应力-应变曲线 工程应用中,应力和应变分别按下式计算:,第一节 金属的变形特性,-载荷;0-试样的原始截面积; -试样变形后的长度;0-试样的原始标距长度；,低碳钢的应力-应变曲线,低碳钢变形过程的分析 e：弹性极限e：试样处于弹性变形阶段 s：屈服极限（屈服强度)0.2：条件屈服强度（金属的残余应变量达到0.2 时的应力）； s：进入均匀的塑性变形阶段 b：强度极限（抗拉强度） b：发生不均匀的塑性变形 k：断裂强度 k：试样断裂,强度指标： 弹
2、性极限e: 材料能保持弹性变形时的最大应力 屈服强度(屈服极限)s:材料产生屈服时的应力 抗拉强度(强度极限) b:材料在拉断前所能承受的最大应力 断裂强度k:材料对塑性变形的极限抗力 塑性指标： 延伸率:断裂后试样标距长度的相对伸长值. 断面收缩率 : 断裂后试样截面相对收缩值.,几个机械性能指标,弹性变形： 定义： 金属受力发生变形，当外力去除，立即恢复原状的变形，叫做弹性变形. 特点：变形是可逆的；弹性应变很小；应力与应变成正比,符合虎克定律：正应力= ; 切应力 =G其中,:正弹性模量；:切弹性模量；:正应变； :切应变可写为: =/ 和 G = /,第二节 单晶体的塑性变形,塑性变形
3、：物体的外形尺寸发生了永久变化的变形 塑性变形的方式: 滑移：(塑性变形的最基本方式) 晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动. 孪生: 晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作均匀的切变,形成孪晶,这个过程称为孪生.,分析 如图a，外力P在一定晶面上分解为两种应力：平行于该晶面的切应力 和垂直于该晶面的正应力 如图b，正应力只能引起晶格的弹性伸长（由cc,aa）,或进一步使晶体发生断裂(正断) 如图c，切应力使晶格发生弹性扭曲，晶格迁移到新的位置，造成滑移. 如图d，通过大量晶面的滑移，最终使试样被拉长变细，这样产生的变形叫滑移变形；,1、滑移带与滑移线,1.2
4、滑移的晶体学特征 滑移面：能够发生滑移的晶面叫之. 滑移方向：在滑移面上能够进行滑移的方向叫之 滑移系：晶体中一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系. 滑移系表示金属晶体在发生滑移时, 滑移动作可能采取的空间位向. 其他条件相同时,金属晶体中滑移系越多,滑移时可供采用的空间位向也越多,该金属的塑性也越好,几种常见金属的滑移面与滑移方向,特点： 1、滑移面为原子排列最密的晶面，滑移方向为原子排列最密的晶向,原因:在晶体的原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，所以密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移的阻力最小，最易于滑移； 同样，对于原子排列最密的晶向,原子列间
5、距离最大,结合力最弱,滑动时阻力最小,最易于滑移. 2、滑移方向对塑性的作用大于滑移面.原因:金属塑性不仅取决于滑移系的多少,还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目有关. 故fcc金属(铝银)的塑性最好,bcc(铁)次之,hcp最差,1.3 滑移的临界分切应力定义：使滑移系开始启动所需的最小分切应力以圆柱形金属单晶体试样为例： 设柱体横截面积为，受轴向 拉力的作用,滑移面法线与的 夹角为 , 滑移方向与的夹角为, 则滑移面面积为/cos ,在滑移 方向的分力为cos. 则外力在滑移方向分切应力为:,当外力F增加，使某一滑移系上的分切应力达到某一临界值，滑移开始进行，在宏观上金属开始屈服，有
6、：F/A= s （屈服极限） 这种在给定滑移系上开始滑移所需的分切应力称为临界分切应力，用 k表示。只有当 = k时,才能开始滑移.,分切应力,coscos 的变化 coscos 为取向因子, 其变化范围： 滑移面法线、滑移方向和外力轴处于同一平面时,有 =90 , 则coscos =(1/2)sin2 当45时, coscos 0.5 , 最大，最有利于滑移，称为软取向(取向因子较大的位向). 当0或90时,即外力与滑移面垂直或平行时,coscos 0，0，无论施加多大外力也不能发生滑移,这种取向称硬取向(取向因子较小的位向) 小于或大于45,都不利于滑移.,1.4 滑移时晶体的转动： 以只
7、有一个滑移面的密排六方金属为例进行分析: 晶体在拉伸力F作用下产生滑移. 设不受夹头限制,滑移面 的滑移方向保持不变,则拉 伸轴的取向必不断变化.(a.b) 但实际肯定有夹头固定限 制,拉伸轴方向不能改变, 则晶 体取向就会不断发生变化(c) . 力求使滑移面转到与外力 平行的方向。 角增大为 ，, 角减小,即拉 伸轴与滑移方向的夹角不断减 小,造成了晶体位向的改变,如图，1和2组成力偶使滑移面向外力轴转.1和2组成力偶使晶体滑移,当外力作用在滑移面上的最大切应力与滑移方向不一致时，还会产生以滑移面法线方向为轴的转动. 此时,切应力1和2分解 为滑移方向和垂直于滑移 方向的分切应力. 其中,垂
8、直滑移方向的 分切应力b及b,组成的力 偶将使滑移方向转向最 大切应力方向.,同理，在压缩时也发生转动，滑移面力求转到与压力轴垂直的方向,如图.,晶体的转动使和角发生变化,取向因子改变,导致具有一个滑移系的晶体,产生 几何软化：由于滑移和转动，使原来不利于滑移的晶面转到有利于滑移的方向上,（滑移面的法向与外力轴的夹角接近45），从而有利于滑移进行,这种现象称之. 几何硬化：由于滑移和转动，使原来有利于滑移的晶面转到不利于滑移的方向上，（滑移面的法向与外力轴的夹角远离45），从而使滑移越来越困难,这种现象称之. 具有多组滑移系的晶体,产生多滑移,1.6 滑移的位错机制： 1.6.1位错的运动与晶
9、体的滑移： 问题：实际金属晶体滑移时所需的临界切应力K远小于理想晶体的K，为什么？ 回答: 实际晶体中存在位错,晶体的滑移是通过位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果 .如图 滑移实际是源源不断的位错沿着滑移面的运动.如图 位错沿滑移面的运动只需要很小的切应力即可实现，因此,实际滑移的K远小于理论计算的K.,1.6.2位错的增殖： 问题： 形成一条滑移线需要上千个位错,晶体塑性变形时产生大量滑移带,需要为数极多的位错，晶体中有如此大量的位错吗？ 滑移是位错扫过滑移面并移出晶体表面造成的.随着塑性变形的进行，晶体中的位错数目是否会越来越少，形成无位错的理想晶体？ 回答：通过塑性变形，晶体中
10、位错数目会显著增多 原因:变形过程中,晶体中存在不断增殖的位错源,位错增殖机制：弗兰克瑞德位错源,最终，在切应力作用下, 位错线段DD变为一个重结的 DD位错线段和一个封闭的位错环,动 画,增殖机制总结：在切应力作用下, 位错线段DD变为一个重结的 DD位错线段和一个封闭的位错环 随着外力继续作用, 以上过程不断重复,不断产生新的位错环,晶体中便产生大量位错环. 一个位错环移出晶体,晶体沿滑移面产生一个原子间距的位移；大量位错环逐个移出晶体,晶体就不断产生滑移,并在表面形成许多滑移台阶.晶体滑移的实质： 不断的消耗位错，不断产生新位错的过程. 晶体的滑移,实际上是源源不断的位错沿着滑移面的运动
11、.,1.6.3 位错的交割与塞积： 交割：位错线相交再通过的过程.,交割的结果:产生割阶，结果是： 增加了位错线的长度； 可能形成一种位错难以运动的固定割阶,造成位错缠结,成为后续位错运动的障碍.,动 画,塞积：当位错运动遇到障碍物（固定位错、杂质粒子、晶界等）的阻碍时，领先的位错在障碍物前被阻止，后续的位错被堵塞，这种现象叫做位错的塞积； 塞积的结果：形成位错的平面塞积群,并在障碍物前端形成高度应力集中，如图,动 画,塞积处产生的应力集中为：0其中,：塞积在障碍处产生的应力集中；0：在滑移方向的分切应力值；：位错塞积群的位错数；:障碍物至位错源的距离位错塞积群的位错数n与障碍物至位错源的距
12、离成正比.因此，应力集中；,合金中的位错塞积；,2、孪生： 定义：在切应力的作用下，晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面）为对称面与晶体的另一部分发生对称性移动而进行的切变，叫孪生. 孪晶：以孪晶面为对称面而处于镜面对称位置的一对晶体叫做孪晶（双晶）. 晶体结构不同，孪生面和孪生方向也不同. fcc：孪生面111,孪生方向112 bcc: 孪生面112,孪生方向111hcp: 孪生面10 2,孪生方向 011,孪生的特点： 孪生所需K远大于滑移所需K ; 部分晶体发生均匀切变,位移量正比于至孪晶面的距离；切变时,原子移动距离不是孪生方向原子间距的整数倍. 不改变晶体的点阵类型；但可引起晶体取向变化
13、,变形与未变形部分成镜面对称； 孪晶为条带状或透镜状； 孪生生长通过其他基本的塑变方式进行协调.对总变形量贡献不大,但可改变晶体取向,使滑移继续. 孪生变形速度极大,可听到声音；,含铜钢在550时效时的TEM形貌(孪晶),第三节 多晶体的塑性变形 多晶体与单晶体塑性变形的相同点: 每个晶粒的塑性变形仍以滑移、孪生方式进行； 多晶体与单晶体塑变过程的不同点:(复杂) 多晶体塑变受晶界阻碍和位向不同的晶粒的影响； 任一个晶粒的塑变都不是处于独立的自由变形状态,需要周围晶粒同时发生变形来配合，以保持晶粒间的结合和整个物体的连续性。 原因:(多晶体的特点)相邻晶粒位向不同；各晶粒间存在晶界；,多晶体的
14、塑性变形过程的特点 各晶粒变形的不同时性. 随外力增加，对位向有利的晶粒，其滑移系的分切应力首先达到临界值，开始塑变。相邻晶粒位向不同，先变形晶粒滑移面的运动位错在晶界处受阻，形成位错的平面塞积群，造成很大应力集中。 各晶粒变形的相互协调性.多晶体中晶粒彼此相邻，邻近晶粒必须相互配合，多个滑移系同时滑移,协调变形,以保持晶体连续性. 多晶体变形的不均匀性. 由于晶界及相邻晶粒位向不同, 晶粒之间及晶粒内部变形都是不均匀的.如图,晶粒大小对塑性变形的影响 1.晶粒越细小, 强化效果越好,举例：Zn多晶体的强度显著高于单晶体 原因：晶界和相邻晶粒位向差阻碍了位错运动。 多晶体晶界多，晶粒越小，强化
15、效果好。 晶界强化:用细化晶粒增加晶界, 提高金属强度的方法称为晶界强化.,晶粒平均直径d与屈服强度s关系（霍尔-配奇公式） s =0+kd-1/2 0:常数,单晶体金属的屈服强度；k：常数;表示晶界对强度的影响程度；d:多晶体中各晶粒的平均直径 看出: 晶粒越细小, 屈服强度越高( d,s) 原因: 晶粒越细小,位错源到晶界的距离L小,发放的位错数目n少, 应力集中小, 发生塑变机会少,s高; 晶粒越大,相反:应力集中,位错塞积造成大的应力集中, 周围晶粒易发生塑变,s低.,s =0+kd-1/2,2.晶粒越细小, 塑韧性越好.,原因： 晶粒越细小，单位面积的晶粒数目多，有利于变形的取向多.
16、 晶粒越细小，晶内和晶界的应变差异小，变形均匀，引起的应力集中小，不易开裂. 晶粒越细小，晶界多，且曲折，不利于裂纹的产生和传播. 综上,细晶粒具有强度高,塑、韧性好的综合机械性能,故生产中希望得到细小均匀晶粒组织.,第四节 合金的塑性变形,合 金,固溶体合金（单相合金）,固溶体合金第二相(多相合金),以基体金属为基的单相固溶体 各组元形成的化合物或另一种固溶体,以基体金属为基的单相固溶体,1、单相固溶体合金的塑性变形,与多晶体纯金属的基本相同,但产生固溶强化.固溶强化:由于固溶体中溶质原子的存在,使其塑性变形抗力增加,强度、硬度增高,塑韧性下降的现象 固溶强化是提高金属机械性能的重要途径. 原因： 固溶体发生晶格畸变,阻碍滑移面上位错运动. 溶质原子在位错线附近偏聚，形成“柯氏气团”,对位错有钉扎作用，使位错运动的阻力增大,增加了塑性变形抗力.,
