第六章 固体材料的变形及断裂

1、 变形概述变形概述 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 塑性变形对金属组织及性能的影响塑性变形对金属组织及性能的影响 第六章第六章 固体材料的变形与断裂固体材料的变形与断裂 塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也是材料成塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也是材料成型的一种重要加工方法。大多数金属均具有良好的塑性变形能型的一种重要加工方法。大多数金属均具有良好的塑性变形能力，这也是金属材料获得广泛应用的重要原因之一。塑性变形力，这也是金属材料获得广泛应用的重要原因之一。塑性变形可以改变金属的外形，也是塑性材料成形的主要方法之一。同可以改变金属的外形，也是

2、塑性材料成形的主要方法之一。同时塑性变形也会改变材料的内部组织和结构，从而影响到它的时塑性变形也会改变材料的内部组织和结构，从而影响到它的宏观性能，可使材料的某些性能如强度等得到显著的提高。但宏观性能，可使材料的某些性能如强度等得到显著的提高。但在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能带来某些不利的在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能带来某些不利的影响，为了消除塑性变形影响，为了消除塑性变形(冷加工冷加工)这些不利的影响，在加工之这些不利的影响，在加工之后或加工过程中，通常还对材料进行加热，使其内部发生回复后或加工过程中，通常还对材料进行加热，使其内部发生回复和再结晶过程。所以，塑性变形和

3、再结晶是材料研究中的重要和再结晶过程。所以，塑性变形和再结晶是材料研究中的重要问题。问题。 6.1 6.1 变形概述变形概述 名词概念名词概念 变形过程变形过程 弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形 塑性变形的方式塑性变形的方式 变形过程中的名词概念变形过程中的名词概念变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为垂直的称为“正应力正应力”或或“法向应力法向应力”，同截面相切的称为，同截面相切的称为“剪应力剪应力”或或“切应力切应力”。应

4、变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为“线应变线应变”；物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的改变值称为物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的改变值称为“剪应剪应变变”或或“角应变角应变”；变形后物体内任一微小单元体体积的改；变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位体积之比值称为变同原单位体积之比值称为“体积应变体积应变”。变形过程变形过程 低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线在应力低于弹性极限在应力低于弹性极限e e时，时，材料发生的变形为弹性变形；

5、材料发生的变形为弹性变形；应力在应力在e e到到b b之间将发生之间将发生的变形为均匀塑性变形；在的变形为均匀塑性变形；在b b之后将发生颈缩；在之后将发生颈缩；在K K点点发生断裂。发生断裂。 弹性变形弹性变形 定义：变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变定义：变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变形消失。形消失。 特点：服从虎克定律，即应力与应变成正比特点：服从虎克定律，即应力与应变成正比比例系数比例系数E称为弹性模量称为弹性模量,G,G称为切变模量，它反映材料对弹称为切变模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的性变形的抗力，代表材料的“刚度刚度” 。实质：实质： 弹性

6、变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子间弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子间距偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶体材料距偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶体材料反应为晶格发生了伸长反应为晶格发生了伸长( (缩短缩短) )或歪扭。原子的相邻关系还未或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，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。恢复。 塑性变形塑性变形 定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大于弹性定义：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，即极限

7、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。形或永久变形。塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率( (%)%)或断面减缩率或断面减缩率( (%)%)表示。表示。 实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子相实质：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经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位邻关系已经发生改变，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。置，物体将留下永久变形。

8、塑性变形过程屈服塑性变形过程屈服 屈服：材料开始发生塑性变形。屈服：材料开始发生塑性变形。 屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，这种变屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿状的平台。这是形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿状的平台。这是部分材料部分材料所具有的特征。所具有的特征。 屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗力，也称屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗力，也称为屈服极限，用为屈服极限，用s s表示。对具有屈服现象的材料用屈服现表示。对具有屈服现象的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明显的材料，

9、则以象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变的所产生的塑性应变的0.2%0.2%时的应力值表示。时的应力值表示。 塑性变形过程断裂塑性变形过程断裂 断裂：变形量大至断裂：变形量大至K K点，试样发生断裂。点，试样发生断裂。实质：断裂的实质是原子间承受的力超出最大吸引力，原子实质：断裂的实质是原子间承受的力超出最大吸引力，原子间的结合破坏而分离。间的结合破坏而分离。韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫“韧性韧性断裂断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细。在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条

10、状，断口呈纤维状，灰暗无光。条状，断口呈纤维状，灰暗无光。 脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂脆性断裂”。脆性断裂可沿晶。脆性断裂可沿晶界发生，称为界发生，称为“晶间断裂晶间断裂”，断口凹凸不平；脆性断裂也可，断口凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为穿过各个晶粒发生，称为“穿晶断裂穿晶断裂”，断口比较平坦。，断口比较平坦。 塑性变形的方式塑性变形的方式金属材料在外力作用下发生塑性变形，通常发生塑性变金属材料在外力作用下发生塑性变形，通常发生塑性变形的方式有：形

11、的方式有：滑移、孪生、扭折、扩散蠕变、晶界滑动滑移、孪生、扭折、扩散蠕变、晶界滑动。6.2 6.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 滑移滑移 孪生孪生 晶体的扭折晶体的扭折 滑移概念滑移概念 滑移：滑移：在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面( (滑移面滑移面) )和一定方向和一定方向( (滑移方向滑移方向) )相对于晶体的另一部分发生的相对滑动。相对于晶体的另一部分发生的相对滑动。滑移的特点：滑移的特点： 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。力大小不同。 滑移是晶体内部

12、位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿滑移面作整体的滑动。体两部分沿滑移面作整体的滑动。 滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。位向的变化。 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。的晶向进行。 光镜下：滑移带。光镜下：滑移带。 滑移现象滑移现象 电境下：滑移线。电境下：滑移线。滑移过程滑移过程 在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使晶在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭

13、，进一步将使晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一个新的平衡位置，晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一个新的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的滑移体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。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产生的台阶。将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台阶。 作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不能使原作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不能使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产生塑性变子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产生塑性变形；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分离，材料则形

14、；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分离，材料则出现断裂。出现断裂。 滑移滑移系系 滑移发生的晶面称为滑移发生的晶面称为滑移面滑移面，通常为晶体的最密排晶面；，通常为晶体的最密排晶面； 滑移滑动的方向称为滑移滑动的方向称为滑移方向滑移方向，通常也为晶体的最密排方向；，通常也为晶体的最密排方向； 一种一种滑移面滑移面和该面上的一个和该面上的一个滑移方向滑移方向构成一个可以滑移的方构成一个可以滑移的方式称为式称为“滑移系滑移系”。 滑移系上位错运动的滑移系上位错运动的阻力（派纳力）阻力（派纳力）最小。最小。典型晶格的滑移典型晶格的滑移系系FCCFCC滑移滑移系对性能的影响系对性能的影响 晶体中滑移

15、系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大，材料的晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大，材料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的滑移方向数目比塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。滑移面数目的作用更大。 在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心立方晶格在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有的铜及铝，虽然它们都具有12个滑移系，但铁的塑性不如铜个滑移系，但铁的塑性不如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁及锌等，因其滑移系仅有及铝，而具有密排六方晶格的镁及锌等，因其滑移系仅有3个，故其塑性远较具有立方晶格的金属差。个，故其

16、塑性远较具有立方晶格的金属差。 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力 当晶体受到外力作用当晶体受到外力作用时，不论外力大小、方向时，不论外力大小、方向如何，均可将其分解成垂如何，均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。当单晶此晶面的切应力。当单晶体作用在滑移系上的分切体作用在滑移系上的分切应力大于临界分切应力时，应力大于临界分切应力时，晶体才能开始滑移。晶体才能开始滑移。 图示一单晶体单向拉图示一单晶体单向拉伸，滑移面法线方向与外伸，滑移面法线方向与外力的夹角为力的夹角为，滑移方向，滑移方向和拉力轴的夹角为和拉力轴的夹角为，注，注意到滑移方向、拉力轴和意到滑

17、移方向、拉力轴和滑移面的法线三者一般不滑移面的法线三者一般不在一平面在一平面。滑移方向上的分切应力为：滑移方向上的分切应力为： 其中其中称为取向因子或施密特因称为取向因子或施密特因子。子。称为施密特定律，称为施密特定律，c c是一是一常数，但材料的屈服强度常数，但材料的屈服强度s s则随拉力轴相对于晶体则随拉力轴相对于晶体的取向不同而不同，即晶的取向不同而不同，即晶体材料存在各向异性。体材料存在各向异性。 c c取决于金属的本性，不受取决于金属的本性，不受 ， 的影响；的影响； 或或 9090 时，时， s s ； c c s scoscos coscos s s的取值的取值 ， 4545 时

18、，时， s s最小，晶体最小，晶体 易滑移；易滑移； 0.5,0.5,软取向软取向 取向因子：取向因子：coscos coscos ,硬取向硬取向 临界分切应力与首开滑移系临界分切应力与首开滑移系 临界分切应力：临界分切应力：当外力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力当外力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑移，材料开始发生达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑移，材料开始发生塑性变形，这个切应力值叫临界分切应力，它是决定材料强度塑性变形，这个切应力值叫临界分切应力，它是决定材料强度的直接因素。的直接因素。首开滑移系首开滑移系: : 在某一外力作用下，取向因子

19、最大的滑移系将有在某一外力作用下，取向因子最大的滑移系将有最大的分切应力，外力加大，它将首先达到临界分切应力，开最大的分切应力，外力加大，它将首先达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子最大的滑移系称为始发生滑移，所以把取向因子最大的滑移系称为这个外力下这个外力下的的首开滑移系。首开滑移系。等效滑移系等效滑移系: : 在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系将有在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系将有相同分切应力，外力加大，它将同时达到临界分切应力，开始相同分切应力，外力加大，它将同时达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子相同的滑移系称为发生滑移，所以把取向因子相同的滑移系称为这

20、个外力下这个外力下的等的等效滑移系。效滑移系。 滑移变形的主要特点滑移变形的主要特点 滑移只能在切应力的作用下发生。滑移只能在切应力的作用下发生。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。这是因为滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。这是因为只有在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的结合力最只有在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的结合力最弱，沿最密晶向滑移的步长最小，因此这种滑移所需要的外弱，沿最密晶向滑移的步长最小，因此这种滑移所需要的外加切应力最小。加切应力最小。 滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向的距离为原滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向的距离为原子间距的

21、整数倍，滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶。子间距的整数倍，滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶。 滑移的同时必然伴随有晶体的转动。滑移的同时必然伴随有晶体的转动。 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动-几何硬化和几何软化几何硬化和几何软化（1 1）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，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线方向。压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线方向。 几何硬化：几何硬化： ， 远离远离4545 ，滑移变得困难；，滑移变得困难；（2 2）取向因子的变化）取向因子的变化 几何软化；几何软化； ，

22、接近接近4545 ，滑移变得容易。，滑移变得容易。转动机制总结转动机制总结: :t t1 1,t,t2 2的分量使晶体旋转；的分量使晶体旋转；旋转方向使晶体滑移方向转向最大切应力方向，即使旋转方向使晶体滑移方向转向最大切应力方向，即使减减小；小；滑移方向为切应力最大方向时，旋转停止（无力偶）；滑移方向为切应力最大方向时，旋转停止（无力偶）；当当454545时，旋转使时，旋转使趋向趋向4545-几何软化几何软化多滑移和交滑移多滑移和交滑移（1 1）多滑移）多滑移单滑移：晶体受外力时，只有一个滑移系开动。单滑移：晶体受外力时，只有一个滑移系开动。多滑移：两个以上的滑移系开动。多滑移：两个以上的滑移

23、系开动。拉力轴与多个滑移系成相同软位向发生多滑移；拉力轴与多个滑移系成相同软位向发生多滑移；多滑移产生很大的加工硬化率（位错交割、缠结、增殖，使多滑移产生很大的加工硬化率（位错交割、缠结、增殖，使加工硬化增加。）加工硬化增加。）（2 2）交滑移）交滑移只有只有S S位错可产生交滑移，所以位错可产生交滑移，所以S S位错可动性比刃位错高；位错可动性比刃位错高；S S位错分解的扩展位错交滑移本质是位错分解的扩展位错交滑移本质是S S位错的交滑移；位错的交滑移；高层错能的材料（如高层错能的材料（如AlAl）层错间距很小，易产生交滑移；）层错间距很小，易产生交滑移；交滑移不改变晶体的滑移方向（柏氏矢量

24、方向）交滑移不改变晶体的滑移方向（柏氏矢量方向）滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带；单滑移：单一方向的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；交滑移：波纹状的滑移带。交滑移：波纹状的滑移带。交滑移示意图交滑移示意图单晶体的应力单晶体的应力- -应变曲线应变曲线在切应力作用下的变形在切应力作用下的变形孪生变形孪生变形孪生：在切应力作用下，晶体的一部孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。面）和晶向（孪生方向）发生切变。 金属晶体中变形部分与未变形部分在孪金属晶体中变形部

25、分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。生面两侧形成镜面对称关系。发生孪发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。晶。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生进行时发生. 孪生孪生原子移动的相对位移是原子间距的分数值原子移动的相对位移是原子间距的分数值. FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金金属仅在室温或受冲击时发生。属仅在室温或受冲击时发生。HCP金属较容易发生孪生。金属较容易发生孪生。 孪生孪生形变孪生（机械孪生）形

26、变孪生（机械孪生）: :通过外加力产生孪生的变形通过外加力产生孪生的变形相变孪生（退火孪生）：高温下发生相变过程中原相变孪生（退火孪生）：高温下发生相变过程中原子子 的错排造成的。的错排造成的。特征特征: :发育不完全发育不完全, ,呈透镜状或半透镜状呈透镜状或半透镜状特征特征: :发育完全发育完全. .面心立方孪生变形发生时原子的迁移与晶格对称图面心立方孪生变形发生时原子的迁移与晶格对称图 孪生面孪生面 A1111,A2112,A31012A1111,A2112,A31012孪生的晶体学孪生的晶体学 孪生方向孪生方向 A1,A2,A3A1,A2,A3 孪晶区孪晶区fccfccbccbcchc

27、phcp孪晶示意图：孪晶示意图：孪生变形特点孪生变形特点 滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切变；切变；2 2 沿一定的晶面、晶向进行；沿一定的晶面、晶向进行；3 3 不改变结构不改变结构。不不同同点点 晶体位向晶体位向不改变（对抛光面观察无不改变（对抛光面观察无重现性）重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）光面观察有重现性）位移量位移量滑移方向上原子间距的整滑移方向上原子间距的整数倍，较大。数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，小于孪生方向上的原子间距，较小。较小。对塑变的贡献对塑变的贡献很大，总变形量大。很大，总变形量大。有限，总变形量小。有

28、限，总变形量小。变形应力变形应力有一定的临界分切压力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于所需临界分切应力远高于滑移滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果分位错运动的结果分位错运动的结果滑移与孪生在晶体表面变化滑移与孪生在晶体表面变化晶体的扭折晶体的扭折当晶体处于既不能滑移又不能孪生之位向时，如六方晶体当晶体处于既不能滑移又不能孪生之位向时，如六方晶体压力轴与（压力轴与（00010001）平行时，会发生扭折。）平行时，会发生扭折。（1 1）扭折是不均匀塑变，晶体位向发生不对称改变；）扭折是不均匀塑变，晶体

29、位向发生不对称改变；（2 2）扭折边界是一系列同号刃型位错；）扭折边界是一系列同号刃型位错；（3 3）扭折引起的塑变很小，但可松弛应力使晶体免于）扭折引起的塑变很小，但可松弛应力使晶体免于破裂。破裂。6.3 6.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 晶界和晶粒位向的影响晶界和晶粒位向的影响变形的传递变形的传递 变形的协调变形的协调 多晶体塑性变形过程多晶体塑性变形过程 塑性变形过程的不均匀性塑性变形过程的不均匀性晶粒的位向同时也在发生转动晶粒的位向同时也在发生转动 晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响位错的塞积位错的塞积 位错运动时，在其前沿位错运动时，在其前沿如果有障碍如果有障碍

30、( (如晶界、不可变如晶界、不可变形的硬质点形的硬质点)，就停留不，就停留不能前进，若同一位错源不断能前进，若同一位错源不断产生，一系列位错源源而来，产生，一系列位错源源而来，在此将产生塞积。在此将产生塞积。 位错的塞积在该处产生大的应力，可能带来的后果有：位错的塞积在该处产生大的应力，可能带来的后果有：螺位错可改变滑移面而发生交滑移；螺位错可改变滑移面而发生交滑移；晶界处的应力可能晶界处的应力可能迫使相邻晶粒中的位错运动来松弛应力；迫使相邻晶粒中的位错运动来松弛应力；无法松弛就有可无法松弛就有可能在此处造成裂纹。能在此处造成裂纹。 变形的传递变形的传递当一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作，即位

31、错发生运当一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作，即位错发生运动，当位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位向不同，不能直接动，当位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位向不同，不能直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来；加之晶界处的杂质从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来；加之晶界处的杂质原子也往往较多，增大其晶格畸变，难以发生变形，所以晶界原子也往往较多，增大其晶格畸变，难以发生变形，所以晶界的存在可以提高材料的强度。的存在可以提高材料的强度。位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应力集中位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应力集中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的晶粒也能开始变能使相邻晶粒的位错

32、源开动，相邻取向不利的晶粒也能开始变形，相邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以松弛，形，相邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以松弛，原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是滑移的传播过程。原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是滑移的传播过程。 变形的协调变形的协调 多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界处多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界处的原子既不能堆积也不能出现空隙或裂缝，晶界两边的的原子既不能堆积也不能出现空隙或裂缝，晶界两边的变形需要达到互相协调。变形需要达到互相协调。 晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作将

33、不能保证这种协调，为了适应变形协调，不仅要求邻近晶将不能保证这种协调，为了适应变形协调，不仅要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，就是已变形的晶粒自粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，就是已变形的晶粒自身，除了变形的主滑移系统外，在晶界附近也要有几个滑移身，除了变形的主滑移系统外，在晶界附近也要有几个滑移系统同时动作。系统同时动作。 变形的协调变形的协调为了满足变形协调，理论为了满足变形协调，理论计算本应有计算本应有6 6个独立的滑移系，个独立的滑移系，以保证以保证6 6个独立的应变分量使晶个独立的应变分量使晶粒的形状自由变化，在体积不粒的形状自由变化，在体积不变的情况下，变的情况下， 有

34、有实际只有实际只有5 5个变量是独立的。个变量是独立的。 对面心和体心立方金属，是容易满足这个变形协对面心和体心立方金属，是容易满足这个变形协调条件的，但对密排六方金属，由于滑移系一般只有调条件的，但对密排六方金属，由于滑移系一般只有三个，为了实现变形协调，有两种方式：一种是在晶三个，为了实现变形协调，有两种方式：一种是在晶界附近区域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱锥界附近区域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱锥面等较难滑移的晶面作为滑移面；另一种则是产生孪面等较难滑移的晶面作为滑移面；另一种则是产生孪晶变形，孪晶和滑移结合起来，连续地进行变形。晶变形，孪晶和滑移结合起来，连续地进行变形。

35、至少应有至少应有5 5个个独立的滑移系才独立的滑移系才能协调多晶体的能协调多晶体的塑性变形。塑性变形。塑性变形过程的不均匀性塑性变形过程的不均匀性在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在同一外力作用下，每个滑移面和滑移方向的分布便不同，故在同一外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力便不同。凡滑晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力便不同。凡滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成移面和滑移方向处于或接近于与外力成4545度，必将度，必将首先发生滑首先发生滑移变形移变形，而滑移面或滑移方

36、向处于或接近于与外力相平行或垂，而滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直，它们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。由此可见，直，它们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。由此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形由于多晶体金属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。 晶粒位向的影响作用晶粒位向的影响作用分批滑移分批滑移：多晶体材料在外力作用下，当首批处于软位向的晶：多晶体材料在外力作用下，当首批处于软位向的晶粒发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒尚粒

37、发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒尚不能发生滑移而只能以弹性变形相适应，便会在首批晶粒的晶不能发生滑移而只能以弹性变形相适应，便会在首批晶粒的晶界附近造成位错堆积，随着外力增大至应力集中达到一定程度，界附近造成位错堆积，随着外力增大至应力集中达到一定程度，形变才会越过晶界，传递到另一批晶粒中。形变才会越过晶界，传递到另一批晶粒中。晶粒的转动晶粒的转动：随着滑移的发生，伴随晶粒的转动会使其位向同：随着滑移的发生，伴随晶粒的转动会使其位向同时也在变化，有的位向在硬化，有的位向在软化，软位向的晶时也在变化，有的位向在硬化，有的位向在软化，软位向的晶粒开始滑移变形。所以，多晶体的塑性变

38、形是一批批晶粒逐步粒开始滑移变形。所以，多晶体的塑性变形是一批批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形，变形过程要比单晶体中复杂得形逐步发展到比较均匀的变形，变形过程要比单晶体中复杂得多。多。 晶粒大小对材料强度的影响晶粒大小对材料强度的影响材料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有关，材料的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有关，而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈细，材料的强度而且还与材料的晶粒度有关，即材料的晶粒愈细，材料的强度愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面积愈大，晶界对变形

39、的阻愈高。因为材料晶粒愈细，晶界总面积愈大，晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形的抗力也便愈大。碍作用愈明显，对塑性变形的抗力也便愈大。 对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒大小有以下关系：大小有以下关系： 式中的式中的d d为晶粒的平均直径，为晶粒的平均直径，k k为比例常数。这是个经验公式，为比例常数。这是个经验公式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔- -佩奇佩奇(Hall-(Hall-Petch)Petch)关系。关系。 晶粒大小对材料塑性的影响晶粒大小对材料塑性的影响 效果

40、效果：塑性材料的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑性与韧：塑性材料的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑性与韧性也较高。性也较高。原因原因：因为晶粒愈细，单位体积中晶粒数量便愈多，变形时：因为晶粒愈细，单位体积中晶粒数量便愈多，变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，晶粒转动的阻同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，不致造成局部力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，不致造成局部的应力集中，而引起裂纹的过早产生和发展。因而断裂前便的应力集中，而引起裂纹的过早产生和发展。因而断裂前便可发生较大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷抗力。可发生较大的塑性

41、形变量，具有较高的冲击载荷抗力。意义意义：所以在工业上通过各种方法：所以在工业上通过各种方法( (凝固、压力加工、热处理凝固、压力加工、热处理) )使材料获得细而均匀的晶粒，是目前提高材料力学性能的有使材料获得细而均匀的晶粒，是目前提高材料力学性能的有效途径之一。效途径之一。 加工硬化加工硬化 材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降的现象称为加工硬化。这种加工硬化的作用在拉伸时的应下降的现象称为加工硬化。这种加工硬化的作用在拉伸时的应力力-应变曲线中可以看出，材料屈服后要继续变形只有不断增应变曲线中可以看出，材料屈服后要继续变形

42、只有不断增加外力。加外力。原因原因：塑性变形是通过位错的运动来实现的，位错运动一旦：塑性变形是通过位错的运动来实现的，位错运动一旦受阻，塑性变形就难以进行，要继续进行变形只有增加外力。受阻，塑性变形就难以进行，要继续进行变形只有增加外力。分析分析：变形过程中，位错沿滑移面运动，各种位错会频繁相：变形过程中，位错沿滑移面运动，各种位错会频繁相遇，发生一系列复杂的交割作用，出现位错的缠结等等现象，遇，发生一系列复杂的交割作用，出现位错的缠结等等现象，使位错的运动受阻，位错源不断发出的位错不能顺利地移出晶使位错的运动受阻，位错源不断发出的位错不能顺利地移出晶体，发生位错的塞积，造成位错密度的逐渐增大

43、。变形量越大，体，发生位错的塞积，造成位错密度的逐渐增大。变形量越大，位错密度就越大，变形的抗力也越就大。随着位错密度的升高，位错密度就越大，变形的抗力也越就大。随着位错密度的升高，位错之间的平均距离减小，它们之间的相互干扰和交互作用进位错之间的平均距离减小，它们之间的相互干扰和交互作用进一步增强，因而强度和硬度也就越来越大。一步增强，因而强度和硬度也就越来越大。返回6.4 6.4 塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形对金属组织性能的影响 冷变形对力学性能冷变形对力学性能影响影响 塑性变形对组织和结构的影响塑性变形对组织和结构的影响 形变织构形变织构 残余应力残余应力 冷变形对力学性能冷变形对

44、力学性能影响影响产生加工硬化产生加工硬化：材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、：材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降。韧性明显下降。加工硬化的加工硬化的工程工程意义意义：加工硬化是强化材料的重要手段加工硬化是强化材料的重要手段，尤其是对于那些不能用热，尤其是对于那些不能用热处理方法强化的金属材料。处理方法强化的金属材料。 加工硬化有利于金属进行均匀变形加工硬化有利于金属进行均匀变形。因为金属已变形部分产。因为金属已变形部分产生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形较少的部分发生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形较少的部分发展。展。1.1. 加工硬化给金属的继续变形造

45、成了困难加工硬化给金属的继续变形造成了困难，加速了模具的损耗，加速了模具的损耗，在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的，在金属在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的，在金属的变形和加工过程中常常要进行的变形和加工过程中常常要进行“中间退火中间退火”以消除这种不以消除这种不利影响，因而增加了能耗和成本。利影响，因而增加了能耗和成本。 塑性变形对组织和结构的影响塑性变形对组织和结构的影响 晶粒变形：金属塑性变形时，随着外形的改变，内部晶粒的晶粒变形：金属塑性变形时，随着外形的改变，内部晶粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被拉长形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被拉长( (拉伸拉伸)

46、 )或压扁或压扁( (压缩压缩) )。变形的程度愈大，则晶粒形状的改变也愈大。变形的程度愈大，则晶粒形状的改变也愈大。晶界模糊：当变形量很大时，晶界变得模糊不清，这是由于晶界模糊：当变形量很大时，晶界变得模糊不清，这是由于位错移出晶粒在边界造成的台阶使晶界交错，同时也进一步位错移出晶粒在边界造成的台阶使晶界交错，同时也进一步降低了晶界的耐腐蚀性。降低了晶界的耐腐蚀性。 纤维组织：在金属变形较大时，材料中的夹杂物也沿变形方纤维组织：在金属变形较大时，材料中的夹杂物也沿变形方向被拉长，形成了纤维组织。纤维组织的出现造成材料在不向被拉长，形成了纤维组织。纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现出不同的

47、力学性能，即产生一定程度的各向异同方向上表现出不同的力学性能，即产生一定程度的各向异性，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂直方向，等等。性，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂直方向，等等。 亚结构形成：在金属未变形或少量变形时，位错密度的分布亚结构形成：在金属未变形或少量变形时，位错密度的分布一般是均匀的。但在大量变形之后，由于位错的运动和交互一般是均匀的。但在大量变形之后，由于位错的运动和交互作用，位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差异作用，位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密度的亚晶粒。亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位

48、错密度相对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。整相对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。整个晶粒内部的位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性。个晶粒内部的位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性。 变形变形10% 100变形变形40% 100 变形变形80%纤维组织纤维组织100 工业纯铁工业纯铁不同变形度不同变形度的显微组织的显微组织形变织构形变织构形变织构形变织构：金属晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每：金属晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒有各向异性，所以宏观性能表现出各向同性。但是当金个晶粒有各向异性，所以宏观性能表现出各向同性。但是当金属经受大量属经受

49、大量(70%以上以上)的一定方向的变形之后，由于晶粒的转动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，形成了晶体的造成晶粒取向趋于一致，形成了晶体的“择优取向择优取向”，即某一，即某一晶面在某个方向出现的几率明显高于其他方向。金属大变形后晶面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形变织构，它使金属材料表现出明形成的这种有序化结构叫做形变织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。显的各向异性。 形成原因形成原因：滑移塑性变形时伴随：滑移塑性变形时伴随晶粒的转动，造成各晶粒的滑晶粒的转动，造成各晶粒的滑移面或滑移方向趋于平行外力方向。移面或滑移方向趋于平行外力方