C1-第二节塑性变形与强化机制.ppt

第二节 塑性变形与强化机制 一、单晶体的塑性变形 1、滑移 当作用在位错上的切应力达到某一临界值时， 晶体的一部分将沿着一定的晶面（滑移面）和 一定的方向（滑移方向）发生相对的滑动，产 生了相对的位移。 滑移的结果： 使晶体表面产生台阶、滑移线、滑移带 滑移通常沿原子密度最大的晶面和晶向进行滑移系 滑移的特征 滑移只能在切应力 的作用下发生 不同加载方式发生塑性变形的 能力不同。拉伸、扭转、压缩 塑性变形能力依次增加。 工业纯铁压缩变形滑移线 孪生是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（孪生面）与晶向（孪生方向） 产生一角度的均匀切变过程。发生切变的区域称 为孪晶或孪晶带。 2、孪生 与滑移相似，孪生也是在切应力的作用下发生的， 但孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界 切应力，因此，只有在滑移很难进行的条件下， 晶体才发生孪生变形。孪生变形速度极快，常引 起冲击波，并伴随声响。 纯铜 形变退火 退火孪晶 纯锌冲击变形孪晶 二、多晶体的塑性变形 晶粒变形的不同时性 晶粒变形的相互协调性 晶界的强化作用 处于有利位向（软位向）的晶粒先滑移 处于不利位向（硬位向）的晶粒后滑移 多晶体中每个晶粒都处于其它晶粒的包围之 中，它们的变形必然要与其它临近的晶粒相 互协调配合。 晶界是滑移的障碍，晶界变形抗力较大 晶界多了能强化材料 细晶强化 三、材料的强化机制 （一）固溶强化 通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度 硬度提高的现象称为固溶强化。分为间隙固溶强化（ 尺寸比较小的间隙原子引起的强化）和置换固溶强化（尺寸比较大 的置换原子引起的强化）。 例如: 纯Cu中加入19%的Ni，可使合金的强度由 220MPa提高到380400MPa，硬度由44HBS升高到 70HBS，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。若 按其它方法（如冷变形加工硬化）获得同样的强化 效果，其塑性将接近完全丧失。 由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺 寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现 象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错 （弹性交互作用）；溶质原子聚集在层错处，阻 碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与 溶质间形成偶极子（电学交互作用）。这些现象 都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变 得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。 固溶强化机制 电学交互作用化学交互作用弹性交互作用 （二）细晶强化 金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶 界面积越大，金属的强度越高，这就是细晶强化。 晶粒大小对纯铁力学性能的影响 晶粒的平 均直径 d(mm) 抗拉强度 b(MPa) 延伸率(%) 9.7 7.0 2.5 168 184 215 28.8 30.6 39.5 细化晶粒不仅能提高材料的强度，还可以改善 材料的塑性和韧性。 因为晶粒越细，单位体积内的晶粒数就越多， 变形时同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生， 以产生比较均匀的变形，这样，因局部应力集中而 引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可 能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率、断面 收缩率和具有较高的冲击载荷抗力。 实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之 间有下列关系： s=0+ K/d1/2 此式称为霍耳-配奇公式。 式中：0 为常数，相当于单晶体的屈服强度； d为多晶体中各晶粒的平均直径； K为晶界对强度影响程度的常数， 与晶界结构有关。 s 开始发生塑性变形的最小应力 细晶强化机制：晶界是位错运动过程中的障碍。 晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位 错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强 度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度 减小，应力集中较小，不足于使位错源开动，必 须增加外力。 生产中细化晶粒的方法: 1、加快凝固速度 2、变质处理（如纯铝铸锭） 3、振动和搅拌 Ti变质处理 未变质处理 （三）位错强化 金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发 生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运 动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高 金属的强度，这种用增加位错密度提高金属强度 的方法称为位错强化。 金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形 程度的增加而提高，而塑性、韧性则很快降低的 现象为加工硬化或形变强化。 1、概念 例如：自行车链条板(16Mn钢板) 原始厚度3.5mm 150HB b=520MPa 五次冷轧后1.2mm 275HB b1000MPa 又如：冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧是利用加工变 形来提高他们的强度和弹性极限；坦克和拖拉机 的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉等也都是 利用加工硬化来提高他们的硬度和耐磨性的。 金属的塑性变形是通过滑移进行的。在塑性变形 过程中，由于位错塞积（位错运动过程中遇到障 碍受阻）、位错之间的弹性作用、位错割阶等造 成位错运动受阻，从而使材料的强度提高。 2、加工硬化机制 实验证明，金属强度 与位错密度有左图所 示的关系。退火态金 属的位错密度为 106108/cm2 ，强度最 低，在此基础上增加 或降低位错密度，都 可有效提高金属强 度。加工硬化态金属 的位错密度为 10111012/cm2 。 金属强度与位错 密度关系示意图 位错密度 强 度 退火态金属 加工硬化态金属 非晶态金属 晶须强度 晶须强度 3、金属强度与位错密度有左图所示的关系 冷加工过程中，除了力学性能的变化，金属 材料的物理化学性能也有所改变。 例如：冷加工后位错密度增加，晶格畸变很大， 给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使 电阻有所增加；由于位错密度增大，晶体处于高 能量状态，金属易与周围介质发生化学反应，使 抗腐蚀性能降低。 （四）第二相强化 第二相粒子可以有效地阻碍位错运动，运动着 的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过， 或绕过，这样滑移变形才能继续进行。这一过 程要消耗额外的能量，需要提高外加应力，所 以造成强化。但是第二相粒子必须十分细小， 粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越好。 这种有第二相粒子引起的强化作用称之为第二 相强化。根据两者相互作用的方式有两种强化 机制：弥散强化和沉淀强化。 绕过机制：基体与中间相的界面上存在点阵畸 变和应力场，成为位错滑动的障碍。滑动位错遇 到这种障碍变得弯曲，随切应力加大，位错弯曲 程度加剧，并逐渐成为环状。由于两个颗粒间的 位错线段符号相反，它们将断开，形成包围小颗 粒的位错环。位错则越过颗粒继续向前滑动。随 着位错不断绕过第二相颗粒，颗粒周围的位错环 数逐渐增加，对后来的位错造成更大的阻力。 位错 切应力 第二相颗粒 弥散强化机制 切过机制：位错与颗粒之间的阻力