塑性变形机制

绪论§0.1材料加工在国民经济中的地位特点§0.2材料加工的内涵§0.3金属塑性加工§0.4塑性加工理论的发展概况§0.5本课程的任务§0.6金属材料加工的主要方向5/8/20241塑性变形机制§0.1材料加工在国民经济中的地位特点金属采用塑性加工方法成材，不仅以其原材料消耗少、生产效率高、产品质量稳定，而且能有效地改善和控制金属的组织与性能，在国民经济与国防建设中占有十分重要的地位。5/8/20242塑性变形机制1、航空航天5/8/20243塑性变形机制2、武器装备5/8/20244塑性变形机制3、交通运输5/8/20245塑性变形机制4、建筑5/8/20246塑性变形机制5、家用电器5/8/20247塑性变形机制§0.2材料加工的内涵1.材料加工采用一定的加工方法和技术，使材料达到与原材料不同的状态(化学成分上完全相同),使其具有更优良的物理性能、化学性能和力学性能。5/8/20248塑性变形机制2.材料的可加工性材料对加工成形和工艺所表现出来的特性，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。5/8/20249塑性变形机制3.材料加工需考虑的基本原则使用性能：高强、高韧、耐蚀等工艺性能：轧、挤、拉、锻、焊等环保性能：放射性、毒气、“三废”等经济性：成本、性价比等5/8/202410塑性变形机制4.金属材料加工所涉及的内容(1)液态金属的熔炼与铸造；(2)金属塑性加工与热处理；(3)复合材料与层状复合材料加工；(4)材料连接；(5)材料切削加工；(6)粉末冶金；(7)CVD(chemicalvapourdeposition),PVD(phsicalvapourdeposition)等5/8/202411塑性变形机制5.小结金属材料在国民经济、国防军工建设中占有极其重要战略地位，金属塑性加工原理这门课程旨在讲述有关高性能材料设计、成形制备、性能表征与评价以及应用方面的重要专业基础知识。5/8/202412塑性变形机制金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定几何形状，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法。§0.3金属塑性加工1.材料加工钢、铝、铜、钛等及其合金。2.适用范围5/8/202413塑性变形机制3.主要加工方法(1)轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。(可实现连续轧制)纵轧、横轧、斜轧。举例：汽车车身板、烟箔等；其它：多辊轧制(24辊)、孔型轧制等。5/8/202414塑性变形机制3.主要加工方法(2)挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种断面金属材料的加工方法。举例：管、棒、型；其它：异型截面。正挤反挤5/8/202415塑性变形机制3.主要加工方法卧式挤压机5/8/202416塑性变形机制3.主要加工方法(4)锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形A.自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工我国自行研制的万吨级水压机5/8/202417塑性变形机制3.主要加工方法B.模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工。举例：飞机大梁，火箭捆挷环等万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环5/8/202418塑性变形机制3.主要加工方法(5)冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。5/8/202419塑性变形机制4.特点(1)质量比铸件好(尺寸精度高，表面质量好、性能好)；a.细化晶粒；b.消除微观缺陷。(2)不产生切削，金属利用率高；(3)易实现连续化、自动化、高速、大批量生产；(4)设备较庞大，相对铸造能耗较高。5/8/202420塑性变形机制2.塑性变形机制PlasticDeformationMechanism5/8/202421塑性变形机制晶体的塑性变形

PlasticDeformationofCrystal

－－金属的重要特性之一弹性变形（ElasticDeformation）：材料尺寸只发生暂时性改变。拉伸:σ=Eε，E-杨氏模数；剪切，τ=Gγ，G-切变模数。具有可逆性.金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。塑性变形（PlasticDeformation）：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。应力与应变的关系偏离虎克定律。先发生弹性变形，后发生塑性变形。形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的．塑性变形的主要机制:位错的运动5/8/202422塑性变形机制塑性变形机制

MechanismofPlasticDeformation滑移(Slip)：最重要的变形方式孪生(Twinning)：

低温高速，对称性较低的密排六方金属不对称变形(AsymmetricalDeformation）：

变形协调机制非晶机制(AmorphousMechanism)：高温晶界滑移(GrainBoundarySlip)：高温5/8/202423塑性变形机制2.1滑移（Slip）

在300℃拉伸的锌单晶体

▲晶体的塑性变形，是通过平行于一定晶体学平面（即滑移面）的滑移引起的。▲滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。▲塑性变形的结果，使原来光滑的单晶试样的表面变成台阶状，这些台阶是由大量位错(Dislocation)滑出晶体所形成的。这些线条称为滑移线，一系列滑移线聚成一束，组成滑移带．5/8/202424塑性变形机制滑移线（SlipLine）：滑移带中的细线．

滑移层(SlipBand)：相邻滑移线间的晶体片层．

滑移量(

Slippage)：每条滑移线所产生的台阶高度．滑移带示意图5/8/202425塑性变形机制滑移(Slip):定义:晶体在外力作用下，其中一部分相对另一部分，沿一定的晶面和该晶面上的一定晶向产生的平移滑动.当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片之间的相对滑移，大量的层片间滑动的累积就构成晶体的宏观塑性变形。滑移分别集中在某些晶面上，滑移带和滑移线间的晶体片层并未发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动．滑移面(SlipPlane)和滑移方向(SlipDirection):塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体沿某些特定的晶面及方向相对错开，这些晶面和晶向分别称“滑移面”和“滑移方向”。滑移面与滑移方向称为滑移要素

滑移面和滑移方向是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向.

5/8/202426塑性变形机制滑移系(SlipSystem):

■一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系.

■滑移面数×滑移方向数=滑移系数。

■滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向便愈多，滑移愈容易进行，塑性愈好。如：面心立方金属比密排六方金属塑性好.

■对一定结构晶体,滑移方向随变形温度不变,但滑移面随变形温度有所改变.如变形温度较高时，Al的滑移面可能改变为（100），Mg的滑移面可能变为。5/8/202427塑性变形机制金属的主要滑移面、滑移方向和滑移系5/8/202428塑性变形机制横截面A0上的正应力:滑移面A上的全应力:滑移面上沿滑移方向的分切应力:滑移面上的正应力:临界切应力（CriticalShearStress):外力在滑移方向的分切应力cosψcosλ称取向因子（或Schmid因子）能够引起滑移系开动的分切应力,决定滑移系能否开动.

沿滑移面滑移方向上的分切应力

S5/8/202429塑性变形机制Schmid定律:

金属在一定变形温度和变形速度条件下,开始发生滑移变形所需的临界切应力为常数,与取向因子无关.室温下铁单晶体切应力切应变曲线a、b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸5/8/202430塑性变形机制对任意给定的ψ，λ＝90°-ψ时,取向因子最大.滑移面法线、滑移方向、外力处于同一平面，则：时,达到时,最小,且等于与趋近此方位称为有利方位或软取向;远离此方向称为不利方向或硬取向;处于软取向的滑移首先发生滑移.取向因子越大，分切应力也越大．拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系只有一定时与才构成如图关系5/8/202431塑性变形机制影响临界切应力的因素滑移的物理本质:晶体中的位错在切应力作用下逐步移动。所有造成位错移动阻力的因素均会使临界切应力提高。影响因素：1)金属的种类(晶体的类型)：原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑；2)化学成分：溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻；不同溶质原子固溶强化效应不同；3)变形温度：温度↑，↓，因为原子动能增大，原子间结合力减弱；但高温时，温度↑，不变；4)变形速度：速度↑，↓，因为单位时间内更多位错线移动，加工硬化率较快；速度与依赖性极弱；5)变形方式、组织结构（加工和处理状态）等。5/8/202432塑性变形机制固溶原子对铜单晶临界分切应力的影响三类常用金属的临界应力随温度变化的关系临界切应力，×10MPa固溶原子(原子)，％5/8/202433塑性变形机制化学成分和温度对纯铜的临界分切应力的影响镉速率的关系单晶的临界切应力与温度和应变(X比+应变速率大100倍)5/8/202434塑性变形机制滑移时晶体的转动（RotationofCrystal)

滑移面上最大分切应力与滑移方向一致时，晶体的转动5/8/202435塑性变形机制滑移面上最大分切应力与滑移方向不一致时，拉伸时晶体的转动5/8/202436塑性变形机制▲压缩时晶面的转动：

与拉伸时相反,滑移面逐渐转向与压力轴线垂直.

▲几何硬化:

原晶体位向是处于软取向,经滑移和转动后,取向因子变小,σs增大,使滑移困难,产生硬化效果。

▲几何软化:反之。

压缩时晶体转动示意图5/8/202437塑性变形机制滑移的基本类型单滑移(SingleSlip)：外加切应力>τc,开动一组滑移系；特征：表面平行的滑移线;发生在滑移系较少或塑性变形开始阶段。多滑移(MultipleSlip)：外力轴与几个滑移系取向相同,多个滑移系同时开动；由于位错交割、缠结，导致加工硬化。特征：两组或多组交叉的滑移线；交滑移(CrossSlip)：螺位错滑移受阻时，离开原滑移面沿另一晶面继续滑移；b不变，所以滑移方向和大小不变。变形温度越高，变形量越大，交滑移越显著。特征：折线或波纹状滑移线。5/8/202438塑性变形机制Cu的单滑移,x500Al的多滑移,x145Al单晶的交滑移,x2605/8/202439塑性变形机制多系滑移对于具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切应力最大）中进行，但由于变形时晶面转动的结果，另一组滑移面上的分切应力也可能逐渐增加到足以发生滑移的临界值以上，于是晶体的滑移就可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行，从而产生多系滑移。滑移的位错机制实际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算值低3～4个数量级，表明晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上运动来逐步地进行的。5/8/202440塑性变形机制2.2孪生(Twinning)

孪生(Twinning):塑性变形的另一种重要方式,常作为滑移不易进行时的补充.形成孪晶的过程.晶体在切应力的作用下,一部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分发生的均匀切变.孪晶(Twins):

相对某一特定晶面两边原子排列成镜像对称的一对晶体.孪生的产物.孪生的形成方式:

1)晶体生长,如退火孪晶;2)塑性变形,称变形孪晶.5/8/202441塑性变形机制孪生的一般特点:

1)均匀切变,即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离。

2)具有晶体学要素:孪生面和孪生方向,统称孪生系;3)作用:调整晶体位向(孪晶面两侧晶体形成镜面对称),激发进一步滑移,使滑移与孪生交替进行,从而获得较大变形。

4)不改变晶体的点阵类型;5)相邻层间相对切变量相等且小于一个原子间距,每层总切变量与它和孪生面的距离成正比;6)所产生的形变较小,但便于随后的变形;7)具有可逆性:应力反向时,去孪,且去孪易于孪生5/8/202442塑性变形机制现象:透镜状或片状.(a)拉伸试验中产生的孪晶(b)拉伸试验后长大的孪晶变形Zn中的透镜状孪晶5/8/202443塑性变形机制面心立方晶体的孪生变形（a）孪晶面和孪生方向（b）孪生变形时原子的移动5/8/202444塑性变形机制孪生的位错机制

▲孪生与滑移最大的区别在于孪生要引起堆垛层错的改变.

▲孪晶形成的位错机制:

由肖克莱不全位错运动扫过相继的层面造成的均匀切变.

5/8/202445塑性变形机制

■不同结构金属:

fcc、bcc:易滑移,难孪生,低温、高速；

hcp：易孪生.

■孪生难于滑移.

孪生前有滑移产生,即在已产生一定形变的情况下才开始:

孪生位错是在一定内应力下由部分滑移位错转变而成.

孪晶应力高于滑移.

■产生孪晶的应力随层错能提高而增加。

■在高应力下形核后在远小于孪晶萌生的应力下沿孪生面和垂直孪生面两方向同时极快(声速)扩展.

■切变量随孪生区的增长而增大.弹性应变大,需要其他变形机制协调,否则出现裂缝,变形终止.

■加载方式以冲击最有利

发生孪生的条件5/8/202446塑性变形机制孪生与滑移的区别孪生滑移临界切应力大小切变均匀性均匀不均匀切变量原子间距的非整数倍原子间距的整数倍位的变化改变不变抛光后浸蚀后可见不可见发生难易程度不易（低温、高速）易5/8/202447塑性变形机制2.3不对称转变2.3.1扭折带（Kinkband）■扭折：是滑移受到约束或阻碍时,为适应外力作用而产生的一种不均匀变形方式。■扭折是局部晶格绕某一轴旋转产生,其出现是突然的.■扭折带：相对于母晶取向发生不对称变化的晶体区域。■扭折带晶体位向的突然改变是滑移受阻引起的位错堆积.从未变形区到扭折带的过渡是由一系列同号刃型位错排列的结果。■是能量较低的结构形式。■扭折带的产生与晶体纯度、变形温度、晶体取向有关。■现象：表面上滑移线呈S形。单晶镉被压缩时的扭折扭折状态扭折示意图5/8/202448塑性变形机制■扭折带作用：

1)协调变形:适应变形条件的约束,能引起应力松弛，使晶体不致断裂。

2)促进变形:改变取向,有可能处于软取向,促进滑移,进一步激发变形。（a)孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移；（b)协调扭折带的形成容许试样适应试验条件的约束伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带的示意图5/8/202449塑性变形机制2.3.2形变带(DeformationBand)点阵相对原来点阵发生转动而形成.取向转动不同于扭折带,不是突变,而是渐变.转动程度取决于变形量.形貌不同于滑移带,形状不规则:边界弯曲,并沿主变形方向延伸.由于晶界的阻碍易在一个晶内引起取向的不同,因此多晶材料形成形变带的倾向大.5/8/202450塑性变形机制α-Fe的形变带Al的形变带5/8/202451塑性变形机制形变带的位错机制:

平行滑移面内的异号刃型位错（EdgeDislocation)交互作用的结果(位错塞积).形变带形成的位错示意图5/8/202452塑性变形机制2.4其他变形机制非晶机制晶界滑动各种变形机制常常联合发生作用:

孪生与扭折;

滑移与孪生交替5/8/202453塑性变形机制2.5多晶体(polycrystal)塑性变形的特点2.5.1变形的不均匀性（Inhomogeneous）▲多晶体的特点:

1)晶粒间存在晶界(GrainBoundary);2)每个晶粒与相邻晶粒的取向(Orientation)不同.▲多晶体变形的特点:1)受到晶界的阻碍和位向不同的晶粒的影响;2)任何一个晶粒的塑性变形都不处于独立的自由变形状态,需要其周围的晶粒同时发生相适应的变形来配合,以保持晶粒之间的结合和整个物体的连续性.5/8/202454塑性变形机制▲多晶体变形的不均匀性：

同一晶粒不同位置及不同晶粒间实际变形量都不同:

晶界附近变形量小,晶粒内部变形量大.

几个晶粒多晶体拉伸时的竹节现象5/8/202455塑性变形机制多晶体Al的几个晶粒各处的应变量

虚线：晶界；线上数字：总变形量5/8/202456塑性变形机制◆每个晶粒的变形都要受到相邻晶粒的制约，并与相邻晶粒相协调。

晶