塑性成形原理2

材料成形原理C

PrincipleofMaterialFormingC材料工程学院2011.7

金属塑性变形的物理基础

金属的晶体结构

单晶体的塑性变形

位错理论的基本概念

多晶体的塑性变形

塑性变形对金属组织和性能的影响2.1金属的晶体结构基本概念

晶胞结构

实际金属的晶体结构

基本概念晶体:原子按一定的几何规律在空间作周期性排列

晶格:用直线将原子中心连接起来，构成的空间格子空间点阵：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环境。晶胞：只包含一个阵点的六面体

晶界:晶粒和晶粒之间的界面

晶面:晶体中，由原子组成的平面晶向:由原子组成的直线，GrainorCrystallineStructureGrainBoundaryCrystals晶胞结构面心立方:AlNiCuγ-Fe

体心立方:CrVMoWα-Feβ-Ti

密排六方:ZnMgBeα-Tiα-Co等c/a=1.57-1.64

实际金属的晶体结构单晶体:各方向上的原子密度不同——各向异性

多晶体:晶粒方向性互相抵消——各向同性存在着一系列缺陷: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）2.642.374.106.707.1011.333.482.071.473.5410.3210.320.370.780.493.2~7.3527.571.633.30.5739.213.71.375.2738

232144382一些金属材料的实验屈服强度和理论屈服强度常见的缺陷

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。一般退火晶体：P=106-108/cm2超薄单晶体：P≦103/cm2冷变形金属：P=1011-1012/cm2

M.F.AshbyandD.R.H.Jones,EngineeringMaterials1,2nded.(2002)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b混合型位错（螺型+刃型）面缺陷

堆垛层错（stackingfault）抽出型层错插入型层错如面心立方：ABCA（B）CABC抽出ABC（B）ABCABC插入

晶界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

孪晶界亚晶界

扭转晶界扭转晶界面心立方结构中的(001)面相符扭转晶界u2.2单晶体的塑性变形

1、滑移:晶体一部分沿一定晶面（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。

滑移面：原子排列密度最大的晶面。滑移方向：原子排列密度最大的方向。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：，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ分别为滑移面与晶轴的截距，ａ，ｂ，ｃ为晶格常数。对于体心立方、面心立方，ａ＝ｂ＝ｃ

Gold(Au)-fccIron(Fe),Vanadium(V),Chromium(Cr)-bcc滑移时的位错运动

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

ｖ：波松比ａ：滑移平面间的距离ｂ：沿滑移方向原子间的距离

临界剪切应力

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

取向因子

[uvw]isperpendicularto(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位错理论的基本概念１、柏氏矢量（BurgersVector）和位错环

（a）围绕一刃型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。（a）围绕一刃型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中的相同迥路；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）

正攀移：位错缩短，空位迁移负攀移：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

DislocationLoop:FrankReed

bLTTR/2/2RLFrank-ReadsourcesinSiDash,DislocationandMechanicalPropertiesofCrystals,Wiley(1957).5交滑移（CrossSlip）

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6位错塞积

2.4多晶体的塑性变形

变形方式:滑移和孪生,基本与单晶体相同变形特点:晶界（杂质、排列紊乱）位向晶粒大小变形不均匀晶界（杂质、排列紊乱）位向位向基本相同—→变形易传递位向差别大，滑移系多—→变形易传递，滑移系少—→