第七章-塑性变形

1、第七章 金属的塑性变形主要参考书：李 超，金属学原理第十章引言 金属受力 变形 = 弹性形变 塑性形变 外力撤除 弹性形变自动消除塑性形变永久残留研究塑性变形的重要性：研究塑性变形的重要性： 塑性变形是使金属成形的主要技术，如锻、轧、挤压、拉拔等。 机械加工中也伴随有塑性变形。 部件成型后不允许再产生塑性变形，如热处理变形易使部件报废。 部件服役时，不允许发生塑性变形，避免事故或部件断裂。研究研究塑性变形的意义：塑性变形的意义： 认识金属的塑性变形和强度之间的本质，建立微观组织与宏观力学性能的联系。 探索强化金属材料的机理，并由此探索强化金属材料的方法及途径。 提供有关变形问题的理论依据，以改

2、进实际生产工艺和质量。塑性变形的分类：塑性变形的分类： 冷塑变：变形温度低于再结晶温度的塑性变形，也称冷加工冷加工。 热塑变：变形温度高于再结晶温度的塑性变形，也称热加工热加工。工程应力应变曲线工程应力应变曲线（以退火低碳钢为例） oe段：段： e弹性变形阶段，符合Hook定律 Ee 或 t Gg e为弹性极限为弹性极限，表示金属抵抗弹性变形的能力。 es段：段： e s屈服阶段，由弹变向塑变过渡，出现微量塑变。 s为屈服极限为屈服极限（工业中常用0.2），表示金属抵抗微量塑性变形的能力。 sb段：段： s b均匀塑变阶段，试样整体发生均匀塑变。 b为抗拉强度为抗拉强度，表示金属抵抗均匀塑性变

3、形的能力。 bf段：段： b真应力 缩颈阶段，试样局部发生强烈塑变，出现“缩颈”。 f 为断裂强度为断裂强度，表示金属抵抗局部强烈塑性变形的能力。 ，均表示金属发生塑性变形的能力。 前者表示均匀变形能力，后者表示局部变形的能力。 无论强度或塑性指标，均与微观组织特征及状态有关。 %10000lllf%10000FFFf强度指标：强度指标： e s (0.2) b f常用： s (0.2) b 塑性指标：塑性指标：延伸率延伸率断面收缩率断面收缩率 7-1 单晶体的塑性变形一、弹性变形 1宏观规律宏观规律 在工程应力应变曲线中的oe段， 与e 成线性关系 Ee 或 t Gg 为泊松比，对于低碳钢在

4、0.30.5之间。2微观规律微观规律双原子模型：A, B位置两原子处于平衡状态，原子之间合力f0。有限外力去除后，B可自动回到原平衡位置。故受力与应变之间近似为线性关系。外力较大使原子位移较大时，无法自动回位，应力应变偏离线性关系，发生塑性变形。弹性变形行为可反映内部原子结合力弹性变形行为可反映内部原子结合力: : 原子结合力越强，E或G越大。 凡是能够提高原子结合力的过程，均可以提高材料的弹性模量。)1 (2EG二、塑性变形 1. 宏观表现宏观表现物体的外形及尺寸均发生了永久性变化，而体积基本不变。随塑变量增加，金属强度上升而塑性下降。2 2微观表现微观表现 随拉伸载荷增加，组织演变过程为：

5、等轴晶粒拉长晶粒纤维状组织 随压缩载荷增加，组织演变过程为：等轴晶粒盘状晶粒纤维状组织（横截面） 晶内结构： 位错密度增加，亚晶增多并细化。原子排列状态： 原子位移偏离平衡位置并且不能恢复平衡位置，造成晶格畸变。晶体变形方式：滑移，孪生，扭折。 三、滑移 滑移：滑移：晶体的两部分原子沿特定晶面及特定晶向相对滑动了一个或多个原子间距的过程。是金属塑性变形的最基本过程或最主要方式。1. 现象现象滑移线，滑移线， 滑移带滑移带。特点：特点： 平行滑移线之间相距多个原子间距； 滑移线台阶高度不一致； 滑移带之间晶体未发生塑性变形。可见：可见： 不是所有指数的晶面都能够发生滑移； 并非所有相互平行的同组

6、晶面都能滑移。 发生滑移的每个晶面滑移量不相同。结论：各晶面的滑移是不均匀的，或滑移容易集中在某些晶面上。结论：各晶面的滑移是不均匀的，或滑移容易集中在某些晶面上。 2滑移晶体学滑移晶体学滑移面： 晶体中能够发生滑移的特定晶面。滑移方向：晶体发生滑移的特定晶向。滑移系： 滑移面和滑移面上的一个滑移方向组成的滑移系统。 bccfcchcp滑移面1101110001滑移方向滑移系数62124312133晶体的滑移系越多，则滑移条件越充分，金属的塑性越高。说明：（1）滑移总是优先沿原子最密排面和最密排方向进行。（2）引起滑移的总是作用在滑移面的切应力。（3）滑移后，原子处于新的平衡位置。 （4） 一

7、般情况下，金属塑性fcc bcc hcp。 hcp滑移系最少。 fcc比bcc的滑移方向多，外力更容易在某个滑移方向上形成较大分力。（5）在某些条件下，滑移系不局限于典型滑移系，其数量可增多。 高温时，fcc的铝可增加100滑移面； 在bcc金属中， 112和123 也可能参与滑移； c/a1.633时，hcp的10-10、10-11和10-12的原子面密度接近0001，也可能参与滑移。 在低温、较快、较大变形条件下，也容易引起滑移面增多。 t toT toscoscosfsinfcos 上式也可写成： t cosfcos 设mcosfsinfcoscosfcos，称m为取向因子（取向因子（S

8、chmid因子）因子）则： t t m当晶体开始塑性变形时，即应力应达到屈服极限，有 s则滑移方向上的分切应力即为滑移启动的临界分切应力临界分切应力t tk： t tk sm即滑移面启动滑移的临界条件必定是： t t t tk3滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力单晶体拉伸模型。单晶体拉伸模型。其中 A A/cosf作用在滑移面上的分力 Pos = Psinf试样横截面上的正应力 P/A 作用在滑移面上的切应力 tos = Pos/A= cosfsinf切应力在滑移方向上的分量称滑移面上的分切应力分切应力:讨论： 当 一定且 90，根据tcosfsinfcosm按求极值方法可得： 当f45时，

9、m达到最大，使t 最大，即滑移面上有最大分切应力，易引起滑移； 当f0或90时，m0，使t 0，滑移面上无分切应力，不能滑移。 m越大的晶体取向，越容易在外力作用下发生滑移而产生塑性变形。 称m较大的晶体取向为软取向软取向，称m较小的晶体取向为硬取向硬取向。 tk sm 是定值。在单晶体中， s 与m为变量，两者之间为双曲线关系。 单晶体的tk 越高，越不易发生滑移。 不同金属的弹性模量不同，原子结合力则不同，tk 相应不同。 单晶体的各向异性使不同滑移系的弹性模量不同，也会使不同滑移系有不同的tk 。 金属中典型滑移系的tk 均低于其它非典型滑移系的tk 。 4滑移时晶体的转动滑移时晶体的转

10、动压缩时的转动方向相反，滑移面向外力轴垂直方向转动。滑移方向向最大切应力方向转动，即使得 0；滑移面法线方向向外力垂直方向转动，即使得f 90。转动趋势：使滑移系转动至与外力轴相平行的方向，即使得使得m0。几何软化： 晶体起始f45时，滑移的晶面转动使m逐渐增大，使得t 上升，有利于滑移。几何硬化： 晶体起始f45时，滑移的晶面转动使m逐渐减小，使得t 下降，不利于滑移。 5. 多滑移多滑移 多滑移（多系滑移、复滑移）：多滑移（多系滑移、复滑移）： 两个或多个滑移面同时或交替启动，沿不同滑移方向进行的滑移。 原因：晶体受力时，处于最软取向的一组滑移系首先启动并转动，晶体取向变化可使另一组原处于

11、硬取向的滑移系转动到软取向后启动，导致滑移可在两组或多组滑移系中同时或交替进行。 形态特征：形态特征： 发生多滑移的晶体表面会出现交叉状滑移线。形态特征：发生交滑移的晶体表面会出现曲折或波纹状滑移线。与多滑移的区别：与多滑移的区别： 滑移沿同一滑移方向； 晶体表面滑移线为曲折状； 只能由螺型位错产生。 6交滑移交滑移 交滑移：交滑移： 两个或多个滑移面同时或交替启动，沿同一滑移方向进行的滑移。四、滑移的位错机制 1滑移的理论切应力滑移的理论切应力 设滑移面上层原子位移需要克服下层原子的作用力变化为： x0及 xb时，t 0； xb/2时，受下层左、右原子相互抵消的作用力， t 0； xb/4时

12、，t tm； 根据t 为x周期函数的性质，可写出： 设位移量x较小，处于弹性变形阶段而满足Hook定律，则有 )2sin(bxmtt 以及 bxmtt2axGGgtabGxbmtt22 外加切应力t 必须达到t tm 的条件时，才能造成滑移。tm 为临界理论分切应力临界理论分切应力。当晶体为立方系时，ab，则上式变为： tmG/2 修正后为: tmG/30 2滑移的位错模型滑移的位错模型 理论计算出的临界分切应力值与实际测定的临界分切应力如下表： 显然，理论分析与实际不符。即原子在滑移面上的刚性滑移模型不正确。1928年，提出位错概念；1934年，提出刃型位错几何图像，并用于解释晶体中的滑移（

13、G. L. Taylor等）;1938年，在理论上计算了位错运动速度（Franker）;1939年，提出螺型位错及柏氏矢量（Burgers）;1947年，提出位错应力场与其它畸变应力场之间的交互作用；1950年，在显微镜中观测到螺型位错源生长晶体表面的形态；1956年，电子显微镜的发展与应用大大推动了位错的研究工作，对于晶体受力位错发生滑移的运动形态进行了直观观察。 切变模量G (MPa）t m（MPa）测定tk（MPa）Al (fcc)2440038300.786a Fe (bcc)68950109602.750Cu (fcc)2500039800.49Mg (hcp)1640026300.

14、393位错的来源能够造成结晶时形成位错的因素： 晶粒内枝晶偏析造成点阵常数变化，原子层间有错配度； 两部分固态晶体相遇，位向差小于10，形成小角度晶界； 液体流动时晶体冲击，使晶体表面发生错排形成台阶； 结晶液固界面前沿障碍物造成晶体不同部分之间的位向差； 晶核中所带位错在晶核成长时继续延伸（如螺型位错露头处）。 显然，上述机制形成的位错分布在晶体中是不均匀的。滑移的位错机制滑移的位错机制在切应力作用下滑移面上下两部分原子的错动是位错逐步滑移的最终结果。刃型位错滑移示意图位错的滑移示意图位错滑移规律概括： 仅牵涉一列原子键的破坏，所需切应力小。 刃型位错线运动方向与b平行，螺型位错线运动方向与

15、b垂直。 异号位错线运动方向相反；晶体运动方向均与b平行。 位错线移出晶体表面形成一个b的变形台阶；n个位错形成n个b的变形台阶。 位错较多的晶面才有可能发生较高程度的滑移，因此滑移线分布是不均匀的。 螺型位错b的可动性大于刃型位错，可发生交滑移（如fcc晶体的双交滑移双交滑移）。 位错运动造成的晶体变形速率不可能很大（不超过声速），与实际变形情况相符。3位错运动的点阵阻力位错运动需要克服能量势垒，相当于需要克服点阵阻力（摩擦力）。假设： 运动位错为简单正方晶体中的刃型位错； 滑移面上、下原子相互作用切应力为原子相对位移的正弦函数； 晶体为连续介质。单位长度位错滑移所需克服的点阵阻力(P-N力

16、力)为： G为切变模量；为泊松比；a为滑移面间距；b为滑移方向上的原子间距。 bapeG)1 (212tbapeG)1(212t讨论： 若ttp，位错滑移。若取 0.3（低碳钢），则tp 10-310-4G，与实测tk同数量级。 原子面密度越大的晶面，a越大；原子越密排的晶向，b越小。因此最密排晶面及最密排晶向的tp 最小。 a/(1- )称位错宽度位错宽度，能够表示位错两侧晶格畸变衰减速率。位错宽度越大，位错两侧晶格畸变衰减越慢，tp 值越小，位错越易滑移。 fcc的位错宽度比bcc大，因此塑性较好。 P-N力：4作用于位错线上的力 位错是物理线； 作用在晶体上的切应力t传到了位错线上，使位

17、错发生了滑动； 与b平行的切应力t使长为dl的位错线滑移了ds距离； 部分晶体位移了b。位错滑移增加的面积： dAdlds切应力所做的功： dW(tdA)b tdldsb若作用在位错线上的力为F，则dW也就相当于F使位错移动ds距离所做的功：dWFds假设所以 Fdstdldsb即 F t bdl则作用于单位长度位错线上的力： f F/dl t t b当t tk，滑移系启动，位错所受的力为：fkt tkb当ttk，则 f fk，位错能够发生滑移。fk 称为位错滑移的临界推动力临界推动力。f 的方向为位错线各点的法矢量方向，指向未滑移区。5位错的增殖位错的增殖 问题： 宏观塑性变形量由无数条滑移

18、线和滑移带构成，如此多位错从何而来？ 是否变形越大金属中移出的位错越多而其中剩余的位错越少？ 实际情况：变形过程中，位错可源源不断形成。 变形越大，晶体中位错密度越大。Frank-Read源机制：源机制： L型源机制（单极轴增殖机制）：L型位错DC段处于滑移面上，D点被钉扎；在切应力作用下，DC段滑移围绕D点旋转使晶体滑移。EDC位错相当于一个位错源。若位错线较长，可发展为蜷线状。 使使F-R源开动的应力：源开动的应力：位错线张力与位错受力平衡时有： 2Tsinf(2 R) 当 较小时简化为： 2T f(2 R)位错线张力约为: T=Gb2/2位错线受力为：f tb故有：lGbct仅当仅当t

19、tt tc 时，时，F-R源才能不断生成新的位错。源才能不断生成新的位错。实验证明，tc 与晶体屈服强度较接近。仅当滑移面上存在易于开动的位错源时，此滑移面才能产生较大变形量。 RGb2t即R越小，使位错弯曲的t越大。当R=l/2 时为最小值，此时t 值应为能够使F-R源开动所需的最小切应力，称为F-R源开动的临界切应力源开动的临界切应力t tc关于几个临界切应力的总结：关于几个临界切应力的总结：tksm 滑移面滑移的临界分切应力临界分切应力。适用于单晶体模型，引入了滑移系概念，能够实测，是宏观参量s 与微观参量m的结合。t2Gm滑移的理论分切应力理论分切应力。适用于原子面刚性滑移模型，不符合

20、实际位错滑移模型。bapeG)1(212t位错运动的点阵阻力点阵阻力。由位错运动所需克服的点阵阻力角度得出，可以用位错滑移机制满意地解释晶体塑性变形的一般规律。 fktkb 位错运动的临界推动力临界推动力，从位错受力角度表征了滑移的位错运动条件。 lGbctF-R源开动的临界切应力临界切应力。可以说明塑性变形的位错增殖机制。攀移：攀移：刃位错垂直于b的运动。（1）仅刃型位错才能发生攀移；（2）存在原子扩散，需要热激活，比滑移所需能量大，低温下难以实现；（3）非守恒运动。 6位错的攀移位错的攀移 基本概念(1) 林位错 穿过主滑移面上的位错。(2) 交割、割阶与扭折 交割：某一位错在滑移面运动时

21、，与林位错相遇后交叉通过。 扭折：交割后产生的可自动消失的额外位错线段。 割阶：交割后产生的不能自动消失的额外位错线段。 滑移割阶滑移割阶，不可滑移割阶不可滑移割阶。综合效应(3) 位错交割的结果 位错相遇，互相阻碍； 形成割阶或扭折，使位错线变长； 不可滑移割阶钉扎位错滑移； 可形成一些新的位错源，使位错加速增殖。 硬化或强化硬化或强化7位错的交割21/bb几种典型的位错交割 刃刃位错的交割（1）交割后形成额外线段AB及CD。ABb2，CDb1 均为螺型位错线段。21bb（2）AB不被交割。CD出现线段CDb1，为刃型位错，处于S1平面，可随原位错一起滑移，但不能消失，成为可滑移割阶。因S1

22、不是原滑移面，故割阶滑移所需切应力较大，增加了位错滑移阻力。 两额外线段为 扭折。扭折。 螺螺位错的交割 仅有21bb 形成刃型位错段：ABb2，CDb1。 AB的滑移方向与b1平行，不在原滑移面，为不可滑移割阶，只能发生攀移运动。CD的滑移方向与b2与平行，但仍处于原滑移面，为扭折。 刃螺位错的交割21bb 形成可滑移割阶：ABb2，但沿另一晶面滑移。形成扭折：CDb1，仍在原滑移面，可消失。 带割阶的位错运动 可滑移割阶： 一般不在原位错滑移面上，增加了带此割阶位错的滑移阻力。 不可滑移割阶： 被原位错拖拽运动，只能发生攀移，对位错运动阻碍很大。(1) 带小割阶位错的运动 小割阶：12个原

23、子间距范围。 发生运动的条件：高温、大应力作用下，可发生攀移运动。 运动过程：AB沿滑移面运动拖拽AB攀移，留下一串空位或一串间隙原子。 (2) 带中割阶位错的运动 中割阶：1020个原子间距范围。 位错滑移，足够长的异号位错形成刃型位错环。位错环也可能分解为小位错环。 (3) 带大割阶位错的运动大割阶：2030个原子间距范围。AB被钉扎的两段位错相距较远，各形成L型位错源。五、孪生五、孪生 1现象现象孪生：孪生：两部分原子沿特定晶面均匀切变形成镜面对称位向关系的过程。 条件：条件：低温、变形速率较快、滑移系较少。组织形态：组织形态：孪晶。2形成机理形成机理3与滑移的区别与滑移的区别 滑 移孪

24、 生变形方式位错运动原子面切变机制全位错滑移不全位错滑移晶体位向不变镜面对称取向晶体运动晶面滑移面孪生面产生一个原子间距变形量需要晶面数一个多个发生变形的每个晶面变形量不均匀均匀显微组织特征拉长晶粒孪晶变形所需应力小大引起的塑性变形量大小作用塑变主要方式塑变辅助方式六、扭折六、扭折 有些单晶体在滑移和孪生变形均不易进行时，可能发生扭折。在外力平行于hcp单晶体(0001)时，m0，滑移面切应力t0，滑移无法进行。若孪生也无法进行，则会出现扭折。扭折带：扭折带：扭折形变区本质上是滑移面上位错在局部地区集中所引起的晶格弯扭。形态：类似弯曲的孪晶。作用：作用： 调整晶体取向，使滑移和孪生能够发生。七

25、、单晶体应力七、单晶体应力-应变曲线应变曲线 与多晶体工程应力-应变曲线不同。 易滑移阶段初始变形软取向滑移系启动，位错运动所受阻碍因素少，应力稍有增加即可引起较大应变，硬化系数较低。 线性硬化阶段切应变达到一定程度后，由于滑移系的转动而发生多滑移，位错相互缠结、交割或阻碍，使得硬化系数迅速增大。 抛物线型硬化阶段一些螺型位错滑移被阻碍后发生交滑移至另一滑移面，使得滑移重新变得容易进行，故硬化系数又有所降低。 7-2 多晶体的塑性变形 一、晶界在塑性变形中的作用 晶界因素。晶界因素。1位错塞积位错塞积位错源产生的位错受晶界阻碍。塞积位错排斥位错源放出的同号位错，使位错源开动困难，增大了滑移阻力

26、。2协调变形协调变形塞积应力通过晶界作用于相邻晶粒滑移系，造成相邻晶粒滑移系启动。变形时相邻晶粒位向转动方向不同，在晶界附近产生切变，依靠晶界协调。每个晶粒至少有五个滑移系同时开动才能满足多晶体协调变形条件。fcc及bcc滑移系较多，容易满足晶粒之间协调变形的自由度要求，因而塑性变形能力较高。hcp滑移系较少，塑变能力较低。3细晶强化细晶强化金属晶粒越细，晶界面积越多，晶界阻碍位错滑移作用越大，越不易塑性金属晶粒越细，晶界面积越多，晶界阻碍位错滑移作用越大，越不易塑性变形，使屈服强度升高。变形，使屈服强度升高。用Hall-Patch公式表达晶粒平均直径d 与s 的关系为： 注意：注意： 单晶体

27、中s tk / m，s是变量。多晶体中s为常数。 细晶强化往往造成材料的韧化。 细晶强化不适用于高温。问题：问题：已学过的细化晶粒方法有哪些？210Kds二、变形织构二、变形织构 变形织构：变形织构：在经受较大变形后，大部分晶粒位向优先沿某晶向接近平行排列的晶体学特征。也称晶粒择优取向晶粒择优取向。出现变形织构后，各晶粒位向相近，故多晶体也出现各向异性。 拉拔变形形成的变形织构方向与外力轴向平行，称丝织构； 压缩变形形成的变形织构方向与外力轴向垂直，称板织构。 有些金属在退火过程中也会造成晶粒的择优取向，称退火织构。注意：注意： 变形织构是一种晶体学特征，不是纤维组织特征。变形织构是一种晶体学

28、特征，不是纤维组织特征。 三、位错亚结构三、位错亚结构 位错发团（位错胞、形变亚晶、胞状亚结构）：位错发团（位错胞、形变亚晶、胞状亚结构）： 塑性变形使位错增殖并相互缠结，形成位错胞。胞壁相当于一定厚度的亚晶界。塑性变形程度越高，晶粒内部位错密度越高，位错胞的尺寸越小，胞壁也越厚。位错亚结构仅能在透射电子显微镜下观察到。 四、残余应力（内应力）第一类内应力：宏观内应力。工件各部分之间变形不均匀引起。第二类内应力：微观内应力。晶粒或亚晶粒尺度范围内的变形不均匀引起。第三类内应力：点阵畸变应力。变形产生的大量位错、空位等缺陷引起。残余应力一般会使金属强度、塑性降低，应设法消除。五、塑性变形对金属性

29、能的影响五、塑性变形对金属性能的影响 冷变形强化（加工硬化）：冷变形强化（加工硬化）：随冷变形程度增大，晶体强度上升、塑性下降的现象。强化机制：强化机制：位错密度增大，相互交割、钉扎、缠结及塞积，亚晶细化，位错滑移受到强烈阻碍。晶体的屈服切应力为位错密度的函数：attGbs0 7-3 合金的塑性变形 一、单相固溶体的塑变溶质原子的作用溶质原子的作用。1屈服与应变时效屈服与应变时效屈服现象：屈服现象：低碳钢工程应力-应变曲线屈服阶段存在上、下屈服点。应变时效：应变时效：已屈服试样卸载后拉伸，则不再出现屈服；若卸载后放置或在150加热一定时间后再拉伸，则屈服现象重新出现。屈服和应变时效现象是溶质原子作用的结果。屈服和应变时效现象是溶质原子作用的结果。 2固溶强化固溶强化固溶强化：固溶强化： 合金加入溶质后产生使强度升高的强化效应。合金加入溶质后产生使强度升高的强化效应。 溶质浓度越高，固溶强