金属及合金的塑性变形

1、 本章目的：本章目的： 1 阐明金属塑性变形的主要特点及本质；阐明金属塑性变形的主要特点及本质； 2 指出塑性变形对金属组织和性能的影响；指出塑性变形对金属组织和性能的影响； 3 塑性变形后金属和合金的热力学。塑性变形后金属和合金的热力学。第四章第四章 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）拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标；）拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标； （2）塑性变形的宏观变形规律与微观机制；）塑性变形的宏观变形规律与微观机制； （3）加工硬化的本质及实际意义；）加工硬化的本质及实际意义； （4）塑性变形对金属与合金组织、性能的影响：）塑性变形对金

2、属与合金组织、性能的影响： （5）金属材料的强化机制。）金属材料的强化机制。4-1 金属的变形特性金属的变形特性一一 金属变形的方式及研究方法金属变形的方式及研究方法 1 方式：弹性变形方式：弹性变形 塑性变形塑性变形 断断 裂裂成形成形失效失效 2 研究方法研究方法 曲线种类：曲线种类： 载荷载荷变形曲线变形曲线 真应力真应力真应变曲线真应变曲线 工程应力工程应力应变曲线应变曲线 主要研究手段主要研究手段拉伸过程与拉伸曲线示意拉伸过程与拉伸曲线示意 工程应力工程应力应变曲线中应变曲线中“颈缩颈缩”现现象掩盖了象掩盖了 “加工硬化加工硬化”颈颈缩缩 ：工程应力应变曲线：工程应力应变曲线Se S

3、 e：真应力真应变曲线：真应力真应变曲线二二 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低碳钢应力应变曲线 -典型性典型性 分析变形过程；分析变形过程； 强度、塑性指标的意义强度、塑性指标的意义 e 、 s 、 b 、 、 bse弹性阶段弹性阶段弹性极限弹性极限 e屈服阶段屈服阶段屈服极限屈服极限 s强化阶段强化阶段强度极限强度极限 b颈缩阶段颈缩阶段屈服点屈服点概念：力不增加仍能继续伸长时的应力力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号：s 表示抗拉强度抗拉强度概念：试样拉断前所承受的最大拉应力试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号：b表示 注：s 、 b 是设计与选材的重要依据是设计与选

4、材的重要依据 另：e 表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。0AFbb 0AFss 塑性塑性 plasticityplasticity概念概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。判据判据：断后伸长率断后伸长率 、断后断面收缩率、断后断面收缩率断后伸长率断后伸长率概念概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比试样断后标准的伸长量与标准的百分比。%100XLoLoLk 其中：其中：L Lk k断后试样长度断后试样长度 L Lo o试样原始长度试样原始长度断后断面收缩率断后断面收

5、缩率概念概念：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。说明说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用表示塑性大小表示塑性大小。 、 越越大，材料的塑性越好。通常认为大，材料的塑性越好。通常认为 K时，发生滑移时，发生滑移 滑移面的取向因子大，滑移面的取向因子大，则分切应力大：则分切应力大： 当滑移面法线、滑移方当滑移面法线、滑移方向、外力轴三者共面，即向、外力轴三者共面，即 90时，可能获最大时，可能获最大取向因子：取向因子： cos cos cos(90) cos 45时时: 取向因子获最大值取向因子

6、获最大值1/2 取向因子大取向因子大软取向软取向 或或90时时: 取向因子为取向因子为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对应的对应的即为即为s s的影响因素：的影响因素： 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 ) 滑移两部分相对移动的距离是原子间距滑移两部分相对移动的距离是原子间距的整数倍，滑移后滑移面两边的晶体位向的整数倍，滑移后滑移面两边的晶体位向仍保持一致仍保持一致；滑移面滑移面滑移前滑移前PP滑移后滑移后力偶力偶 伴随晶体的转动和旋转，滑移面转向与外力伴随晶体的转动和旋转，滑移面转向与外力

7、平行方向，滑移方向旋向最大切应力方向平行方向，滑移方向旋向最大切应力方向产生产生转动转动单晶体拉伸变形示意单晶体拉伸变形示意滑移时晶体的转动和旋转滑移时晶体的转动和旋转位向和晶面的变化位向和晶面的变化 拉伸时拉伸时, ,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向 压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。Single Crystal Slip意义：意义： 实际金属由多晶体构成，通过晶体的转动实际金属由多晶体构成，通过晶体的转动和旋转，原来取向有利的晶粒（单晶体）和旋转，原来取向有利的晶粒（单晶体）经过一定量塑性变形后取向不利，停止塑经

8、过一定量塑性变形后取向不利，停止塑性变形；性变形； 原来取向不利的晶粒经过旋转、转动取向原来取向不利的晶粒经过旋转、转动取向变为有利，开始塑性变形；变为有利，开始塑性变形； 循环往复后可使塑性变形更均匀。循环往复后可使塑性变形更均匀。 随滑移加剧，存在随滑移加剧，存在多滑移多滑移和和交滑移交滑移现象现象 多滑移多滑移： 在两个及以上的滑移系上同时进行的滑移。在两个及以上的滑移系上同时进行的滑移。意义：促进加工硬化意义：促进加工硬化 滑移的本质是借助滑移的本质是借助 位错线的逐步运动。位错线的逐步运动。 多滑移时不同方向的位多滑移时不同方向的位错线相交割，互为阻错线相交割，互为阻碍碍难滑移难滑移

9、 交滑移交滑移： 多个滑移面同时沿一个滑移方向进行的滑移。多个滑移面同时沿一个滑移方向进行的滑移。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示意图柱面交滑移的示意图意义：意义： 当位错沿一个滑移面当位错沿一个滑移面的移动受阻时，可通的移动受阻时，可通过攀移，转移到另一过攀移，转移到另一个面继续滑移个面继续滑移 易滑移易滑移 使滑移方向灵活，使滑移方向灵活， 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 单系滑移单系滑移 多系滑移多系滑移 交滑移交滑移 多系滑移多系滑移 (1) 滑移系滑移系 一个滑移面和该面上

10、的一个滑移一个滑移面和该面上的一个滑移方向方向 称为称为 。 每种晶格滑移系数目的多少每种晶格滑移系数目的多少可用来衡量滑移难易可用来衡量滑移难易 3 滑移系及滑移系数的实际意义滑移系及滑移系数的实际意义 （2）各晶体结构的滑移系）各晶体结构的滑移系 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：

11、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滑移系数目：滑移系数目： 13=3（3）滑移系数目的实际意义）滑移系数目的实际意义 判断塑性变形能力判断塑性变形能力 滑移系数目愈多，塑性愈好；滑移系数目愈多，塑性愈好； 滑移系数相同时，滑移方向多者塑性较好滑移系数相同时，滑移方向多者塑性较好 塑性排序：塑性排序：f.c.cb.c.ch.c.p 二二 滑移机制滑移机制原子刚性移动模型演示原子刚性移动模型演示 理理 = G=G/2； 但但实实 = 10-310-4 G/2； 刚性移动模型失败，应有更省力的方刚性移动模型失败，应有更省力的方

12、式式 位错学说的产生位错学说的产生 参考（刘国勋参考（刘国勋金属学原理金属学原理） 二二 滑移机制滑移机制根据原子刚性移动模型根据原子刚性移动模型, 依虎克定律依虎克定律： 位错学说位错学说滑移滑移台阶台阶完整晶体完整晶体有缺陷晶体有缺陷晶体刃位错滑移演示刃位错滑移演示 1 滑移的本质：滑移的本质： 位错学说：位错学说： 晶体内部存在某类缺陷晶体内部存在某类缺陷位错位错 塑性变形依靠位错的逐步运动。非单个塑性变形依靠位错的逐步运动。非单个位错原子列作原子间距的完整跳跃，而是位错原子列作原子间距的完整跳跃，而是位错中心附近少数原子作远小于原子间距位错中心附近少数原子作远小于原子间距的弹性偏移实现

13、的弹性偏移实现 实实 理理的原因的原因 实际金属强度远小于理想结构金属强度。实际金属强度远小于理想结构金属强度。滑移是由位错运动造成的滑移是由位错运动造成的 （滑移位错机制）（滑移位错机制）2 滑移过程中存在位错增殖滑移过程中存在位错增殖 背景背景: 退火态退火态位错位错1010m-2； 冷变形冷变形: 位错位错10151016m-2； 位错增殖学说位错增殖学说DD位错源位错源弓出弓出蜷曲蜷曲DD位错环位错环位错源位错源下图为下图为Frank-Read位错源增殖机制位错源增殖机制弗兰克弗兰克-瑞德源机制演示瑞德源机制演示 意义：引起滑移的位错并不消失反而增殖意义：引起滑移的位错并不消失反而增殖

14、 位错位错；位错强化位错强化 3 位错在运行中产生交割与塞积，位错密位错在运行中产生交割与塞积，位错密度愈高，交割与塞积愈严重。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不在同一滑移面上的位错相遇产生割阶阶 运行阻力运行阻力 位错之间互为阻力位错之间互为阻力 位错位错使使、HB 的主要原因的主要原因 杂质、晶界、固定位错阻碍位错运行杂质、晶界、固定位错阻碍位错运行 ，导致位错塞积导致位错塞积三三 孪生孪生1 定义：定义： 晶体在切应力下其一部分沿一定的晶面晶体在切应力下其一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分作均匀切变。和晶向相对于另一部分作均匀切变。孪晶带孪晶带孪生面孪生面

15、孪生面孪生面2 孪生特点：孪生特点： 孪生前后变形部分晶体位向改变，两部孪生前后变形部分晶体位向改变，两部分之间以孪生面为镜面对称。分之间以孪生面为镜面对称。 切变区域内与孪晶面平行的每层原子的切变区域内与孪晶面平行的每层原子的切变量与它距孪晶面的距离呈正比，相切变量与它距孪晶面的距离呈正比，相邻原子间的相对位移为原子间距的分数邻原子间的相对位移为原子间距的分数倍；倍； 存在临界分切应力存在临界分切应力: 孪孪 滑滑 变形速度极快，声响，变形量小。变形速度极快，声响，变形量小。孪生与滑移变形比较孪生与滑移变形比较1.孪生：均匀切变。滑移：塑性变形是不均勺的。2.孪生：各晶面移动量与其离孪晶面距

16、离成正比，相邻晶团相对移动距离通常只是原子间距的几分之一。滑移：变形时，滑移距离则是原于间距的整倍数。3.孪生：晶体变形部分的位向发生变化，并且孪晶面与未变形部分对称。滑移时，晶体位向并不发生变化。4.孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型。5.孪生临界分切应力值大，因此，只在很难滑移的条件下，晶体才发生孪生。滑移系少的密排六方金属，常以孪生方式变形。孪生变形产生的塑性变形量一般不超过10，但是孪生使晶体位向变化，从而引起滑移系取向变化，能促进滑移的发生。往往孪生与滑移交替发生，即可获得较大的塑性变形量。四四 影响塑性变形方式的因素影响塑性变形方式的因素 （1）晶体结构）晶体结构 滑滑 单晶体单

17、晶体 原因：原因： 晶界阻碍位错运动；晶界阻碍位错运动； 位向差位向差晶粒之间须协调晶粒之间须协调 意义：意义： 晶界强化晶界强化金属材料强化机制之一金属材料强化机制之一 霍耳霍耳配奇公式：配奇公式： s 0Kd-1/2二二 合金塑性变形特点合金塑性变形特点连续网状连续网状塑性相塑性相脆性相脆性相 溶质原子阻碍变形：溶质原子阻碍变形： 第二相：第二相： 与第二相的强塑性、大小、形与第二相的强塑性、大小、形态、分布等有关。态、分布等有关。固溶强化固溶强化 第二相塑性优于基体，则：第二相塑性优于基体，则：而而； 硬脆相：硬脆相： 分布合理，则分布合理，则 阻碍位错阻碍位错 不合理不合理 ，则，则

18、不能塑变不能塑变 应力集中应力集中 开裂开裂 、ak甚至甚至 第二相强化，弥散强化第二相强化，弥散强化一一 单相单相固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 1 1 固溶体的结构固溶体的结构 2 2 固溶强化固溶强化 （1 1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。度提高而塑性、韧性下降的现象。 晶格畸变，阻碍位错运动；晶格畸变，阻碍位错运动； （2 2）强化机制）强化机制 气团（缺陷之间的反应或缠结）。气团（缺陷之间的反应或缠结）。 分类分类二二 .两相合金的塑性变形两相合金的塑性变形 1 结构：基体第二相。结构：基体

19、第二相。 2 性能：性能： （1）两相性能接近：按强度分数相加计算。）两相性能接近：按强度分数相加计算。 （2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；两相呈层片状分布（珠光体）；两相呈层片状分布（珠光体）； 第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）（弥散强化）。第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）（弥散强化）。 4.6塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 一一.塑性变形对金属组织结构的影响塑性变形对金属组织结构的影响 二二.塑性变形对金属对性能的影响塑性变形对金属对性能的影响 三三.产生残余应力产生残余应力一一. .

20、塑性变形对金属组织结构的影响塑性变形对金属组织结构的影响 纤维组织形成纤维组织形成 金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。 塑性变形对组织结构影响塑性变形对组织结构影响 晶粒变形晶粒变形：等轴状：等轴状拉长拉长 形成纤维组织、带状组织形成纤维组织、带状组织。 性能各向异性性能各向异性 亚结构形成亚结构

21、形成 金属经大量的塑性变形后，由于位金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。 原因：原因：位错受阻后塞积、缠结位错受阻后塞积、缠结亚晶界亚晶界 晶粒分化为许多位向略有差异的小晶块晶粒分化为许多位向略有差异的小晶块 变形中的晶粒碎化变形中的晶粒碎化。晶格较完整晶格较完整的亚晶块的亚晶块严重畸变区严重畸变区亚结构的细化亚结构的细化 铸态位错密度铸态

22、位错密度 d = 10-2 cm； 塑变后位错密度塑变后位错密度d = 10-410-6 cm 形变织构的产生形变织构的产生 由于塑性变形过程中晶粒的转由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定程度（动，当变形量达到一定程度（70%70%以上）时，会使绝大以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。织，称为织构。 形变织构形变织构 定义定义： 金属塑性变形到很大程度金属塑性变形到很大程度(70%)时，晶粒发生转动

23、，各晶粒的位向时，晶粒发生转动，各晶粒的位向趋于一致，这种有序化的结构趋于一致，这种有序化的结构。 另：铸造织构另：铸造织构 意义意义：性能各向异性：性能各向异性 不利：变形不均匀，不利：变形不均匀，“制耳制耳”现象现象获特异性能：变压器铁芯硅钢片获特异性能：变压器铁芯硅钢片100 难消除难消除须控制变形量须控制变形量二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化） （1 1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的

24、现象。强化金属的重要途径；强化金属的重要途径； 利利 （2 2）利弊）利弊 材料加工成型的保证。材料加工成型的保证。 弊弊 变形阻力提高，动力消耗增大；变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高。脆断危险性提高。 原因原因：位错增殖：位错增殖 意义：意义： 强化手段强化手段形变强化；形变强化； 有利于有利于塑性变形均匀塑性变形均匀进行进行 有利于金属构件的工作有利于金属构件的工作安安全性全性 不利：再变形难；不利：再变形难； 加工硬化态加工硬化态(=10111012cm-2)s 位错位错 退火态退火态 ( =106108cm-2)理论强度值理论强度值金属须金属须 解决办法：冷加工之间的再结晶

25、退火解决办法：冷加工之间的再结晶退火二二 对性能的影响对性能的影响 2 2 对物理、化学性能的影响对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快；结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。化学活性提高，腐蚀加快。 塑性变形对材料对性能的影响塑性变形对材料对性能的影响1 1）加工硬化：随变形量的增加，材料的强度、硬度）加工硬化：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高，而塑韧性下降的现象，升高，而塑韧性下降的现象，脆断危险性提高脆断危险性提高。变。变形阻力提高，形阻力提高，动力消耗增大动力消耗增大。2 2）对物理、

26、化学性能的影响对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快；结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，化学活性提高，腐蚀加快腐蚀加快。 2. 随变形量增加，亚结构细化随变形量增加，亚结构细化 3. 随变形量增加随变形量增加, 空位密度增加空位密度增加 4. 几何硬化：几何硬化：由晶粒转动引起由晶粒转动引起 由于加工硬化, 使已变形部分发生硬化而停止变形, 而未变形部分开始变形。没有加工硬化没有加工硬化, 金金属就不会发生均匀塑性变形。属就不会发生均匀塑性变形。 加工硬化是强化金属的重要手加工硬化是强化金属的重要手段之

27、一，段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。变形变形20%纯铁中的位错纯铁中的位错未变形纯铁未变形纯铁三三 残余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的1010） 第一类残余应力（第一类残余应力（ ）：宏观内应力，由整个物）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。体变形不均匀引起。 1 1 分类分类 第二类残余应力（第二类残余应力（ ）：微观内应力，由晶粒变）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。形不均匀引起。 第三类残余应力（第三类残余应力（ ）：点阵畸变，由位错、空）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。位等引起。80-90%80-90%。 利：预应力处理，如提高疲劳极限。利：预应力

28、处理，如提高疲劳极限。 2 2 利弊利弊 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳腐蚀开裂。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳腐蚀开裂。 3 3 消除：去应力退火。消除：去应力退火。 第一类内应力第一类内应力宏观内应力宏观内应力 工件不同部位工件不同部位 第二类内应力第二类内应力微观内应力微观内应力 晶粒之间或内部不同区域晶粒之间或内部不同区域2 产生残余应力产生残余应力 第三类内应力第三类内应力点阵畸变点阵畸变(位错、空位位错、空位)1%；造成变形；造成变形 910%；应力集中，造成裂纹；应力集中，造成裂纹 90%；强度；强度、塑性、塑性原因原因消除方法：消除方法： 去应力退火去应力退火残余应力的应用：残余应力的应用： 喷丸处理喷丸处理提高强度提高强度拉拉 s 压压压压拉拉S3 性能出现方向性性能出现方向性 形变织构