航空工程材料课件 08 金属的塑性变形

2-3金属的塑性变形知识目标1.了解金属塑性变形的原因；2.了解金属的塑性变形及其对金属组织和性能的影响。能力目标掌握利用金属的塑性变形提高材料力学性能的方法。教学目标素质目标1.具有规章意识；2.具有安全意识。课前回顾1.固态合金中有哪两种基本相？如何分类？2.金属结晶有什么宏观特征？纯金属的结晶过程包括哪些步骤？3.晶粒大小对材料的力学性能有何影响？工业生产中采用的细化晶粒方法有哪些？4.什么是同素异构转变？简述铁的同素异构转变过程。规章意识轧制举例

3.5mm的16Mn合金钢板，经冷轧压延为1.2mm厚时，其硬度和强度分别由HB150和σb>510MPa，提高到HB270和σb>570MPa。但是如果继续进行压延变形，一方面需要更大的压力，另一方面则有可能将其压裂。

金属变形后为什么强度提高？有什么方法使其恢复变形能力？金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种压力加工，如轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及毛坯或零件，并可以消除铸造过程中某些缺陷。压力加工的实质就是塑性变形。拉伸试验的回顾材料内部发生了什么变化？材料内部发生塑性变形！拉伸试验的回顾材料内部发生了什么变化？材料内部发生塑性变形！单晶体的塑性变形的基本方式有两种：（1）滑移（2）孪生金属常以滑移方式发生塑性变形。一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形1.滑移（1）基本概念定义：是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生滑动位移的现象。滑移后，滑移面两侧晶体结构位向未发生变化。一、单晶体的塑性变形1.滑移（1）基本概念任何晶面上所受的力都可分解为正应力和切应力。他们均是材料在拉伸变形方向上力的分量，正应力与截面垂直，切应力与截面平行。一、单晶体的塑性变形1.滑移（1）基本概念

只有在切应力的作用下金属晶体的晶格在发生弹性扭曲后进一步造成滑移而产生塑性变形。外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片简单的说，正应力会使材料拉伸或压缩，切应力会使材料发生剪切变形。一、单晶体的塑性变形1.滑移（2）滑移变形的特点①滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称为滑移临界切应力。一、单晶体的塑性变形1.滑移（2）滑移变形的特点②滑移是通过刃型位错在滑移面上的运动来实现的。（相对位移是原子间距的整数倍）一、单晶体的塑性变形1.滑移（2）滑移变形的特点③滑移常沿着晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因为原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。一、单晶体的塑性变形1.滑移（2）滑移变形的特点一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。（以下以体心立方晶格为例）一、单晶体的塑性变形1.滑移（2）滑移变形的特点④滑移系数目越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。一、单晶体的塑性变形1.滑移计算三种典型金属晶格的滑移系，比较三种晶体结构金属的塑性。一、单晶体的塑性变形1.滑移计算三种典型金属晶格的滑移系，比较三种晶体结构金属的塑性。结论：金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。在光学显微镜下无法分辨出滑移带内滑移台阶，因此，滑移带也常常称为滑移线。一、单晶体的塑性变形1.滑移（2）滑移变形的特点一、单晶体的塑性变形1.滑移（2）滑移变形的特点⑤滑移的同时伴随着晶体的转动。当外力作用于单晶体试样时，它在某些相邻层晶面上所分解的切应力使晶体发生滑移，而正应力则组成一力偶，使晶体在滑移的同时向外力方向发生转动。一、单晶体的塑性变形1.滑移在切应力的作用下，晶体将会发生滑移，但滑移如何进行？问题：滑移是一次性地整体同时发生？还是以其它方式进行？实际金属滑移所需的切应力比理论值低几个数量级。金属滑移理论切应力滑移实测切应力Cu6272MPa0.98MPaAg4410MPa0.588MPaZn4704MPa0.921MPa为什么理论值与实际值会有如此大的差别呢？一、单晶体的塑性变形1.滑移（3）滑移的机理把滑移看作是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移是不对的。大量研究表明：滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。

晶体通过位错运动产生滑移时，并不需要整个晶体的上半部分原子相对于下半部分原子一起位移,而只有少数原子产生滑移，因而所需临界切应力小。一、单晶体的塑性变形2.孪生孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的原子排列呈镜面对称。一、单晶体的塑性变形2.孪生一、单晶体的塑性变形2.孪生一、单晶体的塑性变形2.孪生一、单晶体的塑性变形3.孪生与滑移的区别①孪生使晶格位向发生改变；②所需切应力比滑移大得多，变形速度极快,接近声速；③孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距；④金属表面的基本差别：滑移产生一系列台阶，而孪生则产生一个小的、范围确定的变形区。一、单晶体的塑性变形3.孪生与滑移的区别

密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。一、单晶体的塑性变形3.孪生与滑移的区别在金属中常见的三种晶体结构中，孪生对于密排六方金属最重要，因为它的滑移系很少。然而，即便能借助于孪生，像锌、镁等密排六方金属的塑性还是低于滑移系较多的面心立方和体心立方金属。二、金属多晶体的塑性变形1.晶界及晶粒位向差的影响（1）晶界的影响当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的变形抗力提高。二、金属多晶体的塑性变形1.晶界及晶粒位向差的影响（2）晶粒位向差的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，必然会受到它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍，各晶粒必须相互协调，相互适应，才能发生变形。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力总是高于单晶体。二、金属多晶体的塑性变形1.晶界及晶粒位向差的影响（2）晶粒位向差的影响多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒（切应力最大）。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上滑移时晶粒的转动，促使另一批晶粒开始滑移变形。从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，从少量晶粒开始逐步扩大到大量晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀变形。当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。二、金属多晶体的塑性变形2.晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小与金属强度关系问题：晶粒大小与金属力学性能之间有什么关系？可否用金属多晶体塑性变形的机理来解释？二、金属多晶体的塑性变形2.晶粒大小对金属力学性能的影响（1）金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。晶粒大小与金属强度关系二、金属多晶体的塑性变形2.晶粒大小对金属力学性能的影响（2）金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，而不致造成应力集中，引起裂纹的过早产生和发展，因此在断裂前可发生较大的塑性变形，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。★细晶强化三、塑性变形对组织结构的影响1.纤维组织工业纯铁在塑性变形前后的组织变化(a)正火态(b)应变40%(b)应变80%三、塑性变形对组织结构的影响1.纤维组织金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状或细条状，晶界变得模糊不清，金属性能将会具有明显的方向性。三、塑性变形对组织结构的影响2.亚晶粒增多塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。三、塑性变形对组织结构的影响3.织构三、塑性变形对组织结构的影响3.织构由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。板织构丝织构形变织构示意图三、塑性变形对组织结构的影响3.织构形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。各向异性导致的铜板“制耳”有无四、塑性变形对性能的影响1.加工硬化定义：随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。冷塑性变形量，%屈服强度，MPa40钢(0.4%C)黄铜铜伸长率，%40钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%四、塑性变形对性能的影响1.加工硬化①随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。②随变形量增加，亚结构细化。③随变形量增加,空位密度增加。（1）加工硬化产生的原因变形20%纯铁中的位错未变形纯铁四、塑性变形对性能的影响1.加工硬化（2）加工硬化对材料性能的影响加工硬化使金属材料的塑性、韧性下降，强度、硬度增加，是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的纯金属和合金尤为重要。提问：没有老虎钳，如何弄断一根铁丝，基本原理是什么？加工硬化的结果：给金属的进一步加工带来困难。解决的办法：在加工过程中安排一些加热（中间退火）工序，通过加热消除其加工硬化现象，以恢复它进一步变形的能力。四、塑性变形对性能的影响1.加工硬化（2）加工硬化对材料性能的影响加工硬化使金属材料的塑性、韧性下降，强度、硬度增加，是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的纯金属和合金尤为重要。提问1：没有老虎钳，如何弄断一根铁丝，基本原理是什么？

当铁丝来回变形，位错密度增加，硬度提高、塑性下降，材料越来越硬，塑性下降，脆性增大，直至最后断裂，就是加工硬化的结果四、塑性变形对性能的影响1.加工硬化（2）加工硬化对材料性能的影响提问2：在地震中，建筑这种钢筋混凝土结构，钢筋经过一定的变形，有何好处？当构件发生变形时，强度会提高，应力更大，变形更困难，可以产生强化、抗变形能力。意义：使材料具有一定的抗偶然过载的能力，保证安全。四、塑性变形对性能的影响1.加工硬化（2）加工硬化对材料性能的影响例如：冷拉高强度钢丝、冷卷弹簧、坦克和拖拉机的履带、破碎机的额板、铁路的道岔。意义：使材料具有一定的抗偶然过载的能力，保证安全。安全意识坚持“安全第一”，就是对国家负责，对企业负责，对人的生命负责。“预防为主”是实现安全第一的前提条件。“隐患险于明火，防范胜于救灾”，只要积极探索规律，采取有效的事前预防和控制措施，安全事故是可以大大减少甚至可以避免的。四、塑性变形对性能的影响2.内应力（1）内应力的分类第一类内应力平衡于表面与心部之间(宏观内应力)。第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间(微观内应力)。第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。

残余内应力是由于金属受力时，

内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中。四、塑性变形对性能的影响2.内应力（2）残余内应力对材料性能的影响第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。因为变形的不均匀，使得残余内应力的存在，使得工件容易变形和开裂。同时金属化学不稳定性增加、耐蚀性下降。四、塑性变形对性能的影响2.内应力（2）残余内应力对材料性能的影响因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。但在某些情况下，我们可以对工件主动引入残