第五章-金属材料的塑性变形

1、 第五章第五章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形第一节第一节 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 塑性变形的基本方式方式塑性变形的基本方式方式:滑移和孪生滑移和孪生一、滑移一、滑移1。在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对另一部。在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对另一部分发生滑动位移的现象。分发生滑动位移的现象。 此晶面称滑移面，此晶向称滑移方向，通常是晶体中原子排列最此晶面称滑移面，此晶向称滑移方向，通常是晶体中原子排列最紧密的晶面和晶向。紧密的晶面和晶向。 在滑移面及滑移方向上的切应力达到一定大小（临界值），滑移在滑移面及滑移方向上的切应力达到一定大小（临

2、界值），滑移就开始进行。就开始进行。 第五章第五章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形第一节第一节 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形一、滑移一、滑移 其特征是： 滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍， 滑移后滑移面两侧的晶体位向保持不变， 滑移的结果使晶体产生台阶。 1、单晶体的滑移铜单晶塑性变形后表面的铜单晶塑性变形后表面的滑移带滑移带单晶体塑性变形时滑移带的形成过程单晶体塑性变形时滑移带的形成过程2、晶体中的孪生：2、孪生晶体孪生示意图滑移与孪生后表面形貌的差别。滑移系。滑移系 晶体中的一个滑移面加上此面上的一个滑移方向合称一晶体中的一个滑移面加上此面上的一个滑移方向合称一个滑移系。个滑移

3、系。 滑移系的数目越多，一个滑移面上的滑移方向越多，则滑移系的数目越多，一个滑移面上的滑移方向越多，则晶体的塑性越好。故金属材料中晶体的塑性越好。故金属材料中 fcc 的塑性最好，的塑性最好，bcc次次之，之，hcp最差。最差。4 滑移的临界分切应力1、作用在滑移面上的剪切应力为：coscoscoscoscoscoscos/cos 00AFAF29021sin)cos(cos m其中：故当=45时m有最大值1/2。 m称为Schmit因子5 临界分切应力定律（Schmit定律）晶体的取向不同，虽然试样开始屈服时（即开始滑移时）的屈服强度变化很大，但是计算出的分切应力总是一个定值，这个值称为临界

4、分切应力，这个规律叫临界分切应力定律。临界分切应力是真正表示晶体屈服实质的一个物理量，它不随试样的取向而变化，只决定于晶体内部的实际状况。实验证明二、滑移的本质二、滑移的本质1。实际金属滑移所需的切应力比理论值低几个数量级，如：。实际金属滑移所需的切应力比理论值低几个数量级，如： 金属金属 滑移理论切应力滑移理论切应力 滑移实测切应力滑移实测切应力 Cu 6272 MPa 0.98 MPa Ag 4410 MPa 0.588 Mpa Zn 4704 Mpa 0.921 Mpa2。研究证明：。研究证明： 滑移是通过位错运动进行的。滑移是通过位错运动进行的。 滑移时又会产生大量新的位错，滑移时又会

5、产生大量新的位错，即位错增殖。即位错增殖。3。任何阻碍位错运动的因素都。任何阻碍位错运动的因素都使滑移的阻力增大，增加塑使滑移的阻力增大，增加塑性变形的难度，就可以提高性变形的难度，就可以提高金属材料的强度。金属材料的强度。 这就是强化金属的基本原理。这就是强化金属的基本原理。30年代，英国物理学家Tayler滑移的实质是位错的运动滑移的实质是位错的运动大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上的大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一切应力的作用下在滑移面上的运动

6、过程，通过一根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。原子间距的滑移。 在这张照片中,“菱型”为位错在样品中的位置. 放大倍数为750. 材料为LiF第二节第二节 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形一、多晶体塑性变形的特点一、多晶体塑性变形的特点多晶体受外力作用时，各晶粒的滑移系上均受到分多晶体受外力作用时，各晶粒的滑移系上均受到分切应力的作用，但切应力的作用，但1。各晶粒的滑移系所受分切应力的大小不一，达到。各晶粒的滑移系所受分切应力的大小不一，达到临界值的先后不一，故变形不均匀。临界值的先后不一，故变形不均匀。2。因晶界及晶粒

7、取向的影响，变形更困难。因晶界及晶粒取向的影响，变形更困难。 1、不均匀的塑性变形过程首先“开动”的是“软取向”，同时这些晶粒发生转动，而变成“硬取向”。2、晶粒间位向差阻碍滑移进行3、晶界阻碍位错运动多晶体的塑性变形过程多晶体的塑性变形过程二、细晶粒钢具有优良的综合力学性能二、细晶粒钢具有优良的综合力学性能 细晶强化细晶强化 1。晶粒越细，则晶界越多，位错运动更困难，强度就。晶粒越细，则晶界越多，位错运动更困难，强度就越高。越高。 Hall-Petch公式：公式： s =0 + Kd 1/22。晶粒越细，变形分散，应力集中小，裂纹不易产生。晶粒越细，变形分散，应力集中小，裂纹不易产生和发和发

8、 展，塑性和韧性就越好。展，塑性和韧性就越好。三、塑性变形对金属组织性能的影响三、塑性变形对金属组织性能的影响1。对组织结构的影响。对组织结构的影响 产生纤维组织产生纤维组织 晶粒及夹杂物沿变形方向伸长及分布，使纵向力学性晶粒及夹杂物沿变形方向伸长及分布，使纵向力学性能大于横向。能大于横向。 亚结构细化亚结构细化 因塑性变形时的位错运动、增殖和其间复杂的交互作因塑性变形时的位错运动、增殖和其间复杂的交互作用，位错密度增加，产生位错缠结，使晶粒碎化成更用，位错密度增加，产生位错缠结，使晶粒碎化成更小的亚晶粒。小的亚晶粒。 （）产生形变织构2。对力学性能的影响。对力学性能的影响加工硬化：塑性变形使

9、金属的强加工硬化：塑性变形使金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象。的现象。 原因：塑性变形使位错密度增大，原因：塑性变形使位错密度增大，晶粒碎化，晶格严重畸变，位错晶粒碎化，晶格严重畸变，位错运动越来越困难。加工硬化也称运动越来越困难。加工硬化也称位错强化。位错强化。 应用：应用：提高金属强度。提高金属强度。 使冷变形产品得到均匀使冷变形产品得到均匀 的变形。的变形。 因变形不均匀，残留内应力，易变形开裂，且耐因变形不均匀，残留内应力，易变形开裂，且耐蚀性下降。蚀性下降。塑性变形对性能的影响： 第三节第三节 塑性变形后金属在加热时的变化塑性变形后金属在加热时的

10、变化一、塑性变形后金属的状态一、塑性变形后金属的状态 塑性变形后金属加工硬化且有内应力残留，处于不稳定状态。加塑性变形后金属加工硬化且有内应力残留，处于不稳定状态。加热促使原子运动，使以下转变得以进行。热促使原子运动，使以下转变得以进行。二、塑性变形后金属加热时的组织性能变化二、塑性变形后金属加热时的组织性能变化 按加热温度的不同，可分为三个阶段：按加热温度的不同，可分为三个阶段：回复、再结晶、晶粒长大回复、再结晶、晶粒长大1、再结晶温度： T = 0.4Tm再结晶过程中显微组织的变化再结晶过程中显微组织的变化冷加工(35%变形)后晶粒580C加热3秒钟后出现非常细小的晶粒再结晶过程中显微组织

11、的变化580C加热4秒后,部分变形区域的晶体被再结晶晶粒取代580C加热8秒后,再结晶晶粒全部取代了变形晶粒再结晶过程中显微组织的变化580C加热15分后,晶粒长大700C加热10分后,晶粒变的粗大再结晶过程中显微组织的变化 铝合金板材经过85%的冷加工并加热后的组织，(a) 85%冷加工的组织；(b)在3021小时的组织，此时可见组织中开始再结晶；(c)316加热1小时的组织，可见再结晶的晶粒及未发生再结晶的晶粒。 （a） (b) (c)1。回复阶段回复阶段：在再结晶温度（：在再结晶温度（T再再一般一般大于大于0.4Tm ）以下）以下的温度。的温度。只发生晶格内部的变化，变形晶粒外形不变，加

12、工硬化保只发生晶格内部的变化，变形晶粒外形不变，加工硬化保留，但内应力下降。留，但内应力下降。应用：去应力退火，用于去除冷塑性变形后的残留应力。应用：去应力退火，用于去除冷塑性变形后的残留应力。2。再结晶阶段再结晶阶段：在再结晶温度（：在再结晶温度（T再再）以上的温度。）以上的温度。逐渐形成与原始变形晶粒晶格相同的等轴晶粒，加工硬化、逐渐形成与原始变形晶粒晶格相同的等轴晶粒，加工硬化、内应力完全消除。内应力完全消除。应用：再结晶退火，用于冷压力加工中的中间退火。应用：再结晶退火，用于冷压力加工中的中间退火。3。晶粒长大阶段晶粒长大阶段：再结晶完成后继续加热。：再结晶完成后继续加热。晶粒不均匀异

13、常长大，使力学性能恶化，应当避免。晶粒不均匀异常长大，使力学性能恶化，应当避免。晶粒的异常长大再结晶后的晶粒尺寸再结晶后的晶粒尺寸 1 1、预先变形量、预先变形量一般一般随随着变形量的增加，再结晶后着变形量的增加，再结晶后的晶粒尺寸不断减小的晶粒尺寸不断减小 2 2、退火温度和时间、退火温度和时间： 其他条件相同时，其他条件相同时，退火退火温度高、保温时间长，温度高、保温时间长，所得到的晶粒尺寸愈大所得到的晶粒尺寸愈大。再结晶退火一般均采用再结晶退火一般均采用保温保温 2 2小时小时三、金属热加工的作用三、金属热加工的作用1。热加工的概念。热加工的概念在再结晶温度（在再结晶温度（T再再）以下的

14、加工变形称为冷加工，冷）以下的加工变形称为冷加工，冷加工会产生加工硬化和内应力。加工会产生加工硬化和内应力。在再结晶温度（在再结晶温度（T再再）以上的加工变形称为热加工，热）以上的加工变形称为热加工，热加工时再结晶同时发生，形成等轴晶粒，加工硬化和加工时再结晶同时发生，形成等轴晶粒，加工硬化和内应力会同时消除。内应力会同时消除。2。金属热加工（锻造）的作用。金属热加工（锻造）的作用消除铸态金属的组织缺陷（晶粒粗大、不致密等）。消除铸态金属的组织缺陷（晶粒粗大、不致密等）。形成合理的纤维组织，即热加工流线。当流线与零件形成合理的纤维组织，即热加工流线。当流线与零件承受的主要应力方向一致时，可提高零件的寿命。承受的主要应力方向一致时，可提高零件的寿命。第四节第四节 强化金属的基本原理和方法强化金属的基本原理和方法一、基本原理一、基本原理 阻碍位错运动，使滑移困难，金属得到强化。阻碍位错运动，使滑移困难，金属得到强化。二、主要方法二、主要方法1。细晶强化细晶强化：晶界阻碍位错运动。同时提高塑性、韧性。：晶界阻碍位错运动。同时提高塑性、韧性。2。固溶强化固溶强化：溶质原子使晶格畸变，阻碍位错运动。：溶质原子使晶格畸变，阻碍位错运动。3。