金属力学性能测试技术2.3塑性变形

金属力学性能测试技术,材料的弹性变形与塑性变形,塑性变形,一、塑性变形的特点及方式,1、塑性变形的特点塑性变形是不可逆变形，变形度大，一般金属的塑性远大于弹性。金属的塑性变形主要由切应力引起，只有切应力才能使晶体产生滑移或孪生变形。金属塑性变形阶段除了塑性变形本身外还伴随有弹性变形和形变强化，其应力应变关系不再是简单的直线关系。,高温下，金属塑性变形除了决定于应力外，还和温度及时间有关,即高温时间效应。表征金属塑性变形的力学性能指标都是很敏感的性能指标。金属塑性变形时还会引起应变硬化、内应力及一些物理性能的变化。,一、塑性变形的特点及方式,2、塑性变形的方式,（1）滑移slip滑移是金属材料在切应力作用下，位错沿滑移面和滑移方向运动而进行的切变过程。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。滑移系越多，金属的塑性越好，但不是唯一因素。（2）孪生twining孪生亦是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式，孪生变形亦是沿特定的晶面和特定晶向进行的。,一、塑性变形的特点及方式,2、塑性变形的方式,（3）晶界滑动和扩散性蠕变高温下多晶体金属因晶界性质弱化，变形将集中于晶界进行，变形时可以是晶界切变滑动，也可以借助于晶界上空穴或间隙原子定向扩散迁移来实现。此种方式变形非切应力引起。,一、塑性变形的特点及方式,一、塑性变形的特点及方式,3、多晶体金属的塑性变形特点,（1）各晶粒变形的不同时性晶粒取向不同，取向有利的晶粒先变形。组织愈不均匀，起始塑性变形不同时性愈明显。（2）各晶粒变形的不均匀性不均匀性存在于各晶粒之间，基体金属晶粒与第二相晶粒之间，即使同一晶粒内部，各处的变形亦不均匀。结果，宏观塑性变形量尚不大时，微观局部可能变形很大，在内应力作用下形成微裂纹，导致金属材料的早期断裂。,（3）各晶粒变形的相互协调性多晶体作为一个连续整体，要求各晶粒之间能协调变形，否则将造成晶界开裂。故多晶体金属塑性变形需要进行多系滑移，或在滑移同时进行孪生变形。要求：每个晶粒至少必须有5个独立的滑移系开动。,一、塑性变形的特点及方式,二、物理屈服与屈服强度,1、物理屈服现象屈服反映了材料内部的某种物理过程，故也称为物理屈服。,e,R,0,ReH,a,ReL,Rm,（吕德斯带）,吕德斯带：45塑性变形痕迹。当不断出现吕德斯带的过程就是屈服过程。,二、物理屈服与屈服强度,位错增殖理论解释屈服1、要增大位错运动速率，必须有较高的外应力出现上屈服点2、位错大量增殖，可动位错密度增大，为适应原先的应变速率，位错运动速率必然会大大降低，相应应力也突然降低。,二、物理屈服与屈服强度,柯氏气团解释屈服绕着位错线分布的间隙溶质原子柯氏气团对位错有“钉扎”作用一旦脱离“钉扎”，便可在较小的力下运动。,二、物理屈服与屈服强度,应变时效卸载后，在室温或较高温度停留较长时间后再拉伸，物理屈服现象重现，出现新的屈服平台，率高于卸载时应力-应变曲线。,二、物理屈服与屈服强度,2、影响屈服强度的内在因素（1）金属的本性及晶格类型纯金属单晶体的屈服强度是使位错开始运动的临界切应力，其值由位错运动所受各种阻力决定。不同的金属及晶格类型，位错运动所受的阻力不同，故彼此的屈服强度不同。点阵阻力在不受其他内部应力场影响的前提下，使一个位错线在完整晶体中运动所需要克服的阻力。（晶格阻力、派纳力p-n）,G切变模量；b柏氏矢量的模；泊松比；a滑移面晶面间距；位错宽度，由上式可知：p-nb或ap-n故位错在滑移面的滑移方向上最易运动。,二、物理屈服与屈服强度,.位错间交互作用产生的阻力,1、平行位错间交互作用产生的阻力2、运动位错与位错林交互作用产生的阻力比例系数；L位错间距离；位错密度平行位错：为主滑移面中位错的密度林位错：为位错林的密度由上式知：，故屈服强度。位错林晶体中位错呈空间网状分布，对某一个位错线来讲，其滑移面和其它一些位错线是相交的，则这些相交叉的位错线即称林位错。,二、物理屈服与屈服强度,（2）晶粒大小和亚结构（细晶强化）晶粒尺寸晶界位错运动障碍数目，位错塞积群长度s许多金属与合金s与晶粒大小均符合霍尔派奇（Hall-Petch）公式：i位错在基体金属中运动的总阻力，亦称磨擦阻力；ky度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数；d晶粒平均直径。亚晶界、相界的作用与晶界类似，均阻碍位错运动，霍尔派奇公式适用。,二、物理屈服与屈服强度,二、物理屈服与屈服强度,（3）溶质元素（固溶强化）纯金属中加入溶质元素，形成间隙或置换固溶体，显著地提高了屈服强度固溶强化固溶体中溶质原子越多，强化效果越好；固溶强化效果：间隙型置换型,二、物理屈服与屈服强度,第二相质点的强化效果与质点本身在屈服变形过程中能否变形有很大关系，据此将第二相质点分为两类：弥散型和聚合型,（4）第二相的影响,二、物理屈服与屈服强度,1）弥散型,位错绕过第二相，按照这种方式，位错运动的阻力主要来自弯曲位错的线张力：,二、物理屈服与屈服强度,如果再考虑到质点大小的影响，则位错线的运动阻力为：L相邻质点的间距；r质点半径；G切变模量；b柏氏矢量由上式可知：当rb时，随着L，即第二相质点数量越多，越分散，材料的屈服强度就越高。随着绕过质点的位错数量，留下的位错环，质点间距，屈服强度。,二、物理屈服与屈服强度,2）聚合型,对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起产生变形，由此也能提高s。原因：由于质点与基体间晶格错排及位错切过第二相质点产生新的界面需要作功等原因造成的。此类质点强化效果的影响因素：粒子本身性质及其与基体结合情况；粒子尺寸、形状、数量；第二相与基体的强度、塑性、应变硬化特性、两相晶体学配合、界面能等。,二、物理屈服与屈服强度,3、影响屈服强度的外在因素,（1）温度T金属材料的屈服强度，但金属晶体结构不一样，其变化趋势不一样。（2）应变速率应变速率金属材料的强度，但屈服强度随应变速率的变化比抗拉强度的变化剧烈（应变速率硬化现象）；（3）应力状态切应力分量愈大愈有利于塑性变形屈服强度愈低。扭转s拉伸s弯曲s不同应力状态下材料屈服强度不同，并非是材料性质变化，而是材料不同条件下表现的力学行为不同而已。,二、物理屈服与屈服强度,1、定义金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于14%），而后再同向加载，则规定延伸强度与屈服强度升高；反向加载，规定延伸强度与屈服强度降低的现象。（图3-17）,三、包辛格（Bauschinger）效应,2、形成机理在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某一滑移面运动，遇林位错而弯曲在位错前方，林位错密度增加，形成位错缠结，该位错结构在力学上稳定。如果此时卸载并随后同向加载，位错线不能显著运动，宏观上表现为规定残余伸长应力增加；如果卸载后施加反向力，位错被迫反向运动，在反向路径上，林位错等障碍数量少，位错可以在较低应力下移动较大距离，即规定残余伸长应力降低。,3、消除方法（1）预先经受较大的塑性变形；（2）在第二次反向受力前使金属材料于回复或再结晶温度下退火。,三、包辛格（Bauschinger）效应,四、屈服后的变形,1、应变硬化性能当外力超过s后，需要不断增加外力塑性变形才能继续，这就表明金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力，即应变硬化性能。应变硬化现象流动应力随应变的增加而增加的现象。2、应变硬化指数（n）应变硬化指数是表征材料屈服后对继续塑性变形的抗力。n=0没有应变硬化能力n=1材料为完全理想的弹性体n一般在0.050.5之间,影响因素：（1）材料的层错能位错在障碍附近的应力集中水平n（2）金属材料的强度级别n，实验结果表明：ns=常数（3）金属材料加工状态：退火态：n大；冷加工态：n小（4）晶粒粗化n,应变硬化指数的测定,应变硬化指数n可按GB5028-85金属薄板拉伸应变硬化指数(n值)试验方法进行测定。一般常用直线作图法求得。对式S=Ken两边取对数，得lgS=lgK+nlge可见,lgS-lge呈直线关系。在应力应变曲线上确定几个点的、值，再按S（1）、e=ln(1+)计算出S、e,然后作出lgS-lge曲线，直线的斜率就是所求的n值。,3、应变硬化的意义,1）应变硬化可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件安全；2）应变硬化和塑性变形适当配合可使金属进