chp 9塑性变形

1、返回返回第九章第九章 塑性变形塑性变形金属成型的重要手段合成与制备材料特性成分组织结构服役行为与寿命返回返回 延展性是延展性是金属最基本的性质之一金属最基本的性质之一。 本章重点研究材料的变形规律及其微观机制，分析其本章重点研究材料的变形规律及其微观机制，分析其影响因素。影响因素。 高分子材料高分子材料的变形属的变形属粘弹性变形粘弹性变形，陶瓷材料陶瓷材料几乎几乎没有没有塑性塑性，在工业上主要通过热成型或湿成型。所以研究，在工业上主要通过热成型或湿成型。所以研究他们的塑性变形，意义有限。他们的塑性变形，意义有限。利用它可成型金属零部件。掌握变形的规律，可方利用它可成型金属零部件。掌握变形的规律

2、，可方便的控制塑性加工的进程；如果设法阻止或延缓金便的控制塑性加工的进程；如果设法阻止或延缓金属的变形，则是强化材料的途径。属的变形，则是强化材料的途径。返回返回章目录：章目录：9.1 9.1 金属的变形特征金属的变形特征9.2 9.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形9.3 9.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形9.4 9.4 合金的塑性变形合金的塑性变形( (自学自学) )9.5 9.5 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返回返回9.1 9.1 金属的变形特性金属的变形特性 变形的分类变形的分类: : 弹性变形弹性变形 外力去除后外力去除后, ,变形消失变形消失

3、, ,材料恢复原来形材料恢复原来形 状的变形。状的变形。 塑性变形塑性变形 外力去除后，材料不能恢复原来形状的外力去除后，材料不能恢复原来形状的 永久变形。永久变形。 变形的基本过程变形的基本过程: : 弹性变形弹性变形 弹弹- -塑性变形塑性变形 加工硬化加工硬化 断裂断裂返回返回kbse一、工程应力一、工程应力应变曲线应变曲线 均匀塑变均匀塑变集中塑变集中塑变弹性变形弹性变形断裂断裂0000LLLAp拉伸拉伸缩颈缩颈返回返回1 1、强度指标、强度指标 材料抵抗变形和断裂的能力。材料抵抗变形和断裂的能力。e e - - 弹性极限弹性极限 ( (以余变以余变0.005%0.005%为定点为定点

4、) ) 弹性变形的最大应力值弹性变形的最大应力值S S - - 屈服强度屈服强度 ( (以余变以余变0.2%0.2%为定点为定点, ,用用0.20.2表表) ) 明显塑变的最小应力值明显塑变的最小应力值b b - - 抗拉强度抗拉强度 ( (强度极限强度极限) ) 均匀塑变的最大应力值均匀塑变的最大应力值k k - - 断裂强度断裂强度 集中塑变的最终应力值集中塑变的最终应力值返回返回 2 2、塑性指标、塑性指标: : 产生塑性变形而不被破坏的能力。产生塑性变形而不被破坏的能力。 - - 延伸率延伸率%100ookLLL%100okoAAA 10% 塑性材料塑性材料 - - 断面收缩率断面收缩

5、率: :kbse 0返回返回3、刚度指标、刚度指标E( (G):): 抵抗弹性变形的能力抵抗弹性变形的能力 GE bsek均匀塑变均匀塑变集中塑变集中塑变弹性变形弹性变形断裂断裂o o返回返回 工程应力应变曲线中，工程应力应变曲线中，、 均按试样初始尺寸均按试样初始尺寸计算，拉伸时只需记录计算，拉伸时只需记录P、L即可，使用非常方便。但是即可，使用非常方便。但是在拉伸过程中，由于试样尺寸不断变化，在拉伸过程中，由于试样尺寸不断变化，由由此计算的此计算的和和 并非真实。例如产生缩颈后，截面大大缩小并非真实。例如产生缩颈后，截面大大缩小, ,缩颈缩颈处的应力应为处的应力应为 ，远大于，远大于 ，从

6、而产生了假象。为，从而产生了假象。为克服这一缺点，引入克服这一缺点，引入真应力真应力真真应变曲线应变曲线，也叫，也叫流变曲流变曲线线，瞬时应力叫，瞬时应力叫流变应力流变应力。二、真二、真应力应力真真应变曲线应变曲线000LLLAp颈颈AP0AP返回返回 真应变真应变e，按瞬时值求得：，按瞬时值求得： 总应变为：总应变为： 真应力真应力S ： 当应变很小时，当应变很小时， 1 1 有：有： e ，s ，两者相近，可通用。，两者相近，可通用。 但当应变很大时，两者相差较多。但当应变很大时，两者相差较多。LdLde )1ln(ln00LLLLLdLe)1 (000LLAAAPAPS（缩颈以前）（缩颈

7、以前）000LLLAp体积不变体积不变返回返回真应力应变曲线如图所示，产生真应力应变曲线如图所示，产生缩颈后，应力继续上升，表明加工缩颈后，应力继续上升，表明加工硬化继续发生。硬化继续发生。该曲线可表示为：该曲线可表示为：e弹性范围弹性范围均匀塑变均匀塑变集中塑变集中塑变断裂断裂S0 0nekSn 加工硬化指数，约在加工硬化指数，约在 0.1 0.5之间之间不锈钢：不锈钢： 0.450.55黄黄 铜：铜： 0.360.4铜：铜： 0.3 0.35铝：铝： 0.150.25f.c.c高高铁：铁：0.050.15 b.c.ch.c.p 很小很小返回返回9.2 9.2 单晶单晶体的塑性变形体的塑性变

8、形一、滑移一、滑移 滑移的本质滑移的本质 位错的运动位错的运动 1 1、滑移线与滑移带、滑移线与滑移带塑性变形的基本方式：滑移和孪生塑性变形的基本方式：滑移和孪生滑移带滑移带滑移线滑移线CuCu单晶表面的滑移带单晶表面的滑移带返回返回2 2、滑移系、滑移系晶体的滑移总是沿晶体的滑移总是沿阻力最小的晶面和晶向阻力最小的晶面和晶向进行，通常为进行，通常为密排面和密排面和密排方向密排方向。即单位位错的滑移面和柏氏矢量方向。即单位位错的滑移面和柏氏矢量方向。密排面和它上面的一个密排方向的组合称为密排面和它上面的一个密排方向的组合称为滑移系滑移系。 f.c.cf.c.c 111 111 4 43 3 1

9、212 b.c.c b.c.c 110 110 或次密排面或次密排面112112、123123 6 62 2 1212 h.c.p h.c.p (0001) c/a1.633 (0001) c/a1.633 1 13 3 3 30211111001100211或或返回返回 b.c.c密排面原子密度较密排面原子密度较f.c.c小，面间距也较低，滑移阻力较大，小，面间距也较低，滑移阻力较大， 虽然滑移系多，但塑性不如面心立方。虽然滑移系多，但塑性不如面心立方。 h.c.p由于滑移系少，塑性差。但当温度升高时，原子振动增大，由于滑移系少，塑性差。但当温度升高时，原子振动增大， 相近的密排面和方向的数

10、目增加，比低温时易于变形。相近的密排面和方向的数目增加，比低温时易于变形。金金 属属 晶体结构晶体结构滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移系数目滑移系数目Cu, Al, Ni, Ag, Au面心立方面心立方11112-Fe, W, Mo-Fe, W-Fe, K体心立方体心立方110112123121224Cd, Zn, Mg, -Ti, Be-Ti, Mg, Zr -Ti, Mg密排六方密排六方336021100010110_1110_返回返回3 3、滑移的临界分切应力、滑移的临界分切应力 定义：定义：作用在位错的滑移面，且平行于布氏矢量的分切应力作用在位错的滑移面，且平行于布氏矢量的分切应力，称

11、为，称为作用于滑移系的作用于滑移系的分切应力分切应力。当当达到足以克服位错滑移阻力达到足以克服位错滑移阻力k k时，滑移系方能开动，称时，滑移系方能开动，称k k 为滑移的为滑移的临界分切应力临界分切应力。 或：使滑移系开动的最小分切应力。称为临界分切应力或：使滑移系开动的最小分切应力。称为临界分切应力k k 。k返回返回 滑移系上的分切应力滑移系上的分切应力如图如图: :单晶体单向拉伸，某一滑移系与单晶体单向拉伸，某一滑移系与外力外力F 的取向关系由的取向关系由和和唯一确定。唯一确定。外力外力F 在滑移方向上的分切应力为：在滑移方向上的分切应力为：FnAbmAFAFAFb coscos co

12、scos cos/cos coscos mA 取向因子取向因子bF返回返回讨论：讨论： 若若或或9090，m0 0，最小。，最小。 若三轴共面，且若三轴共面，且4545 m1/2，最大。，最大。 0 m 1/2 对于一定的外力对于一定的外力F，m、， 滑移系越易滑移系越易滑移。滑移。 m1/2称为称为 软取向；软取向； m0，为硬取向。，为硬取向。 单晶体中各单晶体中各滑移系的滑移系的m是不同的。是不同的。 软取向的滑移系首先开动。软取向的滑移系首先开动。FnAbA coscos mm返回返回 单晶体的屈服应力单晶体的屈服应力s s当当k k时，位错开始滑移，时，位错开始滑移，材料屈服材料屈服

13、s，代入上式：，代入上式： msk 对于一定材料，对于一定材料，k为定值。为定值。 单晶体与外力单晶体与外力 F 的取向不同，的取向不同， m不同，屈服应力不同，屈服应力s也不同。也不同。 表现为各向异性。表现为各向异性。 k k值值一般一般 可通过实验测定。可通过实验测定。单晶镁的单晶镁的sm的关系的关系 coscos mm返回返回4 4、滑移时晶体的转动、滑移时晶体的转动 拉伸时晶体的转动，是力求使晶体的滑移方向与外力拉伸时晶体的转动，是力求使晶体的滑移方向与外力轴平行，即轴平行，即下降，下降，增加，向增加，向9090变化。变化。软取向软取向返回返回 压缩时晶体的转动，力求使滑移方向与外力

14、压缩时晶体的转动，力求使滑移方向与外力轴垂直，即轴垂直，即增加，增加，下降。下降。返回返回5 5、多滑移与交滑移、多滑移与交滑移 晶体发生塑性变形时，随着滑移的不断进行，将发生晶体发生塑性变形时，随着滑移的不断进行，将发生转动。转动。 转动的结果，转动的结果，m 值不断变化。原先处于有利地位的滑值不断变化。原先处于有利地位的滑移系可能转到不利的地位，停止滑移；原来不利地位移系可能转到不利的地位，停止滑移；原来不利地位的滑移系可能转到有利地位，发生滑移。的滑移系可能转到有利地位，发生滑移。 最后稳定在多个滑移系取向因子相当的地位，于是产最后稳定在多个滑移系取向因子相当的地位，于是产生了多个滑移系

15、交替滑移的局面，即称生了多个滑移系交替滑移的局面，即称多滑移多滑移。返回返回铜在双滑移时产生的交叉滑移带铜在双滑移时产生的交叉滑移带奥氏体钢中的交叉滑移带奥氏体钢中的交叉滑移带返回返回 由于晶体转动，由于晶体转动，m 的变化也可能使螺位错由一个滑移的变化也可能使螺位错由一个滑移面转移到更有利的滑移面上进行，称为面转移到更有利的滑移面上进行，称为交滑移交滑移（共同（共同的滑移方向，不同滑移面）。的滑移方向，不同滑移面）。铝表面的波纹状滑移带铝表面的波纹状滑移带b返回返回6 6、单晶体的应力应变曲线、单晶体的应力应变曲线 典型曲线一般分为三阶段典型曲线一般分为三阶段：单滑移（加工硬化系数小）：单滑

16、移（加工硬化系数小）：多滑移（加工硬化明显）：多滑移（加工硬化明显）：动态回复（异号位错抵消：动态回复（异号位错抵消 位错密度不再增加）位错密度不再增加）A 沿特殊方向（多个滑移系取向因子沿特殊方向（多个滑移系取向因子m 相同）拉伸，此时相同）拉伸，此时 无第无第阶段，如图阶段，如图A A曲线。曲线。 返回返回二、孪生二、孪生 孪生是金属材料塑变的另一种基本方式，一般是在孪生是金属材料塑变的另一种基本方式，一般是在滑移难以进行时发生。滑移难以进行时发生。形变孪晶（条带状）形变孪晶（条带状）1 1、孪生及其特点、孪生及其特点退火孪晶（平直边界）退火孪晶（平直边界）返回返回孪生面孪生面K)111(

17、)101(211)101(K)111(211孪生方向孪生方向 晶体在一定切应力晶体在一定切应力作用下，沿着一定的晶面和作用下，沿着一定的晶面和晶向产生一个集体的有规则的位移，造成一个具有晶向产生一个集体的有规则的位移，造成一个具有不不同取向同取向，但，但有相同结构的新晶体有相同结构的新晶体，称为，称为孪生孪生。45 deg返回返回特点特点： （与滑移相比）（与滑移相比） 孪晶的取向不同，而滑移后晶体的取向不变。孪晶的取向不同，而滑移后晶体的取向不变。 原子运动的大小，与距孪晶面距离成正比，呈镜面对称。原子运动的大小，与距孪晶面距离成正比，呈镜面对称。表面产生的滑移台阶经抛光后消失；但孪晶表面产

18、生的滑移台阶经抛光后消失；但孪晶取向不同，腐蚀速度不一样，光学性质也有取向不同，腐蚀速度不一样，光学性质也有差异，因此可见两块晶体色泽不同的孪晶。差异，因此可见两块晶体色泽不同的孪晶。孪生的结果使晶体表面产生浮凸。孪生的结果使晶体表面产生浮凸。返回返回 孪生的发生需要较大的应力，孪生的发生需要较大的应力，拉伸曲线呈锯齿状。拉伸曲线呈锯齿状。 孪生所能产生的总形变量很孪生所能产生的总形变量很小，但可调节晶体位向。小，但可调节晶体位向。镉孪生变形时的镉孪生变形时的应力应变曲线应力应变曲线返回返回9.3 9.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形与单晶体一样，包括滑移与孪生，但由于晶

19、多晶体的塑性变形与单晶体一样，包括滑移与孪生，但由于晶界的存在，各晶粒的取向不同，使多晶体的塑变具有新的特点。界的存在，各晶粒的取向不同，使多晶体的塑变具有新的特点。一、多晶体塑变过程及特点一、多晶体塑变过程及特点 多晶体受力时，首先晶体中个别软取多晶体受力时，首先晶体中个别软取向（向（m大）的晶粒大）的晶粒A中位错源开动。位错中位错源开动。位错在边界受阻形成塞积，造成前端应力集中，在边界受阻形成塞积，造成前端应力集中，加上外力的作用，最终触发相邻晶粒的位加上外力的作用，最终触发相邻晶粒的位错源起动。错源起动。A晶粒前端应力松弛，所以晶粒前端应力松弛，所以A源重新起动。于是变形由一个晶粒传递到

20、源重新起动。于是变形由一个晶粒传递到另一个晶粒，最后波及整个晶体。另一个晶粒，最后波及整个晶体。AB多晶体滑移示意图多晶体滑移示意图返回返回另外，由于晶体中每个晶粒都处于其他晶粒的包围之另外，由于晶体中每个晶粒都处于其他晶粒的包围之中，每个晶粒的变形都受相邻晶粒的相互制约和协调中，每个晶粒的变形都受相邻晶粒的相互制约和协调作用。作用。单滑移难以满足这一协调作用，否则不能保持晶粒之单滑移难以满足这一协调作用，否则不能保持晶粒之间的连续性，造成孔隙。间的连续性，造成孔隙。理论上推算，为了保证这种协调关系，每个晶粒的滑理论上推算，为了保证这种协调关系，每个晶粒的滑移至少需要移至少需要五个独立的滑移系

21、五个独立的滑移系同时开动。同时开动。因此多晶体塑变一开始便是多滑移，且变形抗力高。因此多晶体塑变一开始便是多滑移，且变形抗力高。返回返回特点：特点：变形抗力高。变形抗力高。滑移在晶界受阻，滑移在晶界受阻，不易直接传递到相邻晶粒，表现不易直接传递到相邻晶粒，表现出塑性变形抗力较高，这种阻碍出塑性变形抗力较高，这种阻碍即来自即来自晶界晶界，也来自晶界另一侧，也来自晶界另一侧取向不同的晶粒取向不同的晶粒。变形的不均匀性。变形的不均匀性。由于晶粒取向由于晶粒取向不同，产生不同，产生形变不均匀性形变不均匀性。晶粒。晶粒中心与边界扫过的位错数目不同中心与边界扫过的位错数目不同, ,形变也不均匀，从而引起内

22、应力形变也不均匀，从而引起内应力. .返回返回形变要协调。形变要协调。 为了保证应变的连续性，在晶界附近，要求至少有为了保证应变的连续性，在晶界附近，要求至少有5 5个独立个独立 的滑移系同时起动，需要很高的外力。的滑移系同时起动，需要很高的外力。 f.c.cf.c.c和和b.c.cb.c.c均可提供均可提供5 5个独立滑移系个独立滑移系, ,塑性较好。塑性较好。 h.c.ph.c.p只有两个独立滑移系只有两个独立滑移系, ,需孪生来协助需孪生来协助, ,塑性差。塑性差。 晶粒转动。晶粒转动。各晶粒取向趋于一各晶粒取向趋于一 致，形成织构。致，形成织构。 各向同性。各向同性。屈服应力为定值。屈

23、服应力为定值。返回返回9.5 9.5 冷变形金属的组织与性能冷变形金属的组织与性能一、塑变对组织与结构的影响一、塑变对组织与结构的影响 1 1、显微组织变化、显微组织变化随变形度的增加，晶粒拉长，纤维组织形成。随变形度的增加，晶粒拉长，纤维组织形成。30压缩率压缩率30050压缩率压缩率30099压缩率压缩率300铜材经不同程度冷轧后的光学显微组织铜材经不同程度冷轧后的光学显微组织返回返回随变形度的增加，亚结构位错胞形成并细化。随变形度的增加，亚结构位错胞形成并细化。30压缩率压缩率3000050压缩率压缩率3000099压缩率压缩率30000铜材经不同程度冷轧后薄膜透射电镜像铜材经不同程度冷

24、轧后薄膜透射电镜像返回返回2 2、形变织构（择优取向）、形变织构（择优取向） 塑性变形时，各晶粒发生转动，使各晶粒取向逐渐趋塑性变形时，各晶粒发生转动，使各晶粒取向逐渐趋于一致，称于一致，称择优取向或织构择优取向或织构，由变形引起的择优取向，由变形引起的择优取向称为称为形变织构形变织构。 丝织构（拉拔时形成）丝织构（拉拔时形成） 用平行于变形方向的晶向表示。用平行于变形方向的晶向表示。 板织构（轧制时形成）板织构（轧制时形成） 以平行于轧面的晶面以平行于轧面的晶面 h k l 和平行于轧向的晶向和平行于轧向的晶向表示。表示。 h k l 返回返回晶体晶体结构结构金属或合金金属或合金丝织构丝织构

25、板织构板织构f.c.cCu，Ni，Ag，AlCu-Ni，Cu-Zn + 110b.c.c-Fe，Mo，W001110111h.c.pMg，Zn (0001)01100211返回返回 织构造成材料各向异性。织构造成材料各向异性。 不利：不利：冲压冲压“制耳制耳” ” 有利：有利：硅钢片，磁学性能明显提高硅钢片，磁学性能明显提高 磁学性能磁学性能戈斯织构戈斯织构110110磁学性能磁学性能立方织构立方织构100100轧向轧向横向横向轧向轧向横向横向导磁率导磁率5.55.5万万0.80.8万万导磁率导磁率11.611.6万万6.56.5万万铁铁 损损1.321.323.533.53铁铁 损损1.231.231.431.43返回返回二、塑变对性能的影响二、塑变对性能的影响1 1、加工硬化、加工硬化 、HBHB、 作用：作用： 使变形均匀。使变形均匀。 均衡负荷，增加安全性。均衡负荷，增加安全性。 提高强度。提高强度。