第二章 金属塑性变形的物理基础.ppt

1、南昌航空大学 材料科学与工程学院,第二章 金属塑性变形 的物理基础,主要内容,金属冷态下的塑性变形 金属热态下的塑性变形 金属的超塑性变形 金属在塑性加工过程中的塑性行为,第一节 金属冷态下的塑性变形,基本概念 单晶体 多晶体 位错,金属的晶体结构,单晶体：各方向上的原子密度不同各向异性 多晶体：晶粒方向性互相抵消各向同性 存在着一系列缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷,线缺陷（位错）,线缺陷又称为位错。 位错模型最开始是为了解释材料的强度性质而提出的。 材料拉伸实验时，当应力超过弹性限度而使晶体材料发生塑性形变时，可以在表面上观察到滑移带的条纹。,滑移带与滑移面,如何解释晶体滑移？,如何解释晶体滑

2、移？,按原子面与原子面之间刚性错开的模型进行定量解释时遇到严重困难。在该模型中假定滑移面两侧原子间的结合键同时破坏，又同时键合。由于同时破坏这些原子键所需的力很大，致使按照该模型计算出来的理论强度比晶体的实际强度要大100倍到1000倍。,如何解释晶体滑移？,经过大量研究，人们认识到滑移过程并非是原子面之间整体的发生相对位移，而是一部分先发生位移，然后推动晶体中另一部分滑移，循序渐进。,如何解释晶体滑移？,如何解释晶体滑移？,位错就是在滑移面上已经滑移及尚未滑移部分的分界线。这样，晶体的滑移可以看作是位错运动的结果。当位错从一端运动到另一端之后，整个晶体错动了一个原子位置，位错滑出晶体时，晶体

3、恢复完整，但却留下了永久形变。 由于位错附近有严重原子错排，以及弹性畸变引起的长程应力场，因此在位错附近的原子平均能量比其理想晶格位置上的要高，比较容易运动。另一方面又由于运动是逐步进行的，所以，实际剪切应力比理论值要低得多。,位错,S：位错线长度，V：体积，：位错密度,一般退火金属： =106-108/cm2 冷变形、淬火金属： =1011-1012/cm2,位错有两种基本类型，一种叫做刃型位错，另一种叫做螺型位错。实际晶体中的位错往往既不是单纯的螺位错，也不是单纯的刃位错，而是它们的混合形式，故称之为混合位错。 位错密度越高，金属的强度、硬度越高。,刃型位错,晶体中多余的半原子面好象一片刀

4、刃切入晶体中，沿着半原子面的“刃边”，形成一条间隙较大的“管道”，该“管道”周围附近的原子偏离平衡位置，造成晶格畸变。刃型位错包括“管道”及其周围晶格发生畸变的范围，通常只有3到5个原子间距宽，而位错的长度却有几百至几万个原子间距。,刃型位错,刃型位错会吸引间隙原子和置换原子向位错区聚集。小的间隙原子（红色）往往进入位错管道，置换原子（棕色）则富集在管道周围。这样可以降低晶格的畸变能，同时这些间隙原子和置换原子对位错起了钉扎作用，使位错难以运动，结果可以使晶体的强度、硬度提高。,M.F. Ashby and D.R.H. Jones, Engineering Materials 1, 2nd

5、ed. (2002),刃型位错,刃型位错,螺型位错,螺型位错,螺型位错,混合型位错（螺型+刃型 ）,位错的运动,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。 多滑移：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”。 交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。,滑移的表面痕迹,单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。,位错源和位错增殖,Frank-Read sources in Si,Dash, Dislocation

6、and Mechanical Properties of Crystals, Wiley (1957).,一 塑性变形机理,1 晶内变形 晶内变形的主要方式：滑移、孪生,滑移,滑移:在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移,且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 滑移面：原子排列密度最大的晶面。 滑移方向：原子排列密度最大的方向。 滑移系:一种滑移面及其上的一个滑移方向构成。,滑移带,滑移面、滑移方向、滑移系,滑移时的位错运动,一个位错移到晶体表面时，便形成一个原子间距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位错移到晶体表面时，则形成一条滑移

7、线。,临界剪切应力,晶体进入塑性时，在滑移面上，沿滑移方向的剪应力称为临界剪应力,取向因子,uvw is perpendicular to (uvw),孪生,孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，此公共晶面就称为孪晶面。,孪晶,孪晶,滑移与孪晶,孪生的特点,（1）孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距的分数倍；孪生是部分位错运动的结果；孪晶面两侧晶体的位向不同，呈镜面对称；孪生是一种均匀的切变。,孪生的特点,（2）孪晶的萌生一般需要较大的应力，但随后长大所需的应力较小，其拉伸曲线呈锯齿状。孪晶核心大多是在晶

8、体局部高应力区形成。变形孪晶一般呈片状。变形孪晶经常以爆发方式形成，生成速率较快。,孪生的特点,（3）形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶体（密排六方金属很容易产生孪生变形），面心立方晶体中很难发生孪生。 （4）孪生本身对金属塑性变形的贡献不大，但形成的孪晶改变了晶体的位向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。,一 塑性变形机理,2 晶间变形 晶间变形的主要方式：晶粒之间相互滑动和转动。,二 多晶体的塑性变形,多晶体的塑性变形的特点,各晶粒变形的不同时性 位错在晶界塞积 应力集中 相邻晶粒位错源开动 相邻晶粒变形 塑变 各晶粒变形的相互协调性 （1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。 （2）

9、要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂） （3）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）,多晶体的塑性变形的特点,晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性 （1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。 （2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。,变形的不均匀性 （3）晶粒大小与性能的关系 a 晶粒越细，强度越高(细晶强化) s=0+Kd-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。 晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中 导致的开裂机会减少，可承受更大的变 形量，表现出高塑性。 b 晶粒越细，塑韧性提高 细晶粒材料中，应力集中小，裂

10、纹不易 萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂 过程中可吸收较多能量,表现高韧性。,三 合金的塑性变形,1 单相固溶体的塑性变形 （1） 固溶体的结构 （2） 固溶强化 a） 固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。 晶格畸变，阻碍位错运动 b） 强化机制 柯氏气团强化,固溶强化 c） 屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。 预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或200加热后再加载出现屈服。 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。,固溶强化 d） 固溶强化的影响因素 溶质原子含量越多，强化效果越好； 溶剂与溶质

11、原子半径差越大，强化效果越好； 溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好； 间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。,合金的塑性变形,2 多相合金的塑性变形 结构：基体第二相 性能： （1）两相性能接近：按强度分数相加计算 （2）软基体硬第二相 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体） a 结构 两相呈层片状分布（珠光体） 第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）,多相合金的塑性变形,性能 （2）软基体硬第二相 位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻 碍位错运动) b 弥散强化 位错切过第二相粒子（表面能、错排能、 粒子阻碍位错运动）,四 塑性变形对金属组织和性能的影响,1 对组织结构的影响 晶粒拉长 （

12、1） 形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布,H62黄铜挤压的带状组织,（2） 亚结构,变形量增大 位错缠结 位错胞 （大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低),（3） 形变织构,形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。 丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行（拉拔时 类型 形成） 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于 平行于主变形方向（轧制时形成）,（3） 形变织构,力学性能:利:深冲板材变形控制；弊:制耳 (各向异性) 对性能的影响 物理性能:硅钢片100100织构可减少铁损,2 对力学性能的影响（加工硬化） （1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强

13、度、硬度升高而塑韧性下降的现象。,四 塑性变形对金属组织和性能的影响,2 对力学性能的影响（加工硬化） 强化金属的重要途径 利 提高材料使用安全性 （2）利弊 材料加工成型的保证 弊 变形阻力提高，动力消耗增大 脆断危险性提高,第二节 金属热态下的塑性变形,从金属学的角度看，在再结晶温度以上进行的塑性变形，称为热塑性变形或热塑性加工。 在热塑性变形过程中，回复、再结晶与加工硬化同时发生，加工硬化不断被回复化再结晶所抵消，而使金属处于高塑性、低变形抗力的软化状态。,一 热塑性变形时的软化过程,冷变形金属加热时组织和性能的变化,二 热塑性变形机理,晶内滑移 晶内孪生 晶界滑移 扩散性蠕变,扩散性蠕

14、变,三 热塑性变形对金属组织性能的影响,改善晶粒组织 锻合内部缺陷 破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布 形成纤维组织 改善偏析,钢锭锻造过程中纤维组织形成示意,第三节 金属的超塑性变形,超塑性是指金属在特定变形条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现象。,一 超塑性的概念和种类,超塑性的特点,超塑性变形的一般特点： 1、大伸长率 2、无缩颈 3、低流动应力 4、易成形 采用超塑性成形工艺，可获得形状复杂和尺寸精确的锻件，而变形力大大降低 。,超塑性成形实例,TC11钛合金基于最大m值的超塑性研究 试验方法：最大m值法(原始创新) 塑性指标：最大延伸率=23

15、00%(世界新记录) 试验温度：900 (最佳温度) 原始组织状态：细晶，晶粒度5m (工艺创新) 试验时间：2006.9.30 试验地点：南昌航空大学M栋112室,超塑性的种类,细晶超塑性,相变超塑性,是指在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的细晶超塑性。又称为结构超塑性或恒温超塑性。,是指在一定外力作用下，使金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次数后获得很大的伸长率。又称为动态超塑性。,二 细晶超塑性变形力学特征,在整个变形过程中，表现出低应力水平、无缩颈的大延伸现象。 流动应力（真实应力）对变形速率极其敏感。描述这种特征的方程为,真实应力 决定于试

16、验条件的材料常数 应变速率 应变速率敏感性指数,三 影响细晶超塑性的主要因素,四 超塑性变形机理,目前仍处于探讨阶段，尚无统一的认识。,几种主流的观点： 晶界滑移的观点 扩散蠕变机理的作用 动态回复和动态再结晶,一般地认为，超塑性变形机理比常规塑性变形机理更为复杂，它包括晶界的滑移和晶粒的转动、扩散蠕变、位错的运动、在特殊情况下还有再结晶等，是几个机理的综合作用。,A-V超塑变形机理,由Ashby和Verrall提出的晶界滑动和扩散蠕变联合机理，简称A-V机理。,该理论认为，在晶界滑移的同时伴随有扩散蠕变，对晶界滑移起调节作用的不是晶内位错的运动，而是原子的扩散迁移。,第四节 金属在塑性加工过

17、程中的塑性行为,一 金属的塑性及其指标,1 金属的塑性,金属在外力作用下发生不可恢复的变形而保持其完整性不被破坏的性质称为金属的塑性。,碳钢标准试件,1 金属的塑性,试件在弹性极限范围内的变形将完全恢复到原来的形状。,1 金属的塑性,试件变形达到其弹性极限后，如果继续加载，将发生不可恢复的变形，称为塑性变形。,1 金属的塑性,对超过弹性极限载荷的金属金属试件卸载，卸载曲线近似于弹性曲线。,1 金属的塑性,试件完全卸载后，残留部分不可恢复的变形P,即塑性变形。,2 金属的塑性指标,衡量金属材料塑性好坏的数量指标，称为塑性指标，一般以材料开始破坏时的塑性变形量来表示。,拉伸试验,电子拉伸试验机,试

18、件断口,拉伸试验的力学条件与塑性指标,镦粗试验,扭转试验,材料的塑性指标用试样破断前的扭转角或扭转圈数表示。,二 影响金属塑性的主要因素,1 化学成分对金属塑性的影响,碳 : 碳塑性（渗碳体） 杂质: 杂质塑性 磷冷脆性。强度、硬度 塑性 硫热脆性。硫化物和共晶体分布晶界，熔点低 氮时效脆性、即兰脆。温度氮化物析出 氢氢脆，间隙固溶体。白点，扩散聚集微缺陷处 氧热脆性。氧化物、易溶共晶体分布晶界，熔点低 合金元素: 合金元素加入塑性抗力,一般规律：,金属的塑性主要取决于基体金属。,碳和杂质元素,2 组织对金属塑性的影响,3 温度对金属塑性的影响,一般趋势：温度塑性,碳钢的塑性随温度的变化曲线,温度影响金属塑性的机理,发生回复或再结晶 原子动能增加，位错活动性提高、滑移系增多 金属的组织、结构发生变化：多相组织单相组织，或者，对塑性不利的晶格对塑性有利的晶格 扩散蠕变机理起作用 晶间滑移作用增强,4 应变速率对金属塑性的影响,该问题比较复杂，有关认识仍待深入。,一般性的机理分析： 1、应变速率 真实应力 塑性变形不能充分扩展 较早地达到断裂阶段 塑性 2、应变速率 无足够时间回复或再结晶 软化作用 塑性 3、应变速率 温度效应 温度 塑性,应变速率对金属塑性的影响,塑 性 指 标,应变速率