金属材料及热处理课件作业1第六章

金属材料及热处理主讲：宋晓国材料科学与工程学院宋健研究院308室Tel:5677156-Mail:songxg@第6章固体材料的变形与断裂材料的强度和塑性是两个十分重要的力学性能，它决定了零构件加工成形的工艺性能，同时又是零构件重要的使用性能。材料的力学性能是结构敏感的，它和材料的组织和结构有密切关系，如晶体的缺陷密度。本章主要讨论材料的变形行为和微观机制。弹性

塑性粘性6.1弹性变形6.1.1普弹性

晶体发生弹性变形时，应力与应变成线性关系，去掉外力后应变完全消失，晶体恢复到未变形状态。E与G满足6.1弹性变形弹性模量是重要的物理及力学参数，表示使原子离开平衡位置的难易程度，只取决于晶体原子结合的本性，不依晶粒大小和组织变化而变化，是一种组织不明感的性质。材料E/104MPa泊松比钢20.70.28铜110.35聚乙烯0.30.38橡胶10-4_10-30.49氧化铝400.35几种不同材料的弹性模量对于完全弹性体，加上或除去应力，应变都是瞬时达到平衡值6.1.2滞弹性

在弹性范围内加载或去载，应变不是瞬时达到其平衡值，而使通过一种弛豫过程来完成，即随时间的延长，逐步趋于平衡值。6.1弹性变形恒应力下的滞弹性曲线振动应力下滞弹性引起的应力-应变回线内耗：由于内部原因使机械能转化为热能消耗。6.2单晶体的塑形变形6.2.1滑移

铜中的滑移带7％冷变形铝的表面图像常温下晶体材料塑性变形主要方式有滑移和孪生。6.2单晶体的塑形变形滑移带与滑移线将表面抛光的单晶体试样进行拉伸，使之产生适量的塑性变形后，在金相显微镜下观察，可以看到抛光的表面上出现许多相互平行的线条，通常称为滑移带。经高分辨率的电子显微镜分析表明，每条滑移带是由一族相互平行的滑移线组成。滑移线是试样塑性变形后，表面上产生的一个个小台阶。塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动，这种变形方式称为滑移。晶体的滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而滑移线之间的晶体并未发生变形。6.2单晶体的塑形变形

滑移带形成示意图

滑移带与滑移线金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的，这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方向则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的距离最大，面与面之间的结合力较小，滑移的阻力小，故易滑动。而沿密排方向原子密度大，原子每次需要移动的间距小，阻力也小。一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间取向。6.2单晶体的塑形变形6.2单晶体的塑形变形三种常见金属晶体结构的滑移系6.2单晶体的塑形变形晶体中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取向便越多，滑移越容易进行，故这种晶体的塑性便越好。密排六方晶体由于滑移系数目太少，故塑性较差。晶体塑性的好坏，不仅取决于滑移系的多少，还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。例如体心立方金属α－Fe，与面心立方金属的滑移系同样多，都为12个。但它的滑移方向没有面心立方金属多，同时滑移面间距离较小，原子间结合力较大，必须在较大的应力作用下才能开始滑移，所以它的塑性要比铝、铜等面心立方金属差。6.2单晶体的塑形变形滑移的临界分切应力晶体受力时，并非所有的滑移系都同时参与滑移，而是由受力状态决定的。只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定的临界值时，这一滑移系开动，晶体才开始滑移。该分切应力即称为滑移的临界分切应力，以τk表示，它是使滑移系开动的最小分切应力。6.2单晶体的塑形变形m称为取向因子，或称施密特因子（Schmid）。单晶体的屈服强度σs将随外力与滑移面和滑移方向之间的位向关系而变，即取向因子m发生改变时，σs也要改变。

当外力与滑移面、滑移方向的夹角都呈45°时，取向因子具有最大值，为0.5。此时分切应力最大，σs具有最低值，晶体材料最容易进行滑移，并表现出最大的塑性，这种取向称为软位向。而当外力与滑移面平行(ψ＝90°)或垂直（λ＝90°）时，取向因子为零，则无论τk的数值如何，σs均为无穷大，晶体在此情况下不能产生滑移，这种取向称为硬位向。镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系立方晶系晶面（h1k1l1）法线和晶向[h2k2l2]的夹角为故滑移面(-111)的法线方向与拉力轴[001]的夹角为

同理，滑移方向[101]和拉力轴[001]的夹角为故6.2单晶体的塑形变形例题已知Al的临界分切应力为0.24MPa，计算要使面上产生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？6.2单晶体的塑形变形滑移时的晶体转动单晶体滑移时，除了滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动，从而使晶体的空间位向发生变化。位向改变的结果使滑移面和滑移方向逐渐平行于拉伸的轴线。拉伸时晶体发生转动的示意图6.2单晶体的塑形变形若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层会像推开扑克牌那样一层层滑开，每一层和力轴的夹角保持不变。但在实际拉伸时，夹头不能移动，迫使晶体转动，在靠近夹头处由于夹头的约束晶体不能自由滑动而产生弯曲，在远离夹头的地方，晶体发生转动使滑移方向转向力轴。实际拉伸6.2单晶体的塑形变形实际压缩6.2单晶体的塑形变形多滑移与交滑移多滑移：若有多组滑移系相对于外力轴的方向相同，分切应力同时达到临界值，滑移一开始就可以在两个或多个滑移系同时进行。交滑移：在晶体中，还会发生两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同时或交替进行滑移的现象。交滑移的示意图抛光试样的波纹状交滑移带6.2单晶体的塑形变形单晶体的应力-应变曲线

I：易滑移阶段Ⅱ：线性硬化阶段Ⅲ：抛物线型硬化阶段典型单晶体的应力-应变曲线6.2.2孪生6.2单晶体的塑形变形晶体塑性变形的另一种常见方式是孪生。孪生是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面或孪生面)与晶向(孪生方向)产生一定角度的均匀切变。发生切变的区域称为孪晶或孪晶带。6.2单晶体的塑形变形宏观外形看不出孪生或对称关系微观原子排列显示孪生关系6.2单晶体的塑形变形面心立方晶体孪晶的高分辨电镜照片孪生变形的特点(与滑移相比)孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界切应力。因此，只有在滑移难以进行的条件下，晶体才发生孪生变形，如一些HCP结构的金属，常以孪生方式进行塑性变形；而BCC结构的金属滑移系较多，如α-Fe等，只有在室温以下或受到冲击裁荷作用时，才发生孪生变形；而FCC结构的金属，由于其对称性高，滑移系多，所以很少发生孪生变形。6.2单晶体的塑形变形6.2单晶体的塑形变形孪生变形速度极快，常引起冲击波，并伴随响声。孪生是一种均匀切变，且每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。而滑移变形是不均匀的，只集中在一些滑移面上。孪生的两部分晶体形成晶面对称的位向关系。与滑移相比，孪生对晶体塑性变形的贡献较小，但孪生的形成改变了晶体的位向，使某些处于不利取向的滑移系转变到有利于滑移的位置，于是，可以激发进一步的滑移变形，使金属的变形能力得到提高。6.2单晶体的塑形变形滑移使滑移面两侧相对滑动一个完整的平移矢量（柏氏矢量），而孪生则在孪晶内所有的面都滑动，滑动的距离并非是完整的平移矢量，每个面的滑动量与距孪生面的距离成正比。滑移后整个晶体的位向没有改变，而孪生则使孪晶部分的位向与基体对称。孪生滑移6.2.3晶体的扭折6.2单晶体的塑形变形塑性变形的一种形式。出现条件：滑移和孪生困难时压缩方向平行于滑移面，不容易滑移，为松弛外力，局部晶格绕某轴旋转而发生扭折。在扭折带中包含大量不均匀堆积的滑移位错，在扭折面K两边的滑移线虽然是晶面对称的，但晶格却并非是对称的。镉单晶体压缩时出现扭折带外貌及示意图6.3多晶体的塑形变形6.3.1多晶体的塑形变形过程与单晶体塑形变形相比：相同：以滑移，孪生为基本方式不同：晶界阻碍、晶粒取向晶界的影响晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重。同时，晶界两侧的晶粒取向不同，滑移系的位向彼此不一致，因此，滑移从一个晶粒延续到另一个晶粒是很困难的，晶界对滑移有阻碍作用。此外，多晶体的塑性变形具有不均匀性。位错的平面塞积群拉伸后晶界处呈竹节状6.3多晶体的塑形变形6.3多晶体的塑形变形晶粒取向的影响处于软位向的晶粒，开始产生滑移，滑移面上的位错源开动，源源不断的位错沿着滑移面进行运动，而后，位错在晶界处受阻，形成位错的平面塞积群。位错塞积造成很大的应力集中，随着外力的增加，使相邻晶粒某些滑移系中的分切应力达到临界值，于是，相邻晶粒位错源也开始启动，并产生相应的滑移。塑性变形从一个晶粒传递到另一个晶粒，一批批晶粒如此传递下去，使整个试样产生了宏观的塑性变形。晶粒间须通过多系滑移来保证其协调性。滑移系较多的FCC和BCC晶体，通过多系滑移表现出良好的塑性，而HCP晶体的滑移系少，晶粒之间的协调性差，故塑性变形能力低。6.3多晶体的塑形变形6.3.2晶粒大小对塑形变形的影响材料的强度随晶粒细化而提高。满足Hall－Petch公式。晶粒越细，单位体积材料中晶粒的数目越多，晶界的总面积越大，对材料塑性变形的阻力越大，这就是细晶强化的实质。晶粒细小而均匀时，不仅常温下材料的强度较高，而且塑性和韧性较好。这是因为晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，在同样变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，引起的应力集中减小。使材料在断裂之前能承受较大的变形量，所以具有较大的延伸率和断面收缩率。此外，晶粒越细，晶界越曲折，越不利于裂纹沿晶界的传播，从而在断裂过程中可以吸收更多的能量，表现出较高的韧性。6.3多晶体的塑形变形6.3.3多晶体应力-应变曲线6.3多晶体的塑形变形不具有单晶体的第I阶段应力-应变曲线斜率明显高于单晶6.4塑形变形对金属组织与性能的影响6.4.1显微组织与性能的变化压缩变形率自左向右30%，50%，70%显微组织34铜经不同程度冷轧后的光学显微组织30%压缩率

6.4塑形变形对金属组织与性能的影响50%压缩率

99%压缩率

显微组织的变化晶粒的形状会发生相应的变化，其显微组织发生明显的改变。如在轧制过程中，随着变形量的增加，原来的等轴晶粒沿延伸方向逐渐伸长。当变形量很大时，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出纤维状的条纹，通常称之为纤维组织。纤维的分布方向就是金属流变伸展的方向。纤维组织使金属的性能具有明显的方向性，其纵向的强度和塑性高于横向。金属中有夹杂物存在时，塑性杂质沿变形方向被拉长为细条状，脆性杂质破碎，沿变形方向呈断续状分布。6.4塑形变形对金属组织与性能的影响压缩变形率自左向右30%，50%，70%6.4塑形变形对金属组织与性能的影响亚结构37铜经不同程度冷轧后的透射电镜图像30%压缩率

50%压缩率

99%压缩率

6.4塑形变形对金属组织与性能的影响亚结构的细化随着变形量的增大，晶体中的位错密度迅速提高。当形变量较小时，形成位错缠结结构；当变形量继续增加时，大量位错发生聚集，形成胞状亚结构，称为形变亚晶或形变胞。胞壁由位错构成，胞内位错密度较低，相邻胞间存在微小取向差。随着形变量的增加，这种胞的尺寸减小，数量增加；如果变形量非常大时，如强烈冷变形或拉丝，则会构成大量排列紧密的细长条状形变胞。变形亚晶对滑移过程有巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，是产生加工硬化的主要原因之一。6.4塑形变形对金属组织与性能的影响6.4塑形变形对金属组织与性能的影响性能的变化力学性能——加工硬化强度（硬度）显著提高，而塑性韧性下降。

其他性能的变化

电阻率增高，电阻温度系数下降；磁导率下降，热导率降低，磁滞损耗及矫顽力增大。扩散过程加速，化学活性增大，腐蚀速度加快。6.4塑形变形对金属组织与性能的影响6.4.2形变织构当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的各个晶粒，会逐渐调整到其取向趋于一致，这一现象称为晶粒的择优取向(形变织构)。丝织构其特征是各晶粒的某一晶向趋向平行于拉拔方向。如铝拉丝为<111>织构，冷拉铁丝为<110>织构；板织构特征为各晶粒的某一晶面和晶向趋向平行于轧面和轧向。如冷轧黄铜的{110},<112>织构。41变形织构造成的“制耳”现象6.4塑形变形对金属组织与性能的影响变形织构造成材料的各向异性，对材料的加工成型和使用都有很大的影响，多数情况下是有害的。所谓的“制耳”现象。但有时，织构的存在却是有利的，例如，采用具有((100)[001])织构的硅钢片制作电动机或变压器的铁心时，将可以提高导磁率，减少损耗。6.4.3残余应力

材料在塑性变形过程中，外力所作的功大部分转化为热能散失了，只有不到10%被保留在材料内部（即储存能）。储存能以残余内应力和点阵畸变的形式表现出来。第一类内应力（宏观残余应力）。它是由于工件各部分间的宏观变形不均匀而引起的，其作用范围是整个工件。易产生变形、开裂。一般不希望工件内部存在宏观内应力。第二类内应力（微观残余应力）。它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀而产生的。其作用范围为几个晶粒或几个亚晶粒。虽然这种内应力所占的比例不大(约占全部内应力的1%—2％)，但在某些局部区域，有时微观残余应力很大，致使工件在不大的外力作用下即产生显微裂纹，并进而导致工件的断裂。6.4塑形变形对金属组织与性能的影响第三类内应力（点阵畸变）。它是由于材料在塑性变形中，产生大量点阵缺陷，而造成的晶格畸变。其作用范围更小，在几十至几百纳米范围内，它使金属的硬度、强度升高，而塑性和抗腐蚀性能下降。塑性变形后晶体中存在的储存能，特别是点阵畸变，导致系统处于不稳定状态，外界条件合适时，将会发生向平衡状态的转变，即回复和再结晶现象。一般残余应力的存在对材料的性能是有害的，它导致材料及工件的变形、开裂和产生应力腐蚀。残余应力可以通过适当方式的热处理加以消除。但是，工件表面残留一层压应力时，对提高使用寿命有利。例如，采用喷九和化学热处理方法使工件表面产生一层压应力，可以有效地提高工件（如弹簧和齿轮等）的疲劳抗力。6.4塑形变形对金属组织与性能的影响6.5金属及合金强化的位错解释位错密度与金属的强度提高强度的思路：减小位错的密度增大位错的密度晶体中的位错增殖Frank-Read位错增殖6.5金属及合金强化的位错解释与晶体强化相关的位错行为固溶强化-位错与溶质原子相互作用位错与溶质原子间应力场作用下，间隙型的溶质原子在位错线附近偏聚分布。形成柯氏气团（Cottrell气团）6.5金属及合金强化的位错解释屈服的物理本质屈服是位错挣脱与溶质原子或杂质原子间Cottrell气团的钉扎作用而开动的过程。 挣脱气团可表现出屈服降落。6.5金属及合金强化的位错解释应变时效

是指碳钢塑性变形后卸载，放置一段时间后重新加载的过程中屈服应力提高的现象。应变时效的出现是碳原子重新钉扎位错的结果。由于溶质原子的加入（合金化），可以使合金的强度提高。6.5金属及合金强化的位错解释形变强化-运动位错间相互作用位错相互交截，形成扭折或者割阶，增加位错的运动阻力。