第六章_金属及合金的塑性变形与断裂.ppt

1、第六章 金属的塑性变形与断裂,塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著的影响. 了解塑性变形的本质,塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺.,5万吨水压机,第一节 金属的变形特性,金属在外力的作用下的变形过程可分为弹性变形、弹塑性变形和断裂三个连续阶段。 一、应力应变曲线,(1) 屈服点 试样屈服时的应力为材料的屈服点 产生明显塑性变形的最低应力值.,屈服点（强度）,（2）屈服强度( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形),试样产生0.2%残余塑性变形,屈服点 s 、屈服强度0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。,塑性：指材料在载荷作用

2、下产生塑性变形而不被破坏的能力。,评定塑性的指标： (1)断面收缩率: 指试样拉断处横截面积的收缩量 S与原始横截面积S0之比。,(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量 L 与原始标距L 0之比。,S0 - S 1 = - 100% S0,塑性指标,l 1 - l0 = - 100% l0,塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性， 防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。,二、真应力-真应变曲线,三、金属的弹性变形,2）.弹性极限: Fe 弹性极限载荷( N ) e = ( M pa ) S0 试样原始横截面(mm2 ),E= / ,1）.弹性:金属材料受外力作用时产

3、生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。,弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。,2）刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 弹性模量：弹性下应力与应变的比值，表示材料抵抗弹性变形的能力。 即： E= / 切变模量：G/ 材料的E越大，刚度越大； E对组织不敏感； 零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关 、 分别是正应变和切应变 E、 G是表征材料抵抗弹性变形能力和衡量材料“刚度”的指标。,第二节 单晶体的塑性变形,单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。,单晶体金属的塑性变形,一、

4、 滑移 （一）滑移及滑移带 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。,塑性变形的形式：滑移和孪生。 金属常以滑移方式发生塑性变形。,滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。,铜拉伸试样表面滑移带,1、滑移变形的特点 ： 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力.,正应力作用.swf, 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。,沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常

5、是晶体中的密排面和密排方向。,一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。,（二）滑移系,滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。,（三）滑移的临界分切应力,在剪切应力作用下位错线滑移，并在表面形成台阶，这就是塑性变形后在表面形成滑移带的本质。那麽在拉伸外力作用下，如何能导致位错线滑移？ 图给出了拉伸外力P与任一晶面上的剪切应力大小的关系。外力P作用在面积为A的圆柱体上，在滑移面上产生的分切应力,F在滑移方向上的分切应力为,只有值大于和等于某一个临界值，柱体的上下两

6、部分才会相对的滑移，产生宏观的塑性变形。这个分切应力就称为临界分切应力c。,（四）切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动,滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。,自由滑移变形.swf,转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶.,当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45角时，滑移,方向上切应力最大，因而最容易发生滑移. 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。,A0,自由滑移变形.swf 受夹具限制时代变形.swf 压缩时的晶面转动.swf,几何软化 几何硬化 压缩时的晶面转动.swf,韧性断口,2、滑移的机理

7、 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。,（五）多滑移系,在两个或更多的滑移系上进行的滑移系称为多滑移系，简称多滑移。,（六）交滑移,两个或多个滑移面沿共同的滑移方向同时或交替地滑移，称为交滑移。两个或多个滑移面沿共同的滑移方向同时或交替地滑移，称为交滑移。,1.位错的运动与晶体的滑移刃型位错的滑移,螺型位错的滑移：,在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够大时，有使晶

8、体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中有一螺型位错，显然位错在晶体中向后发生移动，移动过的区间右边晶体向下移动一柏氏矢量。,2.位错的增殖,位错增值模型.swf 螺位错双交滑移增殖模型.swf,3.位错的交割与塞积,位错的塞积位错塞积形成裂纹.swf 整个塞积群对位错源有一反作用力。当塞积位错的数目达到n时，这种反作用力与外加切应力可能达到平衡。此时，位错源则会关闭；要想继续滑移，就必须增大外力，这就是应变硬化的机制之一。,位错在障碍物前的塞积,当两条位错线交割时，每条位错线上都可能出现长度相当于另一条位错线b的割阶,这就增加了位错长度，是位错能量升高，是变形所需的总能量升高； 另外，当割

9、阶垂直于滑移面时，此割阶有阻止位错运动的作用，会使晶体进一步滑移的抗力增加，这是加工硬化的主要原因。,小结： 交滑移与多滑移不同，后者是由完全不同的两个滑移系分别或交替进行滑移；而交滑移是由具有同一滑移方向的两个或多个滑移系同时启动而进行。一般来说，只有螺位错可以引起交滑移。,二、孪生 孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。,单晶体孪生.swf,发生切变的部分称孪生带或孪晶带，沿其发生孪生的晶面称孪生面。 孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。,孪晶组织,孪生示意图,与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时

10、相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.,密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。,第三节 多晶体金属的塑性变形,单个晶粒变形与单晶体相似,滑移、孪晶两种方式。但多晶体变形比单晶体复杂。 晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。,晶界对塑性变形的影响,Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积,2、晶

11、粒位向的影响 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形,便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。, 多晶体金属的塑性变形过程 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由,一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。, 晶粒大小对塑性变形的影响 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高细晶强

12、化。 因为金属晶粒越,细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。,晶粒大小与金属强度关系,金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。 因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变,形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。,通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。,第四节 合金的塑性变形,合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种.合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.,一、单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化 单相固溶体合金组

13、织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。,固溶强化的实质,固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。即溶质原子与位错弹性交互作用的结果，如下图所示，使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小畸变，使系统更加稳定，此即称为柯氏(cotrell)气团。显然，柯氏气团对位错有“钉扎”作用。为了使位错挣脱气团而运动，必须施加更大的外力。因此，固溶体合金的塑性变形抗力要高于纯金属。,二、多相合金的塑性变形与弥散强化 当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变,形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、

14、形态、大小、数量和分布有关。第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，工业合金中第二相多数是化合物。,+钛合金(固溶体第二相),当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利； 当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；,珠光体,当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。 弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。,颗粒钉扎作用的电镜照片,第五节 塑性变形对组织和性能的影响,一、塑性变形对组织结构的影响 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也

15、相应地被拉长或压扁。 当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变,得模糊不清。 塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。,工业纯铁在塑性变形前后的组织变化,塑性变形对金属组织的影响,晶粒拉长，纤维组织 各向异性 (沿纤维方向的强度、塑性最大）,变形10% 100,变形40% 100,变形80%纤维组织100,工业纯铁不同变形度的显微组织,由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。,形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生,“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。,织构,绝大部分晶粒的某一位向与外

16、力方向趋于一致，性能出现各向异性。,晶粒拉长，但未出现织构。,晶粒拉长，且出现织构。,轧制铝板的“制耳”现象,二、加工硬化,随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。,冷塑性变形与性能关系,产生加工硬化的原因是: 1、随变形量增加, 位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加.,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

17、理强化的金属和合金尤为重要。,三、残余内应力,内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时, 内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中. 内应力分为三类： 第一类内应力平衡于表面与心部之间 (宏观内应力)。 第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间, (微观内应力)。 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。,第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。,内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火,处理，以消除或降低内应力。,晶界位错塞积所引起的应力集中,6-6 金属的断裂,断裂是金属材料在外力的作用下丧失连续性的过程，它包括裂纹的萌生和裂纹的扩展两个基本过程。 断裂的研究涉及断裂力学、断裂物理、断裂化学及断口学等几个方面。,一、塑性断裂,塑性断裂又称为延性断裂，断裂前发生大量的宏观塑性变形，断裂时承受的工程应力大于材料的屈服强度。 塑性和韧性好的金属，通常以穿晶方式发生塑性断裂，在断口附近会观察到大量的塑性变形的痕迹，如缩颈。 断口形貌：韧窝，包括等轴韧窝和剪切韧窝。,韧窝,等轴韧窝,剪切韧窝,二、脆性断裂,断裂