金属学与热处理课件6

1、 本章目的：本章目的： 1 阐明金属塑性变形、断裂的主要特点及本阐明金属塑性变形、断裂的主要特点及本质；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 揭示加工硬化的本质与意义。揭示加工硬化的本质与意义。第六章第六章 金属及合金的塑性变形与断裂金属及合金的塑性变形与断裂本章重点本章重点： （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）塑性变形对金属与合金组织、性能的影响；）塑性变形对金属与合金组织、性能的影响； （4）塑性断裂与脆性

2、断裂的异同及影响因素。）塑性断裂与脆性断裂的异同及影响因素。6-1 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 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颈颈缩缩 ：工程应力应变曲线：工程应力应变曲线Se S 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

3、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 、 、 -1； 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 但弹性模量但弹性模量 基本相同基本相同1：有机玻璃：硬而脆：有机玻璃：硬而脆2：纤维增强热固塑料：纤维增强热固塑料： 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：软而韧形式与材料塑性有关形式与材料塑性有关三三 弹性模量与刚度弹性模量与刚度=E；=G；-弹性模量弹性模量 意义：意义： 拉伸曲线上，斜率；拉伸曲线上，斜率； 弹性变形难易弹性变形难易； 组织不敏感：

4、取决于原子间结合力组织不敏感：取决于原子间结合力 材料种类；晶格常数；原子间距材料种类；晶格常数；原子间距 刚度刚度 构件刚度：构件刚度：AE 弹性变形难易弹性变形难易 材料刚度：材料刚度：E6-2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形塑性变形研究思路：塑性变形研究思路： 基本单元基本单元单晶体单晶体变形特性变形特性 晶界晶界影响影响多晶体多晶体变形特性变形特性 相界相界合金合金变形特性变形特性 塑性变形方式：塑性变形方式：滑移滑移；孪生；孪生 F一滑移现象与滑移特点一滑移现象与滑移特点 1 滑移定义滑移定义：在外力作用下，晶体相邻二：在外力作用下，晶体相邻二部分沿一定晶面、一定晶向彼此产生相对部

5、分沿一定晶面、一定晶向彼此产生相对的平行滑动的平行滑动滑移带滑移带滑移线滑移线高锰钢中的滑移带，高锰钢中的滑移带，500Xv在电子显微镜下，滑移线之间的距离为几十nm，而沿每一滑移线的滑移量(即台阶高度)可达几百nm。 滑移线与滑移带滑移线与滑移带均为塑变后晶体表面产生的滑移台阶，但大小不同均为塑变后晶体表面产生的滑移台阶，但大小不同每个滑移带实际是由许多聚集在一起的相互平行的滑移线组成，每个滑移带实际是由许多聚集在一起的相互平行的滑移线组成，这些滑移线实际上是晶体表面产生的小台阶这些滑移线实际上是晶体表面产生的小台阶单晶体单晶体滑移示意图滑移示意图滑移线滑移线滑移带滑移带(100个原个原子间

6、距子间距)10000个原子间距个原子间距 2 滑移特点滑移特点 发生在发生在最密排晶面最密排晶面， 滑移方向为滑移方向为最密排晶向最密排晶向； 只在切应力下发生，存在只在切应力下发生，存在临界分切应力临界分切应力弹弹性性伸伸长长断断裂裂弹性歪扭弹性歪扭塑性变形塑性变形（滑移滑移）F:拉伸轴线与滑移方向夹角拉伸轴线与滑移方向夹角:拉伸轴线与滑移面法向夹角拉伸轴线与滑移面法向夹角 (Fcos)/(A/cos) F/A （cos cos ) cos cos 分切应力分切应力取向因子取向因子分切应力的大小与取向因子分切应力的大小与取向因子直接相关直接相关 什么是分切应力：什么是分切应力：临界分切应力临

7、界分切应力(K)： 使滑移系开动的最小分切应力使滑移系开动的最小分切应力k 的影响因素：的影响因素： 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：金属不纯，变形速度愈大，组织敏感参数：金属不纯，变形速度愈大，变形温度愈低，变形温度愈低， 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 co

8、s(90) cos 45时时: 取向因子获最大值取向因子获最大值1/2 取向因子大取向因子大软取向（软取向（s较小）较小） 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（s较大）较大）cos cos cos(90) cos 与与K对应的对应的即为即为ss K/(cos cos ) s较小，易滑移较小，易滑移 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

9、伴随晶体的转动和旋转，滑移面转向与外力平行方向，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v拉伸时，滑移方向及滑移面逐渐趋向于与外力方向平行；v压缩时，晶面转动的结果是使滑移面逐渐趋于与压力轴线垂直。意义：意义： 实际金属由多晶体构成，通过晶体的转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）动和旋转，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，停止塑经过一定量塑性变形后取向不利，停止塑性变形；原来取向不利的晶粒经过旋转、性变形；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；转动取向变为有利，开始塑性变形

10、； 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。（5）多滑移与交滑移v若有几组滑移系相对于外力轴的取向相同，分切应力同时达到临界值，则滑移就在两组或多组滑移系上同时或交替进行，称为多滑移、复滑移或双滑移。v如果滑移受到阻力，可以改变滑移系，如果滑移方向不变称为交滑移。-螺型位错交滑移多滑移意义：促进加工多滑移意义：促进加工硬化硬化 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，互为阻碍错线相交割，互为阻碍难滑移难滑移 交滑移意义：交滑移意义： 当位错沿一个滑当位错沿一个滑移面的移动受阻时，移面的移动受

11、阻时，可通过攀移，转移到可通过攀移，转移到另一个面继续滑移另一个面继续滑移 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)1

12、11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，

13、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，应有更省力的方式式 位错学说的产生位错学说的产生根据原子刚性移动模型根据原子刚性移动模型, 依胡克定律依胡克定律： 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 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

14、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。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

15、源增殖机制 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 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

16、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。v抛光面出现浮凸,如图；v腐蚀、x射线衍射或偏振光照明也可观察到；v说明孪生时晶体的方向发生了变化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

17、形速度极快，声响，变形量小。 滑移孪生相同点沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。不同点 晶体位向不改变（对抛光面观察无重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）位移量滑移方向上原子间距的整数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，较小。对塑变的贡献很大，总变形量大。有限，总变形量小。变形应力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于滑移变形条件一般先发生滑移滑移困难时发生变形机制全位错运动的结果分位错运动的结果四四 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

18、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 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

19、二相强化，弥散强化5-4 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 塑性变形对组织结构影响塑性变形对组织结构影响 1 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2 亚结构的细化亚结构的细化 铸态位错密度铸态位错密度 d = 10-2 cm； 塑变后位错密度塑变后位错密度d =

20、 10-410-6 cm3 产生形变织构产生形变织构 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，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。 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 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 产生加工硬化产生加工硬化 定义定义： 随变形度增大，金属的强硬度随变形度增大，金属的强硬度显著增高而塑韧性明

21、显下降的现象显著增高而塑韧性明显下降的现象。 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退火解决办法：冷加工之间的再结晶退火 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

22、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，形变织构，70%4 其它性能的影响其它性能的影响 物理物理：电阻：电阻，导电、导磁性，导电、导磁性 化学化学：化学活性：化学活性，耐蚀性，耐蚀性 消除：消除： 去应力退火去应力退火 三三

23、 合金中的强化方式合金中的强化方式 1 晶界强化晶界强化 定义：通过细化晶粒，增加晶界，提高材定义：通过细化晶粒，增加晶界，提高材料强度的方法。料强度的方法。 特点：特点： 强化程度与晶粒大小有关：强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； 是唯一同时提高是唯一同时提高、 ak、的机制的机制 只适于常温条件只适于常温条件 2 固溶强化；固溶强化；3 位错强化；位错强化；4 第二相强化第二相强化576-4 金属的断裂金属的断裂v分类：韧性断裂与脆性断裂 磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。58 1. 韧性断裂韧性断裂

24、v 韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。v v 中、低强度钢的光滑圆v 柱试样在室温下的静拉伸断v 裂是典型的韧性断裂，其宏v 观断口呈杯锥形，由纤维区、v 放射区和剪切唇三个区域组v 成(图 1-24)，即所谓的断口v 特征三要素。59v 光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口的形成过程如下图所示。v 图图118 杯锥状断口形成示意图杯锥状断口形成示意图d) 微孔连续形成锯齿状微孔连续形成锯齿状 e) 边缘剪切断裂边缘剪切断裂a)缩颈导致三向应力缩颈导致三向应力 b) b） 微孔成长微孔成长 c) 微孔长大微孔长大v韧性断

25、裂的机理断裂过程包括微孔成核、长大、聚合直至断裂。 微孔是通过第二相（或夹杂物）质点本身破裂。或第二相（或夹杂物）与基体界面脱离而成核的，它们是金属材料在断裂前塑性变形进行到一定程度时产生的。在第二相质点处微孔成核的原因是：位错引起的应力集中；或在高应变条件下因第二相与基体塑性变形不协调而产生分离。韧性断裂的微观断口特征 v 韧窝是微孔聚集型断裂的基本特征。韧窝形状视应力状态不同而异，有下列三类:等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝。62韧窝的大小取决于第二相质点的大小和密度、韧窝的大小取决于第二相质点的大小和密度、基体材料的塑性变形能力、应变硬化指数以及基体材料的塑性变形能力、应变硬化指数以及外加应力的大小及形态等。外加应力的大小及形态等。微孔聚集型断裂一定会有韧窝存在，但微观形微孔聚集型断裂一定会有韧窝