金属塑性变形物理基础.ppt

第二章 金属塑性变形的物理基础,目标： 了解金属的晶体结构、塑性变形行为、及变形条件对 其塑性和变形抗力的影响,2.1 单晶体塑性变形机理,一、金属的晶体结构,固态物质的聚集态分为两大类：晶体和非晶体。,晶体：分子或原子在三维空间作规律性的重复排列所形成的固体。,注：通常固态金属都是晶体。只有在激冷的情况下才能得到非晶态的金属。,反映金属晶体特征的最小几何单元称为晶胞。晶体是由晶胞在空间重复堆砌而成的。,二、三种典型晶格,常见的金属晶体的晶格有三种：,1. 面心立方（fcc),面心立方共有四个密排面，每个面上有三个密排方向,密排面上的密排方向上最易产生滑移,2.体心立方（bcc),？哪个面是密排面？哪个方向是密排方向？,？与面心立方比较，体心立方晶格密度是大还是小？,3.密排六方（hcp),三、实际金属的晶体结构,单晶体由于不同晶面和晶向上原子的排列不同，因而引起机械物理、化学性能的不同，称为晶体的各向异性。,工业用金属是由许多尺寸很小位向不同的小晶体所组成，称为多晶体。这些小晶体系由许多位向基本一致的晶胞组戊，类似单晶体，称为晶粒。各晶粒之间的过渡区，称为晶界。,由于多晶体是由许多不同位向的晶粒组成，晶粒的各向异性被互相抵消，因而实际金属一般不显示方向性。,由位向相同的一群同类晶胞聚合在一起，组成金属单晶体。,实际金属主要存在着四种缺陷：,点缺陷 1）空位； 2）间隙原子； 3）置换原子,实际晶体的原子的排列并非象理想晶体那样绝对完整，而是存在着一系列的缺陷。,1-空位；2-间歇原子；3-异质间歇原子；4-置换原子。,线缺陷 1）刃形位错；2）螺形位错；,面缺陷 1）晶界； 2）亚晶界 ； 3）层错,体缺陷 1）夹杂； 2）第二相； 3）析出物,单位晶体体积中所包含位错线的总长度，称为位错密度。 退火多晶体金属中位错密度为106108厘米，强烈冷变形后的则可达10111012厘米。 金属中位错密度越高，金属便难于变形，金属的强度也越高。,四、单晶体的塑性变形,物体在外力的作用下，会发生形状和尺寸的改变，称为变形。外力除去后能恢复原状的变形，称为弹性变形；外力除去后不能恢复原状的变形，称为塑性变形。,1. 弹性变形与塑性变形,单晶体晶格在受到正应力时不会发生塑性变形的，由弹性变形直接过渡到脆性断裂。塑性变形只有在受到剪应力时才会发生，当作用的剪应力达到一定值时，晶体便由弹性变形(剪切变形)过渡到塑性变形。,A、滑移,2.单晶体的塑性变形,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滑动，称为滑移。该晶面和晶向，分别称为滑移面和滑移方向。滑移往往在许多晶面上同时发生，在晶体表面形成阶梯状不均匀的滑移带 。,滑移并非沿任意晶面和晶向发生，而总是沿着该晶体中原子排列到最密的晶面和晶向发生的。,单晶体的塑性变形有两种形式：滑移与孪晶,I) 滑移系,每一种晶格存在几个滑移面；而每一滑移面又有几个可能的滑移方向。一个滑移面和其上一个滑移方向，构成一个滑移系。一种晶格上滑移系总数是滑移面数和其上滑移方向数的乘积。,对于金属的塑性变形能力，滑移方向的作用要比滑移面的作用大。,II) 临界切应力,要使金属在外力作用下产生滑移（塑性变形），必须在滑移面沿滑移方向上施加一定大小的剪应力。该剪应力称为临界切应力。对于一定的材料而言，临界切应力是一个常数，它的大小取决于材料的本性。,？根据临界切应力的特点，说明单晶体试样在拉伸试验时，屈服 (材料产生塑性变形）应力是否与试样的取样方位有关？,纯金属晶体滑移时的临界剪应力k的值，一般约为1010MNm。而根据静电理论的临界剪应力k (103104MNm )比实际值大的多。其原因是：,1) 金属晶体晶格的原子排列理想化； 2) 认为晶体的滑移在是滑移面上同时进行。实际晶体的滑移通过滑移面上的位错运动进行，原子是逐个逐个的移动。,解：设试样横截面积为A, 载荷为P, 则作用横截面的应力为：,滑移面滑移方向上的分剪应力为：,可见单晶体的屈服应力与试样的取向有关。,则作用在滑移面上的剪力与剪应力为:,III)几何硬化与几何软化,随着滑移的进行，由于滑移面的转动或弯曲加剧，使滑移越来越难以在这些滑移面上进行，这种现象称为几何硬化。 滑移系数目多的金属塑性变形时，在一个滑移系发生几何硬化的同时，另一个滑移系可能由于晶体的转动而越来越处于有利的位向，使易于产生滑移，则称为几何软化。 这时新的滑移面将和旧的滑移面相交错，这种有两个滑移系参加，滑移不是同步而是依次顺序进行的，称为双滑移。,B、孪晶,孪晶是在剪应力作用下的晶体的一部分对应一定的晶面(称双晶面)，沿一定的方向，进行相对移动。使晶体的变形部分与未变形部分以双晶面为对称面互相对称。,孪晶造成晶格畸变，使金属强化； 通常发生在低温、冲击等难变形的情况下。,当变形很小时，由材料力学可知，剪应力与剪应变有：,一、材料理论强度模型,当上层原子相对于下层原子整体滑动一个距离时，所需要的剪应力应为移动距离的周期函数：,则,则理论临界屈服剪应力满足,实际表明，理论临界屈服剪应力比真实情况的屈服应力往往大几个数量级。,2.2 位错基本理论,为解释金属理论强度与实际情况的巨大差异，泰勒（G. I. Taylor)等于三十年代提出了金属晶体中的位错假设。位错理论不断得到试验证实和理论上的完善。该理论的基本概念有：,1.柏氏矢量,二、位错理论基本知识(dislocation theory),在实际晶体中，位错线不能一段段孤立地存在，只能终止在晶体自由表面或晶界的内表面上。晶体内部的位错线一定是封闭的：或形成一位错环,或结成三维的位错网络。,2. 位错环,3.位错运动,A.滑移,在柏氏矢量方向的位错运动称为滑移。,微观刃型位错的运动造成塑性变形,B.位错攀移(dislocation climbing),空位迁移引起的攀移:,间隙原子迁移引起的攀移:,当刃型位错线的运动方向与柏氏矢量垂直时，这种位错运动称为位错攀移。,C.位错交割(dislocation cutting),位错线在运动中可能遇到不在同滑移面上的其它位错线而受阻碍。如果应力足够大，位错能够克服这个障碍继续前进，使位错彼此交叉通过，称为位错的交割。,D.交滑移(cross sliding),E.位错塞积(dislocation pile-up),位错线在运动中因受阻碍可能转移到其他滑移面上的继续运动，称为位错的交滑移。,4.位错增殖(dislocation multiplication),弗兰克一端德（Frank-Rend）源：两端被钉扎住的位错AB作为位错源，在外力作用下不断产生新的位错环。,2.3 多晶体的冷塑性变形,一、多晶体的塑性变形特点,1）晶界的影响,2）晶粒位向的影响,3）多晶体变形的不均匀，产生残余应力,二、多晶体的冷塑性变形方式,1）晶内变形,2）晶间变形,a）滑移,b）双晶,a）晶间之间的移动,b）晶间之间的转动,例：冲压件出现“橘皮”现象,多晶体的塑性变形有晶内变形和晶间变形两种方式：,2）形成变形织构（texture),1）形成纤维组织(fiber structure),3）产生亚晶(sub-grain),多晶体金属经塑性变形后，除和单晶体一样在每颗晶粒内产生滑移带和双晶带外，还可能引起组织改变：,四、多晶体变形对性能的影响,一般而言，材料发生塑性变形后，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,三、多晶体变形对组织的影响,2.4 加工硬化(work hardening),面心立方晶体的三个典型硬化阶段,一、单晶体的加工硬化,塑性变形过程中金属和合金发生的组织上及机械、物理和化学性能上变化的总和，称为加工硬化。,加工硬化系数=d/d,二、多晶体的加工硬化,一开始就进入第二阶段，易形成位错纠结(tangle)和胞状组织(cell structure)。 加工硬化系数比单晶体大，晶粒愈细，加工硬化愈显著,三、加工硬化的作用,2.5 金属冷变形后在加热时组织变化回复和再结晶(recovery and recrystallization),一、冷变形金属的静态回复,1）温度低时，点缺陷消除,2）温度中时，位错运动-位错合并与位错组合,3）温度高时，不在同一滑移面上的位错通过攀移或交滑移合并，晶粒长大。,变形后金属在加热到（0.1-0.3)Tm,晶体缺陷减少，物理性能得已恢复，部分内应力消除，力学性能也部分恢复，该过程中称为回复。,二、静态再结晶,1）新的等轴晶粒代替变形晶粒；,2）再结晶使机械、物理和化学性能完全恢复，加工硬化全部消除；,变形金属加热至较高温度时，原子在变形晶粒的晶界或变形剧烈的区产生晶核，新晶粒长大到彼此边界，这一生核，长大的过程称为再结晶。,3）金属发生再结晶过程，必须有一个最小的变形量，低于这一变形量就不会发生再结晶；,4）再结晶的温度通常定义为：经过70变形量变形的金属，在均匀温度中保持一小时能完成再结晶的最低温度。纯金属再结晶温度是0.4Tm,5) 影响再结晶过程的因素主要有加热温度、保温时间、变形程度、原始晶粒度和金属的化学成分等。,三、二次再结晶,由再结晶得到的无畸变的等轴细晶粒，在温度继续升高或长时间保温时，会互相吞并而急剧长大，形成粗大晶粒，称为二次再结晶或集合再结晶。,四、再结晶图,1）影响再结晶后晶粒度的因素,影响再结晶后晶粗大小的因素很多，主要有变形程度、加热温度和保温时间等。,当变形程度很小时，晶粒没有多大变化 当达到某一变形程度时，晶粒持别粗大，这个变形是称为临界变形程度。,2）再结晶全图,例：控制轧制,将加热温度、变形程度对再结晶晶粒度的影响画成三维(变形程度、温度、晶粒)图形，称为再结晶全图。,四、按变形温度，金属变形可分为：,冷变形一般低于静态回复和静态再结晶温度,热变形一般高于静态再结晶温度,温变形一般在静态回复和静态再结晶温度之间,变形过程中再结晶进行不充分，变形末了既有再结晶的等轴晶粒，又有纤维状硬化组织，称为不完全的热变形。,变形过程中只有回复和加工硬化，不发生再结晶，变形末了仍然是硬化组织，称为不完全的冷变形。,2.6 金属热塑性变形,一、热变形金属变形机理,2）动态再结晶主要发生在层错能较低的金属热变形中,热变形温度一般为0.6Tm , 金属热变形分为晶内变形和晶间变形、以及扩散塑性变形（由原子扩散运动产生的塑性变形）。,二、动态回复和动态再结晶,应力作用下的回复和再结晶称为动态回复和动态再结晶。,1）动态回复主要发生在层错能较高的金属热变形中,A）动态回复是在层错能较高的金属软化的主要机制；,C）动态回复后的金属的位错密度比静态回复的高,B）层错能较高的变形主要机制为滑移和攀移；,A）晶粒大小取决与流动应力大小，与变形温度无关；,2.7 金属的塑性及其影响因素,一、金属的塑性指标、塑性图,用于衡量金属塑性的高低的数量指标，称为塑性指标。塑性指标是以金属材料开始破坏时的塑性变形量来表示的。,常用的塑性指标有拉伸试验时的延伸率,和断面缩小率,1）塑性指标,式中H0试样原始高度；HK第一个出现裂纹的试样镦粗后高度,金属的塑性指标还可用镦粗试验、扭转试验等测定。,镦粗试验的试件做成圆柱体，高度H为直径D的l.5倍，取一组试样在压力机或锤上进行镦粗，分别依次镦粗到预定的变形程度，第一个出现表面裂纹的试样的变形程度，即为塑性指标：,2）塑性图,将不同温度时得到塑性指标(、及K等)，以温度为横坐标，以塑性指标为纵坐标，绘成函数曲线，这种曲线图称为塑性图。,碳钢的塑性图,一个完整的塑性图包括：,压缩时的变形程度；,拉伸时的强度极限b、延伸率、断面缩小率；,冲击韧性K,扭转时的扭角或转数；,二、影响金属塑性的因素,影响影响金属塑性的主要因素有：化学成分、组织状态 、变形温度、变形速度和受力状态等。,1）化学成分的影响,化学成分对金属塑性的影响十分复杂。,碳 碳固溶到铁里，形成铁素体和奥氏体，它们具有良好的塑性和低的强度。当含碳量超过铁的溶解能力时，多余的碳和铁形成渗碳体。使碳钢的塑性降低，强度提高。 磷 磷能溶于铁素体中，使钢的强度、硬度显著提高，塑性、韧性显著降低。当含磷量达0.3时，钢完全变脆，冲击韧性接近于零，称冷脆性。 硫 生成FeS，FeS与FeO形成共晶体，分布于晶界。当钢在1000以上热加工时，由于晶界处的FeS共晶体熔化，导致锻件开裂，这种现象称为热脆性。 氮 氮在奥氏体中溶解度较大，在铁素中溶解度很小，且随温度下降而减小。将含氮量高的钢由高温较快冷却时，铁素体中的氮由于来不及析出而过饱和溶解。氮将以FeN形式析出，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性大为降低，这种现象称为时效脆性。,2）组织状态的影响,晶粒大小: 金属和合金晶粒越细化，塑性越好,基体金属的晶格类型：,单相组织和多相组织 ： 单相固溶体比多相组织塑性好,细晶粒金属强度、硬度较高，塑性好的原因： 晶界处的晶格畸变使多晶体的强度、硬度比单晶体高。 晶粒越细，晶粒数目越多，塑性变形分散在很多晶粒内进行，变形比较均匀些。,3）变形温度的影响,总的趋势是：随着温度升高，塑性增加，,A)热效应和温度效应,塑性变形过程中变形能转化为热能的现象，称热效应；其中部分热量使得变形体温度升高，该现象称温度效应。,4）变形速度的影响,影响温度效应的因素：,B）变形速度的影响,冷变形时，随着变形速度的增加，塑性略有下降,以后由于温度效应的作用加强，塑性可能会上升。,热变形时，随着变形速度的增加，通常塑性有较显著的降低，以后由于温度效应增强而使塑性稍提高；但当温度效应很大，以致使变形温度由塑性区进入高温脆区，则金属和合金的塑性又急剧下降。化学成分越复杂的材料，增大变形速度使塑性降低。,当变形速度不大时，塑性降低； 较大时，塑性降低； 很大时，塑性回升。,5）应力状态的影响,A) 应力状态,平均应力(静水压力):,B) 应力状态对塑性的影响,静水压力越大，则金属的塑性越高。,原因：,三、提高金属塑性的措施,2）合理选取变形温度和变形速度,3）合理选取变形方式,1）提高材料成分与组织的均匀性,4）减少不均匀变形,2.8 金属的变形抗力及其影响因素,一、金属的变形抗力,塑性加工时，使金属发生塑性变形的外力，称为变形