Lecture8金属的物理屈服和形变强化总结.ppt

1,形变强化:金属材料在室温下屈服后,必须不断增大载荷,塑性变形才能继续进行,这种现象称为形变强化(加工硬化、应变硬化);金属预先变形量越大,屈服强度提高的幅度越大,这也是形变强化。形变强化的本质是位错增殖和运动受阻的结果。,Lecture8-金属的物理屈服和形变强化,2,金属的物理屈服现象与机理金属的形变强化影响形变强化的因素金属的颈缩现象和抗拉强度,本讲内容提要,3,金属的物理屈服,金属的物理屈服现象,在应力-应变曲线上出现应力不增加,时而有所降低,而变形仍在继续进行的现象,称为物理屈服现象。,4,金属的应变时效,对于出现物理屈服的金属，在均匀塑性变形阶段卸载后，把试件在100-200下回火2h，再加载，则屈服强度升高，且又出现物理屈服现象，称之为应变时效。,应变时效时,屈服强度会大幅增加,而塑性指标大幅降低,脆性转变温度Tk上升,冷脆出现,危害大。,5,金属的蓝脆,物理屈服现象的锯齿形应力-应变曲线在一定条件会在塑性变形的整个过程中不间断。如一般低碳钢在200-300拉伸,会出现这个现象,它是金属蓝脆的一个重要标志之一。,金属的蓝脆,6,物理屈服机制,低碳钢的物理屈服现象可以用位错理论说明，位错受间隙原子钉扎形成柯氏气团，阻碍位错的运动。,柯氏气团:铁素体中的间隙C、N原子聚集在位错线的周围，与刃型位错交互作用，形成的气团称为柯氏气团，位错被气团钉扎，运动受阻。,初始状态下可动位错密度很低，要使位错运动,须提高外力克服柯氏气团的阻碍，这就是上屈服点。位错源开动摆脱柯氏气团钉扎后，材料塑性变形速率快速提高，由于变形的作用，应力又下降，形成下屈服点。,7,物理屈服为何在塑性变形后不再出现?加热时效后物理屈服现象为何再次出现？,预先塑性变形全部破坏了柯氏气团,所以物理屈服现象不再出现;但如果卸载后加热时效,C(N)原子又会扩散至刃位错周围形成柯氏气团,第二次加载开始屈服变形时,就需要重新克服柯氏气团作用,再次出现物理屈服。由于第二次加载时位错密度较上一次高,弹性极限升高,故屈服平台较上次应力水平高。,在200-300出现蓝脆,锯齿形应力-应变,是由于塑性使柯氏气团消失,而200-300的加热又使柯氏气团出现,这样周而复始,就形成锯齿状应力-应变曲线。,8,物理屈服的危害,物理屈服实际上使这一段塑性变形失去加工硬化和均匀变形效果,冲压件很容易产生皱褶和制耳;应变时效和蓝脆会改变材料的力学性能,一般为屈服强度升高,而塑性指标(,Ak,KIC等)下降,脆性转变温度Tk升高,易于出现冷脆断裂,严重损害使用性能。,消除方法,对于应变时效,采用预先塑性变形,越过物理屈服平台再加工成型,检查成型后的力学性能;对于蓝脆,需采用相应的热处理避开这一危害。,9,金属的形变强化,金属材料在室温下屈服后，必须不断增大外部应力，塑性变形才能继续进行，说明屈服塑性变形后，金属内部出现一种阻止继续塑性变形的能力，这种现象称为应变硬化（加工硬化、形变强化）。,金属预先变形量越大，屈服强度提高幅度越大，这种现象也是形变强化，其本质是位错增殖和运动受阻结果。,10,单晶体的变形曲线,第I阶段形变强化系数1较小,为10-4G数量级。,单晶体的形变强化曲线,第I阶段:易滑移阶段，最易滑移的滑移系发生滑移,这一阶段位错运动阻力较小,仅发生单系滑移。,11,形变强化速率大,IIG/300,变形曲线为直线,多个滑移系被开动,产生多系交叉滑移,形成割阶、固定位错和胞状结构等障碍,阻碍位错运动,表现为形变强化速率升高.,单晶体的变形曲线,第II阶段：线性强化阶段,第III阶段：抛物线强化阶段,强化曲线呈抛物线状,III随变形增加而减少。对于那些容易交滑移的晶体,如BCC金属和层错能高的FCC等,其第II阶段很短,位错滑移快速进入第III阶段。,12,1、面心立方金属形变强化能力大于其它结构金属；2、随应变增大，面心立方金属经历初期弱的形变强化阶段后，发生强的形变强化，随后形变强化能力减弱；3、体心立方金属和密排六方金属初始弱形变强化阶段长度大于面心立方金属。,三种单晶体金属的应力应变曲线,13,多晶体金属的形变强化,多晶体是由无数任意排列的单晶体组成,位错开始滑移即塞满滑移面,造成应力集中,从而开动其他滑移面的滑移。故多晶体塑性变形一开始就是多系交叉滑移,即单晶体形变强化的第II阶段,形变强化指数多单,这是由于晶界使大量位错被阻塞,第III阶段来得很早。,多晶体在均匀塑性变性阶段应力应变之间符合Hollomon关系式:,上式中S和e分别为真实应力和真实应变,K为形变强化系数,n为形变强化指数。,14,Hollomon方程表明，变形抗力与变形量之间成指数关系,形变强化指数n越大,强化效果越明显。n是表征金属材料形变强化行为的性能指标。,部分金属的层错能和应变硬化指数n,15,e与S之间对数呈线性关系,常用这个关系来测定K、n值。n值与层错能有关,一般层错能越大,n值越小.,n=0时,S=K=常数,应力与应变之间没有关系,材料为理想塑性体,无应变硬化能力;n=1时,S=Ke,为胡克定律描述的线性关系,材料为理想弹性体。,显然,金属材料的n值介于0-1之间,大多数金属材料n值在0.1-0.5之间,16,常见金属的应变硬化指数n和强度系数K,17,形变强化的工程意义,形变强化指数n值的意义十分明显:(1)若金属n值较大,机件在服役时承受偶然过载的能力也较大,有利于局部超载情况下的安全服役;(2)n对材料冷变形工艺有重要影响,使金属塑性变形均匀进行,保证冷变形顺利进行;(3)与合金化、热处理一样,形变强化是一种重要的金属强化方法;(4)形变强化可降低塑性,改善低碳钢切削加工性能。,18,形变强化的影响因素,金属本性和晶格类型层错能低的金属材料容易产生比较高的应力集中,应变硬化程度高；FCC金属中,层错能低的扩展位错宽度大,难以合并为全位错,很难交滑移,所以形变趋势大；层错能高的形变强化趋势低；体心立方金属中位错很难扩展，所以强化趋势低。,19,晶粒大小,晶粒细化提高屈服强度外,还可以提高形变强化程度；形变强化的本质是位错增殖和位错运动受阻的结果,晶粒细化导致位错塞积群长度变小,塞积位错数目变少,变形分配到更多的晶粒中,更容易发生均匀变形。,20,合金化,合金固溶体不仅屈服强度高于纯金属,而且形变强化也高于纯金属:(1)溶质元素的畸变场影响位错运动状态；(2)合金元素通过降低层错能,阻止交滑移,奥氏体不锈钢中加入铁素体形成元素可以降低层错能。,几种金属的变形曲线,21,形变强化总是随温度的升高而降低,通常有两种情况:I:对多数面心立方金属来说,降低温度对屈服强度影响较小,但却使形变强化趋势增大;II:对体心立方金属来说,降低温度其屈服强度显著增大,但对形变强化趋势影响不大。,温度的影响,含0.13%C的低碳钢,22,颈缩现象和抗拉强度,颈缩:在拉伸过程中,金属由均匀塑性变形阶段过渡到不均匀集中塑性变形阶段时,变形集中于局部区域的现象,颈缩的起点就是外加载荷的最高点,即抗拉强度b。,颈缩是均匀塑性变形和不均匀塑性变形二者取一的结果,塑性变形产生两个变化:一是形变强化,二是横截面积减小。,23,颈缩判据,金属在拉伸试验时,塑性变形是由一段段变形实现的,每段变形由开始、变形、停止、转出完成的。如果某一段变形停不了,转不出,这段就要发生集中塑性变形-颈缩。,颈缩在拉伸曲线的b点开始发生,这点dF=0,可以进行下列推导:,24,对上式进行全微分,并利用dF=0,有,由于,要使等式成立,必有=n,此时与n对应的为最大均匀变形量b。即应变硬化指数在数值上等于能够发生的最大均匀变形量。意味着材料在发生n值大小的均匀塑性变形后,如果再加大变形量,必然出现颈缩,这就是颈缩判据。材料在加工过程中一次变形的均匀变形量不能大于n值。,25,抗拉强度是金属试样在拉伸过程中所能承受的最大拉伸应力,反应金属最大均匀塑性变形的抵抗力。,抗拉强度Rm(b),对于不同性质的材料,抗拉强度有不同的内涵：,(1)韧性金属材料,b表示静拉伸条件下的最大承载应力;(2)脆性金属材料,b表示金属的断裂强度;(3)b大小取决于屈服强度和应变硬化指数,抗拉强度主要取决于