第4章金属的塑性变形

1、1金属力学性能 第4章 金属的塑性变形2本章内容4.1塑性变形概述4.2塑性变形的方式和特点4.3物理屈服现象4.4应变时效现象及其控制4.5应力状态对塑性变形的影响34.1塑性变形概述 定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形 塑性变形是材料基本力学行为之一 脆性材料，甚至陶瓷材料，在裂纹尖端都能发现塑性变形痕迹 塑性变形是成形方式之一。易拉罐的成形 塑性变形是零件失效前的基本过程，是影响材料断裂行为的关键之一 塑性变形可以引起材料内组织和材料性能的变化，如加工硬化；纳米材料制备。44.2 塑性变形的方式和特点塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质。 “” 伸长率，“”断

2、面收缩率。 %100%，常称为超塑性。 塑性变形的方式及特点 方式：金属以什么样的途径实现永久不可恢复的变形；这些途径与金属的内部显微组织的关系。宏观上的可见变形通过什么样的微观过程实现？5塑性变形的方式包括： 位错滑移：最主要的变形机制； 孪生：重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时； 晶界滑动和扩散性蠕变：只在高温时才起作用； 扭折（形变带）：滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用。6(1)位错滑移 宏观现象1）单晶材料（右图）2）多晶材料，如光滑低碳钢样品，拉伸后产生45度平行线 结论塑性变形是一个切变过程；原子层之间发生相对位移，作用力是切应力7 根据上述结论，两个原子层之间的滑

3、动是金属产生塑性变形的方式，所需要的切应力大小是多少？abG1 . 02baaG2aG222sin2sinGxbxxbxbxbxxbxmmmm时，当所以根据剪切虎克定律：所以很小时，8上述计算的0.1G，与试验的0.00010.00001G相差几个数量级！以纯铝为例，G大约27GPa，上述计算得到的最大切应力约0.1G2700MPa试验表明，纯铝的屈服强度小于50MPa，相差100倍原因何在？位错的引入。金属实际临界切应力（kg/mm2）切变模量G（kg/mm2）理论临界切应力G/2（kg/mm2）Al0.06-0.122700430Cu0.101620730Ni0.5878001240Fe2

4、.9069001100Mg0.081770280Zn0.0937806009 按照该模型计算出的位错运动阻力是：比较接近与试验数值时，当为泊松比其中544)1(21010106 . 33 . 0,a12GbeGNPbaNP派纳力派纳力10 滑移面：原子最密排面； 滑移方向：原子最密排方向。 滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系越多，材料的塑性越好。 晶体结构的影响较大，fccbcchcp11 常见的金属滑移面与滑移滑移方向晶体结构 滑移面 滑移方向 滑移系数目面心立方 111 12体心立方 110112123 12密排六方 0001 3111111);101)(110)(011)(101)(0

5、11)(110( :110101101);111)(111)(111)(111( :bccfcc12 宏观变形量的计算会产生位错增殖金属塑性变形过程中，高位错密度要提高切应变，需要提，那么个位错平均移动距离为）（导致的切应变是：，距离是而是停留在内部，移动，如果一个位错没有穿出个位错穿出一个位错穿出：SnSSnSnSSn21212111bLLbLLbLLbLbnLb13应变速率与位错密度、位错运动速率的关系金属材料塑性变形的应变速率与位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比，即： =b b. 位错增值， 提高外应力, , 晶体结构变化，b b, 14（2）孪生孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对

6、接起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。孪晶可分为 自然孪晶和形变孪晶。 举例：纳米铜中的生长孪晶15孪生的特点： 比滑移困难；时间很短；变形量很小；孪晶层在试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样。 孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展。 孪生靠不全位错的运动来实现16孪生与滑移的比较 滑移变形的分布是不均匀的，集中分布在滑移带内，滑移带内的金属变形很大，而滑移带之间的金属变形很小；而孪生变形区域材料发生整体的切变变形，是均匀的，如图. 孪生变形临界应力比滑移大，如：Mg，孪生变形临界分切应力5MPa，而滑移变形临界分切应力0.5MPa 金属滑移系较少情况下，如hcp结构金属

7、，往往通过孪生方式进行变形17（3）扭折（形变带） 位错滑移和孪生难以进行的情况下 由晶体点阵畸变而使晶体表面出现的弯曲区域，由于该区域贯穿整个试样截面并成带状，所以称为形变带。 相邻滑移带的交互作用。多个滑移系同时动作，正常的滑移不能进行，所以产生点阵弯曲，形成形变带。 18（4）三种变形机制的比较 滑移 相邻部分滑动，变形前后晶体内部原子的排列不发生变化。 孪生 变形部分相对未变形部分发生了取向变化。 扭折（形变带） 晶体点阵畸变。192、塑性变形的特点 各晶粒变形不同时性和不均匀性（晶粒取向不同，用下式表示） 滑移的临界分切应力 =(P/A)coscos 外应力与滑移面法线夹角； 外应力

8、与滑移向的夹角； = coscos称为取向因子。 因为各晶粒的取向不同，coscos不同 对于具体材料，还存在母相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。 晶粒取向：影响滑移先后。有利取向和不利取向20（2）变形的相互协调性 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。 五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。（3）塑性变形后金属的晶格发生点阵畸变，储存能量，产生内应力。第一、第二内应力。弹性应变产生内应力（4）塑性应变量提高，金属强度增大，产生加工硬化。214.3物理屈服现象 金属的物理屈服：在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下

9、降的情况下，而变形继续进行的现象，称为物理屈服。 现象：上屈服点，下屈服点，平台，锯齿22 物理屈服过程：AB点：肩部开始产生滑移线，产生吕德斯带；BC点：变形开始后，吕德斯带扩大直到贯通整个样品；C点：屈服平台结束；CB点：均匀塑性变形；B点：开始颈缩；BK点：颈缩阶段；K点：断裂BK23 物理屈服中需要解释的三个问题：1）屈服平台，2）上屈服点，下屈服点， 3）平台上的锯齿1）屈服平台形成原因。屈服区在样品内的扩大对应于恒定的屈服应力，是平台形成的根本原因屈服平台形成过程中是否存在加工硬化现象？242）上/下屈服点的形成 弹性变形承担应力在右图中，不论在弹性变形阶段，还是塑性变形阶段，材料

10、内的应力都可以表示成成：E弹该表达式就是拉伸应力应变曲线函数关系。其导数就表示曲线的斜率。121225 应变速率）（所以：应力应变关系为：时，当拉伸夹头移动速率为那么塑总弹弹总塑弹总塑弹总ELVLdL/dtdtLdLdtdVEE恒定！产生物理屈服的条件之一26)3(0)2(0) 1 (0A)(曲线下降，塑性变形引起变形速率曲线水平，塑性变形引起变形速率曲线上升，塑性变形引起变形速率变形：点，材料开始产生塑性到恒定，当夹头运动速率恒定时，对于一个应力应变曲线弹总塑弹总塑弹总塑总塑总E321A27 物理屈服情况下，应力应变曲线到A点后曲线下降，那么要求此时微观途径是什么？快速增大或增大，必须要使是

11、位错运动速率其中，那么而塑塑塑总塑VV,VbSb28 哪些材料具有物理屈服现象：1）溶有C、N原子的体心立方金属（如Fe、Mo、Nb、Ta）2）溶有间隙原子的hcp金属，如嫡和Zn3）溶有高浓度置换原子的fcc固溶体，如CuZn，CuSn 为什么上述金属具有物理屈服现象？ 研究发现上述金属都具有下面特点：在塑性变形开始时可动位错密度很低，塑性变形开始后位错密度增加很快29一个模型： 体心立方金属，位错受间隙原子钉扎（形成柯氏气团）柯氏气团：位错与溶质原子交互作用，位错被钉扎。溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团。 初始状态下可动位错密度很低； 当塑性变形开始后，位错移动几个原子间距后，摆脱柯氏

12、气团钉扎，变成可动位错； 位错密度提高，材料塑性变形速率快速提高，形成上、下屈服点。30相差下屈服点快速减小外力快速减小，快速增大殖，摆脱柯氏气团钉扎，增开始塑性变形后，位错形成上屈服点增大外力根据上面式子，需要增大要产生变形，必须小错少，原子钉扎位错，可动位、刚开始塑性变形，数是位错运动速率敏感指需要的外力；是位错以单位速率运动其中）（定性解释：塑VVNCmVVb0m031 形成上屈服点的条件：1）初始可动位错密度低；2） 比如，bcc结构金属m100200 产生下屈服点条件 除了上面两个因素外，还需要：3）位错增殖速度快2，3对大多数金属都适应，因此1就成为关键因素要小，能够快速增大。按照

13、增大时，应力mVm0V323）平台上的锯齿 位错滑移从试样肩部开始后，在晶粒内部运动，12 位错在晶界受到阻碍，23 外力提高克服晶界阻碍作用后，位错在相邻晶粒内开动，34 如此反复，形成锯齿1234533物理屈服的问题与克服 低碳钢轧制：变形不均匀，引起褶皱例：冲压过程 消除物理屈服现象的方法：对低碳钢进行轧制，从而消除C、N原子对位错的钉扎344.4应变时效现象及其控制 现象：低碳钢发生物理屈服后，停止变形，此时放置数天，或在1004h、15010min，引起材料屈服点升高、同时塑性、韧性下降的现象。 低碳钢发生物理屈服后，卸载，如果立刻重新变形，屈服点不增大35 应变时效形成原因：1）发

14、生了物理屈服后，C、N原子钉扎作用消除；紧接着变形时，C、N原子来不及钉扎，因此物理屈服现象消除。2）放置数天或1004h、15010min后，C、N原子重新钉扎，因此再次形成物理屈服；3）此时位错密度提高，引起应变强化，因此屈服点升高位错密度提高；时效引起C、N重新钉扎！36 应变时效现象的应用低碳钢的零件，变形后经过长时间后，低碳钢发生强度升高，但塑性、韧性降低，从而容易萌生裂纹、产生断裂 低碳钢冲孔的例子。 低碳钢零件受到撞击后变脆的例子。374.5 应力状态对塑性变形的影响1) 应力状态系数 2) 压缩3) 弯曲4) 扭转381) 应力状态系数 零部件在使用过程中将承受不同类型的外应力

15、；零件内部存在不同的应力状态。 材料的塑性或脆性并非绝对，为了表示外应力状态对材料塑性变形的影响，特引入应力状态系数 的概念。以方便选择检测方法。 例如：铸铁：压韧，拉脆39应力状态系数 应力状态系数 定义为： 式中 最大切应力max按第三强度理论计算，即 max=1/2(1-3)， 1，3分别为最大和最小主应力。 最大正应力Smax按第二强度理论计算，即, 泊松系数。40123单向拉伸000.5扭转0- 0.8单向压缩00- 2二向不等压缩0- -1三向不等压缩- -1/3 -7/3 4应力状态系数表示材料塑性变形的难易程度。 越大表示在该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑性变形。把 值

16、较大的称做软的应力状态，值较小的称做硬的应力状态。超硬、超脆材料也可以通过三向不等压缩产生塑性变形。41宏观强度理论 第1强度理论：断裂的最大正应力判据。金属承受的最大正应力大于单向拉伸时的断裂强度f，由于第一主应力就是最大正应力，因此断裂条件为： 1 f。该理论也适用于脆性断裂。 第2强度理论：断裂的最大正应变理论。认为材料断裂的条件是材料的最大正应变超过了材料单向拉伸断裂时材料的极限正应变f。由于第一主应变就是最大正应变，因此断裂条件为： 1 f 第2强度理论适用于脆性断裂。因此如果认为材料在断裂前都处于弹性变形状态，就可以采用虎克定律将1换算成应力表达式： 11-(2+ 3)/E，那么

17、1-(2+ 3)Ef 第1，第2强度理论都是关于断裂条件。42 第3强度理论：复杂应力状态下的塑性变形条件。认为材料受到的最大切应力达到单向拉伸时的剪切屈服强度时，材料就发生屈服，s3131maxmax21)(21所以，sss43以第二强度理论和第三强度理论两者的联合为基础，纵坐标为按第三强度理论计算最大切应力，横坐标为按第二强度理论计算最大正应力。自原点作不同斜率的直线，可代表应力状态系数，这些直线的位置反映了应力状态对断裂的影响。力学状态图切断区切断区塑性变塑性变形区形区弹性变弹性变形区形区正断区正断区c442) 压缩材料压缩的特点 应力状态系数=2，即应力状态软，因此材料易产生塑性变形。

18、 软钢 易压缩成腰鼓状、扁饼状。 铸铁 拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断。 塑性变形小的材料，或者使用工况为压缩状的材料，应采用压缩实验。45压缩实验 曲线与拉伸曲线的形式相同， 脆性金属材料拉伸曲线脆性金属材料拉伸曲线 脆性材料压缩载荷脆性材料压缩载荷 变形曲线变形曲线46 为了减小试样在压缩过程呈腰鼓状的趋势，试样的两端需加工成具有角度的凹圆锥面，以便使试样能均匀变形。 473) 弯曲弯曲试验的特点 弯曲试验常用于测定脆性材料的力学性能。 （1）正应力 上表面为压应力，下表面为拉应力； （2）表面应力最大，中心的为零； （3）力点处的作用力最大； （4）对试样的要求比拉伸时的宽松。

19、铸铁、工具钢、表面渗碳钢，常作弯曲试验。48弯曲试验 （1）抗弯强度 或pc0.01、pc0.2 M为最大弯矩，W为抗弯截面系数。 三点弯曲三点弯曲 四点弯曲四点弯曲49三点弯曲 弯矩 M=PL/4 直径为d的圆形试样,抗弯截面系数 W=（d3）/32 对于宽度为b，高为h的矩形试样，抗弯截面系数 W=bh2/6 ；四点弯曲 M=PL/2挠度 试样断裂之前被压下的最大距离。 通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和塑性韧性材料一般不作弯曲强度检测。504) 扭转扭转试验的特点（1）能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。（2）长度方向，宏观上塑性变形始终是均匀的。（3）能敏感地反映材料表面的性能（4）断口的特征最明显（正断、切断、层状断口等）51扭转应力状态 纵向 受力均匀； 横向 表面最大，心部为