金属及合金的塑性变形VIP

1、金属及合金的塑性变形第1页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四本章重点： （1）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； （3）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： （5）金属材料的强化机制。第2页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 理想：“近终形”浇注; 实际：保持一定的“压下比” 原因：（1）成形需要； （2）改善铸态组织，消除铸态缺陷。第3页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四5-1 金属的变形特性 一 金属变形的方式及研究方法1 方式：弹性变形 塑性

2、变形 断 裂成形失效第4页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 2 研究方法 曲线种类： 载荷变形曲线 真应力真应变曲线 工程应力应变曲线 主要研究手段第5页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四拉伸过程与拉伸曲线示意本片选自西安交大范群成先生作品在此表示感谢！第6页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 工程应力应变曲线中“颈缩”现象掩盖了 “加工硬化”颈缩 ：工程应力应变曲线Se S e：真应力真应变曲线第7页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四二 工程应力应变曲线 低碳钢应力应变曲线 -典型性 分析变形过程； 强

3、度、塑性指标的意义 e 、 s 、 b 、 、 -1； bse第8页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 1：退火低碳钢 2：正火中碳钢 3：高碳钢 但弹性模量 基本相同1：有机玻璃：硬而脆2：纤维增强热固塑料： 硬而强3：尼龙：硬而韧4：聚四氟乙烯：软而韧形式与材料塑性有关第9页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四三 弹性模量与刚度 =E；=G；-弹性模量 意义： 拉伸曲线上，斜率； 弹性变形难易； 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 刚度 构件刚度：AE 弹性变形难易 材料刚度：E第10页，共66页，2022年，5月20日，

4、13点18分，星期四5-2 单晶体的塑性变形塑性变形研究思路： 基本单元单晶体变形特性 晶界影响多晶体变形特性 相界合金变形特性 塑性变形方式：滑移；孪生 F第11页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四一滑移现象与滑移特点 1 滑移定义：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的平行滑动第12页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四滑移带滑移线高锰钢中的滑移带，500X第13页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 滑移线与滑移带均为塑变后晶体表面产生的滑移台阶，但大小不同单晶体滑移示意图滑移线滑移带(100个原子间距

5、)10000个原子间距第14页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 2 滑移特点 发生在最密排晶面， 滑移方向为最密排晶向； 只在切应力下发生，存在临界分切应力弹性伸长断裂弹性歪扭塑性变形（滑移）F第15页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四:拉伸轴线与滑移方向夹角:拉伸轴线与滑移面法向夹角 (Fcos)/(A/cos) F/A （cos cos ) cos cos 分切应力取向因子分切应力的大小与取向因子直接相关 什么是分切应力：第16页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四临界分切应力(K)： 使滑移系开动的最小分切应力k 的影响因

6、素： 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，变形温度愈低， k愈大。什么是临界分切应力：第17页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四当 K时，发生滑移 滑移面的取向因子大，则分切应力大： 当滑移面法线、滑移方向、外力轴三者共面，即 90时，可能获最大取向因子： cos cos cos(90) cos 第18页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 45时: 取向因子获最大值1/2 取向因子大软取向 或90时: 取向因子为0 ， 0， 取向因子小硬取向cos cos cos(90) cos 第19页，共66页，2022年

7、，5月20日，13点18分，星期四 与K对应的即为s s的影响因素： 与k有关； 与外力取向有关: s K/(cos cos )第20页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 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仍保持一致；第21页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四滑移面滑移前PP滑移后力偶 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产生转动第22页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四单晶体拉伸变形示意本片选自西安交大范群成先生作品在此表示感谢！第23页，共66页，20

8、22年，5月20日，13点18分，星期四意义： 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）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、转动取向变为有利，开始塑性变形； 循环往复后可使塑性变形更均匀。第24页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 随滑移加剧，存在多滑移和交滑移现象 多滑移： 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 滑移的本质是借助 位错线的逐步运动。 多滑移时不同方向的位错线相交割，互为阻碍难滑移 第25页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四交滑移： 多个滑移面同时

9、沿一个滑移方向进行的滑移。铝单晶体形变出现的 交滑移密排六方晶体沿基面和柱面交滑移的示意图第26页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四意义： 当位错沿一个滑移面的移动受阻时，可通过攀移，转移到另一个面继续滑移 易滑移 使滑移方向灵活， 可降低脆性第27页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 不同合金加工硬化效果不同 单系滑移 多系滑移 交滑移 多系滑移第28页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 (1) 滑移系 一个滑移面和该面上的一个滑移方向 称为 。 每种晶格滑移系数目的多少可用来衡量滑移难易 3 滑移系及滑移系数的实际意义第29

10、页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 （2）各晶体结构的滑移系 体心立方 (b.c.c)(110)111滑移面：110 (110), (011), (101), (110), (011), (101)滑移方向：111滑移系数：62=12第30页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 面心立方 (f.c.c) (111)110滑移面：111 (111), (111), (111), (111);滑移方向：110滑移系数: 43=12第31页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四密排六方：滑移面0001滑移方向1120滑移系数目： 13=3

11、第32页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四（3）滑移系数目的实际意义 判断塑性变形能力 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 塑性排序：第33页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 二 滑移机制原子刚性移动模型演示本片选自西安交大范群成先生作品在此表示感谢！第34页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 理 = G=G/2； 但实 = 10-310-4 G/2； 刚性移动模型失败，应有更省力的方式 位错学说的产生 参考（刘国勋金属学原理） 二 滑移机制根据原子刚性移动模型, 依虎克定律：第35页，共66页，

12、2022年，5月20日，13点18分，星期四 位错学说滑移台阶完整晶体有缺陷晶体第36页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四刃位错滑移演示本片选自西安交大范群成先生作品在此表示感谢！第37页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 1 滑移的本质： 位错学说： 晶体内部存在某类缺陷位错 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，而是位错中心附近少数原子作远小于原子间距的弹性偏移实现 实 理的原因 实际金属强度远小于理想结构金属强度。第38页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四2 滑移过程中存在位错增殖 背景: 退火

13、态位错1010m-2； 冷变形: 位错10151016m-2； 位错增殖学说DD位错源弓出蜷曲DD位错环位错源下图为Frank-Read位错源增殖机制第39页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四弗兰克-瑞德源机制演示本片选自西安交大范群成先生作品在此表示感谢！第40页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 意义：引起滑移的位错并不消失反而增殖 位错；位错强化 3 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。 不在同一滑移面上的位错相遇产生割阶 运行阻力 位错之间互为阻力 位错使、HB 的主要原因 杂质、晶界、固定位错阻碍位错运行 ，导致位错

14、塞积第41页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四三 孪生1 定义： 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。孪晶带孪生面孪生面第42页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四孪生与滑移变形比较本片选自西安交大范群成先生作品在此表示感谢！第43页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四第44页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四2 孪生特点： 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。 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，相邻原子间的相对位移为原子间距

15、的分数倍； 存在临界分切应力: 孪 滑 变形速度极快，声响，变形量小。第45页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四四 影响塑性变形方式的因素 （1）晶体结构 滑 单晶体 原因： 晶界阻碍位错运动； 位向差晶粒之间须协调 意义： 晶界强化金属材料强化机制之一 霍耳配奇公式： s 0Kd-1/2第50页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四二 合金塑性变形特点连续网状塑性相脆性相 溶质原子阻碍变形： 第二相： 与第二相的强塑性、大小、形态、分布等有关。固溶强化 第51页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 第二相塑性优于基体，则：而； 硬脆

16、相： 分布合理，则 阻碍位错 不合理 ，则 不能塑变 应力集中 开裂 、ak甚至 第二相强化，弥散强化第52页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四位错与第二相粒子的交互作用 切过机制本片选自西安交大范群成先生作品在此表示感谢！第53页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四位错与第二相粒子的交互作用 绕过机制本片选自西安交大范群成先生作品在此表示感谢！第54页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四5-4 塑性变形对金属组织和性能的影响 一 塑性变形对组织结构影响 1 晶粒变形：等轴状拉长 形成纤维组织、带状组织。 性能各向异性第55页，共6

17、6页，2022年，5月20日，13点18分，星期四原因：位错受阻后塞积、缠结亚晶界 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。晶格较完整的亚晶块严重畸变区2 亚结构的细化 铸态位错密度 d = 10-2 cm； 塑变后位错密度d = 10-410-6 cm第56页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四3 产生形变织构 定义： 金属塑性变形到很大程度(70%)时，晶粒发生转动，各晶粒的位向趋于一致，这种有序化的结构。 另：铸造织构 第57页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 意义：性能各向异性 不利：变形不均匀，“制耳”现象获特异性能：变压器铁

18、芯硅钢片100 难消除须控制变形量第58页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 二 塑性变形对金属性能的影响 1 产生加工硬化 定义： 随变形度增大，金属的强硬度显著增高而塑韧性明显下降的现象。第59页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 原因：位错增殖 意义： 强化手段形变强化； 有利于塑性变形均匀进行 有利于金属构件的工作安全性 不利：再变形难； 加工硬化态(=10111012cm-2)s 位错 退火态 ( =106108cm-2)理论强度值金属须 解决办法：冷加工之间的再结晶退火第60页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四 第一类内应力宏观内应力 工件不同部位 第二类内应力微观内应力 晶粒之间或内部不同区域2 产生残余应力 第三类内应力点阵畸变(位错、空位)1%；造成变形 910%；应力集中，造成裂纹 90%；强度、塑性原因第61页，共66页，2022年，5月20日，13点18分，星期四消除方法： 去应力退火残余应力的应用： 喷丸处理提高强度拉 s 压压拉S第62页，共66页，2