金属学与热力学6.3 合金的塑性变形-g

1、12一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。345晶粒大小与金属强度关系晶粒大小与金属强度关系6通过细化晶粒来同时通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方度、塑性和韧性的方法称法称细晶强化细晶强化。76.4 6.4 合金的塑性变形合金的塑性变形 合金可根据组织分为单相固溶体合金和多相合金两种。合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。珠光体珠光体奥氏体奥氏体8 单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变

2、形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称9n溶质原子与位错相互作用，使晶格发生畸变，而且易被溶质原子与位错相互作用，使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位错吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高。要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高。10铝溶有镁后的铝溶有镁后的应力应变曲线应力应变曲线 11溶入合金元素对铜单晶溶入合金元素对铜单晶临界分切应力的影响临界分切应力的影响 12电子

3、浓度对Cu固溶体屈服应力的影响 13低碳钢的屈服现象14：溶质或杂质原子在晶体中造成点阵：溶质或杂质原子在晶体中造成点阵畸变，溶质原子的应力场和位错应力场会发生交互作用，作用畸变，溶质原子的应力场和位错应力场会发生交互作用，作用的结果是溶质原子将聚集在位错线附近，形成溶质原子气团。的结果是溶质原子将聚集在位错线附近，形成溶质原子气团。15 当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变形除与形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。按第二相的尺度大小将其分为两大类：若数

4、量和分布有关。按第二相的尺度大小将其分为两大类：若其与基体相尺度属同一数量级，则称为其与基体相尺度属同一数量级，则称为；若第二相尺；若第二相尺寸非常细小，并且弥散分布于基体相中，则称为寸非常细小，并且弥散分布于基体相中，则称为。 聚合型合金组织Al青铜 弥散型第二相合金组织铁黄铜162211ff2211ff171819珠光体珠光体20 当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称种强化方法称弥散强化或沉淀强化弥散强化或沉淀强化。

5、：硬的颗粒不易被切变，因而阻：硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。碍了位错的运动，提高了变形抗力。位错绕过第二相粒子的示意图第二相颗粒周围的位错环21GbRGb222例：假设例：假设40钢中的渗碳体全部呈半径为钢中的渗碳体全部呈半径为10微米的球形粒子均匀微米的球形粒子均匀地分布在地分布在-Fe基体上，试计算这种钢的切变强度。已知铁的切基体上，试计算这种钢的切变强度。已知铁的切变模量为变模量为7.91010Pa， -Fe的点阵常数为的点阵常数为0.28nm（计算时可忽（计算时可忽略略Fe与与Fe3C密度的差异）。密度的差异）。解：第二相硬粒子引起的弥散强化效果决定于第二相

6、的分散度，解：第二相硬粒子引起的弥散强化效果决定于第二相的分散度，对于对于40钢，其含碳质量分数钢，其含碳质量分数wc=0.004，若忽略基体相，若忽略基体相-Fe中碳中碳含量，则含量，则Fe3C相所占的体积分数为相所占的体积分数为06. 0069. 0004. 03CFe设单位体积内设单位体积内Fe3C颗粒数为颗粒数为Nv，则，则VCFeNr334323因为因为-Fe为体心立方点阵，为体心立方点阵，a=0.28nm，则有，则有nmab25. 0233m/1043. 1)1010(3406. 034133633个rNCFeVmNV4 . 2)1043. 1 (131133所以所以PaGb551

7、010103 . 8104 . 2105 . 2109 . 724 当第二相颗粒为可变形颗粒时，位错将切过颗粒。当第二相颗粒为可变形颗粒时，位错将切过颗粒。此时强化作用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体此时强化作用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联系，其强化机制较复杂，主要由以下因素决定：的联系，其强化机制较复杂，主要由以下因素决定：n 位错切过颗粒后，在其表面产生位错切过颗粒后，在其表面产生b大小的台阶，增加大小的台阶，增加了颗粒与基体两者间界面，需要相应的能量；了颗粒与基体两者间界面，需要相应的能量；25n如果颗粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从如果颗粒为有序结构，将在滑移

8、面上产生反相畴界，从而导致有序强化；而导致有序强化； n由于两相的结构存在差异（至少两相点阵常数不同）差由于两相的结构存在差异（至少两相点阵常数不同）差异，因此当位错切过颗粒后，在滑移面上导致原子错配，异，因此当位错切过颗粒后，在滑移面上导致原子错配，需要额外作功；需要额外作功； n颗粒周围存在弹性应力场（由于颗粒与基体的比容差别，颗粒周围存在弹性应力场（由于颗粒与基体的比容差别，而且颗粒与基体之间往往保持共格或半共格结合）与位而且颗粒与基体之间往往保持共格或半共格结合）与位错交互作用，对位错运动有阻碍作用；错交互作用，对位错运动有阻碍作用；26电镜观察电镜观察27Al-Cu合金相图Al-1.

9、6%Cu合金时效曲线28可变形颗粒与不可变形颗粒尺寸对强度影响2930%压缩率（3000） 50%压缩率（3000） 99%压缩率（3000）铜经不同程度冷轧后的光学显微组织6.5 6.5 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3030%压缩率（3000） 50%压缩率（3000） 99%压缩率（3000）铜经不同程度冷轧后的透射电镜相31 多晶体变形时，各晶粒的滑移也将使滑移面发生转多晶体变形时，各晶粒的滑移也将使滑移面发生转动，当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的动，当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的各个晶粒会逐渐调整到其取向趋于一致，这样就使经

10、过强各个晶粒会逐渐调整到其取向趋于一致，这样就使经过强烈变形后的多晶体材料形成了择优取向，即烈变形后的多晶体材料形成了择优取向，即。n丝织构丝织构主要是在拉拔过程中主要是在拉拔过程中形成，其主要特征是各晶粒形成，其主要特征是各晶粒的某一晶向趋向于与拔丝方的某一晶向趋向于与拔丝方向平行，一般这种织构也就向平行，一般这种织构也就以相关方向表示。如铝拉丝以相关方向表示。如铝拉丝为为织构，而冷拉铁丝为织构，而冷拉铁丝为织构。织构。32n板织构板织构主要是在轧板时形成，其主要特征为各晶粒主要是在轧板时形成，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向趋向于与轧面和轧向平行，一般的某一晶面和晶向趋向于与轧面和轧向平

11、行，一般这种织构也就以相关面和方向表示。如冷轧黄铜的这种织构也就以相关面和方向表示。如冷轧黄铜的110，织构。织构。33各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳”轧制铝板的轧制铝板的“制耳制耳”现象现象各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳”34冷塑性变形量，%屈服强度，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%伸长率，%1040钢(0.4%C)黄铜铜35冷轧对铜及钢性能的影响冷轧对铜及钢性能的影响随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称性、韧性下降的现象称加工硬化加工硬化。36位错密度与强度关系位

12、错密度与强度关系37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 强化金属的重要途径；强化金属的重要途径； 利利 提高材料使用安全性；提高材料使用安全性； 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。38 经塑性变形后的金属，由于点阵畸变、位错与空经塑性变形后的金属，由于点阵畸变、位错与空位等晶体缺陷的增加，其物理性能和化学性能也会发位等晶体缺陷的增加，其物理性能和化学性能也会发生一定的变化。生一定的变化。n 电阻率增加，电阻温度系数降低；电阻率增加，电阻温度系数降低；n 磁滞

13、与矫顽力略有增加；磁滞与矫顽力略有增加；n 磁导率、热导率下降；磁导率、热导率下降；n 结构缺陷增多，扩散加快；结构缺陷增多，扩散加快；n 化学活性提高，腐蚀加快。化学活性提高，腐蚀加快。39 内应力内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时力时, , 内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时, ,外力所做的功只有外力所做的功只有10%10%转化为内应力残留于金属中。转化为内应力残留于金属中。晶界位错塞积所晶界位错塞积所引起的应力集中引起的应力集中40 41426.6 6.6 金属的断裂金属的断裂n断裂：金

14、属材料在外力作用下丧失连续性的过程。包括裂纹的萌生和裂纹的扩展两个过程。n根据断裂前金属是否有明显的塑性变形可分为n脆性断裂 5%43哥伦比亚号哥伦比亚号44n断裂金属材料在变形超过其塑性极限完全分开，原子间结合力遭受破坏。正断与剪断的宏观与微观形式正断与剪断的宏观与微观形式45n塑性断裂：又称延性断裂，断裂前发生大量的宏观塑性变形。n在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。4647n断裂前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“脆性断裂”。穿晶断裂穿晶断裂沿晶断裂沿晶断裂484949 解理断裂是正应力作用下金属的原子键遭到破坏而产生的一种穿

15、晶断裂。其断裂的特点是，解理初裂纹起源于晶界、亚晶界或相界面并严格沿着金属的结晶学平面扩展，其断裂单元为一个晶粒尺寸。 5051珠光体解理珠光体解理52(101)(101)(001)两个滑移带上位错的聚合两个滑移带上位错的聚合形成裂口形成裂口53n裂纹和应力状态n温度T对断裂应力f/屈服强度s影响不同T对f影响不大对s影响显著TTcfs塑性断裂TTcfs脆性断裂n从韧性断裂到脆性断裂的转变温度称为脆性转变温度Tc54n根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有3种。（a）张开型）张开型(I型型) （b）滑开型）滑开型 (II型型) （c）撕开型（）撕开型（III型）型）

16、 55n张开型(型)裂纹扩展拉应力垂直作用于裂纹面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。n滑开型(型)裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹前沿线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。n撕开型(型)裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。56裂纹扩展总是从其尖端开始向前进行的，所以应分析裂纹尖端的应力应变状态。应力分量为：应力分量为：57nK1是描述裂纹尖端应力场强度的一个力学参量。n当应力或裂纹尺寸a增大到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内，应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料的断裂，这时K也达到了一个临界值，这个临界或失稳状态的K记为Kc或

17、KC，称之为断裂韧度。58n材料的KIC或Kc越高，则裂纹体断裂时的应力或裂纹尺寸就越大，表明越难断裂。所以，KIC和Kc表示材料抵抗断裂的能力。nKIC为平面应变断裂韧度，表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力；而Kc为平面应力断裂韧度，表示材料在平面应力状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力。显然，同一材料的KcKIc。59K和和Kc是两个不同的概念，是两个不同的概念，K是一个力学参量，是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。料无关。

18、但但Kc是材料的力学性能指标，它决定于材料的成是材料的力学性能指标，它决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。寸等外在因素无关。60 根据应力场强度因子根据应力场强度因子K和断裂韧度和断裂韧度Kc的相对的相对大小，可以建立大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据判据，即，即 KIK1c 裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆性断裂。反之，即使存在裂纹，也不会发生断裂，这性断裂。反之，即使存在裂纹，也不会发生断裂，这种情况称为破损安全。种情况称为破损安全。616263 在金属未变形或少量变形时，