第十章金属与合金塑性变形

1、主讲教师主讲教师董艳春董艳春你们好！你们好！各位同学：各位同学： 材料科学基础材料科学基础第十章金属与合金的塑性变形第十章金属与合金的塑性变形 第二节10.1 10.1 金属变形的三个阶段金属变形的三个阶段10.2 10.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 10.3 10.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 10.4 10.4 合金的塑性变形合金的塑性变形 10.5 10.5 金属变形后的组织与性能金属变形后的组织与性能 第第1 1页页 第十章返回首页 第第2 2页页 10.1 10.1 金属变形的三个阶段金属变形的三个阶段图图10.1 10.1 低碳钢的应力、应变曲线低碳钢的应力、应变曲

2、线一一. .金属变形的应力金属变形的应力- -应变曲线应变曲线（一）应力、应变（一）应力、应变 应变（工程应变）应变（工程应变） 00LLL P P载荷；载荷；A A0 0试样的原始面积；试样的原始面积；L L0 0试样的原始标距长度；试样的原始标距长度；L L变形后的长度变形后的长度应力（工程应力）应力（工程应力）0PA 第十章第十章返回首页 第第6 6页页弹性极限弹性极限(e)：材料保持最大弹性变形的最：材料保持最大弹性变形的最 大应力值。大应力值。屈服极限屈服极限(S)：材料发生塑性变形的最小应：材料发生塑性变形的最小应 力值。力值。条件屈服极限条件屈服极限(0.2)：残余应变量为：残余

3、应变量为0.2时时 的应力值。的应力值。强度极限强度极限(b)：材料发生塑性变形的最大应：材料发生塑性变形的最大应 力值。力值。断裂极限断裂极限(K)：表示材料对塑性变性的极限：表示材料对塑性变性的极限 抗力。抗力。延伸率（延伸率（）：表示残余总变形量）：表示残余总变形量LK为原始长度为原始长度L0之比。之比。断面收缩率（断面收缩率（）：表示试样横截面积）：表示试样横截面积A0与断裂时的横截面积与断裂时的横截面积 AK之差与之差与A0之比。之比。 e、S、b、K为强度指标，为强度指标，、为塑性指标。为塑性指标。二二.金属变性的三个阶段金属变性的三个阶段（一）弹性变形（一）弹性变形 1.特点：弹

4、性变形发生在低应力作用下，变形量较小，特点：弹性变形发生在低应力作用下，变形量较小， 如图中如图中oe段。段。（1）当）当e时的变形为弹性变形。时的变形为弹性变形。（2）具有可逆性，外力去除后完全复原；）具有可逆性，外力去除后完全复原；（3）应力与应变呈直线关系，服从虎克定律。）应力与应变呈直线关系，服从虎克定律。 = E G正应力；正应力； 切应力；切应力；正应变；正应变； 切应变；切应变；E弹性模量弹性模量 G 切变模量切变模量E 、G为弹性模量。它表示材料抵抗应变的能力大小。为弹性模量。它表示材料抵抗应变的能力大小。E为抵抗正应变的弹性模量，为抵抗切应变的弹性模量为抵抗正应变的弹性模量，

5、为抵抗切应变的弹性模量，两者的关系为，两者的关系为GE2(1+ ),其中其中 为泊松为泊松(Poisson)比。比。G、E反映材料的反映材料的“刚度刚度”大小，是一个组织不敏大小，是一个组织不敏感系数。感系数。2. 弹性变形的本质弹性变形的本质-外力小于原子间作用力。外力小于原子间作用力。 （二）塑性变形阶段（二）塑性变形阶段 当当Sb时的变形为塑性变形阶段。外力去时的变形为塑性变形阶段。外力去除后部分复原，保持部分加工硬化。如图中的除后部分复原，保持部分加工硬化。如图中的eb段。段。（三）断裂阶段（三）断裂阶段当当b时为不均匀的塑性变形，时为不均匀的塑性变形，K时为断裂阶段。时为断裂阶段。真

6、应力真应力- -真应变曲线真应变曲线10.2 10.2 真应力应变曲线真应力应变曲线 真应力应变真应力应变曲线是指试样在变形过曲线是指试样在变形过程中试样尺寸不断变化中的应力应程中试样尺寸不断变化中的应力应变曲线。变曲线。真应力应变真应力应变曲线与曲线与工程应力应变工程应力应变曲线的区别是：曲线的区别是：试样产生缩颈后外加载荷已下降，但是真应力仍在升试样产生缩颈后外加载荷已下降，但是真应力仍在升高，直至高，直至SK。在真应力应变曲线的均匀塑性变形阶。在真应力应变曲线的均匀塑性变形阶段称为流变曲线。段称为流变曲线。 真应力、应变间存在如下关系：真应力、应变间存在如下关系： S = ken S-真

7、应力；真应力；e真应变；真应变；n-形变强化指数；形变强化指数；K常数常数n:表征金属均匀变形阶段的强化能力，表征金属均匀变形阶段的强化能力，n值越大，变值越大，变形时的强化效果越显著。形时的强化效果越显著。fcc结构的金属结构的金属n值较大值较大;bcc结结构较小，构较小，hcp结构最小。结构最小。10.3 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 一滑移变形一滑移变形（一）滑移现象（一）滑移现象抛光的单晶体塑变后，在光学抛光的单晶体塑变后，在光学显微镜下观察显微镜下观察,在抛光表面上出在抛光表面上出平行的线条滑移带。平行的线条滑移带。 滑移带与滑移线的结构滑移带与滑移线的结构（二）滑移系（二）滑移

8、系 滑移滑移在切应力的作用下晶体的一部分相对于另一部在切应力的作用下晶体的一部分相对于另一部 分沿一定晶面（滑移面）并沿着该面上的一定分沿一定晶面（滑移面）并沿着该面上的一定 方向（滑移方向）发生相对滑动。方向（滑移方向）发生相对滑动。1. 滑移面和滑移方向滑移面和滑移方向 滑移面滑移面：晶体中原子的密排晶面；：晶体中原子的密排晶面； fcc-111 bcc-110 hcp-0001； 滑移方向滑移方向：晶体中原子的密排晶向；：晶体中原子的密排晶向； fcc- ，bcc- , hcp - 。11202 滑移系滑移系一组滑移面和该面上的一组滑移方向构成一组滑移系。一组滑移面和该面上的一组滑移方向

9、构成一组滑移系。 面心立方结构滑移系：面心立方结构滑移系： 111 4 111 43 31212组滑移系组滑移系 体心立方结构滑移系：体心立方结构滑移系： 110 110； 6 62 21212组组 112 112； 12121 11212组组 共共4848组滑移系组滑移系 123 123； 24241 12424组组 密排六方结构滑移系：密排六方结构滑移系： 0001 1 0001 13 33 3组；组； 10 0 110 0 13 33 3组；组； 共共1212组滑移系组滑移系 10 1 2 23 36 6组；组；21212表表10-1 10-1 常见金属的滑移系常见金属的滑移系 结结 论

10、论 1. 滑移系的多少一般决定金属塑性的好坏，如滑移系的多少一般决定金属塑性的好坏，如fcc、 bcc结构的滑移系较结构的滑移系较hcp多多,所以所以fcc和和bcc的塑性较的塑性较 hcp好。好。 2. 在其它条件相同时，塑性的好坏还决定于滑移面在其它条件相同时，塑性的好坏还决定于滑移面 的密排程度及滑移方向的数目，的密排程度及滑移方向的数目，bcc与与fcc两种结两种结 构，密排面构，密排面fcc较较bcc密排，滑移方向数较密排，滑移方向数较bcc多多,而而 且滑移时只能是一种滑移系启动，所以且滑移时只能是一种滑移系启动，所以fcc结构的结构的 晶体较晶体较bcc塑性好。塑性好。 3. f

11、cc、bcc结构的晶体常以滑移方式变形结构的晶体常以滑移方式变形,hcp结构的结构的 晶体常以孪生方式变形；但是在低温或高冲击载晶体常以孪生方式变形；但是在低温或高冲击载 荷时荷时fcc、bcc结构的晶体是以孪生方式变形的。结构的晶体是以孪生方式变形的。 临界分切应力（临界分切应力（k）单晶体单向拉伸时开始滑移）单晶体单向拉伸时开始滑移 所需要的最小分切应力。所需要的最小分切应力。（三）滑移时的临界分切应力（三）滑移时的临界分切应力（K K）设一圆柱试样，已知截面积设一圆柱试样，已知截面积为为A,外力为外力为F；滑移面面积；滑移面面积为为 A ,滑移面的法向为滑移面的法向为N，F与与N夹角为夹

12、角为， 滑移方向为滑移方向为，与与F夹角为夹角为. 为在滑移面上沿滑移方向为在滑移面上沿滑移方向的分切应力。的分切应力。 外力在滑移面上的应力外力在滑移面上的应力FFcosAA 外力在滑移面上的切应力外力在滑移面上的切应力Fcoscos cosA 令令 时，时，k ，所以，所以 SFA KScos cos coscos为取向因子（或施密特因子）为取向因子（或施密特因子）；材料一定时材料一定时k k为常数，并与为常数，并与F F无关。无关。因此，因此，S S大小只取决于大小只取决于coscoscoscos的大小。的大小。AACOS 滑移面的面积滑移面的面积滑移时的分切应力滑移时的分切应力大小大小

13、:只有外力作用在滑移面上的只有外力作用在滑移面上的分切应力才能推动晶体滑移。分切应力才能推动晶体滑移。2. 硬位向与软位向硬位向与软位向由由 可知：可知： KScos cos coscos取得最大值时，取得最大值时，S取得最小值；取得最小值；coscos取得最小值时，取得最小值时，S取得最大值。取得最大值。最大取向因子为最大取向因子为F、和和N处于同一平面内，处于同一平面内，即即90o时。时。（1）软位向）软位向 - 、均为均为45o角时的位向为软位向角时的位向为软位向。 取向因子取向因子coscos0.5 （取得最大值），（取得最大值），S 取得最小值。取得最小值。（2）硬位向）硬位向 外力

14、外力F滑移面时，滑移面时，90o（0o）或外力）或外力FA时，时， 90o（0o）取向因子）取向因子coscos0（取得最小（取得最小 值）值） 值。值。=90o或或=90o时的位向为硬位向。时的位向为硬位向。S KScos cos 镁晶体的镁晶体的s与晶体取向与晶体取向因子因子coscos的关系的关系（3）影响临界分切应力）影响临界分切应力k的因素：的因素： 主要取决于材料的本性与外力无关，是一个组织主要取决于材料的本性与外力无关，是一个组织 敏感参数。敏感参数。 材料的纯度越高，材料的纯度越高，k。 温度越高温度越高k。 变形速度越快，变形速度越快，k。 小小 结结 晶体滑移总是沿着原子的

15、密排面和该面上的密排方向进行。晶体滑移总是沿着原子的密排面和该面上的密排方向进行。 外力外力F作用在滑移面上的分切应力推动晶体滑移。作用在滑移面上的分切应力推动晶体滑移。 只有当滑移方向的分切应力只有当滑移方向的分切应力k时晶体才能滑移。时晶体才能滑移。 多系滑移时多系滑移时,取向最有力的滑移系取向最有力的滑移系(、均为均为45o时时)其分切应力其分切应力 最先达到临界值最先达到临界值(K),该组滑移系首先屈服并推动晶体滑移。该组滑移系首先屈服并推动晶体滑移。k与取向因子无关与取向因子无关,只取决材料自身、纯度、温度、变形度等。只取决材料自身、纯度、温度、变形度等。（四）（四）. .滑移时晶体

16、的转动滑移时晶体的转动晶体的转动包括两部分：晶体的转动包括两部分：滑移面的旋转和滑移方向滑移面的旋转和滑移方向的转动。的转动。1. 滑移面的旋转滑移面的旋转 滑移时滑移面的旋转滑移时滑移面的旋转作用于单晶体试样上的外力作用于单晶体试样上的外力P P在晶面上分解为两种应力，在晶面上分解为两种应力，一种是平行于该晶面的切应一种是平行于该晶面的切应力力( ( ) ), ,一种是垂直于该晶面的一种是垂直于该晶面的正应力正应力( ( ) )。切应力分量使晶。切应力分量使晶体发生滑移而正应力分量体发生滑移而正应力分量1 1和和2 2则组成一个力偶，使晶则组成一个力偶，使晶体在滑移的同时体在滑移的同时滑移面

17、转向滑移面转向外力方向。外力方向。结果使结果使、滑移时滑移方向的转动滑移时滑移方向的转动2.2.滑移方向的转动滑移方向的转动如果作用于滑移面上的切如果作用于滑移面上的切应力方向不是晶体的滑移应力方向不是晶体的滑移方向，最大切应力将分解方向，最大切应力将分解为滑移方向和垂直于滑移为滑移方向和垂直于滑移方向的分力，方向的分力，t tb b与与t tb b又组又组成一对力偶，使滑移方向成一对力偶，使滑移方向转向最大切应力方向即转向最大切应力方向即M M1 1M M1 1方向。方向。由于晶面、晶向的转动，由于晶面、晶向的转动，改变了改变了、角，从而使角，从而使coscos值发生了变化，于值发生了变化，

18、于是是S亦发生变化。亦发生变化。从而发生了几何硬化和从而发生了几何硬化和几何软化。几何软化。几何软化当几何软化当角由角由9090o o转向转向4545o o角时，角时，S S，滑移系由，滑移系由 硬位向转向软位向硬位向转向软位向, ,使滑移易于进行。使滑移易于进行。几何硬化当几何硬化当角由角由4545o o转向转向9090o o角或角或O Oo o时时S S，滑移系，滑移系 由软位向转向硬位向由软位向转向硬位向, ,使滑移难于进行。使滑移难于进行。（五）双滑移（多滑移）与交滑移（五）双滑移（多滑移）与交滑移当晶体变形量较小时为单系滑移；变形量较大时可发当晶体变形量较小时为单系滑移；变形量较大时

19、可发生双滑移（多滑移）或交滑移。生双滑移（多滑移）或交滑移。1.1.双滑移（多滑移）双滑移（多滑移）- -晶体在切应力作用下，晶体在切应力作用下，两组滑移两组滑移系或多组滑移系同时或交替并沿着各自的滑移面上的滑系或多组滑移系同时或交替并沿着各自的滑移面上的滑移方向滑移，从而形成双滑移或多滑移。刃型位错和螺移方向滑移，从而形成双滑移或多滑移。刃型位错和螺型位错均可以进行双滑移。型位错均可以进行双滑移。 fcc fcc结构双滑移结构双滑移 示意图示意图1011b2b 011如：如：fccfcc结构的（结构的（ 1111）晶面上）晶面上 11ab1012 晶面上晶面上 的单位刃型位的单位刃型位2ab

20、1012 错或螺型位错分别在各自的滑错或螺型位错分别在各自的滑移面上同时或交替地沿着不同移面上同时或交替地沿着不同的滑移方向进行滑移。的滑移方向进行滑移。(111)2.交滑移交滑移晶体在晶体在作用下两组或多组滑移系在不同作用下两组或多组滑移系在不同 滑移面上同时或交替地沿同一滑移方向进行的滑移。滑移面上同时或交替地沿同一滑移方向进行的滑移。 fcc fcc结构交滑移示意图结构交滑移示意图b只有只有螺型位错螺型位错才可以进行交滑移。才可以进行交滑移。（1 1）单位位错的交滑移）单位位错的交滑移 fccfcc结构的结构的 和和晶面上的晶面上的 的单位的单位螺位错，两组滑移系同时或螺位错，两组滑移系

21、同时或交替沿着同一滑移方向（交替沿着同一滑移方向（ ）进行交滑移。进行交滑移。b(111)(111)ab1102 螺型位错交滑移示意图螺型位错交滑移示意图螺型位错交滑移后产螺型位错交滑移后产生的波纹状滑移带生的波纹状滑移带（2）扩展位错的交滑移和）扩展位错的交滑移和“束集束集”（只有螺型位错（只有螺型位错才才 可交滑移）可交滑移）层层错能高的材料又可以错能高的材料又可以在滑移在滑移面内面内分解成扩展位错，扩展位分解成扩展位错，扩展位错又可以进行交滑移。错又可以进行交滑移。（ b如：柏氏矢量为如：柏氏矢量为 的单位螺的单位螺位错在切应力的作用下在两个位错在切应力的作用下在两个 和和 晶面上分解成

22、两晶面上分解成两个扩展位错，并在两个晶面上个扩展位错，并在两个晶面上进行交滑移。进行交滑移。b(111)(111) 扩展位错的交滑移和扩展位错的交滑移和“束集束集” ” （只有螺型位错才可交滑移）（只有螺型位错才可交滑移）柏氏矢量为柏氏矢量为 的螺位错在切应力的作用下将的螺位错在切应力的作用下将沿着沿着 晶面和晶面和 晶晶面同时或交替滑移面同时或交替滑移 . 2a 110 211 12 层错层错 （ 11） 6a116a 扩扩 展展 位位 错错ab1102 (111)(111)ABab1102 2a 110 211 12 层错层错 （ 11） 6a116a首先首先 的螺位错在的螺位错在 晶面内

23、分解为扩展位错晶面内分解为扩展位错(111)ab1102 ABab1102 123bbb 扩展位错的扩展位错的“束集束集”扩展位错在切应力作用下一旦在某处（如扩展位错在切应力作用下一旦在某处（如A A处）运动受阻将发生处）运动受阻将发生位错的位错的“束集束集”。位错的位错的“束集束集”两个肖克莱部分位错合成为两个肖克莱部分位错合成为单位位错的过程。单位位错的过程。 2b3b1b6a ， 211 12 11016a2a（ 11）1 束集后的单位位错束集后的单位位错 将在新的将在新的1ab1102 (111)又在又在 晶面上继续进行交滑移。即：晶面上继续进行交滑移。即： 晶面上重新分解成扩展位错晶

24、面上重新分解成扩展位错 145bbb (111) 小小 结结 1.1.在在作用下，刃型、螺型位错均可以进行双滑移，作用下，刃型、螺型位错均可以进行双滑移， 只有螺位错才可以进行交滑移。只有螺位错才可以进行交滑移。2.2.金属滑移的同时伴有晶面及晶向的转动，晶面转向金属滑移的同时伴有晶面及晶向的转动，晶面转向 外力方向使外力方向使；滑移方向转向最大切应方向；滑移方向转向最大切应方向3.3.螺位错的交滑移可以是单位位错也可以是扩展位错螺位错的交滑移可以是单位位错也可以是扩展位错4.4.扩展位错的交滑移只有发生束集才能进行交，扩展扩展位错的交滑移只有发生束集才能进行交，扩展 位错的束集需外力作功，因

25、此扩展位错的交滑移较位错的束集需外力作功，因此扩展位错的交滑移较 难于进行。难于进行。5.5.层错能低的材料，束集难，交滑移难；层错能高的层错能低的材料，束集难，交滑移难；层错能高的 材料，束集易材料，束集易, ,交滑移易于进行。交滑移易于进行。1.1.在外力作用下，在外力作用下，fccfcc结构的晶体在结构的晶体在 晶面上沿晶面上沿 方向滑方向滑 移，试回答下列问题：移，试回答下列问题： 若晶体的滑移是由单位位错的运动引起的，写出该单位位错若晶体的滑移是由单位位错的运动引起的，写出该单位位错 的柏氏矢量。的柏氏矢量。(111)(111)101ab1012 若此单位位错是纯刃型位错，写出位错线

26、方向及在外力作用若此单位位错是纯刃型位错，写出位错线方向及在外力作用 下滑移运动的方向。下滑移运动的方向。 位错线方向为位错线方向为 若此单位位错是纯螺型位错在若此单位位错是纯螺型位错在 晶面晶面 上运动受阻后将交滑移到哪一个晶面上？上运动受阻后将交滑移到哪一个晶面上？ 如何运动？如何运动？121滑移运动的方向为滑移运动的方向为101(111) 晶面上；晶面上； 的单位位错可以继续在的单位位错可以继续在 上上ab1012 (111)运动；也可以在运动；也可以在 晶面上分解为扩展位错，然后扩展位晶面上分解为扩展位错，然后扩展位错继续运动。错继续运动。(111)(指数相乘相加指数相乘相加=0)？

27、若此单位螺位错在若此单位螺位错在 晶面内可以分解为扩展位错，写出晶面内可以分解为扩展位错，写出 位错分解的反应式并判断能否进行。位错分解的反应式并判断能否进行。 (111)aaab101b303101262 前前后后22ab2 前前222aab263 后后22ab2 前前222aab263 后后所以反应能进行。所以反应能进行。 （六）滑移变形的位错机制（六）滑移变形的位错机制1. 1. 位错的运动引起晶体滑移位错的运动引起晶体滑移由图中可以看出晶体在滑移时并由图中可以看出晶体在滑移时并不是滑移面上的全部原子同时移不是滑移面上的全部原子同时移动，而是只有位错线附近的少数动，而是只有位错线附近的少

28、数原子移动很小的距离，所需应力原子移动很小的距离，所需应力比晶体刚性整体移动小得多。比晶体刚性整体移动小得多。 2. 2. 位错运动的点阵阻力（位错运动的点阵阻力（P-NP-N力）力）G-G-切变模量，切变模量， W-W-位错宽度位错宽度 -波松比，波松比，a-a-滑移面面间距滑移面面间距， b- b-滑移方向原子间距滑移方向原子间距由于位错存在着易动性，当位错沿着滑移面运动时首由于位错存在着易动性，当位错沿着滑移面运动时首先遇到的是点阵阻力，又称派纳力先遇到的是点阵阻力，又称派纳力(P-N(P-N力力),),只有只有 与与晶体滑移方向一致的位错，才对晶体的滑移有贡献。晶体滑移方向一致的位错，

29、才对晶体的滑移有贡献。或者说晶体的滑移方向就是位错或者说晶体的滑移方向就是位错 的方向。的方向。b b P N2G2G2 a2 wexpexp()(1)bb11 aW=1派纳力派纳力 ：晶体滑移克服的点阵阻力。：晶体滑移克服的点阵阻力。 由上式可知：由上式可知：（1）滑移总是沿着晶体的密排晶面上的密排晶向进行。）滑移总是沿着晶体的密排晶面上的密排晶向进行。 因为因为a或或bP-N, k ，晶体易于滑移。，晶体易于滑移。（2）位错宽度（）位错宽度（w）越大，位错处的点阵畸变越小，）越大，位错处的点阵畸变越小， P-N, k 晶体的塑性越好。晶体的塑性越好。aw=1P N2G2G2 a2 wexp

30、exp()(1)bb11 3.3.位错的增值机制位错的增值机制ABAB位错线在受到垂至于位错线在受到垂至于bb力的作用下发生弹性弯曲，力的作用下发生弹性弯曲，由于各处的线速度相同而角速度不同的条件下位错线由于各处的线速度相同而角速度不同的条件下位错线的形状如图（的形状如图（a a）（）（b b）（）（c c）（）（d d）（）（e e）变化，）变化， 硅晶体的硅晶体的F-RF-R位错源位错源在线张力的作用下位错线在线张力的作用下位错线AB又伸直成直线，又将在垂至又伸直成直线，又将在垂至于于b力的作用下发生弹性弯力的作用下发生弹性弯曲，位错环扫出晶体在曲，位错环扫出晶体在方向方向上产生上产生 模

31、大小的宏观台阶。模大小的宏观台阶。从而强化了材料。从而强化了材料。 b 位错滑移机制概括总结为：位错滑移机制概括总结为：位错的运动引起晶体滑移，使晶体滑移易于进行。位错的运动引起晶体滑移，使晶体滑移易于进行。位错运动中首先需要克服点阵阻力；晶体滑移总是位错运动中首先需要克服点阵阻力；晶体滑移总是沿着密排晶面上的密排方向进行（滑移阻力最小）。沿着密排晶面上的密排方向进行（滑移阻力最小）。1. 3. 随着变形的进行，位错密度不断增加，其中由于随着变形的进行，位错密度不断增加，其中由于位错的增值，形成许多位错环，从而强化了材料。位错的增值，形成许多位错环，从而强化了材料。 二二 孪生变形孪生变形（一

32、）孪生变形的特点（一）孪生变形的特点 fccfcc晶体孪生变形切变过程示意图晶体孪生变形切变过程示意图fccfcc晶体孪生面积孪生方向晶体孪生面积孪生方向（一）孪生变形的特点（一）孪生变形的特点 1.1.孪生变形也是在切应力作用下沿着一定的晶面和该孪生变形也是在切应力作用下沿着一定的晶面和该 面上的一定晶向进行。该面为孪晶面，该晶向为孪面上的一定晶向进行。该面为孪晶面，该晶向为孪 生方向。生方向。 fcc fcc 孪晶面孪晶面111111，孪生方向，孪生方向 ; ; bcc bcc 孪晶面孪晶面112, 112, 孪生方向孪生方向 ; ; hcp hcp 孪晶面孪晶面 孪生方向孪生方向 ; ;

33、 10121011 2.2.孪生变形前后只是部分晶体的位向发生变化，其结孪生变形前后只是部分晶体的位向发生变化，其结 构不变。构不变。3.孪生变形的变形量很小（孪生变形的变形量很小（10%）但是可以调节位）但是可以调节位 向，有利于滑移进行。向，有利于滑移进行。4.4.孪生区域内的晶体发生均匀变形，抛光后孪晶带可孪生区域内的晶体发生均匀变形，抛光后孪晶带可 见并在抛光的表面出现浮凸。见并在抛光的表面出现浮凸。5.5.变形前后晶体构成孪晶（呈镜面对称）。变形前后晶体构成孪晶（呈镜面对称）。6.孪生变形的应力孪生变形的应力-应变曲线呈锯齿形变化。应变曲线呈锯齿形变化。7.孪生变形有可逆性，应力反向

34、有除孪现象。孪生变形有可逆性，应力反向有除孪现象。 孪生和滑移时晶体取向示意图孪生和滑移时晶体取向示意图 (a) 未变形未变形 (b)滑移滑移 (c) 孪生孪生铜单晶在铜单晶在4.2K的拉伸曲线的拉伸曲线 形变孪晶金相照片形变孪晶金相照片(a)(a)FeFe的形变孪晶的形变孪晶(b)Zn(b)Zn的形变孪晶的形变孪晶(c)Mg(c)Mg的退火孪晶的退火孪晶(a)(b)(c) 形变孪晶电镜照片形变孪晶电镜照片（二）孪生变形几何学（二）孪生变形几何学在面心立方结构中发生孪生变在面心立方结构中发生孪生变形时，切变区相邻两层原子相形时，切变区相邻两层原子相对切变量相等，且各面移动的对切变量相等，且各面

35、移动的距离与孪晶面的距离呈正比即距离与孪晶面的距离呈正比即均匀切变。均匀切变。112如：在如：在fcc的（的（111）孪晶面上的）孪晶面上的 孪生方向：孪生方向：1121d3A层原子移动距离为零；层原子移动距离为零；B层原子位移距离为层原子位移距离为 ；C层原子位移量为层原子位移量为 ；D层原子位移距离为层原子位移距离为 1122d31123d3每一层原子都位移了一个点阵矢量为每一层原子都位移了一个点阵矢量为 a1126 10.4 10.4 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 一一.多晶体变形的特点多晶体变形的特点（一）多晶体变形的不均匀性多晶体变形的不均匀性在相同的临界分切应力作用下，由于各晶

36、粒的位向不同在相同的临界分切应力作用下，由于各晶粒的位向不同使得各晶粒不会同时屈服，从而造成各晶粒变形程度的使得各晶粒不会同时屈服，从而造成各晶粒变形程度的不同，变形不均匀。不同，变形不均匀。（二）晶粒之间变形的协调性（二）晶粒之间变形的协调性由于各晶粒不会同时屈服，处于有利位向的晶粒，分切由于各晶粒不会同时屈服，处于有利位向的晶粒，分切应力最先达到临界值，滑移面上的位错开始启动应力最先达到临界值，滑移面上的位错开始启动,并不并不断沿着滑移面发射位错断沿着滑移面发射位错,运动的位错将在晶界处产生运动的位错将在晶界处产生“塞积塞积”,并产生很大的应力集中并产生很大的应力集中,将启动相邻晶粒的位将

37、启动相邻晶粒的位错源错源,使其它处于硬位向的晶粒变为软位向并继续运动使其它处于硬位向的晶粒变为软位向并继续运动。各晶粒的变形需要相互协调并相互制约各晶粒的变形需要相互协调并相互制约,为使各为使各晶粒协调变形晶粒协调变形,除主滑移系外周围至少有除主滑移系外周围至少有5个独立个独立滑移系同时启动滑移系同时启动,才能保持变形的连续性。才能保持变形的连续性。 fcc和和bcc滑移系较多滑移系较多,能够满足此条件能够满足此条件,因此因此fcc和和bcc较较hcp塑性好。因此塑性好。因此,晶粒越细晶粒越细,协调越困难协调越困难,材料的强度越高材料的强度越高 多晶体变形示意图多晶体变形示意图 多晶变形竹节状

38、多晶变形竹节状（三）晶界对变形的阻碍作用（三）晶界对变形的阻碍作用1.晶界的特点：原子排列不规则晶界的特点：原子排列不规则,分分 布有大量缺陷。布有大量缺陷。2.晶界对变形的影响晶界对变形的影响:滑移、孪生多滑移、孪生多 终止于晶界终止于晶界,易于形成位错塞积，易于形成位错塞积， 位错极少穿过，从而阻碍了位错位错极少穿过，从而阻碍了位错 的运动。多晶体的变形常常出现的运动。多晶体的变形常常出现 竹节状结构。竹节状结构。3.晶粒大小与性能的关系：晶粒大小与性能的关系： （1）晶粒越细，强度、硬度越高晶粒越细，强度、硬度越高(细晶强化细晶强化)、塑性、塑性、 韧性越好。韧性越好。（2 2）细晶强化

39、及其原因：）细晶强化及其原因：细晶强化由于变质处理、相变等使晶粒细化造成材细晶强化由于变质处理、相变等使晶粒细化造成材 料的强度、硬度高，塑性及韧性好的现象。料的强度、硬度高，塑性及韧性好的现象。强度、硬度高强度、硬度高- -由列霍尔配奇公式可知：由列霍尔配奇公式可知： s s= = 0 0+kd+kd-1/2-1/2 s s- -材料的屈服强度材料的屈服强度 K- K-晶界对强度影响程度的常数晶界对强度影响程度的常数 d-d-晶粒的平均直径晶粒的平均直径材料的晶粒越细小，材料的晶粒越细小，强度、硬度强度、硬度越高，原因有二：越高，原因有二： 晶粒间协调变形晶粒间协调变形；d,d,不同位向晶粒

40、个数越多，各不同位向晶粒个数越多，各 晶粒位向不同，作用于各晶粒滑移系上的分切应力晶粒位向不同，作用于各晶粒滑移系上的分切应力 相差较大，有利位向晶粒受不利位向晶粒的制约越相差较大，有利位向晶粒受不利位向晶粒的制约越 大，因此晶粒越细，大，因此晶粒越细，强度、硬度强度、硬度 。 材料在断裂前能够承受材料在断裂前能够承受较大塑性变形，从而保较大塑性变形，从而保持良好的塑性和韧性。持良好的塑性和韧性。 塑性、韧性好塑性、韧性好-晶粒越细，每一个晶粒变形较均匀，不易产生应力集晶粒越细，每一个晶粒变形较均匀，不易产生应力集中；晶粒越细，晶界曲折多弯，不利于裂纹扩展，使中；晶粒越细，晶界曲折多弯，不利于

41、裂纹扩展，使纯铁的强度与其晶粒大小的关系纯铁的强度与其晶粒大小的关系晶界阻碍位错的运动晶界阻碍位错的运动：晶粒越细，：晶粒越细，d，晶界面积，晶界面积 越大，位错运动阻力越大，越大，位错运动阻力越大， s硬度硬度 。二二.多晶体的屈服强度高于单晶体多晶体的屈服强度高于单晶体纯锌的拉伸曲线纯锌的拉伸曲线 单晶单晶: :只要外力作用在只要外力作用在 滑移面上的滑移滑移面上的滑移 方向的分切应力方向的分切应力 大于或等于临界大于或等于临界 分切应力时，便分切应力时，便 可以屈服滑移。可以屈服滑移。 多晶多晶: :多晶体的各晶粒多晶体的各晶粒变形的不均匀性变形的不均匀性；不同位向不同位向 的晶粒需要相

42、互协调的晶粒需要相互协调晶界阻止位错的运动晶界阻止位错的运动，从，从 而使多晶体的变形困难，多晶体的屈服强度高于而使多晶体的变形困难，多晶体的屈服强度高于 单晶体。单晶体。 10.5 合金的塑性变形合金的塑性变形 一一. 固溶体的塑性变形（固溶体的塑性变形（单相合金的变形单相合金的变形）（一）（一） 固溶体强化固溶体强化1.固溶强化固溶强化-固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度 提高而塑性、韧稍微下降的现象。提高而塑性、韧稍微下降的现象。2.影响固溶强化的因素影响固溶强化的因素 溶质原子的浓度越高，强化作用越大，但是不保溶质原子的浓度越高，强化作用越大，但是

43、不保证证 呈正比。间隙强化效果好于置换。呈正比。间隙强化效果好于置换。 溶质、溶剂原子尺寸差别越大，强化效果越大。溶质、溶剂原子尺寸差别越大，强化效果越大。 弱强化和强烈强化型：，弱强化和强烈强化型：， 弱强化型弱强化型-球形对称的点阵畸变强化效果较弱。如球形对称的点阵畸变强化效果较弱。如 置换溶质原子和置换溶质原子和fcc结构中八面体间隙原结构中八面体间隙原 子（八面体和四面体间隙）。子（八面体和四面体间隙）。 强烈强化型强烈强化型-非对称点阵畸变，强化效果较强。非对称点阵畸变，强化效果较强。 如体心立方结构中的八面体中间隙原子。如体心立方结构中的八面体中间隙原子。 溶质与熔剂价电子数相差越

44、大，固溶强化越大。溶质与熔剂价电子数相差越大，固溶强化越大。Cu-Ni固溶体成分与固溶体成分与力学性能间的关系力学性能间的关系不同含量的不同含量的Mg的的应力应变曲线应力应变曲线电子浓度对电子浓度对铜固溶体屈铜固溶体屈服应力的影服应力的影响响（二）固溶强化的位错机制（二）固溶强化的位错机制1.1.弹性交互作用与弹性交互作用与“柯氏气团柯氏气团”（主要机制）（主要机制） 溶质原子在刃型位错线附近的分布溶质原子在刃型位错线附近的分布偏聚于位错线附近偏聚于位错线附近的溶质原子形成的溶质原子形成“柯氏气团柯氏气团”,降低了降低了弹性应变能弹性应变能,对位错对位错起到起到“钉扎钉扎”作用，作用，降低了位

45、错的易动降低了位错的易动性，从而强化了性，从而强化了材料。材料。2.2.化学交互作用与化学交互作用与“柃木气团柃木气团”（三）屈服与应变时效（三）屈服与应变时效1. 屈服现象屈服现象 低碳钢的应力低碳钢的应力 -应变曲线上有应变曲线上有 明显的上、下明显的上、下 屈服点。屈服点。 低碳钢退火态应力低碳钢退火态应力-应变曲线应变曲线 低碳钢的屈服现象低碳钢的屈服现象（1）层错区溶质原子的偏聚形成）层错区溶质原子的偏聚形成“柃木气团柃木气团”，使层，使层错错 能降低，对扩展位错，产生钉扎作用，降低了扩能降低，对扩展位错，产生钉扎作用，降低了扩 展位错的运动。展位错的运动。（2）“柃木气团柃木气团”

46、气团使扩展位错加宽气团使扩展位错加宽,扩展位错扩展位错“束束集集” 难于进行，使扩展位错运动阻力增大。难于进行，使扩展位错运动阻力增大。材料一旦发生屈服可在抛材料一旦发生屈服可在抛光光 的表面与纵轴呈的表面与纵轴呈45o交角的交角的 应变痕迹称为应变痕迹称为吕德斯带吕德斯带。吕德斯带吕德斯带在试验前进行少量预变形在试验前进行少量预变形后去载再立即加载拉伸，曲后去载再立即加载拉伸，曲线不出现屈服，如线不出现屈服，如b曲线。曲线。在外力作用下，吕德在外力作用下，吕德 斯带则在试样长度方斯带则在试样长度方 向扩展，此阶段为屈向扩展，此阶段为屈 服延伸阶段服延伸阶段吕德斯带延伸至整个试样，则屈服延伸阶

47、段结束，吕德斯带延伸至整个试样，则屈服延伸阶段结束， 从而发生加工硬化现象。从而发生加工硬化现象。在屈服阶段由于变形不均匀，则会使工件表面（深冲在屈服阶段由于变形不均匀，则会使工件表面（深冲 件）粗造不平。件）粗造不平。 消除办法：利用消除办法：利用应变时效应变时效原理，先进行少量预变形以原理，先进行少量预变形以 消除屈服点，随后再进行冷压成型可保证表面光滑。消除屈服点，随后再进行冷压成型可保证表面光滑。应变时效应变时效试样经少量预变形试样经少量预变形 后，放置一段较长时间后继续拉后，放置一段较长时间后继续拉 伸则仍会出现屈服现象，且屈服伸则仍会出现屈服现象，且屈服 应力提高，此种现象称为应变

48、时应力提高，此种现象称为应变时 效如右图的效如右图的c曲线。曲线。在屈服延伸阶段试样变形不均匀。在屈服延伸阶段试样变形不均匀。2. 屈服现象的解释屈服现象的解释 （1）上屈服点上屈服点：位错与溶质原子的弹性交互作用，形：位错与溶质原子的弹性交互作用，形 成成“柯氏气团柯氏气团”对位错产生对位错产生“钉札钉札”作用，从而降作用，从而降低了低了 体系的畸变能，只有施以高应力才能使位错体系的畸变能，只有施以高应力才能使位错“脱钉脱钉” 导致位错的运动，使材料变形，即为上屈服点。导致位错的运动，使材料变形，即为上屈服点。（2）下屈服点下屈服点：位错：位错“脱钉脱钉”后继续运动只需较小的应后继续运动只需

49、较小的应力力 拉伸曲线上将出现下屈服点。拉伸曲线上将出现下屈服点。（3）预变形后加载不出现屈服点是因为）预变形后加载不出现屈服点是因为“柯氏气团柯氏气团”消消失失（4）应变时效的原因应变时效的原因是：是：溶质原子通过扩散又形成了溶质原子通过扩散又形成了 “柯氏气团柯氏气团”，位错被，位错被“钉札钉札”。 10.6 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形（一）（一）聚合型聚合型两相的塑性变形两相的塑性变形1.两相性能接近：（两相塑性较好）两相性能接近：（两相塑性较好）按强度分数相加计算按强度分数相加计算(等应力、等应变模型等应力、等应变模型)近似公式：近似公式： 22112112-两相的体积分数两

50、相的体积分数-两相的流变应力两相的流变应力两相性能相近的合金其强度取决于两相的体积分数两相性能相近的合金其强度取决于两相的体积分数（1）硬脆相呈片状分布时为强化相。如珠光体中的）硬脆相呈片状分布时为强化相。如珠光体中的Fe3C 呈片状为强化相，呈片状为强化相，Fe3C%越多，越多，P 的强度、硬度越的强度、硬度越 高，塑性、韧性较低。高，塑性、韧性较低。45钢的强度大于钢的强度大于20钢。钢。（2）硬脆相呈颗粒状分布，在含碳量相同时）硬脆相呈颗粒状分布，在含碳量相同时P呈粒状比呈粒状比 片层状片层状P 硬度、强度较低而塑性、韧性好，因此具硬度、强度较低而塑性、韧性好，因此具 有较好的综合性能有

51、较好的综合性能(如粒状如粒状P加工性能好于片状加工性能好于片状P)。（3）硬脆相呈连续网状分布时割裂了基体使强度、塑性）硬脆相呈连续网状分布时割裂了基体使强度、塑性 及韧性大大下降及韧性大大下降(T12钢的强度、韧型钢的强度、韧型)。合金的性能主要取决于脆性第二相的形状、数量和分合金的性能主要取决于脆性第二相的形状、数量和分布。只有基体相才能发生塑性变形，脆性相限制基体布。只有基体相才能发生塑性变形，脆性相限制基体的塑性变形。的塑性变形。2.软基体硬脆第二相软基体硬脆第二相（二）（二）弥散型弥散型两相合金的塑性变形两相合金的塑性变形当第二相以细小弥散的颗粒均匀分布于基体中时将产生当第二相以细小

52、弥散的颗粒均匀分布于基体中时将产生明显的强化作用。明显的强化作用。弥散强化弥散强化-由于过饱和固溶体的沉淀析出（析出碳化物）由于过饱和固溶体的沉淀析出（析出碳化物） 造成的造成的b HB ；、k较好。较好。根据第二相颗粒是否可以变形弥散强化位错机制分为：根据第二相颗粒是否可以变形弥散强化位错机制分为：（1）位错绕过机制位错绕过机制-对于对于不可变形微粒不可变形微粒位错弯曲并绕过位错弯曲并绕过 粒子需要外力作功，位错绕过粒子以后在材料中粒子需要外力作功，位错绕过粒子以后在材料中 形成位错环，增加了点阵畸变区，从而使形成位错环，增加了点阵畸变区，从而使b。 又称为又称为“奥罗万机制奥罗万机制”。位

53、错绕过时，既要克服第二相粒子的阻碍作用，又要位错绕过时，既要克服第二相粒子的阻碍作用，又要克服位错环位错源的反向应力，位错绕过粒子间距为克服位错环位错源的反向应力，位错绕过粒子间距为的第二相颗粒的切应力的第二相颗粒的切应力为：为： Gb G-切变的弹性模量切变的弹性模量b-柏氏矢量的大小柏氏矢量的大小由此可知：由此可知：第二相颗粒的间距第二相颗粒的间距越越 小，强化效果越明显。小，强化效果越明显。黄铜中绕黄铜中绕Al2O3 粒子的位错环透粒子的位错环透 射电镜照片射电镜照片位错绕过粒子示意图位错绕过粒子示意图（2）位错切过机制位错切过机制-对于对于可变形微粒可变形微粒，位错切过第二相，位错切过

54、第二相 粒子，主要有以下几种：粒子，主要有以下几种： 粒子结构与基体不同，位错切过粒子的滑移面上粒子结构与基体不同，位错切过粒子的滑移面上 原子错排，使粒子的能量升高；原子错排，使粒子的能量升高； 粒子为有序相，位错切过时将在粒子的滑移面上粒子为有序相，位错切过时将在粒子的滑移面上 产生反相畤界，增加了反相畤界能；产生反相畤界，增加了反相畤界能； 位错切过粒子，使粒子的表面产生大小为位错切过粒子，使粒子的表面产生大小为 模的模的 台阶，从而使界面积台阶，从而使界面积，界面能，界面能； 粒子周围的弹性应力场与位错产生交互作用，阻粒子周围的弹性应力场与位错产生交互作用，阻 碍位错的运动；碍位错的运

55、动； 粒子的弹性模量与基体不同，将会引起位错能量粒子的弹性模量与基体不同，将会引起位错能量 和线张力变化等均使和线张力变化等均使bb 位错切过粒子示意图位错切过粒子示意图 在在Ni-Cr-Al合金中位错切过合金中位错切过Ni3Al粒子的透射电镜照片粒子的透射电镜照片 10.6 金属变形后的组织与性能金属变形后的组织与性能一一.显微组织的变化显微组织的变化（一）（一）纤维状条纹纤维状条纹 随着变形的进行，晶粒破碎，并沿着轧制方向被拉长成随着变形的进行，晶粒破碎，并沿着轧制方向被拉长成细条状或纤维状。细条状或纤维状。 金属中的夹杂物也被拉长，形成纤维金属中的夹杂物也被拉长，形成纤维组织，使金属的性

56、能产生各向异性组织，使金属的性能产生各向异性 。 变形前后晶粒形状变化示意图变形前后晶粒形状变化示意图 a ）形变前）形变前 b)变形后变形后ab轧制方向轧制方向高碳钢强烈变形后的显高碳钢强烈变形后的显微组织微组织 20000XMn13强烈变形后的显强烈变形后的显 微组织微组织200X 工业纯铁工业纯铁20变形度变形度显微组织显微组织 200X工业纯铁工业纯铁40变形变形度显微组织度显微组织 200X工业纯铁工业纯铁60变形度变形度显微组织显微组织 200X随着变形量的增加随着变形量的增加晶粒、晶界被拉长晶粒、晶界被拉长呈显微状条纹呈显微状条纹金属经大量塑性变形后，由于位错密度增大和位错之间金

57、属经大量塑性变形后，由于位错密度增大和位错之间的交互作用，使得大量位错堆积在局部地区并相互缠结的交互作用，使得大量位错堆积在局部地区并相互缠结。位错的不均匀分布使晶粒分化成许多位向略有不同的。位错的不均匀分布使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块，从而在晶粒内产生亚晶粒。小晶块，从而在晶粒内产生亚晶粒。 （二）形变亚结构（二）形变亚结构 晶粒内部的亚晶粒晶粒内部的亚晶粒 亚晶粒示意图亚晶粒示意图 铜形变亚晶组织铜形变亚晶组织 (变形度变形度68%)（三）形变织构（强烈变形（三）形变织构（强烈变形 80%90% ） 丝织构示意图丝织构示意图 板织构示意图板织构示意图强烈变形后各晶粒的滑移方向都朝主

58、形变方向转变，使原来多晶强烈变形后各晶粒的滑移方向都朝主形变方向转变，使原来多晶体中位向互不相同的各晶粒空间位向趋于一致，此种组织成为形体中位向互不相同的各晶粒空间位向趋于一致，此种组织成为形变织构。形变织构分为：形变板织构和形变丝织构。变织构。形变织构分为：形变板织构和形变丝织构。板织构：板织构：hklhkl与轧面相平行的晶面；与轧面相平行的晶面；与轧向相平行的晶向。与轧向相平行的晶向。 丝织构：丝织构：与轧向相平行的晶向。与轧向相平行的晶向。如：硅钢片，大变形量在（如：硅钢片，大变形量在（110）100形成织构，以提高导磁率形成织构，以提高导磁率二二.塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属

59、性能的影响1.1.加工硬化加工硬化随着变形量增大，随着变形量增大， 金属的强度和硬度显著提高金属的强度和硬度显著提高 而塑性和韧性明显下降现象。而塑性和韧性明显下降现象。 单晶体的应力单晶体的应力- -应变曲线应变曲线（一）（一） 加工硬化及加工硬化曲线加工硬化及加工硬化曲线两种常见金属材料的力两种常见金属材料的力学性能与变形度曲线学性能与变形度曲线a) 工业纯铁工业纯铁 b）45钢钢2.2.单晶体的加工硬化曲线单晶体的加工硬化曲线单晶体的应力单晶体的应力-应变曲线应变曲线依据依据对于对于的变化率的变化率： dd-称为加工硬化率称为加工硬化率 或加工硬化系数或加工硬化系数（1）第）第阶段阶段

60、- 易滑移阶段易滑移阶段曲线特征：当曲线特征：当 c c时，开始进入塑性变形的时，开始进入塑性变形的初始阶初始阶 段段, ,加工硬化速率加工硬化速率很低，很低，=10=10-4G-4G （G G为切变模量）；为切变模量）；滑移机制：单系滑移，位错运动阻力较小，随着位错源滑移机制：单系滑移，位错运动阻力较小，随着位错源 的不断增值，使晶体能实现较大的应变。的不断增值，使晶体能实现较大的应变。（2）第）第阶段阶段 - 线性硬化阶段线性硬化阶段 曲线特征：该阶段曲线特征：该阶段 较大，较大， = ， 加工硬化明显。加工硬化明显。 300G位错的双滑移（刃、螺）和多滑移（螺）的结果。位错的双滑移（刃、