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1、 本章目的：本章目的： 1 阐明金属塑性明金属塑性变形的主要特点及本形的主要特点及本质； 2 指出塑性指出塑性变形形对金属金属组织和性能的影响；和性能的影响； 3 提示加工硬化的本提示加工硬化的本质与意与意义。金属及合金的塑性变形金属及合金的塑性变形本章重点：本章重点： 1 1拉伸曲拉伸曲线及其所反映的常及其所反映的常规机械性能目的；机械性能目的； 2 2塑性塑性变形的宏形的宏观变形形规律与微律与微观机制；机制； 3 3加工硬化的本加工硬化的本质及及实践意践意义； 4 4塑性塑性变形形对金属与合金金属与合金组织、性能的影响：、性能的影响： 5 5金属金属资料的料的强化机制。化机制。5-1 金属
2、的金属的变形特性形特性 一 金属变形的方式及研讨方法1 方式：弹性变形 塑性变形 断 裂成形成形失效失效 2 研讨方法 曲线种类： 载荷变形曲线 真应力真应变曲线 工程应力应变曲线 主要研讨手段Se颈缩 ：工程：工程应力力应变曲曲线 工程工程应力力应变曲曲线中中“颈缩景象景象掩盖了掩盖了 “加工硬化加工硬化 S e：真：真应力真力真应变曲曲线二二 工程应力应变曲线工程应力应变曲线 低碳钢应力应变曲线 -典型性 分析分析变形形过程；程； 强度、塑性目的的意度、塑性目的的意义； e 、 s 、 -1、 b； 、bse 1：退火低碳钢：退火低碳钢 2：正火中碳钢：正火中碳钢 3：高碳钢：高碳钢但弹性
3、模量根本一样但弹性模量根本一样1：有机玻璃：硬而脆：有机玻璃：硬而脆2：纤维加强热固塑料：纤维加强热固塑料： 硬而强硬而强3：尼龙：硬而韧：尼龙：硬而韧4：聚四氟乙烯：软而韧：聚四氟乙烯：软而韧方式与方式与资料塑性有关料塑性有关三三 弹性模量与刚度弹性模量与刚度 =E；=G；-弹性模量 意义： 拉伸曲线上，斜率； 弹性变形难易； 组织不敏感：取决于原子间结合力 资料种类；晶格常数；原子间距 刚度 构件刚度：AE 弹性变形难易 资料刚度：E5-2 单晶体的塑性晶体的塑性变形形塑性塑性变形研形研讨思思绪： 根本根本单元元单晶体晶体变形特性形特性 晶界影响晶界影响多晶体多晶体变形特性形特性 相界相界
4、合金合金变形特性形特性 塑性塑性变形方式：滑移；形方式：滑移；孪生生 F一滑移景象与滑移特点一滑移景象与滑移特点 1 滑移定滑移定义：在外力作用下，晶体相：在外力作用下，晶体相邻二二部分沿一定晶面、一定晶向彼此部分沿一定晶面、一定晶向彼此产生相生相对的平行滑的平行滑动滑移带滑移带滑移线滑移线高高锰钢中的滑移中的滑移带，500X 滑移滑移线与滑移与滑移带均均为塑塑变后晶体外表后晶体外表产生的滑移台生的滑移台阶，但大小不同，但大小不同单晶体单晶体滑移表示滑移表示图滑移线滑移线滑移带滑移带(100个原个原子间距子间距)10000个原子间距个原子间距 2 滑移特点滑移特点 发生在最密排晶面， 滑移方向
5、为最密排晶向；弹性性伸伸长弹性歪扭性歪扭断断裂裂塑性塑性变形形滑移滑移 只在切应力下发生，存在临界分切应力。F:拉伸拉伸轴线与滑移方向与滑移方向夹角角:拉伸拉伸轴线与滑移面法向与滑移面法向夹角角 (Fcos)/(A/cos) F/A cos cos ) cos cos 分切分切应力力取向因子取向因子分切分切应力的大小与取向因子力的大小与取向因子直接相关直接相关 什么是分切什么是分切应力：力：临界分切界分切应力力(K)： 使滑移系开使滑移系开动的最小分切的最小分切应力力k 的影响要素：的影响要素： 取决于金属本性，与外力无关，取向无关取决于金属本性，与外力无关，取向无关 组织敏感参数：金属不敏感
6、参数：金属不纯，变形速度愈大，形速度愈大，变形温度愈低，形温度愈低， k愈大。愈大。什么是临界分切应力：什么是临界分切应力：当当 K时，发生滑移生滑移 滑移面的取向因子大，滑移面的取向因子大，那么分切那么分切应力大：力大： 当滑移面法当滑移面法线、滑移方、滑移方向、外力向、外力轴三者共面，即三者共面，即 90时，能，能够获最大取最大取向因子：向因子： cos cos cos(90) cos 45时: 取向因子取向因子获最大最大值1/2 取向因子大取向因子大软取向取向 或或90时: 取向因子取向因子为0 ， 0， 取向因子小取向因子小硬取向硬取向cos cos cos(90) cos 与与K对应
7、的的即即为s s的影响要素：的影响要素： 与与k有关；有关； 与外力取向有关与外力取向有关: s K/(cos cos ) 滑移两部分相滑移两部分相对挪挪动的的间隔是原子隔是原子间距距的整数倍，滑移后滑移面两的整数倍，滑移后滑移面两边的晶体位向的晶体位向仍仍坚持一致；持一致；滑移面滑移面滑移前滑移前PP滑移后滑移后力偶力偶 伴随晶体的伴随晶体的转动和旋和旋转，滑移面，滑移面转向与外力向与外力平行方向，滑移方向旋向最大切平行方向，滑移方向旋向最大切应力方向力方向产生产生转动转动单晶体拉伸变形单晶体拉伸变形意意义： 实践金属由多晶体构成，践金属由多晶体构成，经过晶体晶体的的转动和旋和旋转，原来取向
8、有利的晶粒，原来取向有利的晶粒单晶晶体体经过一定量塑性一定量塑性变形后取向不利，停形后取向不利，停顿塑性塑性变形；原来取向不利的晶粒形；原来取向不利的晶粒经过旋旋转、转动取向取向变为有利，开有利，开场塑性塑性变形；形； 循循环往复后可使塑性往复后可使塑性变形更均匀。形更均匀。 随滑移加随滑移加剧，存在多滑移和交滑移景象，存在多滑移和交滑移景象 多滑移：多滑移： 在两个及以上的滑移系上同在两个及以上的滑移系上同时进展的滑移。展的滑移。意意义：促：促进加工硬化加工硬化 滑移的本滑移的本质是借助是借助 位位错线的逐的逐渐运运动。 多滑移多滑移时不同方向的位不同方向的位错线相交割，互相交割，互为妨碍妨
9、碍难滑移滑移 交滑移：交滑移： 多个滑移面同时沿一个滑移方向进展的滑移。多个滑移面同时沿一个滑移方向进展的滑移。铝单晶体形变出现的铝单晶体形变出现的 交滑移交滑移密排六方晶体沿基面和密排六方晶体沿基面和柱面交滑移的表示图柱面交滑移的表示图意意义： 当位当位错沿一个滑沿一个滑移面的挪移面的挪动受阻受阻时，可可经过攀移，攀移，转移到移到另一个面另一个面继续滑移滑移 易滑移易滑移 使滑移方向灵敏，使滑移方向灵敏， 可降低脆性可降低脆性 不同合金加工硬化效果不同不同合金加工硬化效果不同 单系滑移系滑移 多系滑移 交滑移 多系滑移多系滑移 (1) 滑移系 一个滑移面和该面上的一个滑移方向 称为 。 每种
10、晶格滑移系数目的多少可用来衡量滑移难易 3 滑移系及滑移系数的实践意义滑移系及滑移系数的实践意义 2各晶体构造的滑移系各晶体构造的滑移系 体心立方体心立方 (b.c.c)(110)111滑移面：滑移面：110 (110), (011), (101), (110), (011), (101)滑移方向：滑移方向：111滑移系数：滑移系数：62=12 面心立方面心立方 (f.c.c) (111)110滑移面：滑移面：111 (111), (111), (111), (111);滑移方向：滑移方向：110滑移系数滑移系数: 43=12密排六方：密排六方：滑移面滑移面0001滑移方向滑移方向1120滑移
11、系数目：滑移系数目： 13=33滑移系数目的实践意义滑移系数目的实践意义 判别塑性变形才干 滑移系数目愈多，塑性愈好； 滑移系数一样时，滑移方向多者塑性较好 塑性排序：f.c.cb.c.ch.c.p 理理 = G=G/2； 但但实 = 10-310-4 G/2； 刚性挪性挪动模型失模型失败，应有更省力的方式有更省力的方式 位位错学学说的的产生生 二二 滑移机制滑移机制根据原子根据原子刚性挪性挪动模型模型, 依虎克定律：依虎克定律： 位位错学学说滑移滑移台台阶完好晶体完好晶体有缺陷晶体有缺陷晶体 1 滑移的本滑移的本质： 位位错学学说： 晶体内部存在某晶体内部存在某类缺陷缺陷位位错 塑性塑性变形
12、依托位形依托位错的逐的逐渐运运动。非。非单个位个位错原子列作原原子列作原子子间距的完好距的完好腾跃，而是位，而是位错中心附近少数原子作中心附近少数原子作远小于小于原子原子间距的距的弹性偏移性偏移实现 实 理的理的缘由由 实践金属践金属强度度远小于理想构造金属小于理想构造金属强度。度。2 滑移过程中存在位错增殖滑移过程中存在位错增殖 背景: 退火态位错1010m-2； 冷变形: 位错10151016m-2； 位错增殖学说DD位位错源源弓出弓出蜷曲蜷曲DD位位错环位位错源源以下以下图为Frank-Read位位错源增殖机源增殖机制制弗兰克弗兰克-瑞德源机制演示瑞德源机制演示本片选自西安交大范群成先生
13、作品本片选自西安交大范群成先生作品在此表示赞赏！在此表示赞赏！ 意义：引起滑移的位错并不消逝反而增殖 位错；位错强化 3 位错在运转中产生交割与塞积，位错密度愈高，交割与塞积愈严重。 不在同一滑移面上的位错相遇产生割阶 运转阻力 位错之间互为阻力 位错使、HB 的主要缘由 杂质、晶界、固定位错妨碍位错运转 ，导致位错塞积三三 孪生孪生1 定定义： 晶体在切晶体在切应力下其一部分沿一定的晶面力下其一部分沿一定的晶面和晶向相和晶向相对于另一部分作均匀切于另一部分作均匀切变。孪晶晶带孪生面孪生面孪生面孪生面2 孪生特点：孪生特点： 孪生前后生前后变形部分晶体位向改形部分晶体位向改动，两部，两部分之分
14、之间以以孪生面生面为镜面面对称。称。 切切变区域内与区域内与孪晶面平行的每晶面平行的每层原子的原子的切切变量与它距量与它距孪晶面的晶面的间隔呈正比，相隔呈正比，相邻原子原子间的相的相对位移位移为原子原子间距的分数倍；距的分数倍； 存在存在临界分切界分切应力力: 孪 滑滑 变形速度极快，声响，形速度极快，声响，变形量小。形量小。四四 影响塑性变形方式的要素影响塑性变形方式的要素 1晶体构造 滑 单晶体晶体 缘由：由： 晶界妨碍位晶界妨碍位错运运动； 位向差位向差晶粒之晶粒之间须协调 意意义： 晶界晶界强化化金属金属资料料强化机制之一化机制之一 霍耳霍耳配奇公式：配奇公式： s 0Kd-1/2二二
15、 合金塑性变形特点合金塑性变形特点延续网状延续网状塑性相塑性相脆性相脆性相 溶溶质原子妨碍原子妨碍变形：形： 第二相：第二相： 与第二相的与第二相的强塑性、大小、形塑性、大小、形状、分布等有关。状、分布等有关。固溶固溶强化化 第二相塑性第二相塑性优于基体，那么：于基体，那么：而而； 硬脆相：硬脆相： 分布合理，那么分布合理，那么 妨碍位妨碍位错 不合理不合理 ，那么，那么 不能塑不能塑变 应力集中力集中 开裂开裂 、ak甚至甚至 第二相第二相强化，弥散化，弥散强化化位位错与第二相粒子的交互作用与第二相粒子的交互作用 切切过机制机制本片选自西安交大范群成先生作品本片选自西安交大范群成先生作品在此
16、表示赞赏！在此表示赞赏！位位错与第二相粒子的交互作用与第二相粒子的交互作用 绕过机制机制本片选自西安交大范群成先生作品本片选自西安交大范群成先生作品在此表示赞赏！在此表示赞赏！5-4 塑性塑性变形形对金属金属组织和性能的影响和性能的影响 一 塑性变形对组织构造影响 1 晶粒变形：等轴状拉长 构成纤维组织、带状组织。 性能各向异性缘由：位由：位错受阻后塞受阻后塞积、缠结亚晶界晶界 晶粒分化晶粒分化为许多位向略有差多位向略有差别的小晶的小晶块 变形中的晶粒碎化。形中的晶粒碎化。晶格较完好晶格较完好的亚晶块的亚晶块严重畸变区严重畸变区2 亚构造的细化亚构造的细化 铸态位错密度铸态位错密度 d = 1
17、0-2 cm； 塑变后位错密度塑变后位错密度d = 10-410-6 cm3 产生形变织构产生形变织构 定义： 金属塑性变形到很大程度(70%)时，晶粒发生转动，各晶粒的位向趋于一致，这种有序化的构造。 另：另：铸造造织构构 意意义：性能各向异性：性能各向异性 不利：不利：变形不均匀，形不均匀，“制耳景制耳景象象获特异性能：特异性能：变压器器铁芯硅芯硅钢片片100 难消除消除须控制控制变形量形量 二二 塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响 1 产生加工硬化 定义： 随变形度增大，金属的强硬度显著增高而塑韧性明显下降的景象。 缘由：位由：位错增殖增殖 意意义： 强化手段化手段形形变强
18、化；化； 有利于塑性变形均匀进展 有利于金属构件的任务平安性 不利：再变形难； 加工硬化加工硬化态(=10111012cm-2)s 位错 退火退火态 ( =106108cm-2)实际强度值实际强度值金属须金属须 处理方法：冷加工之间的再结晶退火 第一类内应力宏观内应力 工件不同部位 第二类内应力微观内应力 晶粒之间或内部不同区域2 产生剩余生剩余应力力 第三第三类内内应力力点点阵畸畸变(位位错、空位、空位)1%；呵斥；呵斥变形形910%；应力集中，呵斥裂力集中，呵斥裂纹 90%；强度、塑性缘由消除方法：消除方法： 去去应力退火力退火剩余剩余应力的运用：力的运用： 喷丸丸处置置提高提高强度度拉拉
19、 s 压压拉拉S3 性能出性能出现方向性方向性 形形变织构，构，70%4 其它性能的影响其它性能的影响 物理：物理：电阻阻，导电、导磁性磁性 化学：化学活性化学：化学活性，耐，耐蚀性性 消除：消除： 去去应力退火力退火 三三 合金中的合金中的强化方式化方式 1 晶界晶界强化化 定定义：经过细化晶粒，添加晶界，提化晶粒，添加晶界，提高高资料料强度的方法。度的方法。 特点：特点： 强化程度与晶粒大小有关：化程度与晶粒大小有关：d, 霍耳霍耳 配奇关系式：配奇关系式：s = 0 + kd-1/2； 是独一同是独一同时提高提高、 ak、的机制的机制 只适于常温条件只适于常温条件 2 固溶固溶强化；化；3 位位错强化；化；4 第二相第二相强化化
