材料科学基础-第6章

河南理工大学材料科学与工程学院材料科学基础FoundationsofMaterialsScienceSchoolofMaterialScienceandEngineeringHenanPolytechnicUniversity

任课教师：崔红保§1单晶体金属的塑性变形

§2多晶体的塑性变形

§3合金的塑性变形

§4金属塑性变形后的组织与性能

塑性成形PlasticityDeformation基本要求１．熟悉滑移、孪生变形的重要特点、滑移系的概念、滑移的位错机制；２．熟悉多晶体塑性变形的特点及塑性变形对金属组织与性能的影响；３．掌握冷变形金属加热时组织与性能的变化；４．了解热加工的概念，掌握热加工对金属组织与性能的影响。

第六章金属的塑性变形与再结晶锻压的优缺点能改善金属的组织，提高金属的机械性能。节约金属材料和切削加工工时。具有较高的生产率。不能直接锻制成形状复杂的零件。尺寸精度不高。需要重型的机器设备和复杂的工模具。生产现场劳动条件较差。滑移（slip)孪晶(twin)一、塑性变形的基本形式

常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生一滑移1滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。

SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E6.1.1单晶体的塑性变形滑移带和滑移线1.滑移1.滑移

3滑移的晶体学滑移面（密排面）（1）几何要素滑移方向（密排方向）

1.滑移滑移面：原子间距小滑移方向：原子排列密度最大滑移系：一个面＋一个方向1.滑移

3滑移的晶体学（2）滑移系滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系的个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）1.滑移（1）fcc滑移系滑移方向<110>，滑移面一般为{111}面心立方结构共有四个不同的{111}晶面，每个滑移面上有三个<110>晶向，故共有4×3=12个滑移系。体心立方：6个面×2个方向＝12面心立方：4个面×3个方向＝12密排六方：1个面×3个方向＝3滑移系越多材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显！

3滑移的晶体学（2）滑移系

滑移系数目与材料塑性的关系

1.一般滑移系越多，塑性越好；

2.与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；

3.与同时开动滑移系数目有关（

c）。2.滑移系3、滑移临界分切应力任何应力都可以分解为：一个正应力(

)一个切应力(

)正应力___伸长、断裂切应力___滑移变形3、滑移临界分切应力

3滑移的晶体学（3）滑移的临界分切应力（

c）

c：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。

(外力在滑移方向上的分解)

c＝

scos

cos

3．临界分切应力应力与外力F方向相同，可分解为两个分应力，一个为垂直于滑移面的分正应力，另一个为分切应力。分切应力τ作用在滑移方向使晶体产生滑移，其大小为：

称为取向因子，或称施密特因子（Schmid）,取向因子越大，则分切应力越大。对于任一给定的φ值，取向因子的最大值出现在

λ=90º-φ时：

当φ=45º时（也为45º），取向因子有最大值1/2，此时，得到最大分切应力。（2）能使晶体滑移的力是外力在滑移系上的分切应力。通常把给定滑移系上开始产生滑移所需分切应力称为临界分切应力。（3）在拉伸时，可以粗略认为金属单晶体在外力作用下，滑移系一开动就相当于晶体开始屈服，此时，对应于临界分切应力的外加应力就相当于屈服强度σS

。

单晶体的屈服强度随取向因子而改变

φ=45º时，，取向因子达到最大值，产生拉伸变形的屈服应力最小。

φ=90º或0º时,σS=∞,晶体不能沿该滑移面产生滑移。

3滑移的晶体学（3）滑移的临界分切应力（

c）

c取决于金属的本性，不受

，

的影响；

或

＝90

时，

s

；

c＝

scos

cos

s的取值

，

＝45

时，

s最小，晶体易滑移；

软取向：值大；

取向因子：cos

cos

硬取向：值小。

4滑移时晶体的转动（1）位向和晶面的变化拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向;

压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。（2）取向因子的变化几何硬化：

，

远离45

，滑移变得困难；几何软化；

，

接近45

，滑移变得容易。4滑移时晶体的转动4、滑移时晶体的转动4滑移时晶体的转动5．多系滑移与交滑移

（1）多系滑移。单滑移：只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先开动时，形成单滑移。（2）多系滑移：由于变形时晶体转动的结果，有两组或几组滑移面同时转到有利位向，使滑移可能在两组或更多的滑移面上同时或交替地进行，形成“双滑移”或“多滑移”。·如果发生双滑移或多系滑移，会出现交叉形的滑移带交叉形的滑移带Al易交滑移，产生波纹状滑移带Cu不易交滑移，无波纹状滑移带

·交滑移是纯螺位错的运动，当螺位错分解为扩展位错时，欲交滑移，必须先束集为全螺位错，此过程与层错能有关（层错能越低，越难束集，难以发生交滑移），还可因热激活而得到促进。理论滑移力与实际滑移力（Cu）

理＝6400N/mm2

实＝1.0N/mm2

滑移机理示意图6滑移的位错机制7.位错增殖机制8位错交割和塞积18Cr-8Ni不锈钢薄膜中的平面排列的位错(b)薄膜中排列在滑移面上的位错的示意图(a)18Cr-8Ni不锈钢薄膜中平面排列的位错(b)薄膜中排列在滑移面上的位错示意图8位错交割和塞积6.1.1单晶体的塑性变形二孪生（1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。孪生面A1{111},A2{112},A3{1012}（2）孪生的晶体学孪生方向A1<112>,A2<111>,A3<1011>

孪晶区

FCC晶体的孪生变形过程示意图6.1.1单晶体的塑性变形6.1.1单晶体的塑性变形2．孪生的特点（1）孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距的分数倍；孪生是部分位错运动的结果；孪晶面两侧晶体的位向不同，呈镜面对称；孪生是一种均匀的切变；孪晶浸蚀后有明显的衬度，经抛光与浸蚀后仍能重现。

6.1.1单晶体的塑性变形二孪生6.1.1单晶体的塑性变形

滑移孪生相同点1切变；2沿一定的晶面、晶向进行；3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6.1.1单晶体的塑性变形6.1.2多晶体的塑性变形1晶粒之间变形的传播位错在晶界塞积应力集中相邻晶粒位错源开动相邻晶粒变形塑变

2晶粒之间变形的协调性（1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。（2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）（3）条件：独立滑移系

5个。（保证晶粒形状的自由变化）

6.1.2多晶体的塑性变形3晶界对变形的阻碍作用（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。

6.1.2多晶体的塑性变形3晶界对变形的阻碍作用（3）晶粒大小与性能的关系

a晶粒越细，强度越高(细晶强化：霍尔－配奇公式)

s=

0+kd-1/2

原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）

晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。

b晶粒越细，塑韧性提高细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现高韧性。6.1.2多晶体的塑性变形一、晶界阻滞效应和取向差效应1．晶界阻滞效应：90%以上的晶界是大角度晶界，其结构复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受阻而不易直接传到相邻晶粒6.1.2多晶体的塑性变形2．取向差效应：

多晶体中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。

6.1.2多晶体的塑性变形多晶体金属塑性变形的特点1．各晶粒变形的不同时性和不均匀性。2．各晶粒变形的相互协调性，需要五个以上的独立滑移系同时动作。由于晶界阻滞效应及取向差效应，变形从某个晶粒开始以后，不可能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒之中，但多晶体作为一个连续的整体，每个晶粒处于其它晶粒的包围之中，不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形，否则必将造成晶界开裂，为使每一晶粒与邻近晶粒产生协调变形，VonMises指出：晶粒应至少能在五个独立的滑移系上进行滑移。

fcc和bcc金属能满足五个以上独立滑移系的条件，塑性通常较好；而hcp金属独立滑移系少，塑性通常不好。6.1.2多晶体的塑性变形二、多晶体金属塑性变形的特点3．滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。4．多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。由于晶界阻滞效应及取向差效应，使多晶体的变形抗力比单晶体大，其中，取向差效应是多晶体加工硬化更主要的原因，一般说来，晶界阻滞效应只在变形早期较重要。5．塑性变形时，导致一些物理、化学性能的变化。6．时间性。

hcp系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的晶界阻滞效应和极高的加工硬化率，而在立方晶系金属中，多晶和单晶试样的应力—应变曲线就没有那么大的差别。

单相合金（singlephasealloys)多相合金（multiplephasealloy)L2相a相Al-17.5wt%In合金定向凝固组织三相共晶:

L

+

+

一固溶体的塑性变形(plasticdeformationofsolidsolution)

1固溶体的结构

2固溶强化（solutionstrength)（1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。晶格畸变，阻碍位错运动；（2）强化机制柯氏气团强化。6.1.3

合金的塑性变形

注意！固溶强化的本质1·单相固溶体合金塑性变形的特点对于同一溶质，固溶体的屈服强度一般与其含量成直线关系。单相固溶体合金塑性变形的特点2．屈服点现象试样开始屈服时对应的应力称为上屈服点载荷首次降低的最低载荷或不变载荷称为下屈服点，试样继续伸长，应力保持为定值或有微小的波动，在拉伸曲线上出现一个应力平台区，试样在此恒定应力下的伸长称为屈服伸长。·屈服现象的解释解释：

溶质原子与位错的应力场发生弹性交互作用，形成气团钉扎位错运动，必须在更大的应力作用下才能产生新的位错或使位错脱钉，表现为上屈服点；一旦脱钉，使位错继续运动的应力就不需开始时那么大，故应力值下降到下屈服点，试样继续伸长，应力保持为定值或有微少的波动。·单相固溶体合金塑性变形的特点之----3．应变时效将低碳钢试样拉伸到产生少量预塑性变形后卸载，然后重新加载，试样不发生屈服现象，但若产生一定量的塑性变形后卸载，在室温停留几天或在低温（如150℃）时效几小时后再进行拉伸，此时屈服点现象重新出现，并且上屈服点升高，这种现象即应变时效。应变时效原因室温长期停留或低温时效期间，溶质原子C、N又聚集到位错线周围重新形成气团所致。

二多相合金的塑性变形

1结构：基体＋第二相（matrix+secondphase)。

2性能（1）(聚合性合金）两相性能接近：按强度分数相加计算。

6.1.3

合金的塑性变形

2多相合金的塑性变形2性能（2）软基体＋硬第二相位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动)b弥散强化位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍位错运动）

变形前后晶粒形状变化示意图6.2

金属塑性变形后的组织与性能

1.显微组织的变化一对组织结构的影响晶粒拉长;1形成纤维组织杂质呈细带状或链状分布。6.2

金属塑性变形后的组织与性能

1.显微组织的变化塑性变形对显微组织的影响H62黄铜挤压的带状组织1.显微组织的变化

2形成位错胞变形量位错缠结位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。)

形变亚结构（形变亚晶）1．定义：多晶体中位向不同的晶粒取向变成大体一致，这个过程称为“择优取向”。择优取向后的晶体结构称为“织构”，由变形引起的织构称为变形织构。2．丝织构在拉丝时形成，使各个晶粒的某一晶向转向与拉伸方向平行，以与线轴平行的晶向<uvw>表示。3.变形织构

变形织构之--3．板织构

轧制时，使晶粒的某一晶向趋向于与轧制方向平行，某一晶面趋向于与轧制面平行，以与轧面平行的晶面{hkl}和与轧向平行的晶向<uvw>表示，记为{hkl}<uvw>。一对组织结构的影响2形成形变织构（1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。

丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）（2）类型板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形方向。（轧制时形成）

变形织构之--5．织构利弊

织构的形成使材料的性能出现各向异性。

例1:制耳

例2：硅钢片高斯织构（110）[001]

立方织构（100）[001]

这两种织构使其磁化性能得到改善。6.2

塑性变形对材料组织和性能的影响

金属塑性变形时，外力所作的功除了转化为热量之外，还有一小部分被保留在金属内部，表现为残余应力。按照残余应力平衡范围的不同，通常将其分为三类：1．第一类内应力，又称宏观残余应力2．第二类内应力，属微观内应力3．第三类内应力，即晶格畸变应力4、变形后金属中的残余应力变形后金属中的残余应力-----1．第一类内应力又称宏观残余应力，作用范围为整个工件，它是由金属材料（或零件）各个部分（如表面和心部）的宏观形变不均匀而引起的。第一类内应力使工件尺寸不稳定，严重时甚至使工件在受力之下变形产生断裂。变形后金属中的残余应力-----2．第二类内应力

微观内应力作用尺度与晶粒尺寸为同一数量级，往往在晶粒内或晶粒之间保持平衡，是由于晶粒或亚晶粒之间变形不均匀而引起的。第二类内应力使金属更容易腐蚀，以黄铜最为典型，加工以后由于内应力存在，于春季或潮湿环境下发生应力腐蚀开裂。变形后金属中的残余应力-----3．第三类内应力即晶格畸变应力属微观内应力。塑性变形时产生大量空位和位错，其周围产生了点阵畸变和应力场，此时的内应力是在几百或几千个原子范围内保持平衡，其中占主要的又是由于生成大量位错所形成的应力。第三类内应力是产生加工硬化的主要原因。三

残余应力（约占变形功的10％）

第一类残余应力（

Ⅰ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。

1分类

第二类残余应力（

Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。

第三类残余应力（

Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空位等引起。80-90%。

Ⅰ三

残余应力（约占变形功的10％）

利：预应力处理，如汽车板簧的生产。

2利弊

弊：引起变形、开裂,如黄铜弹壳的腐蚀开裂。

3消除：去应力退火。

6h二对性能的影响（Theeffectofplasticdeformationontheproperties)

1对力学性能的影响（1）加工硬化（work-hardening）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。

二对性能的影响

1对力学性能的影响（加工硬化）

强化金属的重要途径；利提高材料使用安全性；（2）利弊材料加工成型的保证。弊变形阻力提高，动力消耗增大；脆断危险性提高。

深冲冷带钢深冲铝合金件回复（recovery)：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无明显变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。(回复阶段只有亚结构和发生变化，新的无畸变晶粒没有出现）再结晶(recrystallization)：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变