塑性成形原理2

1、材料成形原理材料成形原理C C Principle of Material Forming CPrinciple of Material Forming C材料工程学院2011.7 金属塑性变形的物理基础金属塑性变形的物理基础 n金属的晶体结构 n单晶体的塑性变形 n位错理论的基本概念 n多晶体的塑性变形 n塑性变形对金属组织和性能的影响 2.1 金属的晶体结构n基本概念 n晶胞结构 n实际金属的晶体结构 基本概念n晶体 :原子按一定的几何规律在空间作周期性排列 n晶格 :用直线将原子中心连接起来，构成的空间格子n空间点阵：在空间由点排列起来的无限阵列，其中每一个点都与其它所有的点都具有相同的

2、环境。n晶胞：只包含一个阵点的六面体 n晶界 :晶粒和晶粒之间的界面 n晶面 :晶体中，由原子组成的平面n晶向 :由原子组成的直线， G r a i n o r Crystalline StructureG r a i n BoundaryC r ystals晶胞结构 n面心立方 :Al Ni Cu -Fe n体心立方 :Cr V Mo W -Fe -Ti n密排六方 :Zn Mg Be -Ti -Co等c/a=1.57-1.64 (100)(001)(110)Miller Indices (hkl ) :1111(210)12z intercept at abcxyx intercept a

3、t a/2y intercept at bUnit cellz(a) Identification of a plane in a crystal(111)zyxzx(110)zyy(111)yz(010)(010)(010)(010)x(010)xzy(b) Various planes in the cubic latticeFig. 1.40: Labelling of crystal planes and typical examples in thecubic latticeFrom Principles of Electronic Materials and Devices, Se

4、cond Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002)http:/Materials.Usask.Ca实际金属的晶体结构n单晶体 :各方向上的原子密度不同各向异性 n多晶体 :晶粒方向性互相抵消各向同性 n存在着一系列缺陷 :点缺陷、线缺陷、面缺陷 材料理论强度（G/30)/Gpa实验强度/MPa理论强度/实验强度银铝铜镍铁钼铌镉镁（柱面滑移）钛（柱面滑移）铍（基面滑移）铍（柱面滑移） 2.64 2.37 4.10 6.70 7.10 11.33 3.48 2.07 1.47 3.54 10.32 10.32 0.37 0.78 0.49 3.27.35 2

5、7.5 71.6 33.3 0.57 39.2 13.7 1.37 5.2 7 3 8 2 3 2 1 4 4 3 8 231031031031031021021021021021031010一些金属材料的实验屈服强度和理论屈服强度常见的缺陷 n点缺陷：包括空位、间隙原子、异质原子。基本概念 线缺陷（位错）刃型位错 S：位错线长度，V：体积，P：位错密度。 VS一般退火晶体：P=106-108/cm2超薄单晶体：P103/cm2冷变形金属：P=1011-1012/cm2 M.F. Ashby and D.R.H. Jones, Engineering Materials 1, 2nd ed.

6、(2002)n螺型位错螺旋位错周围的原子排列，圆点代表图面之上的原子，实点代表图面之下的原子螺位错轴bn混合型位错（螺型+刃型 ）Dislocation lineFig. 1.48: A mixed dislocation.From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002)http:/Materials.Usask.Ca面缺陷 n堆垛层错（stacking fault） 抽出型层错插入型层错如面心立方：ABCA（B）CABC 抽出ABC（B）AB

7、CABC 插入 n晶界 n晶界上的原子平均能量高于晶内原子，高出的能量称为晶界能。 小角度晶界 孪晶界n亚晶界 Strained bondBroken bond(dangling bond)Grain boundaryVoid, vacancySelf-interstitial type atomForeign impurityFig. 1.51: The grain boundaries have broken bonds, voids, vacancies,strained bonds and interstitial type atoms. The structure of the gr

8、ainboundary is disordered and the atoms in the grain boundaries have higherenergies than those within the grains.From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002)http:/Materials.Usask.Ca扭转晶界 扭转晶界)(nu面心立方结构中的(001)面相符扭转晶界 u2.2 单晶体的塑性变形 1、滑移n:晶体一部分沿一定晶

9、面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对另一部分发生相对移动和切变。产生宏观的塑性变形。 n滑移面：原子排列密度最大的晶面。 n滑移方向：原子排列密度最大的方向。 n滑移系:一种滑移面及其上的一个滑移方向构成3.25% Si-Fe单晶体中的平直滑移带。取自Hull,proc.Roy,Soc.A274,5(1963). (b) 垂直于(a) 中所示表面，且通过滑移带的截面示意图。每条滑移带是由平行于滑移面，且紧密排列的大量滑移台阶所构成。滑移带ab滑移面的表示：，分别为滑移面与晶轴的截距，为晶格常数。对于体心立方、面心立方， zyxSaSaSaGold (Au) - fccIron (Fe), Van

10、adium (V), Chromium (Cr) - bcc滑移时的位错运动 n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，则形成一条滑移线。 剪切力 )1(/212vbaevG：波松比：滑移平面间的距离：沿滑移方向原子间的距离 临界剪切应力 n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 sAPcoscoscoscosscAPcoscos取向因子 uvw is perpendicular to (uvw)2、孪生 面心立方晶体孪生变形示意a) 孪生面和孪生方向a) 孪生变形时原子的移动孪生面孪生面孪生方向孪生方向孪生区域2.3

11、 位错理论的基本概念 、柏氏矢量（Burgers Vector）和位错环 （a）围绕一刃型位错的柏氏迥路；（围绕一刃型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中完整晶体中 的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。（a）围绕一刃型位错的柏氏迥路；（围绕一刃型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中完整晶体中 的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。混合位错(b)未滑移区(a)BbbACA滑移区B2、Climb（位错攀移） n正攀移：位错缩短，空位迁移n负攀移：位错加长，间隙原子迁移 3、位错交割 (a),(b) 刃型位错上的弯节；(c),(d)刃型位错和螺型

12、位错上的割节，阴影部分为滑移面刃型+刃型 割阶 继续滑移刃型+螺型 割阶 继续滑移螺型+螺型 割阶 不能继续滑移 柏氏矢量b(a)(b)(c)(d)bbb4、位错源和位错增殖 Dislocation Loop: Frank Reed bLTTR/2/2bLT2sin22GbR 221GbT RLFrank-Read sources in SiDash, Dislocation and Mechanical Properties of Crystals, Wiley (1957).5交滑移（Cross Slip） n螺型位错在滑移过程中，轴到相交的滑移面，能够在相交的滑移面上继续滑移，称交滑移。 3.25% 硅铁单晶抛光表面上的交滑移线硅铁单晶抛光表面上的交滑移线6位错塞积 2.4 多晶体的塑性变形 n变形方式:滑移和孪生,基本与单晶体相同 n变形特点 :晶界（杂质、排列紊乱）位向 晶粒大小 变形