金属及合金的塑性变形

关于金属及合金的塑性变形本章重点：（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85页，星期六，2024年，5月§4-1金属的变形特性一金属变形的方式及研究方法1方式：弹性变形塑性变形断裂成形失效第3页,共85页，星期六，2024年，5月

2研究方法曲线种类：①载荷—变形曲线②真应力—真应变曲线③工程应力—应变曲线

┗主要研究手段第4页,共85页，星期六，2024年，5月拉伸过程与拉伸曲线示意第5页,共85页，星期六，2024年，5月工程应力—应变曲线中“颈缩”现象掩盖了

“加工硬化”颈缩

σ—ε：工程应力应变曲线σ—εS—eσεS—e：真应力真应变曲线第6页,共85页，星期六，2024年，5月二工程应力应变曲线

低碳钢应力应变曲线--典型性①分析变形过程；②强度、塑性指标的意义σe、σs、σb、δ、ψ

εσbσsσe第7页,共85页，星期六，2024年，5月弹性阶段弹性极限e屈服阶段屈服极限s强化阶段强度极限

b颈缩阶段第8页,共85页，星期六，2024年，5月◆屈服点概念：力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号：

s

表示◆抗拉强度概念：试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号：

b表示

注：

s、

b是设计与选材的重要依据另：

e

表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。第9页,共85页，星期六，2024年，5月塑性

plasticity概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。判据：断后伸长率、断后断面收缩率◆断后伸长率概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比。其中：Lk—断后试样长度Lo—试样原始长度◆断后断面收缩率概念：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用

表示塑性大小。、Ψ越大，材料的塑性越好。通常认为

<5%脆性材料。第10页,共85页，星期六，2024年，5月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σ—ε形式与材料塑性有关第11页,共85页，星期六，2024年，5月三弹性模量与刚度

σ=E·ε；τ=G·γ；----弹性模量意义：⑴拉伸曲线上，斜率；⑵弹性变形难易；⑶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：A·E——弹性变形难易材料刚度：E第12页,共85页，星期六，2024年，5月一、弹性形变的宏观定律§4-2弹性变形二、弹性变形能三、影响弹性变形的因素第13页,共85页，星期六，2024年，5月一、塑性形变的宏观特征§4-3塑性形变的表象二、塑性形变在纤维组织中的反映晶粒外形的变化晶粒内部的变化第14页,共85页，星期六，2024年，5月§4-4单晶体的塑性变形塑性变形研究思路：①基本单元——单晶体变形特性②晶界影响——多晶体变形特性③相界——合金变形特性塑性变形方式：滑移；孪生F第15页,共85页，星期六，2024年，5月一．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16页,共85页，星期六，2024年，5月滑移带滑移线高锰钢中的滑移带，500X第17页,共85页，星期六，2024年，5月②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τ单晶体滑移示意图滑移线滑移带(~100个原子间距)~10000个原子间距第18页,共85页，星期六，2024年，5月

2滑移特点

⑴发生在最密排晶面，

滑移方向为最密排晶向；⑵只在切应力下发生，存在临界分切应力σσ弹性伸长断裂ττ弹性歪扭塑性变形（滑移）στFⅠⅡ第19页,共85页，星期六，2024年，5月λ:拉伸轴线与滑移方向夹角φ:拉伸轴线与滑移面法向夹角τ＝(Fcosλ)/(A/cosφ)＝F/A·（cosλ·cosφ)＝σcosλ·cosφλ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20页,共85页，星期六，2024年，5月临界分切应力(τK)：使滑移系开动的最小分切应力τk的影响因素：①取决于金属本性，与外力无关，取向无关②组织敏感参数：金属不纯，变形速度愈大，变形温度愈低，τk愈大。什么是临界分切应力：第21页,共85页，星期六，2024年，5月λ当τ>τK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λ＝90°－φ时，可能获最大取向因子：cosλ·cosφ＝cos(90°－φ)·cosφ第22页,共85页，星期六，2024年，5月φ＝45°时:取向因子获最大值1/2取向因子大——软取向φ或λ＝90°时:取向因子为0，τ＝0，取向因子小——硬取向cosλ·cosφ＝cos(90°－φ)·cosφ第23页,共85页，星期六，2024年，5月与τK对应的σ即为σsσs的影响因素：①与τk有关；②与外力取向有关:σs＝τK/(cosλ·cosφ)第24页,共85页，星期六，2024年，5月⑶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；ττττ第25页,共85页，星期六，2024年，5月滑移面滑移前PP滑移后力偶⑷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26页,共85页，星期六，2024年，5月单晶体拉伸变形示意第27页,共85页，星期六，2024年，5月滑移时晶体的转动和旋转位向和晶面的变化

拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向

压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。

第28页,共85页，星期六，2024年，5月SingleCrystalSlip第29页,共85页，星期六，2024年，5月意义：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30页,共85页，星期六，2024年，5月⑸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31页,共85页，星期六，2024年，5月交滑移：多个滑移面同时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32页,共85页，星期六，2024年，5月意义：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33页,共85页，星期六，2024年，5月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34页,共85页，星期六，2024年，5月

(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35页,共85页，星期六，2024年，5月

（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：6×2=12第36页,共85页，星期六，2024年，5月面心立方(f.c.c)

(111)〔110〕滑移面：｛111｝(111),(111),(111),(111);滑移方向：〈110〉滑移系数:4×3=12第37页,共85页，星期六，2024年，5月密排六方：滑移面｛0001｝滑移方向〈1120〉滑移系数目：1×3=3第38页,共85页，星期六，2024年，5月（3）滑移系数目的实际意义

—判断塑性变形能力①滑移系数目愈多，塑性愈好；②滑移系数相同时，滑移方向多者塑性较好塑性排序：f.c.c>b.c.c>h.c.p第39页,共85页，星期六，2024年，5月二滑移机制原子刚性移动模型演示第40页,共85页，星期六，2024年，5月τ理=G·γ=G/2；但τ实=10-3~10-4G/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41页,共85页，星期六，2024年，5月——位错学说滑移台阶完整晶体有缺陷晶体第42页,共85页，星期六，2024年，5月刃位错滑移演示第43页,共85页，星期六，2024年，5月

1滑移的本质：位错学说：①晶体内部存在某类缺陷——位错②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——τ实〈〈τ理的原因└实际金属强度远小于理想结构金属强度。第44页,共85页，星期六，2024年，5月滑移是由位错运动造成的（滑移位错机制）第45页,共85页，星期六，2024年，5月第46页,共85页，星期六，2024年，5月2

滑移过程中存在位错增殖

背景:退火态ρ位错≈1010m-2；冷变形:ρ位错≈1015~1016m-2；——位错增殖学说DD′τ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47页,共85页，星期六，2024年，5月弗兰克-瑞德源机制演示第48页,共85页，星期六，2024年，5月

意义：引起滑移的位错并不消失反而增殖→ρ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。①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└ρ位错↑↑使σ、HB↑的主要原因②杂质、晶界、固定位错阻碍位错运行，导致位错塞积第49页,共85页，星期六，2024年，5月三孪生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50页,共85页，星期六，2024年，5月第51页,共85页，星期六，2024年，5月2孪生特点：①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。②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的分数倍；③存在临界分切应力:τ孪>>τ滑④变形速度极快，声响，变形量小。第52页,共85页，星期六，2024年，5月孪生与滑移变形比较第53页,共85页，星期六，2024年，5月1.孪生：均匀切变。滑移：塑性变形是不均勺的。2.孪生：各晶面移动量与其离孪晶面距离成正比，相邻晶团相对移动距离通常只是原子间距的几分之一。滑移：变形时，滑移距离则是原于间距的整倍数。3.孪生：晶体变形部分的位向发生变化，并且孪晶面与未变形部分对称。滑移时，晶体位向并不发生变化。4.孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型。5.孪生临界分切应力值大，因此，只在很难滑移的条件下，晶体才发生孪生。滑移系少的密排六方金属，常以孪生方式变形。第54页,共85页，星期六，2024年，5月孪生变形产生的塑性变形量一般不超过10％，但是孪生使晶体位向变化，从而引起滑移系取向变化，能促进滑移的发生。往往孪生与滑移交替发生，即可获得较大的塑性变形量。第55页,共85页，星期六，2024年，5月四影响塑性变形方式的因素

（1）晶体结构

τ滑<<τ孪,足够滑移系数目时→滑移f.c.c：滑移；极低温例外（位错被钉扎）b.c.c：滑移为主；冲击或低温时例外h.c.p：孪生孪生作用：①直接贡献；②促进滑移。第56页,共85页，星期六，2024年，5月（2）变形速度V变形↑，↑孪生几率；原因：τ滑↑，τ滑与τ孪差距↓，（3）变形温度T↓，↑孪生几率；原因：τ滑↑①V变形↑与低温综合作用加剧孪生；②滑移与孪生往往交替进行。第57页,共85页，星期六，2024年，5月§4-5多晶体与合金的塑性变形晶界第58页,共85页，星期六，2024年，5月一多晶体塑性变形特点⑴单个晶粒与单晶体一致；⑵各晶粒的变形具不同时性：分批、逐次。

原因：取向不同⑶变形具不均匀性晶粒内部与边界、晶粒之间（取向）。第59页,共85页，星期六，2024年，5月⑷多晶体变形抗(阻)力>单晶体原因：①晶界阻碍位错运动；②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：σs＝σ0＋Kd-1/2第60页,共85页，星期六，2024年，5月二合金塑性变形特点连续网状塑性相脆性相⑴溶质原子阻碍变形：⑵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61页,共85页，星期六，2024年，5月①第二相塑性优于基体，则：↑δ而↓σ；②硬脆相：分布合理，则→阻碍位错→↑σ不合理，则→不能塑变→应力集中→开裂→↓δ、ak甚至σ——第二相强化，弥散强化第62页,共85页，星期六，2024年，5月一单相固溶体的塑性变形1固溶体的结构2固溶强化

（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

气团（缺陷之间的反应或缠结）。

分类第63页,共85页，星期六，2024年，5月二.两相合金的塑性变形1结构：基体＋第二相。2性能：（1）两相性能接近：按强度分数相加计算。（2）软基体＋硬第二相第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；两相呈层片状分布（珠光体）；第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）（弥散强化）。

第64页,共85页，星期六，2024年，5月4.6塑性变形对金属组织和性能的影响一.塑性变形对金属组织结构的影响二.塑性变形对金属对性能的影响三.产生残余应力第65页,共85页，星期六，2024年，5月一.塑性变形对金属组织结构的影响

⑴纤维组织形成金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。

第66页,共85页，星期六，2024年，5月

塑性变形对组织结构影响

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67页,共85页，星期六，2024年，5月

⑵亚结构形成金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。

第68页,共85页，星期六，2024年，5月原因：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亚结构的细化铸态位错密度d=10-2cm；塑变后位错密度d=10-4~10-6cm第69页,共85页，星期六，2024年，5月

⑶形变织构的产生由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定程度（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。

第70页,共85页，星期六，2024年，5月形变织构

①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71页,共85页，星期六，2024年，5月②意义：性能各向异性不利：变形不均匀，“制耳”现象获特异性能：变压器铁芯硅钢片［100］难消除——须控制变形量第72页,共85页，星期六，2024年，5月二

对性能的影响1对力学性能的影响（加工硬化）

（1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：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。强化金属的重要途径；

利

（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。

第73页,共85页，星期六，2024年，5月⑵原因：位错增殖↑↑⑶意义：①强化手段—形变强化；

②有利于塑性变形均匀进行③有利于金属构件的工作安全性不利：再变形难；加工硬化态(ρ=1011~1012cm-2)σs

位错ρ退火态

(ρ=106~108cm-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74页,共85页，星期六，2024年，5月二

对性能的影响

2对物理、化学性能的影响

导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；

结构缺陷增多，扩散加快；

化学活性提高，腐蚀加快。

第75页,共85页，星期六，2024年，5月塑性变形对材料对性能的影响1）加工硬化：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，脆断危险性提高。变形阻力提高，动力消耗增大。2）对物理、化学性能的影响

导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；

结构缺陷增多，扩散加快；

化学活性提高，腐蚀加快。

？第76页,共85页，星期六，2024年，5月2.随变形量增加，亚结构细化3.随变形量增加,空位密度增加4.几何硬化：由晶粒转动引起由于加工硬化,使已变形部分发生硬化而停止变形,而未变形部分开始变形。没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。变形20%纯铁中的位错未变形纯铁第77页,共85页，星期六，2024年，5月三

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%。