▏金属及合金的塑性变形与断裂[优质内容]

1、第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第一节 金属的变形特性 第二节 单晶体的塑性变形 第三节 多晶体的塑性变形 第四节 合金的塑性变形 第五节 塑性变形对金属组织和性能的影响 第六节 金属的断裂,1,高级培训,铸态组织的缺点,晶粒粗大、不均匀,改善铸态组织,组织不致密,成分偏析、不均匀,材料的性能？,压力加工 （塑性变形 ）,轧制、锻造、挤压,塑性变形,热塑性变形,冷塑性变形,强度,塑性,塑性,强度,缩松,制成型材或工件,2,高级培训,6-1 金属的变形特性,低碳钢曲线,一、工程应力应变曲线,弹性变形（elastic deformation） 弹塑性变形（plastic deformation

2、） 断裂（fracture）,利用金属的应力应变曲线（载荷变形曲线），研究金属变形特点,应力（工程应力或名义应力）,应变（工程应变或名义应变）,载荷,试样的原始截面积,试样的原始标距长度,试样变形后的长度,金属变形,3,高级培训,6-1 金属的变形特性,：弹性变形阶段，线性阶段,服从虎克定律 ：= E,：弹性极限， 材料保持完全弹性变形时的最大应力,：微量塑性变形起始阶段,：屈服极限，材料开始发生塑性变形的最小应力,条件屈服极限，材料无明显屈服时，产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限,表示材料对起始微量塑性变形的抗力,(1),(2),(3),:抗拉强度,材料对最大均匀塑性变形的抗力,4,高

3、级培训,6-1 金属的变形特性,(4),之后：,不均匀塑变阶段,试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈,塑性断裂:产生一定量塑性变形后的断裂,：条件断裂强度,材料的塑性：,材料在断裂前的塑性变形量,塑性指标：延伸率和断面收缩率,材料的韧性：材料对断裂的抵抗能力 ;,可以由应力-应变曲线下面的面积进行度量,材料对塑性变形的极限抗力,?,假象,载荷,原始截面积,5,高级培训,6-1 金属的变形特性,真实应力,二、真应力真应变曲线,真实应变,: 瞬时截面积,随变形量的增加，塑性变形抗力不断增加的现象,加工硬化(形变强化):,6,高级培训,6-1 金属的变形特性,双原子模型,三、金属的弹性变形,金属晶格

4、在外力作用下产生的弹性畸变。,实质：,平衡位置：作用力为零,受到外力作用，偏离平衡位置：作用力不为零,所加外力小于原子之间的结合力时，两者处于平衡状态,去除外力，在原子之间的结合力的作用下，原子立即恢复平衡位置，金属晶体在外力作用下产生的宏观变形随之消失 弹性变形,取决于原子间结合力的大小,（弹性模量）：,7,高级培训,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第一节 金属的变形特性 第二节 单晶体的塑性变形 第三节 多晶体的塑性变形 第四节 合金的塑性变形 第五节 塑性变形对金属组织和性能的影响 第六节 金属的断裂,8,高级培训,6-2 单晶体的塑性变形,常温和低温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生

5、,一 、滑移,3.25% Si-Fe单晶体中的平直滑移带,滑移线,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和晶向产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑性变形方式,滑移面,滑移方向,滑移带,塑性变形后在晶体表面产生的一个个小台阶,9,高级培训,光镜下：滑移带,电境下：滑移线,滑移的表象学,6-2 单晶体的塑性变形,滑移线和滑移带的示意图,滑移的特点 ：, 滑移只能在切应力的作用下发生。,：产生滑移的最小切应力,临界切应力,10,高级培训, 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和晶向（密排晶向）发生。,6-2 单晶体的塑性变形,滑移的特点 ：,滑移系,？,阻力小,密

6、排面上原子间的结合力最大，密排面之间的距离最大，密排面之间原子结合力最弱。同理，密排晶向上滑移阻力小,一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系（slip system）,11,高级培训,6-2 单晶体的塑性变形,滑移系主要与晶体结构有关。,滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。,FCC,HCP,三种常见金属结构的滑移系,111,110,0001,BCC,12,高级培训,6-2 单晶体的塑性变形,BCC,FCC,HCP,三种常见金属结构的滑移系,111,110,0001,密排面密排方向,滑移系数量=,晶体结构不同，滑移系数量不同,如何影响金属塑性？,13,高级培训,晶体中滑移系越多，

7、滑移越容易进行，塑性越好 金属塑性的好坏，与滑移面上原子的密排程度、滑移方向的数目有关，密排程度愈高、滑移方向愈多，塑性愈好。,6-2 单晶体的塑性变形,密排面密排方向=滑移系,面心立方结构塑性优于体心立方结构,对比BCC和FCC的塑性,FCC,BCC,14,高级培训,（三）滑移的临界分切应力,6-2 单晶体的塑性变形,：产生滑移的最小切应力,滑移只能在切应力的作用下发生。,设对一单晶圆柱体试样作拉伸试验,分切应力达到临界值,晶体开始滑移,宏观上金属开始屈服,：屈服极限，材料开始发生塑性变形的最小应力,临界切应力,：取向因子,15,高级培训,临界分切应力取决于金属本性 在一定条件下，为一个定值

8、。,6-2 单晶体的塑性变形,硬取向,软取向,金属最容易开始滑移.,金属无法滑移.,硬取向,软取向,16,高级培训,6-2 单晶体的塑性变形,（四）滑移时晶体的转动,随着滑移的进行，晶体取向发生改变的现象称晶体的转动，包括滑移面的转动和滑移方向的改变,17,高级培训,拉伸时 滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴方向。 压缩时 滑移面逐渐趋于与压力轴线方向垂直,几何硬化： 由软取向逐渐变为硬取向，使滑移越来越困难的现象 几何软化： 由硬取向逐渐变为软取向，使滑移越来越容易的现象,6-2 单晶体的塑性变形,18,高级培训,（六）滑移的位错机制,6-2 单晶体的塑性变形,1.位错的运动及晶体的滑移,

9、晶体的滑移不是晶体的一部分相对另一部分作整体的刚性移动，而是位错在一定切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果。,理论计算值与实测数据的差别悬殊,发现问题,位错学说,解决问题,位错移动一个原子间距时，位错中心附近的少数原子只作远小于 一个原子间距的弹性偏移，需要很小的切应力就可实现。,：滑移；孪生,19,高级培训,6-2 单晶体的塑性变形,20,高级培训,滑移线和滑移带的示意图,6-2 单晶体的塑性变形,？,晶体中有如此大量的位错吗？,由于滑移线是位错移动到晶体表面而形成的，随着塑性变形地进行，位错数量应该减少，最终形成无位错的理想晶体。,事实恰恰与此相反。,？,21,高级培训,2.位错的增值,

10、弗兰克瑞德位错增值机制,Si中的位错源,位错线弯曲，产生线张力，使位错恢复直线的倾向,线速度相同；角速度不同,位错蜷线位错环+位错线,22,高级培训,弗兰克位错源产生的大量位错沿滑移面运动，遇到障碍物（固定位错、杂质、晶界等）的阻碍，领先的位错在障碍物前被阻止，后续位错被塞积，形成平面塞积群，并在障碍物的前端形成高度的应力集中。,6-2 单晶体的塑性变形,3.位错的塞积,应力集中,：位错数,：滑移方向上的分切应力,晶粒尺寸,应力集中,23,高级培训,二、孪生 孪生是冷塑性变形的另一种重要形式，常作为滑移不易进行时的补充。 一些密排六方的金属如Zn，Mg等常发生孪生变形。 体心立方及面心立方结构

11、的金属在形变温度很低形变速率极快时，也会通过孪生方式进行塑变。,6-2 单晶体的塑性变形,：滑移；孪生,24,高级培训,孪生：在切应力的作用下，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均匀切变。 一定晶面：孪生面 一定方向：孪生方向 不改变晶体结构，改变变形部分的位向,6-2 单晶体的塑性变形,二、孪生,滑移：在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和 晶向相对于另一部分产生相对位移。 一定晶面：滑移面； 一定晶向：滑移方向 不破坏晶体内部原子排列规律性（晶体结构）,晶体的孪生面和孪生方向与其晶体结构类型有关。,25,高级培训,6-2 单晶体的塑性变形,二、孪生,26,高级培训,锌

12、中的变形孪晶,6-2 单晶体的塑性变形,二、孪生,孪生变形后晶体的变形部分与未变形部分以孪晶界为分界面构成了镜面对称的位向关系金相显微镜下一般呈条带状，有时为透镜状。,切变区域内，与孪生面平行的每一层原子的切变量与它距孪生面的距离成正比，并且不是原子间距的整数倍子，而是分数倍。,27,高级培训,孪生的变形特点 只有在滑移很难进行，晶体才发生孪生变形 切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距的分数倍；滑移是整数倍 孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变，滑移后晶体各部分位向均未改变。 孪生是均匀的切变，变形速度极大；滑移只集中在一些滑移面进行，不均匀 孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多,6-2 单晶体

13、的塑性变形,28,高级培训,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第一节 金属的变形特性 第二节 单晶体的塑性变形 第三节 多晶体的塑性变形 第四节 合金的塑性变形 第五节 塑性变形对金属组织和性能的影响 第六节 金属的断裂,29,高级培训,受到晶界的阻碍和位向不同的晶粒的影响 保持晶粒之间的结合和整个物体的连续性,6-3 多晶体的塑性变形,滑移（主）；孪生等,塑性变形方式：,30,高级培训,6-2 单晶体的塑性变形,形成位错的平面塞积群,形成高度应力集中,应力集中+外加应力,相邻晶粒某些滑移系上的分切应力达到临界切应力值,位错源开动，开始塑性变形,一、多晶体的塑性变形过程,31,高级培训,晶粒

14、变形的不同时性 即各晶粒的变形有前有后，不是同时进行,各晶粒变形的相互协调性 bcc和fcc金属的滑移系多，各个晶粒的变形协调得好，塑性好。 hcp的涓移系少，很难使晶粒的变形彼此协调，塑性差，冷加工较困难。,6-3 多晶体的塑性变形,一、多晶体的塑性变形过程,各晶粒变形的不均匀性,32,高级培训,晶界的存在使变形的晶粒中的位错在晶界处受阻，每一晶粒中的滑移带都终止在晶界附近，晶界越多，阻力越大； 各晶粒存在位相差，为了协调变形，每个晶粒都进行多滑移，必然产生位错的交割，晶粒越多，割阶越多，阻力越大,6-3 多晶体的塑性变形,二、晶粒大小对塑性变形的影响,细晶强化,：细化晶粒增加晶界提高金属强

15、度的方法,晶粒愈细，强化效果愈好,33,高级培训,6-3多晶体的塑性变形,常温下，金属材料的屈服强度s与晶粒直径d有如下关系式,霍尔配奇公式,晶粒大小与金属强度关系,二、晶粒大小对塑性变形的影响,，K ：材料常数,34,高级培训,6-3多晶体的塑性变形,细晶强化的原因,根据 = n0关系式，应力集中的大小决定于塞积的位错数目n，n越大，则应力集中也越大。n与晶界到位错源的距离L成正比。,晶粒越大，晶界到位错源的距离L越大，应力集中越大，位错运动所需外部施加的应力需要越小，宏观表现强度越低。,晶粒越小，位错运动所需外部施加的应力需要越大，宏观表现强度越高,35,高级培训,6-3多晶体的塑性变形,

16、细化晶粒，能够改善材料的塑性和韧性,应力集中引起的开裂的机会少,在相同的外力作用下,细小晶粒内部和晶界附近的应变差较小 变形较均匀,在断裂前承受较大的变形量， 所以可得到较大的延伸率和收缩率,36,高级培训,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第一节 金属的变形特性 第二节 单晶体的塑性变形 第三节 多晶体的塑性变形 第四节 合金的塑性变形 第五节 塑性变形对金属组织和性能的影响 第六节 金属的断裂,37,高级培训,6-4合金的塑性变形,根据合金的组织可将合金分为两大类：,（1）单相固溶体合金： 具有以基体金属为基的单相固溶体组织,（2）多相合金：,第二相： 各组元形成的化合物或以合金元素为基

17、形成的另一固溶体,加入的合金元素量超过了它在基体金属中的饱和溶解度，在显微组织中还将出现第二相,38,高级培训,固溶强化 固溶体中存在溶质原子，使其塑性变形抗力增加，强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降的现象。 固溶强化的主要原因： 晶格发生畸变（弹性应力场），对运动的位错起阻碍作用； 位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用（柯氏气团的钉扎）,6-4合金的塑性变形,一、单相固溶体合金的塑性变形,与多晶体纯金属相似,例：F（或）和- Fe,晶体结构相同、显微组织相似,纯金属固溶体,39,高级培训,柯氏气团：偏聚于位错周围的溶质原子形成的“气团”,6-4合金的塑性变形,柯氏气团的形成，减少了晶格畸

18、变，降低了溶质原子与位错的弹性交互作用能，使位错处于较稳定的状态，较少了可动位错数目.,钉扎作用,若是位错线运动，脱离气团的钉扎，就需要更大的外力，从而增加了固溶体合金的塑性变形抗力,40,高级培训,6-4合金的塑性变形,固溶强化的规律：,1）在溶解度范围内，溶质原子质量分数越大强化作用越大；,2）溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，畸变越大，强化越强；,4）溶质原子和溶剂原子的价电子数相差越大强化作用越大。,3）形成间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体，,溶质质量分数相同时，前者的强化效果是后者的10-100倍,41,高级培训,6-4合金的塑性变形,二、多相合金的塑性变形（基体第二相）,（一）两

19、相的性能相近,按强度分数相加计算，呈线性关系,例：F + Fe3C A + Fe3C,根据组织分两类：,第二相引起的强化,42,高级培训,合金的塑性变形除与各相的相对含量有关外还与脆性相的分布有关： 硬脆的第二相呈连续网状分布在塑性相的晶界上 如：二次渗碳体在晶界网状分布；增加脆性 硬脆的第二相呈片状或层状分布塑性相的基体上 如：珠光体组织；片间距越小，强度好，塑性高,6-4合金的塑性变形,（二）两相性能相差很大 塑性较好的基体+硬脆的第二相,43,高级培训,3. 脆性相在塑性相中呈颗粒状分布：存在两种强化机制 （1）位错绕过第二相粒子（弥散强化）,颗粒钉扎作用的电镜照片,6-4合金的塑性变形

20、,条件：第二相颗粒坚硬而粗大时，,第二相间距越小强化作用越大,位错将弯曲、绕过颗粒,位错线绕过间距为的第二相粒子所需要的切应力,G切变模量、b柏氏矢量,44,高级培训,3. 脆性相在塑性相中呈颗粒状分布 （2）位错切过第二相粒子（沉淀强化）,电镜观察,6-4合金的塑性变形,硬度不太高、尺寸也不大的可变形的粒子,过饱和固溶体时效初期产生的共格析出相,位错要切过,45,高级培训,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第一节 金属的变形特性 第二节 单晶体的塑性变形 第三节 多晶体的塑性变形 第四节 合金的塑性变形 第五节 塑性变形对金属组织和性能的影响 第六节 金属的断裂,46,高级培训,6-5塑性

21、变形对金属组织和性能的影响,金属塑性变形后外形、尺寸的变化是其内部晶粒变形的总合。,一、塑性变形对组织结构的影响,如：轧制时，当变形量很大时，形成纤维组织(纤维状的条纹),变形方式和变形量决定晶粒形状的变化,（一）显微组织的变化,70%,50%,30%,低碳钢冷塑性变形后的纤维组织,纤维的分布方向即为金属变形时的伸展方向,47,高级培训,（二）亚结构的细化,6-5塑性变形对金属组织和性能的影响,（三）形变织构,一、塑性变形对组织结构的影响,形成胞状亚结构（形变亚晶）,亚结构的边界堆积有大量的位错，亚结构的内部的晶格则比较完整,择尤取向：原为任意取向的各个晶粒随塑性变形量的增大，逐渐调整其取向而彼此趋于一致的现象。,多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择尤取向的组织,48,高级培训,6-5塑性变形对金属组织和性能的影响,织构的分类：加工方式不同，可能出现不同类型的织构,轧制,拉拔,板织构：轧制时形成, 各个晶粒的某一晶面平行于轧制平面,某一晶向平 行于轧制方向