第六章金属合金塑性变形

1、第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 金属材料经过压力加工变形后，不仅 进改变了外形尺寸，而且其内部组织和性 能页发生了变化。从而探讨金属材料的塑 性变形规律不但可以揭示金属材料强度和 塑性的实质，并由此探索强化金属材料的 方法和途径；而且对处理生产上各种塑性 变形问题提供重要的线索和参考，或者作 为改进加工工艺和提高加工质量的依据。 导言 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 v 6-1金属的变形特性 v v 6-2单晶体金属的塑性变形 v v 6-3多晶体的塑性变形 v v 6-4合金的塑性变形 v v 6-5塑性变形对金属组织和

2、性能的影响 v v 6-6金属的断裂 主要内容 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 试件产生弹性变形 金属材料承受静载荷时会发生变形。 在载荷较小时，这种变形是弹性变形，弹性变形，卸载 后材料恢复原状。 当外力超过一定限度后， 材料将发生塑性变形塑性变形，卸载后材料不能恢复原状。 弹性变形塑性变形断裂 载荷增大 6-1金属的变形特性 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 材料受力后的受力状态和变形特征 可用应力应变曲线来描述。材料受外 力P作用后产生的应力: ( P载荷,AoAo试样原始面积) 应变： ( l0试样的原始长度， l试

3、样变形后的长度) 一、应力应变曲线 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 工程应力应变曲线曲线： 弹性变形阶段弹性极限： 弹塑性变形阶段 对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为屈服极 0.2限（条件屈服极限或屈服强度） 屈服极限、屈服点 加工硬化（形变强化）：随着塑性变形的增大，塑性变形后抗力不断增加的现象 颈缩 断裂 断裂后试样的残余总变形量与原 始长度Lo的百分比称为延伸率 试样的横截面积Ao和断裂时的横截面积Ak之 差与原横面积Ao的百分比称为断面收缩率 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 真应力（S）

4、： 瞬时载荷（P）除以试样的瞬时截面积（A） 真应变（de）：瞬时伸长量（dl）除以瞬时长度 总应变： 均匀塑性变形阶段（从屈服点至最大载荷点）的真应力一真应变曲线称为流变曲线 K：常数 n：形变强化指数 表征金属在均匀变形阶段的形变强化能力，n形变强化能力 二、真应力一直应变曲线 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 1、弹性模量 正弹性模量： 切弹性模量： EG刚度（材料刚度） 将构件产生弹性变形的难易程度称作构件刚度 材料刚度 结构刚度 2、弹性模量是反映原子间结合力大小的性能指标 原子偏离平衡位置，在平衡位置附近，原子间的结合力 与位移的关系为直线关系与近

5、似于直线关系 三、金属与合金的弹性变形 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 6.2 6.2 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形 一、滑移 滑移的显微观察 由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着一 定晶面和晶向作相对的移动，即晶体塑性变形的滑移机制。 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 晶体的塑性变形是 晶体的一部分相对于另 一部分沿某些晶面和晶 向发生滑动的结果，这 种变形方式叫做滑移 根据滑移线间、滑移带间的原子距 （一组小台阶在宏观上的反映大台阶） 滑移集中发生一些晶面上 滑移带滑移 滑移台阶 1、滑移带

6、第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 晶体滑移沿一定晶面进行，这种晶面称为滑移面。晶体滑移在滑移面上沿 一定的晶向进行，该方向称为滑移方向一个滑移面和此面上的一低频滑移方向 即组成一个滑移系。（表示晶体在发生滑移时滑移动作可能采取的空间位向） 滑移系 塑性 从晶体结构来看，滑移面是排列最密的晶面，滑移方向也是原则排列最密的 晶面。滑移方向也是原则最密的晶向。这是由于原子密度最大的晶面上，原子间 结合力最强 面与面之间的距离最大，其原子间结合力最弱，滑移阻力最小。 2、滑移系 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 晶体发生滑移时，在滑移

7、面内治滑移方向的分切应力达 到某一临界值，该应力称作临界切应力。（使滑移系开动的 最小分切应力） coscoscoscos cos cos A F A F T 临界分切应力 coscos K T coscos取向因子 当时 为最大， 软取向 或者说 硬取向 45 SK T 2 1 0 90 9000 s 3、滑移的临界分切应力 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 分切力： 分正力： cos cosF 分切应力： coscoscoscos cos cos A F A F T 分切应力coscos SK T coscos取向因子 当软取向 而当 达最大时， SK T

8、 2 1 45 硬取向时，或009090 3 o 滑移的临界分切应力临界 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 拉伸时，Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 分切应力滑移 分正应力转动 转动 软取向逐渐远离软取的位置几何硬化 逐渐接近软取的位置几何软化，非软取向 4、滑移时晶体的转动 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 晶体的旋转示意图 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 拉伸作用在中间一层金属上下两面的作用力可分 为两个分应力： A

9、：分正应力（12） 垂直于滑移面，构成力偶，使晶块滑移面朝外力轴方向转动。 B：分切应力 当外力分解到滑移面上的最大分切应力与滑移方向不一 致时，又可分解为平行于滑移方向和垂直于滑移方向的两个 分力。前一分力是产生滑移的有效分切应力，后一分力将构 成一对作用在晶块上下滑移面上的力偶，力图使滑移方向转 至最大切应力方向。 拉伸时，在产生滑移的过程中，晶体的位向在不断改 变，不仅滑移面在转动，而且滑移方向也改变位向。 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 压缩时晶体的转动示意图 压缩时晶体的滑移面， 力图转至与压力方向 垂直的位置。 （2）压缩 第六章金属合金塑性变形

10、 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 几何硬化： 如果晶体滑移面原来是处于其法线与外力轴夹角 接近45的位向，经滑移和转动后，就会转到此夹角 越来越远离45的位向，从而使滑移变得越来越困难。 几何软化： 经滑移和转动后，一些原来角度远离45的晶面将 转到接近45，使滑移变得容易进行。 （3）几何硬化与几何软化 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 滑移方向 滑移系 滑移面 加工硬化效果 在两个或更多的滑移系上同时进行的 滑移称为多滑移（与晶体的转动有关） 多滑移 5、多滑移 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 6、滑移的位错

11、机制 晶体通过位错运动滑移的示意图晶体通过位错运动滑移的示意图 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 位错的运动支晶体的滑移 滑移是位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动形成的。 位错的交割与塞积 多滑移时，由于各滑移面相交，在不同滑面上运动着的位错 相遇，发生相互交割，交割的结果形成割阶。 位错的增殖弗兰克瑞德位错源 在切应力作用下，弗兰克-瑞德位错源所产生的大量位错沿滑移 面运动过程中，如果遇到障碍物（固定位错，杂质粒子、晶界等） 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 位错的平面积群，并在障物的前端形成高度应力集中。 第六章金属合金塑性变形

12、 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 二、孪生 晶体在切应力作用下发生孪生变形时，晶体的一部分治一定的结 晶面（孪晶面或孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对而言于另一 部分晶体作均匀地切变，在切变区域内，与孪晶面平等的每层原子的 切变量与它距孪晶面的距离成正比，并且不是原子距的整数倍，这种 切变不会改变体的点阵类型，但可使变形部分的位向发生变化，并与 末变形部分的晶体以孪晶面为分界构成镜面对称的位向关系。 对称的两部分晶体称为孪晶，或双晶。 形成孪晶的过程称为孪生 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 FCC中，每层（111）面都相对于其邻晶沿 1，1，-

13、2方向位移了1/3d 1，1，-2。 面心立方晶体的孪生变形过程示意图 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 变形孪晶也是通过位错的运动来实现的，可看作是 部分位错滑过孪晶面一侧的切变区中各层晶面而进行的 体心立方晶体中的孪晶 (a) (112)面的堆垛顺序(b)孪晶的堆垛顺序 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 （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；孪晶浸蚀后有 明显的

14、衬度，经抛光与浸蚀后仍能重现。 2孪生的特点 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 （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 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 （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

15、塑性变形有 贡献。 孪生的特点 第六章金属合金塑性变形 滑移孪生 相同点 1 均匀切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；3不改变结构；4都 是位错运动的结果。 不 同 点 晶体位向不改变（对抛光面观察无 重现性）。 改变，形成镜面对称关系（对 抛光面观察有重现性） 位移量 滑移方向上原子间距的整 数倍，较大。 小于孪生方向上的原子间距， 较小。 对塑变的贡献很大，总变形量大。有限，总变形量小。 变形应力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于滑移 变形条件一般先发生滑移滑移困难时发生 变形机制全位错运动的结果分位错运动的结果 滑移与孪生异同比较 第六章金属与合金的塑性变形 第六章金属合金塑性变形

16、 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 特点： 1、多晶体的塑性变形受到晶界的阴碍和位向不同的晶粒的影响 2、任何一个晶粒的塑性变形都不是处于独立的自由变形状态， 需要其周围的晶粒同时发生相适应的变形来配洽，以保持晶料之间 的结合和整个物体的连续性。 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,x173倍 6-3 多晶体的塑性变形 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 外力位向最有利的晶粒塑性变形塑性变性晶料内痊错 运动，增殖位错在晶界受阻，形成平面寒积群，晶界应力 集中相邻晶粒某些滑移学上的分切应力达到监界值，发生塑 性变形，协调晶粒形状。 多

17、晶体变形 每晶粒变形的不同时性 每晶粒变形的相互协调性 一、多晶体的塑性变形过程 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 d晶界面积晶界强化（） 2 霍尔配奇公式： 1 2 0s kd 常数大体相当于单晶体金属的屈服治疗； d 晶粒的平均直径； K表征晶界对强度影响程度的常数。 s d 二、晶粒大小对塑性变形的影响 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 滑移从先塑性的晶粒转移到相邻晶粒，取决于已滑移 晶粒晶界附近的位错塞集群所产生的应力集中，能否激发 相邻晶粒滑移学中的位错源开动起来。 屈服 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑

18、性变形 金属学与热处理 6-4合金的塑性变形 多相合金： 加入的合金元素超过了它在基本金属中的饱和溶解度 合金 单相固体合金： 有以基本金属为基的单相固溶体组织的合金 在显微组织中除了以基本金属为基的固体外，还会出现第二相的合金 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 1、固溶强化 溶质 原子 晶格 畸变 阻碍位 错运动 位错线上 偏聚的溶 质原子 钉扎位错 （柯氏气团） （偏聚于位错周围的溶质原 子好象形成了一处溶质原子 的“气团”称为“柯氏气 团”) 位错运动 柯氏气团 晶格畸形变能 位错处于较稳定状态 一、多晶体的塑性变形过程 第六章金属合金塑性变形 第六章金

19、属与合金的塑性变形 金属学与热处理 2、合金元素固溶强化的规律 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 1、合金中两相性能相近 合金的变形能为两相的平均值 ：两相的强度极限 ：两相的体积分数 三、多相合金中两相性能相近 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 硬而脆的第二相呈连续网线布在塑性相的晶界上脆性相 在空间把塑性相分割开，使其变形能力元从发挥，合金的塑性 和韧性急剧下降 脆性的第二相呈片状或层状分布在塑性相的基体上 2 1 osis sk （霍尔一配奇火式） s o s i s k 0 s 铁素体的屈服强度 材料常数 珠光体片间距

20、 2、合金中两相的性能解相差很大 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 弥散粒子 与位错交互作用 位错运动受阻 塑性变化后后抗力 A、位错绕过第二相粒子 Gb G弹性模量B柏氏矢量 第二相粒子间距 第二相粒子借粉末冶金方法加入基体而起强化作用，称为弥散强化 B、 位错切过第二相粒子 第二相粒子是硬度不太高尺寸也不大的可变形的第二相粒子，或 者是过饱和固溶体时效处理初期产生的共格析出相，则运动着的位错 与其相遇时，将切过粒子与基体一起变形 位错切过第二相粒子时必须作额外的功，消耗是够大的能量，从 而提高合金的强度，这种强化方式称为沉淀强化。 脆性相在塑相中呈颗粒状分

21、布 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 6-5塑性变形对金属组织和性能的影响 织构 各向异性 一、塑性变形对组织结构的影响 1、显微组织的变化 轧制 纤维组织 2、亚结构的细化 应力 运动受阻 位错发团 形变亚结构 3、变形织构 晶体塑性变形时伴随着晶体的转动过程，当变形量很大时，多晶体中原 为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋于一致 由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织叫做“变形织构” A、丝织构：拉拔B、 板织构：轧制 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 二、塑性变

22、形对金属性能影响 1、加工硬化 随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、 韧性下降，这种现称为加工硬化（形变强化）。 塑性变形 位错密度 交割 割阶、位错缠结 位 错运动受阻 强度 3、其它性能 比电阻 导电性能 电阻温度系数 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 三、残余应力 1、宏观内应力（第一类内应力） 由于物体各部分的不均匀变形所引起的。 2、微观内应力（第二类内应力） 金属经冷塑性变形后，由于晶粒或亚晶粒变形不均匀而起的。 3、点阵畸变（第三类内应力） 塑性变形使金属内部产生大量的位错和空位，使点阵中的一部 分原子，偏离其平衡位置，造成点阵畸变

23、。 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 6-6金属的断裂 过程 裂纹的萌生 裂纹的扩展 了解了材料的断裂机理，才能采取相应的防止措施。 断裂有可能是因为材料的脆性，长期交变应力的作用， 在腐蚀介质条件下工作等。但从断裂的模式看可分为脆脆 性性（Brittle）和延性延性（Ductile）断裂断裂。下面讨论在单向拉 伸条件下的延性和脆性断裂过程。 第六章金属合金塑性变形 第六章金属与合金的塑性变形 金属学与热处理 1、从工程实用角度 宏观塑性断裂（塑料、韧断） 断裂前产生宏观大范围的塑性变形。 宏观脆性断裂（脆断低、应力断裂） 从宏观看断裂前不产生塑性变形， 但在局部区域仍存在一定的的塑性变形 塑性断口