多晶体的塑性变形(23)课件

6.4多晶体的塑性变形一、晶界对塑性变形的影响晶界:多晶体是许多取向不同的小单晶体即晶粒组成的，晶粒和晶粒之间的过渡区域。将多晶铁分别在室温和高温进行拉伸试验。在室温拉伸时，靠近晶界处试样直径变化比较小，远离晶界处则直径显著减小，在高温下，晶界处试样显著变细.经拉伸后晶界处呈竹节状晶界强度与温度关系：

低温或室温下，晶界强而晶粒本身弱；高温情况则相反。晶界与晶粒相对强度是随温度变化而变化的。等强温度：晶粒本身和晶界的强度相等的温度。下图定性地给出晶界和晶粒的强度随温度的变化，并标出等强温度Teq。Teq和形变速率有关，形变速率越高，晶界越强，而晶粒的强度与形变速率关系不大，因而Teq升高。

等温强度示意图3．促进作用在高温在变形时，由于晶界比晶粒弱，故除了晶粒内滑移，相邻两个晶粒还会沿着晶界发生相对滑移，此称为晶界滑动。晶界滑动了也造成晶体宏观塑性变形，但变形量远远小于滑移和孪生引起的塑性变形。4．起裂作用一方面，由于晶界阻碍滑移，此处由于位错塞积而引起应力集中，另一方面，材料中的杂质和第二相往往优先分布于晶界，使晶界变脆。这样一来，在变形过程中裂纹往往起源于晶界。此外，由于晶界处缺陷多，原子处于能量较高的不稳定状态，在腐蚀介质作用下，晶界往往优先被腐蚀形成微裂纹。二、多晶体塑性变形的特点

多晶体中的每一个晶粒滑移变形的规律与单晶体相同，但由于多晶体中存在着晶界，各晶粒的取向也各不相同，因而其塑性变形不同于单晶体，具有以下特点：（1）各晶粒不能同时变形。（2）多滑移。（3）各晶粒的变形不均匀。多晶体中晶粒取向三、晶粒度对性能的影响晶粒度就是指晶粒的大小。晶粒越细，阻碍滑移的晶界越多，屈服强度也就越高。

（称为细晶强化，grainsizestrenthing）

其σs与d关系如下(Hall－Petchequation)：

σs=σ0＋kd-1/2位错塞积来解释：低碳钢的σs与晶粒直径的关系由上图锌的拉伸曲线可以看出：比较：同一材料多晶体的强度高，但塑性较低。单晶塑性高。原因：多晶中各个晶粒的取向不同。在外力作用下，某些晶粒的滑移面处于有利的位向，受到大于σc的切应力，位错开始滑移。当相邻晶粒处于不利位向，不能开动滑移系时，则变形晶粒中的位错不能越过晶粒晶界，而是塞积在晶界附近。所以这个晶粒的变形便受到约束，整个多晶的变形困难得多。结果：只有加大外力，才能使那些滑移面位向不利的晶粒逐渐加入滑移，结果多晶试样强度上升，塑性下降。

一.单相固溶体合金塑性变形溶质原子的作用主要表现在固溶强化(Solid—solutionStrenthening)作用，提高塑性变形抗力。

1.

固溶强化

固溶强化：固溶体合金的σ－ε曲线：由于溶质原子加入使σs和整个σ－ε曲线的水平提高。影响固溶强化的因素：①溶质原子类型及浓度。②溶质原子与基体金属的原子尺寸差。相差大时强化作用大（图）。③间隙型溶质原子比置换型溶原子固溶强化效果好。④溶质原子与基体金属价电子数差。价电子数差越大，强化作用大。固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用、化学交互作用和静电交互作用。Cu-Ni固溶体的力学性能与成分的关系几种合金对铜屈服强度的影响

Cu与Zn,Ni,Al,Sn,Si,Be原子半径的比较：锌和镍的原子半径差别不大，故强化效果不大。而锡和铜原子半径差值的百分比达18.1%，Cu-Sn合金称为锡青铜，Cu-Zn合金称为黄铜,Cu-Ni合金称为白铜，故锡青铜的强度比黄铜白铜高。原子尺寸小的元素Be,Si的强化效果比尺寸大的元素Sn,Al更大。由图中所给出的规律说明固溶强化时，原子尺寸影响是很重要的。合金元素对铜屈服强度的影响2.屈服现象与应变时效低碳钢的σ－ε曲线上屈服点：σyu下屈服点：σyl

吕德斯带：在预先抛光的拉伸试样上，可以看到与外力成一定角度的变形条纹。

屈服现象：具有明显的屈服点（明确的弹性—塑性变形分界点）和塑性流动现象。屈服平台：吕德斯带的延伸和扩展过程，屈服平台之后产生明显的加工硬化。屈服平台的长短和钢中的碳含量有关，随着含碳量的增加，平台淅短至消失。

典型的拉伸曲线(a)FCC,CPH及大部分金属(b)BCC金属原因：（1）柯氏（Cottrell）气团及柯氏气团理论：柯氏气团钉扎位错。（2）位错增殖理论:间隙原子并不是产生屈服现象的必要条件。晶体开始变形之后，即引起大量的位错增殖，比如通过双交滑移的增殖方式，当大量位错增殖后，在维持一定的应变速率时，流变应力就要降低，这就造成屈服。

应变时效:低碳钢经过少量的预变形可以不出现明显的屈服点，如图中2线（卸载后立刻加载的情况），但如果变形后在室温下放置一较长时间或低温经过短时加热，再进行拉伸实验，则屈服点又复出现，且屈服应力提高（图中3）。这种现象就叫应变时效。

低碳钢的拉伸试验1—预塑性变形；2—去载后立即再行加载；3—去载后放置一段时间或在200℃加热后再加载1.聚合型合金的塑性变形（1）若两相都有塑性,合金的变形能力取决与两相的体积分数。可按照等应力(变)理论来计算合金在一定应变条件下的平均应力和在一定条件下的平均应变，则由混合律计算得：

σ=χAσA+χBσB

ε=χAεA＋χBεB

（2）如果聚合型合金两相中一个为塑性相，一个为硬脆相，则合金在塑性变形过程所表现的性能与第二相的相对含量有关，还与第二相的形状、大小、分布有关。讨论：(1)若硬脆相呈连续分布在塑性相(基体)晶界上，则经少量变形后会发生沿晶脆断。脆性相越多，网状越连续，塑性越差。如过共析钢中二次Fe3C呈网状分布于铁素体晶界上。(2)若硬脆相呈层片状分布在基体相中，由于变形主要集中在基体相中，且位错移动被限制在很短距离内，增加了继续变形的阻力，使其强度提高。如钢中的片状P由片状α和片状Fe3C相间组成。(3)若硬脆相呈粒状分布于基体中，因基体相连续，第二相对基体变形的阻碍作用大大减弱，具有强度和塑性的配合。如：粒状P中Fe3C呈颗粒分布，钢具有良好的综合力学性能。（1）不可变形粒子的强化作用如图

，结果在粒子周围留下位错环，而其余部分则越过粒子继续运动。位错线弯曲绕过第二相粒子所需要的切应力为：

τ=Gb/LL—第二相粒子间距这是一临界值，只有外加切应力大于上述临界值时，位错线才能绕过去。因此，τ∝1/L，粒子越多,L越小，τ大.强化效果愈明显。减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数都可以合金强度提高。理论计算λ小到20~50个原子间距时，强化效果最佳。Orowan机制位错绕过第二相粒子的示意图(2)可变形微粒的强化作用

可变形粒子的合金中位错运动与粒子相遇时切过机制，即第二相粒子在位错切过粒子时随同基体一起变形。其强化作用取决于粒子本身的性质及粒子与基体的联系。可变形粒子的主要作用有以下几方面：1位错切过粒子时,粒子产生宽度为b的台阶，出现了新的表面积，界面能升高。2第二相粒子与基体点阵不同，晶格常数也不同，位错切过粒子时，引起滑移面上原子错排，需要做功，给位错运动带来困难。3沉淀相颗粒的共格应力场与位错的应力场之间产生弹性交互作用，阻碍位错运动。4位错切过后产生一割阶，阻碍位错运动。5当颗粒的弹性切变模量高于基体时，位错进入沉淀相便增大位错自身的弹性畸变能，引起位错和线张力变大，位错运动遇到更大的阻力。位错行为DislocationBehavior6.6塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响主要表现在以下方面：显微组织变化，包括晶粒形状的变化、亚结构的变化、形变织构性能的变化，包括加工硬化、力学性能、物理性能、化学性能经塑性变形后材料的显微组织（microstructure）变化如下：1.晶粒形状的变化（1）出现了大量的滑移带和孪晶带（2）晶粒形状发生了变化。随变形度增大，等轴状晶粒—→扁平晶粒—→纤维组织（fibermicrostructure）。纤维组织分布方向是材料流变伸展方向。材料顺着纤维方向强度较高，而垂直纤维方向的强度较低，产生了性能上的各向异性。（3）当金属中组织不均匀，如有枝晶偏析或夹杂物时，塑性变形使这些区域伸长，这在后序的热加工或热处理过程中会出现带状组织（bandmicrostructure）。一、显微组织变化低碳钢性变形后纤维组织

a)30%压缩b)50%压缩2.形变织构

(1)形变织构（deformationtexture）：由于晶体的转动使各个晶粒的取向趋于一致，即晶粒在空间上的择优取向（preferredorientation）（2）类型及特征a丝织构（fiber/wiretexture）及特征：用<uvw>表示

b板织构（rollingtexture）及特征：用｛hkl｝<uvw>表示形变织构二、塑性变形后金属性能的变化

1、加工硬化现象在金属塑性形变进行的时候，随着应变的增加，金属的形变抗力不断增加，这就是加工硬化。θ=dτ/dε

θ称为硬化率。根据硬化率的行为可将曲线分为三个阶段：(1)第一阶段是易滑移阶段，硬化系数θⅠ非常小，只有一个滑移系开动，为单滑移过程。此段接近于直线，其斜率

（

或

）即加工硬化率低，一般

为～10-4G数量级（G为材料的切变模量）。(2)第二阶段第二个滑移系开动——多滑移，也称线性硬化阶段：θⅡ大，也是常数，随着应变量增加，应力线性增长，此段也呈直线，且斜率较大，加工硬化十分显著，(3)第三阶段θⅢ不断下降，大量的滑移带形成。

单晶体的切应力一应变曲线，显示塑性变形的三个阶段

上述三个阶段加工硬化与其塑性变形不同过程中位错的运动及交互作用有关.Ⅰ.只有一组取向最有利的滑移系开动，位错无干扰，可移动的距离长并可到表面，位错源产生新位错，应变较大，硬化率低。Ⅱ.多滑移、位错相互作用，形成位错缠结或塞积，阻止位错运动，σ↑，加工硬化速率提高。Ⅲ.螺位错交滑移，异号位错可相互抵消，ρ↓，加工硬化速率下降。金属流变应力σb与ρ（位错密度）之间的关系为：σb=αGbρ½或τ=τ0+αGbρ½实际各晶体的加工硬化曲线因其晶代表结构类型、取向、杂质含量及温度等因素的不同而有所变化。其情况如下：(1)fcc和bcc显示出典型的三个阶段硬化；(2)hcp初始阶段与fcc相近，但hcp第一阶段远远超过了fcc和bcc；(3)当bcc含有杂质原子，因杂质原子与位错交互作用，将产生屈服现象并使曲线发生变化。塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素多晶体的加工硬度两个特点（1）加工硬度率明显高于单晶体，应变曲线不会出现单晶曲线的第I阶段。（2）加工硬度率高，而且其硬化曲线通常更陡，细晶粒多晶体在变形开始阶段尤为明显。

单晶与多晶的应力一应变曲线比较（室温）

（a）Al（b）Cu

2、机械性能总的来说：强度、硬度上升；塑性、韧性下降。如图所示。3.物理性能电阻率增加；导热系数下降；矫顽力增加；扩散速率增加。由于塑性变形使得金属中的结构缺陷增多，自由焓升高，因而导致金属中的扩散过程加速，金属的化学活性增大。4、残余应力1.储存能（storedenergy）:储存能的表现形式：宏观残余应力、微观残余应力、点阵畸变2.残余应力（retainedstre