《金属的塑性变形》PPT课件.pptVIP

1 9 金属材料的变形与再结晶 2 金属材料的变形与再结晶 1 2 3 金属热变形 蠕变与超塑性 4 金属的应力 应变曲线 金属的塑性变形 回复与再结晶 3 塑性是金属材料的重要特性 金属材料通过冶炼 铸造 获得铸锭后 可通过塑性加工的方法获得具有一定形状 尺寸和力学性能的型材 板材 管材或线材 以及零件毛坯或零件 塑性加工包括锻压 轧制 挤压 拉拔 冲压等方法 9 2金属的塑性变形 金属在承受塑性加工时 产生塑性变形 宏观上改变了材料的形状和尺寸 微观上改变了金属的组织结构 金属的塑性变形对材料的性能也会产生重要的影响 是金属材料重要的强化手段 4 一 单晶体的塑性变形 1 滑移现象滑移 滑移带 滑移线 如果把经过抛光的单晶体试样进行塑性变形 则在显微镜下可以看到抛光表面上出现平行的黑线 称为滑移带 在电子显微镜下 滑移带是一组更细的线组成 这更细的线条称为滑移线 2 滑移系滑移面 原子排列最密的晶面滑移方向 原子排列最密晶向滑移系 一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系 滑移系越多 晶体塑性越好 金属塑性变形的方式主要有 滑移和孪生 工业纯铜中的滑移线 5 6 1 fcc滑移系滑移方向 滑移面一般为 111 面心立方结构共有四个不同的 111 晶面 每个滑移面上有三个晶向 故共有4 3 12个滑移系 7 2 bcc体心立方结构是一种非密排结构 因此其滑移面不稳定 一般低温时为 112 中温多为 110 高温为 123 滑移方向稳定为 所以 可能出现的滑移面有 110 112 123 如果三组滑移面都能启动 则潜在的滑移系数目为 12 48个 个 8 3 hcp滑移系 3 密排六方晶体中的滑移系密排六方晶体中 滑移方向一般都是 但滑移面与轴比有关 当c a接近或大于1 633时 0001 为最密排面 滑移系即为 0001 共有三个 当c a小于1 633时 0001 不再是密排面 滑移面将变为柱面 10 10 或斜面 10 11 滑移系分别为三个和六个 9 金属不同晶格的滑移系 金属塑性除与滑移系的多少有关外 还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目有关 10 1 最大分切应力正好落在与外力轴成45 角的晶面以及与外力轴成45 角的滑移方向上 假设对一个单晶圆柱体试样作拉伸试验滑移面的面积作用在此滑移面上的应力 3 临界分切应力临界分切应力 晶体开始滑移时 滑移方向上的分切应力 11 3 临界分切应力应力与外力F方向相同 可分解为两个分应力 一个为垂直于滑移面的分正应力 另一个为分切应力 分切应力 作用在滑移方向使晶体产生滑移 其大小为 称为取向因子 或称施密特因子 取向因子越大 则分切应力越大 对于任一给定的 值 取向因子的最大值出现在 90 时 当 45 时 也为45 取向因子有最大值1 2 此时 得到最大分切应力 12 2 能使晶体滑移的力是外力在滑移系上的分切应力 通常把给定滑移系上开始产生滑移所需分切应力称为临界分切应力 3 在拉伸时 可以粗略认为金属单晶体在外力作用下 滑移系一开动就相当于晶体开始屈服 此时 对应于临界分切应力的外加应力就相当于屈服强度 S 单晶体的屈服强度随取向因子而改变 45 时 取向因子达到最大值 产生拉伸变形的屈服应力最小 90 或0 时 S 晶体不能沿该滑移面产生滑移 13 软取向 45 m 0 5硬取向 90 或 0 m 0 影响临界分切应力因素 金属的本性 组织 纯度 变形速度 加工状态 4 硬取向 晶体中有些滑移系与外力取向偏离45 很远 需要较大的 s值才能滑移 称为硬取向 软取向 晶体中有些滑移系与外力的取向接近45 角 处于易滑移的位向 具有较小的 s值 称为 软取向 通常是软取向的滑移系首先滑移 14 4 拉伸和压缩时晶体的转动 1 拉伸 拉伸作用在中间一层金属上下两面的作用力 可分为两个分应力 1 分正应力 1 2 垂直于滑移面 构成力偶 使晶块滑移面朝外力轴方向转动 2 分切应力 当外力分解到滑移面上的最大分切应力与滑移方向不一致时 又可分解为平行于滑移方向和垂直于滑移方向的两个分力 前一分力是产生滑移的有效分切应力 后一分力将构成一对作用在晶块上下滑移面上的力偶 力图使滑移方向转至最大切应力方向 拉伸时 在产生滑移的过程中 晶体的位向在不断改变 不仅滑移面在转动 而且滑移方向也改变位向 15 2 压缩压缩时晶体的滑移面 力图转至与压力方向垂直的位置 晶体在压缩时的晶面转动 16 3 几何硬化与几何软化几何硬化 如果晶体滑移面原来是处于其法线与外力轴夹角接近45 的位向 经滑移和转动后 就会转到此夹角越来越远离45 的位向 从而使滑移变得越来越困难 几何软化 经滑移和转动后 一些原来角度远离45 的晶面将转到接近45 使滑移变得容易进行 17 5 多系滑移与交滑移 1 单滑移 单滑移 只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先开动时 形成单滑移 2 多系滑移 由于变形时晶体转动的结果 有两组或几组滑移面同时转到有利位向 使滑移可能在两组或更多的滑移面上同时或交替地进行 形成 双滑移 或 多滑移 此时 外力对两个滑移系的取向因子完全相同 18 5 多滑移和交滑移 19 超越现象由于第二滑移系开动时必然与第一滑移系所造成的滑移线与滑移带交割 即前一滑移系的滑移对另一滑移系起潜在的强化作用 造成另一滑移系的起动比较困难 所以实际上第一滑移系将继续作用到穿过AC并达到P 第二滑移系才开始动作 这种现象称为 超越 20 如果发生双滑移或多系滑移 会出现交叉形的滑移带 21 交叉形的滑移带 22 交滑移交滑移是指两个或多个滑移面共同沿着一个滑移方向的滑移 交滑移的实质是螺位错在不改变滑移方向的情况下 从一个滑移面滑到交线处 转到另一个滑移面的过程 23 6 滑移的位错机制晶体的滑移通过位错运动来实现 24 25 通过位错的移动实现滑移时 1 只有位错线附近的少数原子移动 2 原子移动的距离小于一个原子间距 所以通过位错实现滑移时 需要的力较小 金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的 而滑移又是通过位错的移动实现的 所以 只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进行 从而提高了塑性变形的抗力 使强度提高 金属材料常用的五种强化手段 固溶强化 加工硬化 晶粒细化 弥散强化 淬火强化 都是通过这种机理实现的 26 滑移变形的特点 滑移变形只能在切应力作用下才会发生 不同金属产生滑移的最小切应力 称滑移临界切应力 大小不同 钨 钼 铁的滑移临界切应力比铜 铝的要大 滑移变形是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果 滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑移 而是通过位错的运动来实现的 由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量 因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距整数倍 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面 密排面 和其上密度最大的晶向 密排方向 进行 这是由于密排面之间 密排方向之间的距离最大 结合力最弱 因此滑移面为该晶体的密排面 滑移方向为该晶体的密排方向 一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系 滑移变形时晶体伴随有转动 如图所示 在拉伸时 单晶体发生滑移 外力轴将发生错动 产生一力偶 迫使滑移面向拉伸轴平行方向转动 同时晶体还会以滑移面的法线为转轴转动 使滑移方向趋于最大切应力方向 27 4 孪生 1 孪生变形现象孪生变形 切应力作用下 晶体的一部分沿一定晶面 孪晶面 和一定的晶相 孪生方向 相对于另一部分做均匀的切变所产生的变形 变形过程 孪晶 28 2 孪生变形特点 孪生常发生于密排六方晶体中 体心立方在承受冲击载荷时发生 面心立方很少发生孪生变形 29 30 5 多晶体的塑性变形 工程上使用的金属绝大部分是多晶体 多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同 但由于多晶体材料中 各个晶粒位向不同 且存在许多晶界 因此变形要复杂得多 有以下特点 1 各晶粒变形的不同时性 多晶体中每个晶粒位向不一致 一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向 称晶粒处于软位向 另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大 称晶粒处于硬位向 在发生滑移时 软位向晶粒先开始 当位错在晶界受阻逐渐堆积时 其它晶粒发生滑移 因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形 变形分散在材料各处 31 晶界是原子排列不规则的地方 它对位错的移动有阻碍作用 要想使位错通过晶界 外界必须对它施加更大的力 所以晶界处的强度比晶内高 32 2 各晶粒协同变形 一个晶粒的变形受到相邻晶粒的约束 面心和体心滑移系多 协调性好 多晶体表现出良好的塑性 密排六方滑移系少 协调性差 多晶体塑性较差 3 塑性变形具有不均匀性各个晶粒的变形不均匀 一个晶粒内部的变形也不均匀 晶粒中心区域的变形量较大 晶界及其附近区域变形量较小 33 晶粒大小对多晶体的塑性变形的影响 1 晶界的影响 晶界使变形晶粒中的位错受阻 2 晶粒取向的影响 为协调变形要求每个晶粒进行多滑移 导致位错的交割两者都提高材料的强度 晶粒越细 晶界越多 材料的强度越高 把细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法称细晶强化 霍尔 配奇 Hall petch 公式 细晶强化可在提高强度的同时改善塑性和韧性 34 6 固溶体的塑性变形 1 固溶强化固溶强化 随溶质原子含量的增加 单相固溶体塑性变形抗力提高 强度 硬度不断增加 塑性 韧性不断下降的现象 产生原因 1 溶质与溶剂原子半径差引起弹性畸变 与位错之间产生弹性交互作用 对滑移面上的位错有阻碍作用 2 位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用 35 影响因素 1 溶质原子不同 浓度不同 强化效果不同 2 溶质原子与基体金属原子尺寸差越大 强化作用越大 3 间隙溶质原子比置换溶质原子强化作用大 4 溶质与基体价电子数差越大 强化作用越强 36 7 多相合金的塑性变形 1 聚合型两相合金的变形两相的塑性都较好变形阻力取决于两相的体积分数 等应变理论 等应力理论 只有第二相较强时 合金才能强化 第二相为硬脆相合金性能除了与两相相对含量有关外 还取决于脆性相的形状和分布 1 连续网状第二相 使合金塑形变差 强度降低 2 层片状第二相 使强度提高 3 粗颗粒状第二相 强度降低 塑性 韧性改善 第二相的获得 相变热处理 粉末冶金 37 2 弥散型两相合金的塑性变形A 不可变形微粒的强化作用 位错绕过机制 第二相微粒间距越小 强化效果越好 B 可变形微粒的强化作用 位错切过机制需要错排能需要反相畴界能需要表面能弹性应力场与位错作用 阻碍其运动位错能量 线张力变化 38 1 显微组织的变化 晶粒被拉长为扁平晶粒纤维组织位错密度增加 形成位错胞变形亚结构或变形亚晶 8 塑性变形对金属组织和性能的影响 39 形成变形织构 多晶材料的塑性变形中 随变形度的增加 多晶体中原先任意取向的各个晶粒发生转动 从而使取向趋于一致 形成择优取向 称为变形织构 类型 1 丝织构 各晶粒某一相同指数的晶向与拉拔方向平行或接近平行 形成条件 拉拔时形成 表示方法 2 板织构 各晶粒某一同指数晶面平行于轧制平面 某一同指数的晶向平行于轧制方向 形成条件 轧制时形成表示方法 hkl 对性能的影响 各相异性 40 2 产生残留应力产生原因 物体变形不均匀 1 宏观内应力 第一类内应力 由于工件各部分之间的塑性变形不均匀而产生 其平衡遭破坏后 使工件产生变形 2 微观内应力