5.2-晶体的塑性变形课件

5.2晶体的塑性变形,5.2晶体的塑性变形,单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织和性能的影响,5.2.1单晶体的塑性变形,常温或低温下，单晶体塑性变形（plasticdeformation）方式：1.滑移（slip）2.孪生（twining）3.扭折（link）,1.滑移,(1)滑移线和滑移带滑移线（slipline）：滑移线实际上是在晶体表面产生的小台阶。滑移带（slipband）是由一系列相互平行的更细的线组成的。,铜中的滑移带500,滑移线和滑移带示意图,（2）滑移系,滑移是沿着特定的晶面(称为滑移面slipplane)和晶向(称为滑移方向slipdirection)上运动。一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系（slipsystem）。滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。滑移系主要与晶体结构有关。晶体结构不同，滑移系不同；晶体中滑移系越多，滑移越容易进行，塑性越好。结论:滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列的最密排面和最密排晶向。如fcc：111bcc：110、112和123hcp：0001每一种晶格类型的金属都有特定的滑移系，且滑移系数量不同。如：fcc中有12个,bcc中有48个，hcp中有3个。,三种常见金属晶体结构的滑移系,（3）滑移的临界分切应力（k）,滑移的临界分切应力（criticalresolvedshearstress）:计算方法:k=scoscos式中coscos为取向因子（orientationfactor），该值越大，k越大，越有利于滑移。当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴三者共处一个平面，则=45时，coscos=1/2，此取向最有利于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所需的分切应力，称此取向为软取向。当外力与滑移面平行或垂直时（=90或=0），则s，晶体无法滑移，称此取向为硬取向。取向因子coscos对s的影响在只有一组滑移面的密排六方结构中尤为明显。,计算分切应力的分析图,一些金属的滑移系和临界分切应力,（4）滑移时晶体的转动,随着滑移的进行，晶体的取向发生改变的现象称为晶体的转动。对于密排六方结构结构，这种现象尤为明显。拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴线方向。压缩时，滑移面逐渐趋于与压力轴线方向垂直。滑移时不仅滑移面发生转动，而滑移方向也逐渐改变，滑移面上的分切应力也随之改变。=45时分切应力最大。经滑移转动后，若角趋近于45，则分切应力逐渐增大，滑移越来越容易，称为几何软化（geometricalsoftening）；若角远离45，则滑移越来越困难，称为几何硬化（geometricalhardening）。,（5）多系滑移,多系滑移（multislip/polyslip）例如fcc中滑移系：111方向与001垂直,则8面体上有42=8个取向因子相同的滑移系，当=k时可同时开动。但这些滑移系由不同的滑移面和滑移方向构成，滑移时发生交互作用，产生交割和反应。交滑移（cross-slip）：交滑移的实质：bcc结构中最易发生交滑移。,（6）滑移中的位错机制,滑移是借助于位错在滑移面上运动来逐步进行的；晶体的滑移必在一定外力作用下才能发生，说明位错运动要克服阻力，该阻力来自点阵阻力，称为PN力，其大小为：PN=2Gexp（2W/b）/（1）PN与W呈指数关系，d增大，w=d/（1）增大，b减小，则PN下降，滑移阻力小,滑移容易进行。,刃位错的滑移示意图,刃位错的滑移模型,螺位错的滑移模型,2.孪生,(1)孪生变形过程孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面(孪晶面)和一定方向(孪生方向)相对于另一部分作均匀的切变（协同位移）所产生的变形。但是不同的层原子移动的距离也不同。变形与未变形的两部分晶构成镜面对称,合称为孪晶（twin）。均匀切变区与未切变区的分界面成为孪晶界。孪晶面（twiningplane）：孪晶方向（twiningdirection）：,FCC晶体孪生变形,FCC晶体的孪生面是（111），孪生方向是11-2。图2是FCC晶体孪生示意图。fcc中孪生时每层晶面的位移是借助于一个不全位错（b=a/611-2）的移动造成的，各层晶面的位移量与其距孪晶面的距离成正比。孪晶在显微镜下观察呈带状或透镜状。每层（111）面的原子都相对于邻层（111）晶面在11-2方向移动了此晶向原子间距的一个分数值。下图2中带浅咖啡色的部分为原子移动后形成的孪晶。可以看出，孪晶与未变形的基体间以孪晶面为对称面成镜面对称关系。如把孪晶以孪晶面上的11-2为轴旋转180度，孪晶将与基体重合。其他晶体结构也存在孪生关系，但各有其孪晶面和孪晶方向。,fcc晶体孪生变形示意图1,fcc晶体孪生变形示意图2,变形孪晶100,(2)孪生的特点,孪生变形是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻的应力集中区。因此孪生的k比滑移大得多。hcp中常以孪生方式变形，bcc中在冲击或低温也可能借助于孪生变形，fcc中一般不发生孪生变形。孪生是一种均匀切变。而滑移是不均匀的。孪生的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。而滑移后晶体各部分的位向并未改变。孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。但孪生能改变晶体取向，使滑移转到有利位置。由于孪生变形后，局部切变可达较大数量，所以在变形试样的抛光面上可以看到浮凸，经重新抛光后，表面浮凸可以去掉，但因已变形区和未变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或侵蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。,(3)孪晶的类型及形成,按孪晶（twin）形成原因可将孪晶分为：变形孪晶（deformationtwinning）、生长孪晶、退火孪晶变形孪晶(机械孪晶)：机械变形产生的孪晶。特征：透镜状或片状。其形成通过形核和长大两个阶段生产。形核是在晶体变形时以极快速度爆发出薄片孪晶；生长是通过孪晶界的扩展使孪晶增宽。孪生变形在曲线上表现为锯齿状变化。孪生变形与晶体结构类型有关。hcp中易发生，fcc一般不易发生，但在极低温度下才会产生。生长孪晶：晶体自气态，液态，或固体中长大时形成的孪晶。退火孪晶：形变金属在其再结晶过程中形成的孪晶。,(4)孪晶的位错机制,孪生变形（deformationtwinning）是整个孪晶区发生均匀切变，其各层面的相对位移是借助于一个Shockley不完全位错移动而造成的。形变孪晶是通过位错增值的极轴机制形成的。(如：L型扫动位错),3.扭折,扭折（link）：扭折与孪生不同的是它使扭折区晶体的取向发生了不对称性的变化。扭折区上下界面是由符号相反的两列刃型位错所构成，而每一弯曲区是由同号位错堆积而成，取向是逐渐弯曲过渡的。扭折还伴随形变孪晶。,4.位错塞积,在切应力的作用下，FR位错源所产生的大量位错沿滑移面的运动过程中，如果遇到障碍物（固定位错、杂质粒子、晶界）的阻碍，领先的位错在障碍前被阻止，后续的位错被堵塞起来。形成位错的平面塞积群，称为位错塞积。位错塞积群的位错数n与障碍物至位错源的距离L呈正比。塞积群在障碍处产生高度应力集中，其值为：=n0式中0为滑移方向的分切应力值。L越大，n越多，越大。,5.2.2多晶体的塑性变形,1.晶粒取向的影响表现在各晶粒变形过程中具有相互制约和协调性。在多晶体中，外力作用下处于有利位向的晶粒首先滑动位错开动，增殖晶界上位错塞积应力集中（k），其它滑动，各晶粒间变形而得到相互协调与配合。理论分析指出，多晶体塑性变形（pclycrystallinecrystal）时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑移系进行滑移。能否满足该要求与晶体的结构类型有关。,多晶体中晶粒取向,2.晶界的影响,晶界对晶粒变形具有阻碍作用。拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状，每个晶粒中的滑移带均终止于晶界附近，晶界附近位错塞积，塞积数目n为：n=k0l/Gb位错塞积，密度增高，材料强度提高。因此，晶粒越细，晶界越多，材料强度越高（称为细晶强化，grainsizestrenthing），其s与d关系如下：s=0kd-1/2HallPetchequation上式具有广泛的适用性（s亚晶d、sSo（片）。细小而均匀的晶粒使材料具有较高的强度和硬度，同时具有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。,经拉伸后晶界处呈竹节状,晶界对硬度的影响,低碳钢的s与晶粒直径的关系,14,晶粒细化的应用,Hall-Petch公式s=0+KD-1/2,D1D2D3123这个简单原理指导材料的发展,Cu和Al的s与亚晶尺寸的关系,锌的单晶和多晶的拉伸曲线,铜多晶试样拉伸后形成的滑移带,173,5.2.3合金的塑性变形,合金分类：单相固溶体合金多相合金合金的塑性变形：单相固溶体合金塑性变形多相合金塑性变形,一.单相固溶体合金塑性变形,溶质原子的作用主要表现在固溶强化(SolidsolutionStrenthening)作用，提高塑性变形抗力。1.固溶强化固溶强化：固溶体合金的曲线：由于溶质原子加入使s和整个曲线的水平提高，同时提高了加工硬化率n。影响固溶强化的因素：溶质原子类型及浓度。溶质原子与基体金属的原子尺寸差。相差大时强化作用大。间隙型溶质原子比置换型溶原子固溶强化效果好。溶质原子与基体金属价电子数差。价电子数差越大，强化作用大。固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用、化学交互作用和静电交互作用。,Cu-Ni固溶体的力学性能与成分的关系,2.屈服现象与应变时效,图5.31工程曲线上屈服点：下屈服点：吕德斯带：屈服过程：（1）柯氏（Cottrell）气团及柯氏气团理论：柯氏气团钉扎位错。材料塑性变形时应变速度与晶体中可动位错的密度、位错运动的平均速度及位错的柏氏矢量成正比。关系式为5.31、5.32式（P171）（2）位错增殖理论:应变时效:屈服现象给工程生产带来的问题，深冲低碳钢板使工件表面粗糙不平，要消除此现象：(1)应用应变时效原理将薄板在冲压前进行一道微量冷轧工序。(2)钢中加入碳化物形成元素以消除，随后冷压成型。,二.多相合金的塑性变形,多相合金的基本相为固溶体。第二相是用来强化的一种重要方式，它可以通相变热处理沉淀强化（precipitationstrengthening）、时效强化（agehardening）或粉末冶金法弥散强化来获得。根据第二相粒子的尺寸大小可将合金分为：(1)聚合型两相合金(两相尺寸、性能相近)(2)弥散分布型两相合金(两相尺寸、性能相差很大),2004-5-26,15,例二,沉淀顺序Al-Mg,Al-Mg-SiMg加速时效效果,第二相取出晶粒大小相同Precipitationhardening,2004-5-26,19,弥散强化：1.Al合金2.Al2O3第二相3.烧结Al4.机械合金化MA（MechanicalAlloying)5.Ni合金Y2O3耐高温达1100C,1.聚合型合金的塑性变形,该类合金具有较好的塑性,合金的变形能力取决与两相的体积分数。可按照等应力(变)理论来计算合金在一定应变条件下的平均流度应力和在一定条件下的平均应变，则由混合律计算得：P172式。而实际上这类合金滑移首先发生在较软的相中。如果聚合型合金两相中一个为塑性相，一个为硬脆相，则合金在塑性变形过程所表现的性能与第二相的相对含量有关，还与第二相的形状、大小、分布有关。,讨论：(1)若硬脆