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1、第一节 材料的塑性变形,第四章 材料的变形断裂与强化机制,第二节 金属的冷塑性变形,第三节 金属的热塑性变形,第四节 金属强化理论简介,第五节 材料的断裂,第一节 材料的塑性变形,在常温和低温下，单晶体塑性变形的主要方式是滑移和孪生。由于孪生变形仅发生在低温、高速加载的场合，且多见于像Zn、Mg等密排六方结构的金属，与滑移变形相比不很重要，故此处仅介绍滑移。,一、 单晶体的塑性变形,单晶体的塑性变形 ,滑移是金属塑性变形的一种最主要方式，是在切应力的作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动。产生滑移的晶面和晶向，分别称为滑移面和滑移方向，滑移过程如图4-1所示。,单晶体的塑
2、性变形 ,图4-1 单晶体变形过程,实际使用的金属材料几乎都是多晶体。多晶体是由许多形状、大小、取向各不相同的单晶体晶粒所组成。多晶体塑性变形的基本方式与单晶体一样，也是滑移和孪生。但是由于多晶体各晶粒之间位向不同和晶界的存在，使得各个晶粒的塑性变形互相受到阻碍与制约，所以多晶体的塑性变形比单晶体要复杂得多，并具有一些新的特点。,二、 多晶体的塑性变形,多晶体的塑性变形 ,多晶体中各个晶粒的位向不同，在一定外力作用下不同晶粒的各滑移系的分切应力值相差很大，因此各晶粒不可能同时发生塑性变形。那些受最大或接近最大分切应力位向的晶粒，即处于“软位向”的晶粒首先达到临界分切应力，率先开始滑移，滑移面上
3、的位错沿着滑移面进行活动。而与其相邻的处于“硬位向”的晶粒，滑移系中的分切应力尚未达到临界值，导致位错不能越过晶界，滑移不能直接延续到相邻晶粒，于是位错在到达晶界时受阻并逐渐堆积。,（一）多晶体的塑性变形过程,多晶体的塑性变形 ,位错的堆积致使前沿附近区域造成很大的应力集中，随着外力的增加，应力集中也随之增大，这一应力集中值与外力相叠加，最终使相邻的那些“硬位向”晶粒内的某些滑移系中的分切应力达到临界值，进而位错被激发而开始运动，并产生了相应的滑移。与此同时，已变形晶粒发生转动，由原软位向转至较硬位向，而不能继续滑移。这样塑性变形便从一个晶粒传递到另一个晶粒，一批批晶粒如此传递下去，便使整个试
4、样产生了宏观的塑性变形。,（一）多晶体的塑性变形过程,多晶体的塑性变形 ,由上述可知，晶界对塑性变形起阻碍作用，晶界是滑移的主要障碍，能使变形抗力增大。因此，晶界有强化作用，多晶体的塑性变形抗力显著高于单晶体，而且晶粒越细，晶界越多，其强化效果越显著，这种用细化晶粒提高金属强度的方法称为细晶强化。,（二）晶粒大小对塑性变形的影响,金属冷塑性变形后，在改变其外形尺寸的同时，其内部组织、结构以及各种性能也发生变化。若再对其进行加热，随加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶等过程，尤以再结晶具有更重要的意义。,第二节 金属的冷塑性变形,（一）对金属组织结构的影响 1.显微组织的变化 金属经冷
5、塑性变形后，显微组织发生明显的改变。随着金属外形的变化，其内部晶粒的形状也会发生变化。如在轧制时，随着变形量的增加，原来的等轴晶粒沿轧制方向逐渐伸长，晶粒由多边形变为扁平形或长条形，如图4-6所示。,一、 冷塑性变形的对金属组织和性能的影响,冷塑性变形对金属组织和性能的影响 ,（一）对金属组织结构的影响,图4-6 变形前后晶粒形状变化示意图 a）变形前 b）变形后,冷塑性变形对金属组织和性能的影响 ,（一）对金属组织结构的影响,2.亚结构的细化 金属经大的冷塑性变形后，由于位错密度增大和发生交互作用，大量位错堆积在局部地区，并相互缠结，形成不均匀的分布，使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块，从
6、而在晶粒内产生亚晶粒，如图4-8所示。,冷塑性变形对金属组织和性能的影响 ,（一）对金属组织结构的影响,图4-8 金属变形后的亚结构示意图,冷塑性变形对金属组织和性能的影响 ,（一）对金属组织结构的影响,3.变形织构 在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向逐渐向外力方向转动。当变形量很大（如70）时，各晶粒的取向会大致趋于一致，从而破坏了多晶体中各晶粒取向的无序性，形成特殊的择优取向。变形金属中这种有序化的结构称为变形织构。,冷塑性变形对金属组织和性能的影响 ,（一）对金属组织结构的影响,变形织构一般分两种：一是拉拔时形成的织构，称为丝织构，其主特征是各个晶粒的某一晶
7、向大致与拉拔方向平行，如图4-9a所示；二是轧制时形成的织构，称为板织构，其主要特征是各个晶粒的某一晶面与轧制平面平行，而某一晶向与轧制时的主变形方向平行，如图4-9b所示。,冷塑性变形对金属组织和性能的影响 ,（一）对金属组织结构的影响,图4-9 变形织构示意图 a）丝织构 b）板织构,冷塑性变形对金属组织和性能的影响 ,（一）对金属组织结构的影响,4.残余应力 塑性变形时外力所做功的绝大部分转化为热能而散耗，但由于金属内部的变形不均匀及晶格畸变，还有不到10的功保留在金属内部，转化为残余应力，并使金属内能增加。,冷塑性变形对金属组织和性能的影响 ,（一）对金属组织结构的影响,残余应力的存在
8、能导致材料的变形、开裂和产生应力腐蚀。例如：金属在碰伤之处往往易于生锈，故消除应力就非常必要；精密机件为提高尺寸稳定性，在冷加工后必须进行去应力退火。当然，如果工件表面残留一层压应力时，反而对提高其使用寿命有利，例如采用喷丸和化学热处理方法就是如此，可以有效地提高工件（像弹簧、齿轮等）的疲劳抗力。,冷塑性变形对金属组织和性能的影响 ,（二）对金属性能的影响,1.对金属力学性能的影响 在冷塑性变形过程中随着金属内部组织的变化，其力学性能也将发生明显的变化。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性显著下降，这一现象称为加工硬化（形变强化），如图4-11所示。,冷塑性变形对金属组织
9、和性能的影响 ,（二）对金属性能的影响,图4-11 低碳钢冷轧后力学性能的变化,冷塑性变形对金属组织和性能的影响 ,（二）对金属性能的影响,2.对金属的物理、化学性能的影响 经冷塑性变形以后，金属的物理、化学性能也会发生明显的变化，如磁导率、电导率、电阻温度系数等下降，而磁矫顽力等增加。由于塑性变形提高了金属的内能，加快了金属中的扩散过程，提高了金属的化学活性，故金属的耐蚀性下降。,金属材料经冷塑性变形后，由于晶体缺陷增多，增加了晶体的畸变能，使内能升高，处于热力学上不稳定的状态，如果升高温度使原子获得足够的活性，材料将自发地恢复到稳定状态。冷塑性变形后的金属加热时，随加热温度升高，会发生回复
10、、再结晶和晶粒长大等过程，如图4-12所示。,二、 冷塑性变形金属在加热时组织和 性能的变化,冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 ,图4-12 冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化,冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 ,（一）回复,回复是指经冷塑性变形的金属材料加热时，在显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。,冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 ,（二）再结晶,再结晶通常是指冷变形的金属材料加热到足够高的温度时，通过新晶核的形成及长大，最终形成无应变的新晶粒组织的过程。由于原子扩散能力增大，变形金属的显微组织彻底改组，被拉长、破碎的晶粒转变为
11、均匀、细小的等轴晶粒。新晶粒位向与变形晶粒（即旧晶粒）不同，但晶格类型相同，故称为“再结晶”。,冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 ,（三）晶粒长大,冷变形金属在再结晶刚完成时，一般得到细而均匀的等轴晶粒组织。如果继续提高加热温度或延长保温时间，等轴晶粒将长大，最后得到粗大晶粒的组织，使金属的力学性能显著降低。因此，要尽量避免发生晶粒长大的现象。 晶粒长大是个自发过程，它能减少晶界的总面积，从而降低总的界面能，使组织变得稳定。晶粒长大的驱动力是晶粒长大前后总的界面能差。晶粒长大是通过晶界的迁移，由晶粒的互相吞并来实现的，如图4-15所示。,冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 ,（三）晶
12、粒长大,图4-15 晶粒长大示意图 a）、b）晶界移动以减少晶界面积 c）小晶粒被吞并,从金属学角度看，区分热加工与冷加工的界限不是金属是否加热，而是金属的再结晶温度。在再结晶温度以上进行塑性变形称为热加工；在再结晶温度以下进行塑性变形称为冷加工。,一、 金属热加工的概念,第三节 金属的热塑性变形,二、 热加工对金属组织和性能的影响,（二）形成纤维组织（加工流线）,（一）改善铸锭和钢坯的组织和性能,（三）形成带状组织,（四）影响晶粒大小,1934年泰勒（Taylor）先生首先提出了位错学说。理论和实践已经证明：在实际晶体中存在着位错，晶体的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分同时作整齐的刚性的移
13、动，而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。,一、 位错强度理论,第四节 金属强化理论简介,能阻碍位错运动的障碍可以有四种：第一种是溶质原子，引起固溶强化；第二种是晶界，引起细晶强化；第三种是第二相粒子，引起沉淀强化（或弥散强化）；第四种是位错本身，引起位错强化。,二、 金属强化机制,金属强化机制 ,（一）固溶强化,合金组织大多存在固溶体，由于其中的溶质原子与溶剂金属原子大小不同，溶剂晶格发生畸变，并在周围造成一个弹性应力场，此应力场与运动位错的应力场发生交互作用，增大了位错运动的阻力，使金属的滑移变形困难，从而提高合金的强度和硬度，这便是固溶强化。,金属强化机制 ,（二）细晶强
14、化,晶界是一种面缺陷，能有效地阻碍位错运动，使金属强化。晶粒越细，晶界越多也越曲折，强化作用越显著，强化量与晶粒直径的平方根成反比。钢中常用来细化晶粒的元素有铌、钒、铝、钛等。细化晶粒在提高钢强度的同时，也改善了韧性，这是其它强化方式所不可比的。,金属强化机制 ,（三）沉淀强化（弥散强化）,材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生的强化，称为弥散强化。对于一般工业合金，位错需绕过第二相质点而消耗额外的能量，使合金发生强化，其强化量与第二相质点间距成反比。第二相质点弥散度越高，强化效果也越明显。,金属强化机制 ,（四）位错强化,运动位错碰上与滑移面相交的其它位错时，发生交割而位错使运动受阻
15、，其所造成的强化量与金属中的位错密度的平方根成正比。一般而言，面心立方金属中的位错强化效应比体心立方金属的大，像铜、铝等金属利用位错强化就很有利。,（一）按材料断裂前所产生的宏观塑性变形量 大小分类 1.脆性断裂 2.韧性断裂 （二）按裂纹扩展路径分类 1.穿晶断裂 2.沿晶断裂,一、 断裂类型,第五节 材料的断裂,断裂类型 ,（三）按断裂的微观机制分类 1.剪切断裂 2.解理断裂 （四）按受力状态、环境介质不同分类 按受力状态不同可以分为静载断裂、冲击断裂、疲劳断裂。 按环境介质的状况可以分为低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、应力腐蚀断裂、氢脆断裂。,（一）理论断裂强度 假借原子结合模型，可近似计算材料的理论断裂强度m。脆性材料的理论断裂强度为,二、 断裂强度,（二）实际断裂强度 材料的实际断裂强度f 要比计算的断裂强度m低许多，一般而言，只有理论断裂强的1/10，约相当于E/100。一些金属晶须（晶体结构接近理想晶体）的强度接近理论强度，这表明材料的实际强度低的原因是由于材料晶体中存在有缺陷和微裂纹。,二、 断裂强度,1.裂纹的影响 2.应力状态的影响 3.温度的影响 4.环境介质的影响,三、 影响断裂的基本因素,第四章 结束!,
