工程材料学 第06章 塑变.ppt

第四章金属材料的塑性变形 单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形变形后金属的回复与再结晶金属的热塑性变形 第一节概述 一 变形过程中的几个概念 变形 物体在外力作用下 形状或尺寸发生变化的行为 应力 物体内部任一截面单位面积上的所受的作用力 F A 同截面垂直的称为 正应力 或 法向应力 正应力通常引起材料的断裂 同截面相切的称为 剪应力 或 切应力 切应力通常引起材料的变形 应变 物体发生变形的长度除以原始长度 l l04 塑性变形 材料在外力作用下 发生的永久变形 二 变形宏观过程 在应力低于弹性极限 e时 材料发生的变形为弹性变形 应力在 e到 b之间将发生的变形为均匀塑性变形 在 b之后将发生颈缩 在K点发生断裂 弹性变形 特点 服从虎克定律 及应力与应变成正比 E 实质 弹性变形的实质是 在应力的作用下 材料内部的原子偏离了平衡位置 但未超过其原子间的结合力 晶格发生了伸长 缩短 或歪扭 原子的相邻关系未发生改变 故外力去除后 原子间结合力便可以使变形完全恢复 三 塑性变形 不能恢复的永久性变形叫塑性变形 当应力大于弹性极限时 材料不但发生弹性变形 而且还发生塑性变形 即在外力去除后 其变形不能得到完全的恢复 而具有残留变形或永久变形 塑性变形定义 实质 塑性变形的实质是 在应力的作用下 材料内部原子相邻关系已经发生改变 故外力去除后 原子回到另一平衡位置 物体将留下永久变形 四 塑性变形的方式 材料在外力作用下发生塑性变形的方式有 滑移 孪生 蠕变 流动 滑移是晶体材料塑性变形的基本方式 而流动是非晶体材料变形基本方式 第二节单晶体的滑移 一 滑移概念 滑移 是指当应力超过材料的弹性极限后 晶体的一部分沿一定的晶面 滑移面 和一定的晶向 滑移方向 相对于另一部分发生整体滑动的现象 滑移面 滑移发生的晶面称为滑移面 通常为晶体的最密排晶面 如 fcc 111 bcc 110 hcp 001 滑移方向 滑动的方向称为滑移方向 通常也为晶体的最密排方向 如 fcc bcc滑移系 一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系 滑移系愈多 塑性变形能力愈大 滑移带 大量晶面的滑移将得到宏观变形效果 在晶体的表面将出现滑移台阶 这些滑移台阶称为滑移带 二 滑移面 滑移方向与滑移系 体心立方中原子排列 面心立方中原子排列 三 滑移与晶体结构的关系 FCC 四 滑移与切应力关系 1 当一个晶体受到一外力F作用 在某一晶面上可分解为正应力和切应力 正应力是应力的垂直分量 它直接引起晶体的断裂 切应力是平行分量 引起晶体的滑移 所以晶体的滑移是由切应力引起的 2 临界切应力 对于某一特定的滑移面 只有当切应力分量达到某一临界应力时 晶体才发生滑移 临界切应力与位向有关 单晶体具有各向异性 滑移方向上的分切应力为 五 滑移与位错的关系 位错是晶体中的一种线缺陷 滑移是通过位错在滑移面的运动来实现的 这是因为通过位错运动实现滑移所需要的切应力最小 如下图所示 当滑移面上存在一个刃位错 在切应力 的作用下 上部分晶体相对于下部分晶体作整体运动 实际过程是 滑移是通过位错 一步一步 向右移动 因为在这种情况下 每一步滑移面上的原子仅作少许移动 因此所需的切应力最小 滑移的结果是在晶体外表面产生一个原子间距的台阶 若在滑移面上存在大量位错 则在晶体表面产生客观滑移带 第三节多晶体的塑性变形 二 多晶体的塑性变形协调性 多晶体是由众多取向不一的单晶体组成 在某一单向外力作用下各晶体的滑移面上的分切应力不同 只有一些达到临界切应力的滑移系才发生滑移 由于晶体之间的相互制约 首先滑移的晶体会引起自身或相邻晶体的转动 从而使原来启动的滑移系偏离最大切应力方向 而停止滑移 另一些原来不能启动的滑移系开动 进而使整个晶体的塑性变形协调发展 一 多晶体是各向同性 三 晶界对滑移的影响 在单晶体中的滑移是依靠位错运动来实现的 对于多晶体同样是依靠位错运动来完成塑性变形 若运动中的位错遇到晶界 位错就不能继续运动 而是在晶界处塞积 要使位错越过晶界继续运动 需要增加切应力 所以晶界对滑移有阻碍作用 从宏观上看 晶界可提高晶体的强度 晶体大小与强度存在著名的Hall patch 霍尔 佩奇 关系 s 0 Kd 1 2 d为晶粒直径 晶体愈细小 晶界愈多 多晶体的强度愈高 第四节塑性变形对组织 性能的影响 一 对组织结构的影响 1 组织纤维化 晶粒变形 随着塑性变形量增大 原来的等轴晶相应地被拉长或压扁 形成长条状或纤维状 使材料产生各向异性 2 亚晶粒的增多 塑性变形伴随着大量位错产生 由于位错运动和相互间交互作用 并使晶粒 碎化 成许多位向略有差异的亚晶块 或称亚晶粒 亚晶界是由位错堆积而成的 3 产生织构 金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列 尽管每个晶粒是各向异性的 宏观性能表现出各向同性 当金属经受大量 70 以上 的一定方向的变形之后 由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致 形成了 择优取向 即某一晶面 晶向 在某个方向出现的几率明显高于其他方向 金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构 它使金属材料表现出明显的各向异性 二 对性能的影响 1 引起加工硬化 随塑性变形量增加 金属强度 硬度会升高 而塑性 韧性会降低 这种现象称为加工硬化 折铁丝是一实例 产生加工硬化的原因 变形产生位错 随着变形量增加 位错密度增高 位错发生缠结和在晶界上塞积 导致位错运动困难 从而引起加工硬化 加工硬化的作用 强化材料的一种手段保持材料均匀形变 拉伸曲线中的加工硬化 2 产生残余内应力 由于金属在外力作用下内部形变不均匀 引起内应力 晶体材料中存在三类内应力 1 第一类内应力 由于材料表层和心部变形不均匀或这一部分和另一部分变形不均匀 造成平衡于它们之间的宏观内应力 称为第一类内应力 2 第二类内应力 由于相邻晶粒取向不同引起变形不均匀 或晶内不同部位变形不均匀 会造成微观内应力 通常称为第二类内应力 3 第三类内应力 由于位错等缺陷的增加 会造成晶格畸变 通常也称为第三类内应力 其中 第三类内应力占绝大部分 这是使变形金属强化的主要原因 第一 二类内应力占的比例不大 内应力太高 会引起材料破坏 所以一般都要用退火的办法尽量将内应力消除 第五节变形后金属的加热变化 回复与再结晶 引言 金属塑性变形后 出现晶粒拉长 位错增多 内应力升高等现象 他们会引起材料体系能量提高 处于一个高能亚稳态 有向低能态转变的倾向 在加热过程中 形变了的材料会发生回复 再结晶和晶粒长大三个过程 如右图所示 回复 再结晶和晶粒的长大 他们都是减少或消除结构缺陷的过程 相应地 材料的结构和性能也发生对应变化 一 回复 1 回复概念 经冷加工的材料在小于0 4Tm 以K表示 以下的温度保温 这时材料发生点缺陷消失 位错重排 内应力下降的过程为回复 2 回复引起材料组织和性能变化 l宏观应力 第一类应力 基本消除 但微观应力 第二 第三类 仍然残存 l力学性质 强度没有明显变化 二 再结晶 1 再结晶概念 当加热温度达到0 4Tm以上 晶粒形状开始发生变化 在亚晶界或晶界处形成了新的结晶核心 并不断以等轴晶形式生长 取代被拉长及破碎的旧晶粒 这一过程称为再结晶 如右图所示 2 再结晶引起的组织和性能变化 l位错大量消失 l新晶粒形核和长大 替代旧晶粒 l强度和硬度明显下降 塑韧性提高 加工硬化现象消除 再结晶过程 再结晶特点 1 再结晶不是一个相变过程 因为在结晶前后的结构和成分没有明显变化 它只是一个形态上的变化 物理过程 2 再结晶没有一个确定的温度 当T 0 4Tm即可发生再结晶过程 三 晶粒长大 1 长大驱动力 再结晶完成后 金属获得均匀细小的晶粒 但有长大的趋势 因为长大有利于减少界面 降低界面能 这种自由能的降低即为晶粒长大的驱动力 2 正常长大和非正常长大 正常长大 再结晶晶粒均匀长大 方式 相互兼并 组织均匀 非正常长大 一些晶粒迅速长大 并吞并临近小晶粒 造成组织不均匀 3 再结晶晶粒大小的影响因素 1 加热温度和时间 温度高 时间长 晶粒愈大 2 原始形变量 形变量愈大 晶粒愈大 但形变量有一个临界值 当超过这一值后 由于再结晶核心增多 相反引起晶粒细化 第六节金属的热塑性变形 热加工 一 热加工与冷加工区别 1 概念冷加工 在再结晶温度以下进行塑性变形热加工 在再结晶温度以上进行塑性变形 2 区别冷加工 加工硬化 晶粒变形热加工 加工硬化和再结晶过程同时发生 加工硬化消失 3 为什么进行热加工金属材料的强度和硬度会随温度的上升而下降 塑性会随温度的升高而升高 因此在较高的温度下进行塑性变形 材料的抗力小 易成型 二 热加工对材料组织性能的影响 1 提高致密度 热加工可使铸件的缩松和气泡焊合 提高材料的致密度 提高材料性能 3 形成合理的纤维组织 各种可变形的夹杂物会沿形变方向拉长 呈流线分布 从而造成各向异性 在流线方向 性能较好 而在垂直于流线方向上性能相对较差 见图6 21 2 细化晶粒 热加工可以打碎铸件粗大的枝晶和柱状晶 细化晶粒尺寸 三 强化金属的基本原理和方法 一 基本原理由于塑性变形的本质是位错的滑移 因此 提高强度就是设法阻止位错运动 主要有以下几种途径 1 细